В этой статье я расскажу о преимуществах диодов Шоттки, их применении и том, чем они отличаются от других диодов.
Введение в диод Шоттки с обратным потоком
Диод Шоттки с защитой от обратного тока — это тип полупроводникового устройства, которое служит односторонним клапаном для электрического тока. Он предназначен для предотвращения протекания тока в обратном направлении, что может привести к повреждению цепи или устройства. Диод Шоттки назван в честь Уолтера Х. Шоттки, который изобрел его в 1938 году.
Диод Шоттки с защитой от обратного тока широко используется в электронных устройствах, таких как источники питания, зарядные устройства для аккумуляторов и солнечные панели. Он особенно полезен в цепях, где существует риск обратного тока из-за характера нагрузки или источника питания. Например, в системе солнечных панелей диод может предотвратить разрядку аккумулятора через солнечные элементы в ночное время.
В целом, диод Шоттки с защитой от обратного тока является важным компонентом многих электронных систем, обеспечивающим их правильную и безопасную работу.
Понимание прямого напряжения диода Шоттки
Прямой падение напряжения диода Шоттки обычно составляет от 0,15 до 0,45 вольт, что значительно ниже, чем 0,6–0,7 вольт для обычного диода. Такое низкое прямое падение напряжения означает, что диоды Шоттки более эффективны в преобразовании электрической энергии в свет или тепло. Кроме того, низкое прямое падение напряжения делает их идеальными для применения в низковольтных системах.
Как работает диод Шоттки?
Диод Шоттки работает за счет создания барьера между металлом и полупроводником. Металлическая область является положительным электродом, а область полупроводника N-типа — отрицательным электродом. Поскольку в полупроводнике содержится много электронов, а в металле — лишь несколько, электроны диффундируют из полупроводника в металл. Это создает потенциальный барьер, который блокирует протекание тока в обратном направлении. Когда дрейфовое движение электронов и диффузионное движение достигают равновесия, образуется барьер Шоттки.
Типичный выпрямитель Шоттки использует полупроводниковую подложку N-типа с эпитаксиальным слоем N, легированным мышьяком. Молибден или алюминий используются для изготовления барьерного слоя для анода, а диоксид кремния используется для улучшения значения выдерживаемого напряжения трубки. Под подложкой формируется N+ катодный слой для уменьшения контактного сопротивления катода. Путем регулирования структурных параметров между подложкой N-типа и металлом анода формируется барьер Шоттки. Приложение прямого смещения к обоим концам барьера Шоттки делает барьерный слой более узким и уменьшает его сопротивление, в то время как обратное смещение расширяет барьерный слой и увеличивает его сопротивление.
Структура диода Шоттки
Новый высоковольтный SBD отличается от традиционного SBD как по структуре, так и по материалу. В традиционных SBD используются металлополупроводниковые контакты с металлами, такими как алюминий, золото, молибден, никель или титан, и полупроводниками, такими как кремний (Si) или арсенид галлия (GaAs).
Для достижения хороших частотных характеристик в качестве подложки выбираются полупроводниковые материалы N-типа из-за более высокой подвижности электронов по сравнению с дырками. Высокоомный тонкий слой N-типа также эпитаксиально наносится на подложку N+ для уменьшения емкости перехода и увеличения обратного пробоя напряжения без чрезмерного увеличения последовательного сопротивления.
Когда металл вступает в контакт с полупроводником, электроны диффундируют из полупроводника в металл из-за того, что уровень Ферми металла ниже, чем у полупроводника. В результате металл становится отрицательно заряженным, а полупроводник — положительно заряженным. Поскольку металлы являются идеальными проводниками, отрицательные заряды распределяются только в тонком слое атомного размера на поверхности.
Полупроводники N-типа имеют положительно заряженные атомы примесей-доноров, которые распределены по большей площади. Когда электроны диффундируют из полупроводника в металл, образуются слой истощения, самосозданное электрическое поле и потенциальный барьер, который существует только на стороне полупроводника N-типа. Самостоятельно созданное электрическое поле в области барьера направлено от области N-типа к металлу. По мере увеличения самостоятельно созданного поля тепловой эмиссии электронов противоположный диффузионному току дрейфовый ток увеличивается до достижения динамического равновесия, образуя контактный потенциал между металлом и полупроводником, известный как барьер Шоттки.
Когда напряжение равно нулю, диффузионный ток электронов равен обратному дрейфовому току, что приводит к динамическому равновесию. Приложение прямого смещения ослабляет самосозданное поле и уменьшает потенциальный барьер со стороны полупроводника, позволяя прямому току протекать от металла к полупроводнику. С другой стороны, приложение обратного смещения усиливает самосозданное поле и увеличивает высоту потенциального барьера, вызывая протекание небольшого обратного тока от полупроводника к металлу. Таким образом, как и диод с PN-переходом, SBD является нелинейным устройством, проводящим ток в одном направлении.
Применение диодов Шоттки в современной электронике
Диоды Шоттки имеют широкий спектр применения в современной электронике. Одно из наиболее распространенных применений — выпрямление мощности, где они используются для преобразования переменного тока в постоянный. Они также могут использоваться для фиксации напряжения, где они ограничивают максимальное напряжение в цепи. Кроме того, диоды Шоттки широко используются в высокочастотных приложениях, таких как радиочастотные детекторы и смесители.
Преимущества и недостатки диода Шоттки
Преимущества диода Шоттки:
- Низкое напряжение прямого пробоя по сравнению с другими диодами, что приводит к меньшим потерям мощности и более высокой эффективности.
- Более высокая скорость переключения по сравнению с другими диодами благодаря более низкой емкости перехода, что делает его идеальным для высокочастотных применений.
- Более низкое время обратного восстановления по сравнению с другими диодами, что снижает риск повреждения от скачков обратного напряжения.
- Более высокий диапазон рабочих температур по сравнению с другими диодами, что делает его пригодным для использования в условиях высоких температур.
- Может использоваться в качестве выпрямителя в источниках питания, для фиксации напряжения, демодуляции сигналов и в других приложениях.
Недостатки диода Шоттки:
- Более низкое обратное напряжение пробоя по сравнению с другими диодами, что ограничивает его использование в высоковольтных приложениях.
- Более высокий ток утечки по сравнению с другими диодами, что может вызвать проблемы в схемах, требующих низкого энергопотребления.
- Более подвержен тепловому разгону из-за более низкого падения напряжения в прямом направлении, что может привести к повреждению диода и окружающих компонентов.
- Чувствительность к электростатическому разряду (ESD), который может привести к необратимому повреждению диода.
- Ограниченная доступность высоковольтных диодов Шоттки по сравнению с другими типами диодов.
Пример:
Примером диода Шоттки является 1N5817. Он имеет падение напряжения в прямом направлении 0,45 В и максимальный ток в прямом направлении 1 А. Он может использоваться для выпрямления, фиксации напряжения и других применений в низковольтных цепях. Однако он может не подходить для высоковольтных применений из-за более низкого обратного напряжения пробоя.
Диод Шоттки и обычный диод
Основное отличие диода Шоттки от обычного диода заключается в типе используемого перехода. В обычных диодах используется P-N-переход, а в диодах Шоттки — металл-полупроводниковый переход. Это различие в типе перехода приводит к более низкому падению напряжения в прямом направлении для диодов Шоттки, а также к более высокой скорости переключения и более низкому времени обратного восстановления.
Выбор подходящего диода Шоттки для вашего применения
При выборе диода Шоттки для вашего применения необходимо учитывать несколько факторов. Первый фактор — падение напряжения в прямом направлении, которое определяет минимальное напряжение, при котором диод будет проводить ток.
Второй фактор — это номинальное обратное напряжение, которое определяет максимальное напряжение, которое диод может выдержать в обратном направлении.
Наконец, третьим фактором является максимальный номинальный ток, который определяет максимальный ток, который может выдержать диод.
