Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения

Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

В конце 30-х годов XX века немецкий физик Вальтер Шоттки обнаружил, что внешнее электрическое поле заставляет свободные электроны покидать зону проводимости и в буквальном смысле выходить из твёрдого тела. Данная квантовая зависимость впоследствии была названа именем её первооткрывателя и теперь известна, как эффект Шоттки.

Несмотря на то, что открытие германского учёного относится к области теоретической физики, оно находит применение в практической радиотехнике и лежит в основе функциональности таких радиокомпонентов, как диоды Шоттки. Их отличие от обычных электрических вентилей заключается в отсутствии классического полупроводникового p-n-перехода. Его роль играет контакт между полупроводником и металлом.

Металл и полупроводник: особенности контакта.

В контактной области полупроводниковых и металлических материалов эффект Шоттки приводит к образованию в полупроводнике слоя, сильно обеднённого электронами. Он обладает вентильными свойствами, присущими полупроводниковому p-n-переходу. Эта зона представляет собой преграду для носителей заряда, поэтому данные радиокомпоненты часто называют диодами с барьером Шоттки.

Элементы отличаются от обычных полупроводниковых вентилей следующими качествами:

1. пониженное падение напряжения при прямом смещении;
2. незначительная собственная ёмкость;
3. малый обратный ток;
4. низкое допустимое обратное напряжение.

Хорошие частотные характеристики диодов Шоттки обусловлены отсутствием в переходной зоне неосновных носителей заряда. Из-за этого в контактной области не протекают обычные для чисто полупроводникового p-n-перехода процессы диффузии и рекомбинации дырок и электронов. Следовательно, собственная ёмкость этого слоя стремится к нулю. Данное свойство делает диоды с барьером Шоттки предпочтительными для использования в высоко- и сверхвысокочастотных схемах, а также аппаратуре с импульсными режимами работы – всевозможных цифровых устройствах, системах управления электроникой и импульсных блоках питания.

Низковольтные диоды.

Особенность диодов Шоттки состоит в том, что они являются низковольтными. Если приложенная разность потенциалов превышает некоторый допустимый уровень, то в соответствии с квантовыми законами происходит пробой, который в обычном полупроводниковом радиокомпоненте может быть туннельным, лавинным или тепловым. После первых двух диод восстанавливается и продолжает исправно работать. Тепловой пробой означает фатальную поломку.

В диодах с барьером Шоттки пробой всегда бывает только тепловым. Такова особенность металло-полупроводникового перехода. При большом обратном смещении элемент выходит из строя и нуждается в замене. Этим, кстати, объясняется сильная чувствительность диодов Шоттки к статическому электричеству – при их монтаже и обслуживании радиоаппаратуры с этими элементами необходимо заземлять спецодежду и инструменты.

Однако чувствительность этих радиокомпонентов не всегда является их недостатком. Например, благодаря этой характеристике диоды с барьером Шоттки используются в особо чувствительных гетеродинах, которые получают способность обрабатывать радиосигналы очень малой мощности.

Основные параметры.

1. Максимальное постоянное обратное напряжение;
2. Максимальное импульсное обратное напряжение;
3. Максимальный (средний) прямой ток;
4. Максимальный импульсный прямой ток;
5. Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
6. Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
7. Максимальная рабочая частота диода;
8. Время обратного восстановления;
9. Общая емкость диода.

Производство диодов Шоттки.

В качестве полупроводниковой составляющей используются стандартные материалы – кремний, германий и арсенид галлия. На них в процессе изготовления радиокомпонентов напыляются такие металлы, как золото, серебро, палладий, вольфрам. Именно эти элементы таблицы Менделеева обеспечивают достаточно высокий потенциальный барьер, определяющий функциональность диодов Шоттки.

Германиевые радиокомпоненты показывают высокую устойчивость к изменению температурного режима, поэтому данный материал чаще кремния и арсенида галлия используется при производстве диодов для мощных схем питания. Зато кремниевые и галлиевые элементы демонстрируют лучшие частотные параметры.

Простым способом смягчения обоих указанных недостатков является использование диода Шоттки вместо обычного диода. Этот подход уменьшает потери напряжения и рассеивание мощности. Я не уверен, как могут вести себя маломощные диоды Шоттки, но в некоторых случаях прямое напряжение может быть ниже 300 мВ.

Вот новая схема моделирования:

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Следующие спецификации дают нам пример характеристик диода BAT54 при прямом напряжении:

Характеристики диода BAT54 при прямом напряжении

Ниже показан график переходного и установившегося отклика схемы защиты от обратной полярности на основе диода Шоттки.

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Вы можете видеть, что обратный ток и обратное напряжение на нагрузке намного больше, чем те, что мы наблюдали с обычным диодом. Этот более высокий обратный ток утечки является известным недостатком диодов Шоттки, хотя в этом конкретном применении обратный ток по-прежнему намного ниже, чем что-либо, что может вызывать серьезную озабоченность. Поэтому, когда дело доходит до защиты от обратной полярности, диоды Шоттки определенно предпочтительны.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Плюсы и минусы

Для сравнения берем биполярный диод. Как говорится: сразу в огонь, начнем с недостатка, а он считаю самый важный. У диодов Шоттки огромный обратный ток.

С минусами все, теперь хорошее, плюсы.

• Во-первых, считаю, что диоды Шоттки являются наиболее быстродействующими. Так же можно учитывать плюсом прямое падение напряжения при таком же токе на несколько десятых вольта меньше как у биполярных.
• Во-вторых, можно добавить, что у данных диодов не накапливается не основные носители заряда, так как ток в полупроводнике проходит по принципу дрейфа. Про этот механизм расскажу в следующих статьях.

Маркировка зарубежных стабилитронов

Обозначение зарубежных стабилитронов, также как диодов осуществляется согласно двум популярным стандартам JEDEC и PRO ELECTRON. Так как в статье по маркировке диодов все подробно описано, не вижу смысла повторять эту информацию, остановлюсь лишь на некоторых особенностях.

Полностью его проверить и со 100% уверенностью сказать, что этот стабилитрон исправный цифровым мультиметром нельзя. Его конечно можно проверить также как диод, но можно ошибочно посчитать рабочий стабилитрон испорченным. Это разве возможно?. Проведем небольшой практический эксперимент, возьмем любой стабилитрон с маленьким напряжением стабилизации, например 2,4 вольт. И подсоединим к цифровому мультиметру, а он в обоих направлениях звонится. А весь фокус в том, что на щупах цифрового мультиметра присутствует около 5 вольт, и поэтому в обратном направление его просто пробивает. Поэтому не стоит проверять стабилитроны с низким напряжением стабилизации цифровыми мультиметрами, лучше используйте старый аналоговый тестер, а если его нет можно собрать небольшую схему.

Эталонная проверочная модель расчета полупроводникового диода Шоттки

Диоды Шоттки — одни из самых старых полупроводниковых элементов, которые до сих пор используются в современных устройствах, в том числе в компьютерах и радарах. Для полной уверенности в корректной работе диода Шоттки, инженерам необходимо учитывать при проектировании такие факторы, как плотность тока и высоту потенциального барьера. Приведенная ниже эталонная модель подтверждает, что программный пакет COMSOL Multiphysics® с модулем расширения Полупроводники хорошо подходит для решения таких задач.

Краткая история диода Шоттки

Принцип работы диода Шоттки был впервые продемонстрирован в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном. Соединив металлический провод и галеновый кристалл (который играл роль полупроводника), Браун создал диод с точечным контактом, который превращал переменный ток в постоянный (т.е. выпрямлял ток). Это устройство было одним из первых экземпляров и концептов полупроводникового диода, но работа Брауна не привлекла особого внимания, т.к. в то время для нее не нашлось практических применений.

Изобретение радио создало спрос на полупроводниковые диоды, или, как их называли в то время, кристаллические детекторы. В 1901 году индийский профессор физики Джагадиш Чандра Бос показал, что диод чувствителен к радиоволнам. Пять лет спустя Гринлиф Уиттер Пиккард запатентовал кристаллический детектор «кошачий ус», который широко использовался в радиотехнике вплоть до 1920-х годов. Такой диод состоял из тонкого металлического провода (напоминаущего кошачий ус), который находился в контакте с кристаллом кремния. Подстраивая положение провода, можно было ловить радиосигнал и настраивать радиоприемник.

Детектор «кошачий ус», который использовался в кристаллическом радиоприемнике. Автор изображения — JA.Davidson, изображение доступно на Викискладе.

В 1930-х годах физик Вальтер Шоттки установил, что в точке соприкосновения металла и полупроводника возникает потенциальный барьер. Его работа привела к появлению диодов Шоттки — и дала им имя. Эти диоды также называют диодами с барьером Шоттки, диодами с горячими носителями или с горячими электронами. Как и другие диоды, они пропускают ток в одном направлении благодаря потенциальному барьеру, возникающему при контакте (прямое смещение), и не пропускают ток в обратном направлении (обратное смещение).

Применение и достоинства диодов Шоттки

По сравнению с другими современными типами диодов у диодов Шоттки есть несколько преимуществ . Например, их отличают высокая плотность тока и малое падение напряжения в прямом направлении, так что они потребляют мало энергии и выделяют меньше тепла. Таким образом, они эффективнее и компактнее других диодов, и их можно использовать с небольшими по размеру радиаторами. Помимо этого, диоды Шоттки быстро переключаются, быстро возвращаются в состояние готовности и отличаются малой емкостью. Эти свойства важны в таких прикладных задачах, как:

• Зарядка компьютеров и смартфонов
• Смесители частот для СВЧ-радаров
• Выпрямление мощности для приводов двигателей и светодиодов
• Защита транзисторов от насыщения
• Защита от разряда аккумулятора в фотоэлементах.

Во всех указанных приложениях инженеры смогут проводить проектирование диодов в специализированном пакете для расчета полупроводников и численно определять такие ключевые характеристики устройств как, например, плотность тока и напряжение. Давайте рассмотрим для примера эталонную проверочную модель.

Численное проектирование диода Шоттки

Эталонная проверочная модели "Контакт Шоттки" описывает поведение простого диода Шоттки при смещении в прямом направлении. В геометрии модели воспроизведена полупроводниковая пластина из кремния (внизу), на которую нанесен слой вольфрама (вверху). Обратите внимание, что для задания свойств кремния вы можете использовать настройки программного пакета COMSOL® по умолчанию.

Геометрия простейшего диода Шоттки.

При изучении диода важно правильно подобрать высоту потенциального барьера, создаваемого контактом Шоттки: от нее зависит, будет ли диод работать. Высота барьера зависит от структуры перехода «металл — полупроводник», и ее непросто определить. В этой модели используется идеальное значение для высоты потенциального барьера, рассчитанное на основе стандартных свойств кремния и работы выхода вольфрама (4,72 В), которое равно 0,67 В. Используя такой «идеальный» контакт Шоттки, мы упрощаем модель.

Так мы можем рассчитать ток, текущий через контакт между двумя материалами, не учитывая снижение барьера за счет снижения сил зеркального изображения, туннелирования, влияния диффузии и поверхностных состояний. Этот ток определяется в первую очередь термоэлектронным вкладом, зависимость которого от приложенного напряжения и плотности тока показана на графике ниже.

Сравнение расчетной модели (сплошная линия) и экспериментальных данных (круглые маркеры) о плотности тока в диоде Шоттки с прямым смещением.

Как вы видите, результаты эталонной проверочной модели хорошо согласуются с экспериментальными данными, показывая, что свойства контакта Шоттки можно точно моделировать в программном пакете COMSOL Multiphysics с помощью модуля расширения Полупроводники.

Дальнейшие шаги

Попробуйте сами промоделировать диоды Шоттки с помощью этого примера. Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений, в которой вы найдете пошаговые инструкции по сборке модели. Если у вас есть учетная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение, вы можете загрузить MPH-файлы для этой модели.

Узнайте подробнее о моделировании полупроводников в корпоративном блоге COMSOL: