Diody są jednymi z najstarszych podzespołów elektronicznych. Ich zasada działania jako prostowników napięcia przemiennego została odkryta już w 1874 roku przez niemieckiego fizyka Ferdinanda Brauna. Dopiero w pierwszej połowie XX wieku diody składające się z dwóch elementów półprzewodnikowych podbiły świat. W 1938 roku niemiecki fizyk Walter Schottky opracował alternatywną diodę, zastępując jeden z dwóch półprzewodników metalem. Efekt Schottky'ego, nazwany jego imieniem, zrewolucjonizował duże obszary elektroniki przemysłowej.
Dowiedz się tutaj, jak działają diody Schottky'ego, w jakich obszarach sprawdzają się lepiej niż czyste diody półprzewodnikowe i jakie kryteria są ważne przy zakupie.
-
Na co zwrócić uwagę podczas zamaówiania diody Schottky'ego?
Diody Schottky'ego mają dwie wyróżniające się cechy: niski spadek napięcia przewodzenia oraz bardzo szybkie przełączanie. Ich zachowanie elektryczne nadal odpowiada jednak klasycznej diodzie półprzewodnikowej. Gdy przyłożone jest wystarczające napięcie, prąd płynie w kierunku przewodzenia.
Metale najczęściej stosowane w diodach Schottky'ego to molibden, platyna, chrom lub wolfram oraz niektóre silicydy, podczas gdy półprzewodnik zazwyczaj jest wykonany z krzemu. Strona metalowa pełni rolę anody, a półprzewodnikowa – katody, co umożliwia przepływ prądu od strony metalowej do półprzewodnika, ale nie w odwrotnym kierunku
Dioda krzemowa z przejściem p-n wymaga napięcia przewodzenia w zakresie 600–700 miliwoltów, natomiast w przypadku diody Schottky'ego napięcie to wynosi jedynie 150–450 miliwoltów. Najważniejszą różnicą między tymi dwoma typami diod jest czas odzyskiwania blokady, gdy dioda przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu nieprzewodzenia.
Dla diody p-n czas powrotu do stanu blokady może wynosić od kilku mikrosekund do poniżej 100 nanosekund w przypadku szybkich diod. Dioda Schottky'ego jest jednak znacznie szybsza, ponieważ jest elementem unipolarnym, a jej szybkość ogranicza jedynie pojemność złącza. Czas przełączania wynosi około 100 pikosekund dla diod małosygnałowych i do 10 nanosekund dla specjalnych diod mocy o dużej pojemności. W przypadku diod Schottky'ego przełączanie odbywa się praktycznie natychmiast, przy minimalnym obciążeniu pojemnościowym.
Głównym obszarem zastosowań diod Shottky'ego jest funkcja prostownika w zasilaczach impulsowych o częstotliwościach powyżej 20 kiloherców. Dioda Schottky'ego o mocy 50 A charakteryzuje się napięciem przewodzenia na poziomie 0,6 V i czasem regeneracji wynoszącym zaledwie 10 nanosekund w temperaturze pokojowej. Tymczasem konwencjonalna dioda półprzewodnikowa wymaga czasu regeneracji od 30 do 50 nanosekund.
Ze względu na niski spadek napięcia przewodzenia, mniej energii jest marnowane w postaci ciepła. Komponenty Schottky'ego są zatem często spotykane w systemach fotowoltaicznych. Jako tak zwane diody blokujące, zapobiegają one również rozładowywaniu akumulatorów przez moduły słoneczne w nocy. W systemach podłączonych do sieci z kilkoma modułami pracującymi równolegle, blokują one prąd zwrotny sąsiednich zacienionych modułów, jeśli diody półprzewodnikowe bypass uległy awarii.
Rezystory Schottky'ego mogą również działać jako detektory mocy zarówno dla promieniowania impulsowego, jak i terahercowego. Zastosowania takie jak obrazy terahercowe korzystają zarówno z szybkości, jak i czułości urządzeń Schottky'ego. Specjalna wersja o wysokiej przepustowości jest odpowiednia do badania ultraszybkich procesów - dzięki zdolności do rozdzielania amplitud poszczególnych impulsów terahercowych, nawet przy typowych częstotliwościach powtarzania laserów femtosekundowych.
Im Vergleich zu Leistungs-p-n-Halbleiterdioden sind Schottky-Typen allerdings weniger robust. Grund: Der Übergang steht in direktem Kontakt mit der thermisch empfindlichen Metallisierung, eine Schottky-Typ kann daher weniger Leistung abführen als ein gleich großes p-n-Pendant, bevor sie ausfällt. Der relative Vorteil der niedrigeren Durchlassspannung verringert sich außerdem bei höheren Durchlassströmen, bei denen der Spannungsabfall durch den Serienwiderstand dominiert wird.
Głównymi kryteriami wyboru diody Schottky'ego są napięcie przewodzenia, prąd przewodzenia, napięcie wsteczne i prąd wsteczny. Odpowiednie wartości muszą jak najdokładniej odpowiadać projektowi obwodu.
Należy wziąć pod uwagę stosunkowo niskie napięcie wsteczne i wysoki prąd upływu wstecznego. W przypadku krzemowo-metalowych diod Schottky'ego napięcie wsteczne wynosi zazwyczaj 50 V lub mniej. Dostępne są wersje o wyższym napięciu, przy czym 200 V jest uważane za wysokie napięcie wsteczne. Ponieważ prąd upływu wstecznego rośnie wraz z temperaturą, prowadzi to do problemu niestabilności termicznej. W rezultacie użyteczne napięcie wsteczne jest często ograniczone do wartości znacznie poniżej rzeczywistego napięcia znamionowego.
Można uzyskać wyższe napięcia wsteczne, ale miałyby one wyższe napięcie przewodzenia, porównywalne z innymi typami standardowych diod. Tego typu diody Schottky'ego nie mają żadnych zalet, chyba że wymagana jest wysoka prędkość przełączania.
Kolejnym ważnym kryterium jest kształt obudowy. Najpopularniejszy jest format DO, czyli cylindryczna obudowa z osiowym okablowaniem. Kształt ten odpowiada wizualnie zwykłej diodzie półprzewodnikowej, a położenie katody charakteryzuje się pierścieniem. Prostowniki dla wyższych mocy wyjściowych są zwykle okablowane promieniowo i mają obudowę TO z radiatorem. Element może być przymocowany do obudowy urządzenia lub podłączony do radiatora poprzez otwór w tym ograniczniku.
Oprócz wersji z dwoma przewodami połączeniowymi lub stykami lutowanymi SMD, dostępne są również tablice z trzema połączeniami. Zawierają one dwa elementy diodowe z oddzielnymi połączeniami anody i wspólnym połączeniem dla katody.
FAQ - często zadawane pytania
Czym dokładnie jest warstwa zaporowa?
W fizyce półprzewodników warstwa zaporowa to obszar izolacyjny w obrębie przewodzącego, domieszkowanego materiału półprzewodnikowego. Poruszające się nośniki ładunku są rozpraszane lub odpychane przez pole elektryczne. W obrębie warstwy zaporowej pozostają jedynie zjonizowane zanieczyszczenia.
Warstwa zaporowa jest tak nazywana, ponieważ powstaje z obszaru przewodzącego poprzez usunięcie wszystkich wolnych nośników ładunku, tak aby żaden nie pozostał do przewodzenia prądu. Zrozumienie zjawiska złącza jest kluczem do wyjaśnienia nowoczesnej elektroniki półprzewodnikowej: prostowniki, tranzystory bipolarne, tranzystory polowe i prostowniki o zmiennej pojemności opierają się na zjawisku złącza.
Jakie są zalety diod Schottky'ego z węglika krzemu?
Węglik krzemu ma wysoką przewodność cieplną, a temperatura ma niewielki wpływ na jego właściwości przełączania i termiczne. W specjalnej konstrukcji, diody Schottky'ego z węglika krzemu mogą pracować w temperaturach złącza przekraczających 200 stopni Celsjusza, co umożliwia pasywne chłodzenie radiacyjne, na przykład w zastosowaniach lotniczych.