Диоды Шоттки: описание, принцип работы, схема, основные параметры, применение, характеристики
Диоды Шоттки: описание, принцип работы, схема, основные параметры, применение, характеристики
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:
- пониженное падение напряжения при прямом смещении;
- незначительная собственная ёмкость;
- малый обратный ток;
- 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.
- Максимальное постоянное обратное напряжение;
- Максимальное импульсное обратное напряжение;
- Максимальный (средний) прямой ток;
- Максимальный импульсный прямой ток;
- Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
- Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
- Максимальная рабочая частота диода;
- Время обратного восстановления;
- 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.
Что такое диод Шоттки, его характеристики и способ проверки мультиметром
Развитие электроники требует все более высоких стандартов от радиодеталей. Для работы на высоких частотах используют диод Шоттки, который по своим параметрам превосходит кремниевые аналоги. Иногда можно встретить название диод с барьером Шоттки, что в принципе означает то же самое.
Конструкция
Отличается диод Шоттки от обыкновенных диодов своей конструкцией, в которой используется металл-полупроводник, а не p-n переход. Понятно, что свойства здесь разные, а значит, и характеристики тоже должны отличаться.
Действительно, металл-полупроводник обладает такими параметрами:
- Имеет большое значение тока утечки,
- Невысокое падение напряжения на переходе при прямом включении,
- Восстанавливает заряд очень быстро, так как имеет низкое его значение.
Диод Шоттки изготавливается из таких материалов, как арсенид галлия, кремний, намного реже, но также может использоваться – германий. Выбор материала зависит от свойств, которые нужно получить, однако в любом случае максимальное обратное напряжение, на которое могут изготавливаться данные полупроводники, не выше 1200 вольт – это самые высоковольтные выпрямители. На практике же намного чаще их используют при более низком напряжении – 3, 5, 10 вольт.
На принципиальной схеме диод Шоттки обозначается таким образом:
Но иногда можно увидеть и такое обозначение:
Это означает сдвоенный элемент: два диода в одном корпусе с общим анодом или катодом, поэтому элемент имеет три вывода. В блоках питания используют такие конструкции с общим катодом, их удобно использовать в схемах выпрямителей. Часто на схемах рисуется маркировка обычного диода, но в описании указывается, что это Шоттки, поэтому нужно быть внимательными.
Диодные сборки с барьером Шоттки выпускаются трех типов:
1 тип – с общим катодом,
2 тип – с общим анодом,
3 тип – по схеме удвоения.
Такое соединение помогает увеличить надежность элемента: ведь находясь в одном корпусе, они имеют одинаковый температурный режим, что важно, если нужны мощные выпрямители, например, на 10 ампер.
Но есть и минусы. Все дело в том, что малое падение напряжения (0,2–0,4 в) у таких диодов проявляется на небольших напряжениях, как правило – 50–60 вольт. При более высоком значении они ведут себя как обычные диоды. Зато по току эта схема показывает очень хорошие результаты, ведь часто бывает необходимо – особенно в силовых цепях, модулях питания – чтобы рабочий ток полупроводников был не ниже 10а.
Еще один главный недостаток: для этих приборов нельзя превышать обратный ток даже на мгновение. Они тут же выходят из строя, в то время как кремниевые диоды, если не была превышена их температура, восстанавливают свои свойства.
Но положительного все-таки больше. Кроме низкого падения напряжения, диод Шоттки имеет низкое значение емкости перехода. Как известно: ниже емкость – выше частота. Такой диод нашел применение в импульсных блоках питания, выпрямителях и других схемах, с частотами в несколько сотен килогерц.
Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)
ВАХ такого диода имеет несимметричный вид. Когда приложено прямое напряжение, видно, что ток растет по экспоненте, а при обратном – ток от напряжения не зависит.
Все это объясняется, если знать, что принцип работы этого полупроводника основан на движении основных носителей – электронов. По этой же самой причине эти приборы и являются такими быстродействующими: у них отсутствуют рекомбинационные процессы, свойственные приборам с p-n переходами. Для всех приборов, имеющих барьерную структуру, свойственна несимметричность ВАХ, ведь именно количеством носителей электрического заряда обусловлена зависимость тока от напряжения.
Миниатюризация
С развитием микроэлектроники стали широко применяться специальные микросхемы, однокристальные микропроцессоры. Все это не исключает использования навесных элементов. Однако если для этой цели использовать радиоэлементы обычных размеров, то это сведет на нет всю идею миниатюризации в целом. Поэтому были разработаны бескорпусные элементы – smd компоненты, которые в 10 и более раз меньше обычных деталей. ВАХ таких компонентов ничем не отличается от ВАХ обычных приборов, а их уменьшенные размеры позволяют использовать такие запчасти в различных микросборках.
Компоненты smd имеют несколько типоразмеров. Для ручной пайки подходят smd размера 1206. Они имеют размер 3,2 на 1,6 мм, что позволяет их впаивать самостоятельно. Другие элементы smd более миниатюрные, собираются на заводе специальным оборудованием, и самому, в домашних условиях, их паять невозможно.
Принцип работы smd компонента также не отличается от его большого аналога, и если, к примеру, рассматривать ВАХ диода, то она в одинаковой степени будет подходить для полупроводников любого размера. По току изготавливаются от 1 до 10 ампер. Маркировка на корпусе часто состоит из цифрового кода, расшифровка которого приводится в специальных таблицах. Протестировать на пригодность их можно тестером, как и большие аналоги.
Использование на практике
Выпрямители Шоттки используется в импульсных блоках питания, стабилизаторах напряжения, импульсных выпрямителях. Самыми требовательными по току – 10а и более – это напряжения 3,3 и 5 вольт. Именно в таких цепях вторичного питания приборы Шоттки используют чаще всего. Для усиления значений по току их включают вместе по схеме с общим анодом или катодом. Если каждый из сдвоенных диодов будет на 10 ампер, то получится значительный запас прочности.
Одна из самых частых неисправностей импульсных модулей питания – выход из строя этих самых диодов. Как правило, они либо полностью пробиваются, либо дают утечку. В обоих случаях неисправный диод нужно заменить, после чего проверить мультиметром силовые транзисторы, а также замерить напряжения питания.
Тестирование и взаимозаменяемость
Проверить выпрямители Шоттки можно так же, как и обычные полупроводники, так как они имеют похожие характеристики. Мультиметром необходимо прозвонить его в обе стороны – он должен показать себя так же, как и обычный диод: анод-катод, при этом утечек быть не должно. Если он показывает даже незначительное сопротивление – 2–10 килоом, это уже повод для подозрений.
Проверка диода Шоттки мультиметром
Диод с общим анодом или катодом можно проверить как два обычных полупроводника, соединенных вместе. Например, если анод общий, то это будет одна ножка из трех. На анод ставим один щуп тестера, другие ножки – это разные диоды, на них ставится другой щуп.
Можно ли его заменить на другой тип? В некоторых случаях диоды Шоттки меняют на обычные германиевые. К примеру, Д305 при токе 10 ампер давал падение всего 0,3 вольта, а при токах 2–3 ампера их вообще можно ставить без радиаторов. Но главная цель установки Шоттки – это не малое падение, а низкая емкость, поэтому заменить получится не всегда.
Как видим, электроника не стоит на месте, и дальнейшие варианты применения быстродействующих приборов будет только увеличиваться, давая возможность разрабатывать новые, более сложные системы.
ДИОД ШОТТКИ
Сегодня тема нашего обзора — диод Шоттки. Тема познавательная и напечатана специально для начинающих радиолюбителей. В современных радиосхемах очень часто встречается термин — Диод «Шоттки», так давайте узнаем, что же он из себя представляет. Диод шоттки — это полупроводниковый диод выполненный на основе контакта металл-полупроводник. Назван в честь Вальтера Шоттки. Схематическое изображение диода шоттки похоже на обычный диод с некоторыми незначительными отличиями.
Вместо п-н перехода, в диодах шоттки в качестве барьера используют металл — полупроводник, в области этого перехода возникает потенциальный барьер — барьер шоттки, изменение высоты которого приводит к изменению протекания тока через прибор. Самая главная особенность диодов Шоттки — это низкий уровень падения прямого напряжения после перехода, отсутствие заряда обратного восстановления. На основе барьера Шоттки изготавливают в частности быстродействующие и ультрабыстрые диоды, они служат главным образом как СВЧ диоды различного назначения.
Структура диода: 1 — полупроводниковая подложка; 2 — эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт металл — полупроводник; 4 — металлическая плёнка; 5 — внешний контакт.
Такой диод позволяет получать нужную высоту потенциального барьера, посредством выбора нужного металла, очень низкий уровень высокочастотных шумов, что дает возможность применить диод Шоттки в импульсных блоках питания и в цифровых аппаратурах. Диоды Шоттки применяют также как приемники излучения, модулятор света, нашли широкое применение в солнечных батареях. Среди недостатков данных типов диода стоит отметить чувствительность к обратным значениям тока и напряжения, из — за чего диод может перегреться и выйти из строя.
Работает в температурном диапазоне от — 65 до плюс 160 градусов по цельсию, допустимое обратное напряжение промышленных диодов Шоттки ограничено 250 вольт. Такая деталь сегодня стала незаменимым полупроводниковым прибором. Диоды Шоттки также выпускаются в SMD корпусах. Чаще всего они встречаются в стеклянном, пластмассовом и металлическом корпусе. Автор — АКА.
Форум по обсуждению материала ДИОД ШОТТКИ
Микроконтроллер ATtiny13 и MOSFet транзисторы будут управлять светодиодными лентами в этой схеме ЦМУ.
Схема, плата и фото готового самодельного усилителя 100W на транзисторах Дарлингтона.
Схема простого кварцованного передатчика FM диапазона на мощность до 0,2 Вт, при питании от 12 В.
Регулируемый источник питания 1,2 — 33 В на 4 A тока, с Lm350 + Tip147 транзистор.
