Семейство полупроводниковых приборов с двумя выводами (диодов) содержит большое количество элементов, различающихся по внутреннему строению, электрическим характеристикам и областям применения. В эту обширную группу входят и диоды, названные именем немецкого физика Вальтера Шоттки. Что такое диод Шоттки, чем от отличается от обычного прибора с p-n переходом, где его используют – обо всем этом пойдет речь далее.
Что такое диод Шоттки — чем отличается от обычного диода
Обычный диод состоит из двух контактирующих участков полупроводников с различным типом проводимости – p-полупроводника и n-полупроводника. В месте контакта возникает переходная зона, отличающаяся односторонней проводимостью – при приложении напряжения прямой полярности сопротивление перехода низкое, в цепи возникает ток. При приложении напряжении обратной полярности сопротивление перехода становится высоким, ток практически прерывается.
У реальных диодов в режиме обратного смещения небольшой ток все же протекает. Этот ток называется током утечки.
Принцип работы диода Шоттки схож – односторонняя проводимость зоны перехода. Но есть конструктивные отличия, определяющие электрические параметры этого прибора. Чтобы понять, как работает диод Шоттки, надо разобраться в его устройстве.
Прибор состоит из полупроводника p-типа, контактирующего с участком, выполненным из металла. При изготовлении на полупроводник (обычно кремний, арсенид галлия, карбид кремния) напыляется металл. Чаще всего это:
- серебро;
- золото;
- платина;
- палладий;
- вольфрам.
В месте контакта возникает контактная разность потенциалов. Создаваемое ей электрическое поле ведет к появлению в приповерхностном слое полупроводника потенциального барьера, который называется барьером Шоттки. Этот барьер обладает односторонней проводимостью.
Если приложить к подобной конструкции напряжение в прямом направлении (когда плюс источника подключен к металлической области, а минус – к полупроводниковой), то электроны из полупроводника смогут преодолеть потенциальный барьер и под действием электрического поля перейти в металл.
Для этого должно выполняться условие – напряжение должно быть выше 0,2 вольта.
Если приложить к барьеру напряжение обратной полярности (создать обратное смещение), это будет аналогично увеличению контактной разности потенциалов, приведет усилению электрического поля и увеличению ширины (и сопротивления) переходной зоны. Ток в этом случае течь не будет, что объясняет действие диода Шоттки как выпрямительного прибора.
Внешний вид, маркировка, обозначение на схеме
Диоды Шоттки выполняются в стандартных корпусах с двумя выводами – как и обычные полупроводниковые приборы. Для них не выделена специальная буквенно-цифровая индексация, поэтому внешне отличить прибор с переходом полупроводник-металл от диода с p-n переходом сложно. В таблице приведены некоторые виды диодов Шоттки и корпусов, в котором они выпускаются.
| Тип прибора | Тип корпуса | Индекс корпуса |
|---|---|---|
| 1N5817 | Выводной | DO-41 |
| 1N5818 | DO-41 | |
| 1N5820 | DO-201AD | |
| 1N5822 | DO201AE | |
| 1N6232 | DO35 | |
| BAR43AFILM (сборка из 2 диодов с общим анодом) | SMD | SOT-323 |
| 10BQ100 | SMD | SMB (DO-214AA) |
Диоды Шоттки выпускаются и в виде сборок из двух элементов. У них могут быть соединены либо катоды, либо аноды. Это надо учитывать при покупке комплектующих.
УГО диода Шоттки похоже на обозначение обычного диода (что логично) с дополнительными элементами. Есть несколько вариантов обозначения таких полупроводниковых приборов. Наиболее часто применяемые приведены на рисунке.
Иногда для обозначения диода Шоттки применяют УГО обычного диода, а принадлежность к классу приборов с переходом металл-полупроводник указывают в спецификации к схеме.
Если в устройстве применена сборка из двух (или более) элементов, то на схеме такие диоды Шоттки могут быть показаны в общем корпусе. Внутренние соединения показывают внутри корпуса.
Технические характеристики
Для ознакомления с особенностями технических характеристик рассматриваемых полупроводниковых элементов, сначала лучше изучить типовую ВАХ диода Шоттки и сравнить ее с вольтамперной характеристикой обычного диода. Для сравнения графики зависимости тока и напряжения приведены на одном рисунке. Шкалы токов и напряжений приведены без соблюдения масштаба, чтобы показать характерные отличия на обеих ветвях характеристик.
Первое, что бросается в глаза при анализе ВАХ, что диод Шоттки открывается при напряжении меньшем, чем у, например, кремниевого прибора. Это объясняется тем, что для преодоления потенциального барьера металл-полупроводник достаточно 0,2 вольта, тогда как для кремниевого p-n перехода потребуется 0,6..0,8 вольт. При дальнейшем увеличении напряжения ВАХ принимает вид наклонной прямой – ток растет примерно пропорционально напряжению для обоих типов диодов (при более точном анализе – зависимость экспоненциальная). При рассмотрении обратной ветви характеристики становится очевидным, что при небольших отрицательных смещениях через переход металл-полупроводник протекает ток утечки. Этот ток заметно больше тока утечки p-n перехода.
При росте температуры увеличивается и значение тока утечки.
При дальнейшем увеличении обратного напряжения обычный диод переходит в режим лавинного пробоя. Этот режим обратим и устраняется при снятии напряжения. У диода Шоттки происходит переход в режим необратимого теплового пробоя, и элемент выходит из строя.
Область применения диодов Шоттки
Область применения диодов с переходом металл-полупроводник определяется их свойствами. Наиболее часто используется способность открываться при напряжении уже 0,2 вольта. Это качество важно в выпрямителях, особенно низковольтных. При двухполупериодной схеме выпрямителя на кремниевых диодах потери напряжения составляют 1,2..1,4 вольта в каждом полупериоде, а если мост собрать на диодах Шоттки – то теряется всего 0,4 вольта. В высоковольтных выпрямительных устройствах это не имеет значения – при работе с напряжением в 220 вольт эта разница лежит в пределах колебаний уровня в сети. Другое дело источники питания до 12 вольт, а особенно до 5 вольт. там эта разница в процентном соотношении становится значительной. Чтобы избежать потерь, придется увеличивать количество витков вторичных обмоток трансформатора, что ведет к излишнему расходу медного провода и увеличению габаритов. Применение диодов Шоттки в низковольтных источниках питания позволяет избежать этой проблемы.
Приборы с переходом металл-полупроводник имеют более высокое быстродействие за счет того, что при прохождении прямого тока отсутствует накопление неосновных носителей заряда. Это дает возможность применения диодов Шоттки в высокочастотных выпрямителях, включая импульсные устройства.
Еще одно преимущество малого падения напряжения на открытом диоде – меньшие (при равном проходящем токе) потери мощности на нагревание. Это позволяет применять радиаторы меньших размеров, внося существенную экономию в общие массогабаритные характеристики устройства.
Специальность: Проектирование и монтаж изделий электротехники.
Зато в высокочастотных малосигнальных цепях способность работать с высокими напряжениями не нужна, а вот свойство быстро переключаться очень востребовано. Поэтому эти полупроводниковые приборы применяют:
- Для выпрямления ВЧ сигналов.
- В детекторах.
- В смесителях.
- В переключающих устройствах.
- В других ВЧ-устройствах и узлах.
Пониженное падение напряжения на диоде Шоттки полезно и здесь – повышается чувствительность детекторов, коэффициент передачи смесителей, снижаются потери в коммутационных схемах и т.п. А малая ёмкость перехода позволяет снизить влияние диодов на частотные свойства ВЧ-цепей.
Подключение и проверка на исправность
Диод Шоттки подключается в схему точно так же, как и прибор с p-n переходом. Анод подключается к плюсу источника напряжения, катод к минусу. В стандартных схемах (мостовые выпрямители, детекторы, смесители и т.п.) также отличий в подключении нет.
Проверяется диод Шоттки тоже подобно обычному двухвыводному элементу. Каждый диод прозванивается в двух направлениях, в одном омметр должен показать высокое сопротивление, в другом – низкое. Во время проверки надо учитывать особенности приборов с переходом металл-полупроводник.
Первое – рассматриваемый диод имеет более низкое напряжение открывания. Не стоит удивляться, если при проверке в прямом направлении тестер покажет напряжение, в несколько раз меньшее, чем обычно.
Учитывая особенности проверяемого прибора, есть смысл проверить его и на утечку. Для этого мультиметр можно перевести в режим измерения сопротивления на предел 20 кОм (или другой подобный, какой есть у имеющегося мультиметра) и прозвонить в обе стороны. Если измерительный прибор покажет какое-то значение сопротивления (меньшее бесконечности), значит, утечка велика. Надо принимать решение о дальнейшем использовании диода.
Диоды Шоттки получили широкое распространение в малосигнальной, а особенно в силовой электронике. В связи с глобальным переходом на импульсные источники питания альтернативы этим приборам нет.
