Konštrukcia Schottkyho diód, výhody a použitie v modernej elektronike

Schottkyho dióda je špeciálny typ diódy známy svojou rýchlou rýchlosťou spínania a nízkym poklesom napätia vpred.Hrá dôležitú úlohu v modernej elektronike, od výkonových usmerňovačov až po vysokofrekvenčné obvody.Tento článok vysvetľuje jeho pracovný princíp, konštrukciu, typy, použitie, výhody a ako sa líši od diódy p–n.

Katalóg

Obrázok 1. Čo je to Schottkyho dióda?

Čo je to Schottkyho dióda?

Schottkyho dióda je špeciálny typ polovodičovej diódy, ktorá používa spojenie kov-polovodič namiesto konvenčného p–n prechodu, ktorý sa nachádza v štandardných diódach.Je tiež známa ako Schottkyho bariérová dióda (SBD).Na rozdiel od bežných diód sú Schottkyho diódy navrhnuté pre vysokorýchlostné spínanie a nízky pokles napätia v priepustnom smere. Vďaka tomu sú ideálne pre obvody, kde záleží na účinnosti a rýchlosti, ako sú výkonové usmerňovače, RF detektory a spínané napájacie zdroje.

História Schottkyho diódy

Obrázok 2. Vývoj Schottkyho diódy

Pojem Schottkyho bariéra bola zavedená v tridsiatych rokoch 20. ale iba Schottkyho diódy sa stal uskutočniteľným v 60. rokoch 20. storočia s pokrokom vo výrobe polovodičov.V prvých dňoch sa tieto diódy používali predovšetkým v mikrovlnných a RF obvodoch kvôli ich extrémne rýchlej dobe odozvy.Ako sa materiálová veda zlepšovala, Schottkyho diódy na báze kremíka sa stali cenovo dostupnými a spoľahlivými, čím otvorili cestu ich použitiu vo výkonovej elektronike.dnes pokročilé materiály ako napr Arzenid gália (GaAs) a karbid kremíka (SiC) sa používajú na výrobu vysokovýkonných Schottkyho diód pre vysokoteplotné a vysokonapäťové aplikácie.

Princíp činnosti Schottkyho diódy

Obrázok 3. Princíp činnosti Schottkyho diódy

Činnosť Schottkyho diódy je založená na Schottkyho bariére vytvorenej na križovatke medzi kovom a polovodičom.Keď a kov, ako je platina alebo molybdén prichádza do kontaktu s a polovodič typu n ako kremíkelektróny sa pohybujú z polovodiča na kov, kým sa nedosiahne rovnováha.Tento prenos vytvára oblasť vyčerpania a potenciálnu bariéru nazývanú Schottkyho bariéra.Pri doprednom predpätí elektróny z polovodiča ľahko prechádzajú cez túto bariéru do kovu, čo umožňuje prúdenie prúdu s veľmi malým poklesom napätia.

Keď dióda je spätne predpätá, výška bariéry sa zvyšuje a blokuje väčšinu prúdu, hoci zostáva malý únikový prúd, pretože neexistuje skutočný p–n prechod.Pretože vedenie zahŕňa iba väčšinové nosiče (elektróny) a nie menšinové nosiče (diery), Schottkyho dióda nemá žiadne úložisko náboja, čo umožňuje oveľa rýchlejšie spínacie rýchlosti ako bežné diódy.

Špecifikácia Schottkyho diódy

Špecifikácia	Typické Hodnota / Rozsah	Popis
Dopredný pokles napätia (Vf)	0,15 V – 0,45 V	Oveľa nižšia ako štandardný kremík diódy (~0,7 V), čo umožňuje vyššiu účinnosť.
Spätný únikový prúd (Ir)	Relatívne vysoká	Malý prúd tečie spätne zaujatosť;zvyšuje s teplotou.
Reverzné prierazné napätie (Vbr)	20 V – 200 V	Maximálne spätné napätie diódy môže tolerovať pred rozpadom.
Čas spätného zotavenia (trr)	Niekoľko nanosekúnd	Extrémne rýchle prepínanie vďaka žiadne skladovanie poplatkov.
Maximálny dopredný prúd (Ifmax)	V závislosti od zariadenia	Maximálny trvalý prúd dióda môže bezpečne viesť.
Kapacita spoja	Nízka	Podporuje vysokofrekvenčné a rýchlo spínané obvody.

Typy Schottkyho diód

Obrázok 4. Nízkobariérové Schottkyho diódy

• Nízkobariérové Schottkyho diódy

Nízkobariérové Schottkyho diódy sú určené na ponúkajú veľmi nízky pokles napätia vpred, zvyčajne v rozsahu 0,15 až 0,3 voltu , čo výrazne znižuje stratu výkonu a zlepšuje celkovú účinnosť obvodu.To však prichádza s kompromisom, ktorý vykazujú a vyšší spätný zvodový prúd, najmä pri zvýšených teplotách.Tieto diódy sa bežne používajú v prevodníky na logickej úrovni, obvody správy napájania, RF detektory a zariadenia napájané z batérie.

Obrázok 5. Schottkyho diódy s vysokou bariérou

• Schottkyho diódy s vysokou bariérou

Vysokobariérové Schottkyho diódy sú určené na poskytujú nižší spätný zvodový prúd v porovnaní s nízkobariérovými typmi ponúka lepšie schopnosť spätného blokovania a lepšiu stabilitu pri vyšších napätiach.Majú a mierne vyšší pokles napätia vpred čo je kompromis za znížený únik a zvýšenú spoľahlivosť.Tieto diódy sú ideálne pre stredno- až vysokonapäťové aplikácie kde je udržanie nízkeho úniku kritickejšie ako minimalizácia poklesu napätia.

Obrázok 6. Kremíkové (Si) Schottkyho diódy

• Schottkyho diódy z karbidu kremíka (SiC).

Tieto diódy sú známe svojou schopnosťou zvládať vysoké napätie, vysoké prúdy a zvýšené teploty, vďaka čomu sú ideálne pre výkonovej elektroniky ako napr meniče, DC-DC meniče a motorové pohony.Karbid kremíka má a široký bandgap, čo umožňuje dióde efektívne pracovať pri vyšších napätiach a teplotách s nižšou stratou energie v porovnaní s kremíkovými diódami.S

Obrázok 7. Schottkyho diódy arzenidu gália (GaAs).

• Gálium arzenid (GaAs) Schottkyho diódy

Navrhnuté pre vysokofrekvenčnú prevádzku a bežne používané v RF, mikrovlnných a komunikačných obvodoch.GaAs Schottkyho diódy sa často používajú v mixéry, detektory, oscilátory a frekvenčné násobiče pre radarové systémy, satelitnú komunikáciu a bezdrôtové vysielače

Konštrukcia a štruktúra Schottkyho diódy

Obrázok 10. Konštrukcia a štruktúra Schottkyho diódy

Je to Schottkyho dióda skonštruované pomocou spojenia kov-polovodič namiesto p–n prechodu nachádzajúce sa v bežných diódach.Typicky sa tenká vrstva kovu, ako je platina, molybdén, chróm, hliník alebo volfrám, nanáša na polovodič typu n (zvyčajne kremík).Toto rozhranie kov-polovodič tvorí Schottkyho bariéru, ktorá je zodpovedná za usmerňovacie správanie diódy.

Štruktúra zahŕňa tri hlavné časti kovových vrstiev ktorý pôsobí ako anóda a poskytuje Schottkyho bariéru, ktorá riadi tok elektrónov. polovodičová vrstva typu n ktorá slúži ako katóda;elektróny sa pohybujú z tejto vrstvy do kovu počas oblasti predpätia a vyčerpania, ktoré sa vytvorili na kontakte kovového polovodiča;je tenký a umožňuje rýchle prepínanie s minimálnym ukladaním nabitia.

Na rozdiel od p–n prechodovej diódy, v Schottkyho dióde nie je žiadny materiál typu p, čo znamená, že vedenie prebieha len cez väčšinové nosiče (elektróny).Výsledkom je nízky pokles napätia vpred, vysoká rýchlosť spínania a nízka strata výkonu.Zariadenie je zvyčajne namontované na kovovej základni alebo substráte pre odvod tepla a celá zostava je zapuzdrená, aby bola chránená pred vplyvmi prostredia.

Aplikácie Schottkyho diódy

Obrázok 11. Aplikácie Schottkyho diódy

Schottkyho diódy sú široko používané v modernej elektronike kvôli ich nízkemu poklesu napätia vpred, vysokej rýchlosti spínania a vysokej účinnosti.Nižšie sú jasne vysvetlené hlavné aplikácie:

• Výkonové usmerňovače

Používa sa v napájacích zdrojoch a konvertoroch na efektívnu konverziu striedavého prúdu na jednosmerný prúd s minimálnou stratou napätia a tvorbou tepla.

• Spínacie obvody

Ideálne pre vysokorýchlostné digitálne a logické obvody, kde je nevyhnutné rýchle prepínanie a krátky čas obnovy.

• Upínacie a ochranné obvody

Chráňte citlivé komponenty upínaním napäťových špičiek, aby ste zabránili poškodeniu v digitálnych alebo RF systémoch.

• RF a mikrovlnné obvody

Bežné v rádiofrekvenčných, radarových a komunikačných systémoch kvôli ich nízkej kapacite a rýchlej odozve.

• Napäťové upínanie a tvarovanie vlny

Používa sa v obvodoch na tvarovanie kriviek a orezávanie na udržanie úrovní signálu v bezpečných medziach.

• Ochrana proti spätnému prúdu

Zabraňuje spätnému toku prúdu v obvodoch, ako sú nabíjačky batérií a solárne systémy.

• Napájacie OR-obvody

Používa sa na prepínanie medzi viacerými zdrojmi napájania bez výrazného poklesu napätia.

• Miešačky a detektory

Nachádza sa v RF prijímačoch a mikrovlnných detektoroch, kde ich rýchle prepínanie umožňuje presnú detekciu signálu.

Výhody Schottkyho diódy

• Nízky pokles napätia vpred

Typický pokles napätia vpred je len asi 0,2 až 0,3 voltu, čo znižuje stratu energie a zlepšuje celkovú účinnosť, najmä v nízkonapäťových aplikáciách.

• Rýchla rýchlosť prepínania

Keďže od menšinových nosičov neexistuje žiadne ukladanie náboja, Schottkyho diódy sa môžu zapínať a vypínať v priebehu nanosekúnd, vďaka čomu sú ideálne pre vysokorýchlostné obvody.

• Vysoká účinnosť

Nízky dopredný odpor a minimálna strata energie vedú k lepšej energetickej účinnosti, najmä vo výkonových usmerňovačoch a spínacích regulátoroch.

• Nízka strata energie

Znížený pokles napätia na dióde minimalizuje tvorbu tepla, čo umožňuje menšie chladiče a kompaktné konštrukcie.

• Lepší tepelný výkon

Schopné pracovať pri vyšších frekvenciách a teplotách v porovnaní so štandardnými p–n diódami.

• Jednoduchá konštrukcia

Kovovo-polovodičová štruktúra zjednodušuje výrobu a poskytuje konzistentný výkon.

• Vhodné pre vysokofrekvenčné aplikácie

Nízka spojovacia kapacita a rýchla obnova ich robia ideálnymi pre RF, mikrovlnné a spínané napájacie obvody.

Obmedzenia a bezpečnostné opatrenia Schottkyho diódy

Obmedzenia

• Vysoký spätný únikový prúd: Schottkyho diódy majú vyšší spätný únik, najmä pri vysokých teplotách, čo môže spôsobiť nechcenú stratu výkonu.

• Nízke spätné prierazné napätie: Typicky medzi 20 V a 200 V, čo obmedzuje použitie vo vysokonapäťových obvodoch.

• Citlivosť na teplotu: Únikový prúd sa rýchlo zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo ovplyvňuje výkon.

• Obmedzená schopnosť vysokého napätia: Tenká oblasť vyčerpania sa môže pri vysokej spätnej odchýlke ľahko zrútiť.

• Vyššie náklady: Pokročilé materiály Schottky sú drahšie ako štandardné silikónové verzie.

Preventívne opatrenia

• Obmedzte spätné napätie: Vždy udržujte spätné napätie pod menovitou hodnotou, aby ste predišli poruche spoja.

• Zabezpečte správny odvod tepla: Na riadenie teploty použite chladiče alebo dobrý tepelný dizajn PCB.

• Vyhnite sa prostrediam s vysokou teplotou: Zabráňte nadmernému zahrievaniu, aby ste predišli zvýšenému úniku alebo poruche.

• Starostlivo skontrolujte hodnoty napätia: Vyberte diódu s primeranou rezervou spätného napätia pre vašu aplikáciu.

• Ooptimalizovať použitie: Nákladné Schottkyho diódy používajte len tam, kde sú potrebné ich výkonnostné výhody.

Obvody Schottkyho diódy

Výkonové usmerňovacie obvody

Schottkyho diódy sú široko používané v napájacích usmerňovačoch (polovlnných aj celovlnných) na konverziu striedavého prúdu na jednosmerný prúd.Ich nízky pokles napätia v priepustnom smere minimalizuje stratu energie a zlepšuje účinnosť, najmä v spínaných zdrojoch napájania.

Upínacie obvody

V napäťových upínacích obvodoch Schottkyho diódy obmedzujú alebo "upínajú" napätie na bezpečnú úroveň, čím chránia citlivé komponenty pred napäťovými špičkami.Ich rýchla odozva zaisťuje presné obmedzenie napätia.

Spínacie obvody

Pretože Schottkyho diódy sa môžu zapínať a vypínať v nanosekundách, sú ideálne pre vysokorýchlostné logické a digitálne spínacie obvody, ako sú aplikácie na prepínanie tranzistorov a smerovanie signálov.

Ochranné obvody proti spätnému prúdu

Schottkyho diódy sa používajú na zabránenie spätnému toku prúdu v zariadeniach napájaných z batérie, solárnych paneloch a DC konvertoroch.Ich nízky pokles napätia minimalizuje stratu výkonu v porovnaní so štandardnými diódami.

RF a mikrovlnné obvody

V RF (rádiofrekvenčných) a mikrovlnných systémoch fungujú Schottkyho diódy ako detektory, mixéry a frekvenčné multiplikátory vďaka svojej nízkej kapacite a rýchlej odozve na vysokofrekvenčné signály.

Napäťové orezávacie obvody

Schottkyho diódy, používané na tvarovanie alebo obmedzovanie tvarov vĺn, zachytávajú špičky signálu, aby zabránili skresleniu alebo chránili obvody pred prepätím.

Logické obvody (TTL a CMOS)

Schottkyho diódy sú zabudované do Schottkyho tranzistorovo-tranzistorových logických obvodov (TTL), aby sa zabránilo saturácii tranzistorov, čo umožňuje rýchlejšie spínanie a znížené oneskorenie šírenia.

Napájacie OR-obvody

V systémoch s viacerými zdrojmi energie Schottkyho diódy zabezpečujú, že záťaž súčasne napája iba jeden zdroj.Ich nízky pokles napätia vpred pomáha udržiavať stabilný výstup bez výraznej straty napätia.

Schottkyho dióda vs PN prechodová dióda

Parameter	Schottky Dióda	P–N Spojovacia dióda
Typ križovatky	Prechod kov-polovodič	Polovodič typu P a typu N križovatka
Nosiče nabíjania	Väčšinové nosiče (elektróny iba)	Väčšinu aj menšinu dopravcov
Dopredný pokles napätia (Vf)	Nízka, zvyčajne 0,2 V – 0,3 V	Vyššie, asi 0,6 V – 0,7 V
Rýchlosť prepínania	Veľmi rýchle vďaka bez nabíjania skladovanie	Pomalšie kvôli menšinovému dopravcovi skladovanie
Čas spätného zotavenia	Mimoriadne krátke	Relatívne dlhšie
Reverzný únikový prúd	Vyšší zvodový prúd	Nižší zvodový prúd
Reverzné prierazné napätie	Relatívne nízka (20 V – 200 V)	Môžu byť vysoké až tisíce voltov
Stabilita teploty	Únik sa rýchlo zvyšuje s teplota	Stabilnejšie pod teplotou variácie
Energetická účinnosť	Vysoká kvôli nízkemu poklesu napätia	Stredné kvôli vyššiemu napätiu pokles
Použitý materiál	Kov s polovodičom typu N	Polovodič typu P a typu N

Záver

Schottkyho dióda vyniká vysokou účinnosťou, rýchlou odozvou a jednoduchým dizajnom.Aj keď má určité obmedzenia, ako je vyšší únik a nízke spätné napätie, vďaka jeho výhodám je ideálny pre vysokorýchlostné a nízkoenergetické aplikácie.Celkovo zostáva dôležitou súčasťou dnešných elektronických a energetických systémov.