In questo articolo, discuterò i vantaggi dei diodi Schottky, le loro applicazioni e cosa li rende diversi dagli altri diodi.
Introduzione al diodo Schottky anti-flusso inverso
Un diodo Schottky anti-flusso inverso è un tipo di dispositivo a semiconduttore che funge da valvola unidirezionale per la corrente elettrica. È progettato per impedire il flusso di corrente nella direzione opposta, il che potrebbe danneggiare il circuito o il dispositivo. Il diodo Schottky prende il nome da Walter H. Schottky, che lo inventò nel 1938.
Il diodo Schottky anti-flusso inverso è comunemente utilizzato in dispositivi elettronici come alimentatori, caricabatterie e pannelli solari. È particolarmente utile in circuiti in cui esiste il rischio di flusso di corrente inversa a causa della natura del carico o della fonte di alimentazione. Ad esempio, in un sistema di pannelli solari, il diodo può impedire che la batteria si scarichi attraverso le celle solari di notte.
Nel complesso, il diodo Schottky anti-flusso inverso è un componente essenziale in molti sistemi elettronici per garantire un funzionamento sicuro e corretto.
Comprensione della tensione di polarizzazione diretta del diodo Schottky
La caduta di tensione di polarizzazione diretta di un diodo Schottky è tipicamente compresa tra 0,15 e 0,45 volt, che è molto inferiore ai 0,6-0,7 volt di un diodo normale. Questa bassa caduta di tensione di polarizzazione diretta significa che i diodi Schottky sono più efficienti nella conversione dell’energia elettrica in luce o calore. Inoltre, questa bassa caduta di tensione di polarizzazione diretta li rende ideali per applicazioni a bassa tensione.
Come funziona il diodo Schottky?
Un diodo Schottky funziona creando una barriera tra un metallo e un semiconduttore. La regione metallica è l’elettrodo positivo e la regione semiconduttrice di tipo N è l’elettrodo negativo. Poiché ci sono molti elettroni nel semiconduttore e pochi nel metallo, gli elettroni si diffondono dal semiconduttore al metallo. Questo crea una barriera di potenziale che blocca il flusso di corrente nella direzione inversa. Quando il movimento di deriva degli elettroni e il movimento di diffusione raggiungono un equilibrio, si forma una barriera Schottky.
Un tipico raddrizzatore Schottky utilizza un substrato semiconduttore di tipo N con uno strato epitassiale di tipo N drogato con arsenico. Il molibdeno o l’alluminio vengono utilizzati per creare lo strato barriera per l’anodo e il biossido di silicio viene utilizzato per migliorare il valore della tensione di tenuta del tubo. Uno strato catodico N+ viene formato sotto il substrato per ridurre la resistenza di contatto del catodo. Regolando i parametri strutturali, si forma una barriera Schottky tra il substrato di tipo N e il metallo dell’anodo. L’applicazione di una polarizzazione diretta alle due estremità della barriera Schottky restringe lo strato barriera e ne riduce la resistenza, mentre una polarizzazione inversa allarga lo strato barriera e ne aumenta la resistenza.
Struttura del diodo Schottky
Il nuovo SBD ad alta tensione differisce dagli SBD tradizionali sia nella struttura che nel materiale. Gli SBD tradizionali utilizzano contatti metallo-semiconduttore con metalli come alluminio, oro, molibdeno, nichel o titanio e semiconduttori come silicio (Si) o arseniuro di gallio (GaAs).
Per ottenere buone caratteristiche di frequenza, i materiali semiconduttori di tipo N sono scelti per il substrato grazie alla maggiore mobilità degli elettroni rispetto alle lacune. Anche uno strato N- sottile ad alta resistenza viene epitassialmente depositato sul substrato N+ per ridurre la capacità di giunzione e aumentare la tensione di rottura inversa senza aumentare eccessivamente la resistenza di serie.
Quando un metallo entra in contatto con un semiconduttore, gli elettroni si diffondono dal semiconduttore al metallo a causa del livello di Fermi del metallo che è inferiore a quello del semiconduttore. Ciò fa sì che il metallo diventi carico negativamente e il semiconduttore diventi carico positivamente. Poiché i metalli sono perfetti conduttori, le cariche negative sono distribuite solo all’interno di un sottile strato atomico sulla superficie.
I semiconduttori di tipo N hanno atomi di impurità donatrici caricati positivamente che sono distribuiti su un’area più ampia. Quando gli elettroni si diffondono dal semiconduttore al metallo, si forma uno strato di svuotamento, un campo elettrico auto-costruito e una barriera di potenziale, che esiste solo sul lato del semiconduttore di tipo N. Il campo elettrico auto-costruito nella regione di barriera punta dalla regione di tipo N al metallo. Man mano che il campo auto-costruito di emissione termica degli elettroni aumenta, aumenta la corrente di deriva opposta alla corrente di diffusione fino a raggiungere un equilibrio dinamico, formando un potenziale di contatto tra il metallo e il semiconduttore, noto come barriera Schottky.
Quando la tensione è zero, la corrente di diffusione degli elettroni è uguale alla corrente di deriva inversa, con conseguente equilibrio dinamico. L’applicazione di una polarizzazione diretta indebolisce il campo auto-costruito e riduce la barriera di potenziale sul lato del semiconduttore, consentendo il flusso di una corrente diretta dal metallo al semiconduttore. D’altra parte, l’applicazione di una polarizzazione inversa rafforza il campo auto-costruito e aumenta l’altezza della barriera di potenziale, causando il flusso di una piccola corrente inversa dal semiconduttore al metallo. Pertanto, come un diodo a giunzione PN, l’SBD è un dispositivo non lineare che conduce in modo unidirezionale.
Applicazioni del diodo Schottky nell'elettronica moderna
I diodi Schottky hanno un’ampia gamma di applicazioni nell’elettronica moderna. Una delle applicazioni più comuni è nella rettifica di potenza, dove vengono utilizzati per convertire la potenza CA in potenza CC. Possono anche essere utilizzati nel bloccaggio della tensione, dove limitano la tensione massima in un circuito. Inoltre, i diodi Schottky sono ampiamente utilizzati in applicazioni ad alta frequenza, come nei rivelatori e nei miscelatori a radiofrequenza.
Vantaggi e svantaggi del diodo Schottky
Vantaggi del diodo Schottky:
- Bassa caduta di tensione diretta rispetto ad altri diodi, che si traduce in minori perdite di potenza e maggiore efficienza.
- Maggiore velocità di commutazione rispetto ad altri diodi grazie alla minore capacità di giunzione, che lo rende ideale per applicazioni ad alta frequenza.
- Tempo di recupero inverso inferiore rispetto ad altri diodi, che riduce il rischio di danni da picchi di tensione inversa.
- Intervallo di temperatura di esercizio più elevato rispetto ad altri diodi, che lo rende adatto all’uso in ambienti ad alta temperatura.
- Può essere utilizzato come rettificatore in alimentatori, bloccaggio della tensione, demodulazione del segnale e altre applicazioni.
Svantaggi del diodo Schottky:
- Tensione di rottura inversa inferiore rispetto ad altri diodi, che ne limita l’uso in applicazioni ad alta tensione.
- Corrente di dispersione più elevata rispetto ad altri diodi, che può causare problemi nei circuiti che richiedono un basso consumo energetico.
- Più suscettibile alla fuga termica a causa della sua minore caduta di tensione diretta, che può causare danni al diodo e ai componenti circostanti.
- Sensibile alla scarica elettrostatica (ESD), che può causare danni permanenti al diodo.
- Disponibilità limitata di diodi Schottky ad alta tensione rispetto ad altri tipi di diodi.
Esempio:
Un esempio di diodo Schottky è il 1N5817. Ha una caduta di tensione diretta di 0,45 V e una corrente diretta massima di 1 A. Può essere utilizzato per la rettifica, il bloccaggio della tensione e altre applicazioni in circuiti a bassa tensione. Tuttavia, potrebbe non essere adatto per applicazioni ad alta tensione a causa della sua minore tensione di rottura inversa.
Diodo Schottky vs. Diodo normale
La differenza principale tra un diodo Schottky e un diodo normale è il tipo di giunzione utilizzata. I diodi normali utilizzano una giunzione P-N, mentre i diodi Schottky utilizzano una giunzione metallo-semiconduttore. Questa differenza nel tipo di giunzione si traduce in una caduta di tensione diretta inferiore per i diodi Schottky, nonché in una velocità di commutazione più elevata e un tempo di recupero inverso inferiore.
Scegliere il diodo Schottky giusto per la tua applicazione
Quando si sceglie un diodo Schottky per la propria applicazione, ci sono diversi fattori da considerare. Il primo fattore è la caduta di tensione diretta, che determina la tensione minima alla quale il diodo condurrà.
Il secondo fattore è la tensione inversa nominale, che determina la tensione massima che il diodo può sopportare in direzione inversa.
Infine, il terzo fattore è la corrente nominale massima, che determina la corrente massima che il diodo può gestire.
