Как работают диоды Шоттки
Все, что вам нужно знать о том, как работают диоды Шоттки
Подобно другим диодам, диод Шоттки в зависимости от направления течения тока в электрической цепи влияет на ток. В мире электроники эти устройства работают так же, как улицы с односторонним движением – они позволяют току течь только от анода к катоду. Тем не менее, в отличие от обычных полупроводниковых диодов, диод Шоттки известен благодаря низкому падению напряжения при его прямом включении и способностью к быстрому переключению. Это делает его идеальным выбором для использования в высокочастотных устройствах, а также в устройствах, где используются низкие напряжения. Диод Шоттки может применяться в самых разных устройствах, например:
Для выпрямления тока большой мощности. Диоды Шоттки могут использоваться в мощных устройствах благодаря низкому падению напряжения при прямом включении. Эти диоды затрачивают меньше энергии, что способствует уменьшению размеров радиатора;
В универсальных источниках питания. Диоды Шоттки также могут помогать разделять питание при использовании блоков двойного электропитания, использующих энергию электрической сети и аккумуляторов;
В элементах солнечных батарей. Диоды Шоттки могут помочь добиться максимальной эффективности элементов солнечной батареи благодаря низкому падению напряжения при прямом включении. Также они помогают защищать ячейки от обратного заряда;
В качестве защелки. Диоды Шоттки могут также использоваться в качестве защелки в транзисторных схемах, а также в цепях с логическими элементами 74LS или 74S.
Преимущества и недостатки диода Шоттки
Одним из главных преимуществ использования диода Шоттки вместо обычного диода является низкое сопротивление его перехода металл-полупроводник, приводящее к тому, что напряжение падает при его прямом включении. Таким образом диод Шоттки потребляет меньшее напряжение, чем обычный диод. На его p-n-переходе падает лишь 0,3-0,4 В. На графике ниже вы можете видеть прямое падение напряжение, составляющее приблизительно 0,3 В. Ток через диод Шоттки значительно возрастает при увеличении напряжения сверх указанного. Через обычный диод ток не растет до напряжения приблизительно 0,6 В.
На рисунках ниже показаны две электрические цепи в качестве иллюстрации преимуществ низкого падения напряжения при прямом включении. В цепи слева обычный диод, а справа – диод Шоттки. У обеих цепей источник питания дает напряжение 2 В постоянного тока.
Обычный диод потребляет 0,7 В, отдавая нагрузке лишь 1,3 В. Благодаря низкому падению напряжения при прямом включении, диод Шоттки потребляет только 0,3 В, отдавая нагрузке 1,7 В. Если нагрузке необходимы 1,5 В, то для такой задачи подойдет только диод Шоттки.
Другие преимущества использования диода Шоттки вместо обычного диода:
Малое время обратного восстановления. Диод Шоттки накапливает небольшой заряд, что делает его идеальным для использования в схемах, требующих быстрого переключения - они широко используются при конструировании высокочастотных печатных плат;
Пониженный уровень помех. Диод Шоттки добавляет в схему меньшее количество нежелательного шума по сравнению с типичным диодом с p-n-переходом;
Более высокие характеристики. Диод Шоттки потребляет меньше энергии, поэтому подходит по техническим требованиям для использования в низковольтных устройствах.
Также следует помнить о нескольких недостатках диодов Шоттки. Диод Шоттки, на который подано обратное напряжение смещения, будет пропускать больший обратный ток, чем обычный диод. Это приводит к тому, что в цепи с обратным включением диода Шоттки ток утечки больше.
Максимальное обратное напряжение диода Шоттки также меньше, чем у обычных диодов, и обычно составляет не более 50 В. При превышении этого напряжения происходит пробой диода Шоттки, в результате чего он начинает пропускать большой ток в обратном направлении. До этой величины обратного напряжения существует лишь небольшой ток утечки через диод Шоттки, впрочем, как и у других диодов.
Как работает диод Шоттки
В обычном диоде полупроводники p-типа и n-типа образуют p-n-переход. В диоде Шоттки вместо полупроводника p-типа используется металл. Этот металл может быть разным – от платины до вольфрама, молибден, золото и т. д.
Металл и полупроводник n-типа образуют переход металл-полупроводник. Он называется барьером Шоттки. Свойства барьера Шоттки различны при отсутствии напряжения смещения, при прямом и при обратном смещении.
Напряжение смещения отсутствует
При отсутствии напряжения смещения свободные электроны будут перемещаться из полупроводника n-типа в металл, чтобы восстановить равновесие. Этот поток электронов создает барьер Шоттки, где встречаются отрицательные и положительные ионы. Чтобы свободные электроны смогли преодолеть этот барьер, требуется приложение внешнего напряжения большего, чем потенциал поля перехода металл-полупроводник.
Прямое смещение
Если положительную клемму батарейки подключить к выводу диода, подключенного к металлической части перехода метал-полупроводник, а отрицательную – к выводу диода, подключенного к полупроводнику, то таким образом мы подадим на диод прямое смещение. В этом состоянии, если напряжение больше 0,2 В, то электроны могут преодолеть переход металл-полупроводник и перейти из полупроводника n-типа в металл. Это приведет к возникновению тока через диод. Так работают все диоды.
Обратное смещение
Если отрицательную клемму батарейки подключить к выводу диода, подключенного к металлической части перехода метал-полупроводник, а положительную – к выводу диода, подключенного к полупроводнику, то таким образом мы подадим на диод обратное смещение. Так мы увеличим ширину барьера Шоттки, не давая току течь через диод. Тем не менее, если напряжение обратного смещения будет возрастать, то, в конце концов, барьер будет пробит. После чего ток потечет в обратном направлении и может повредить этот и другие электронные компоненты.
Изготовление и параметры диода Шоттки
Существуют различные способы изготовления диода Шоттки. Самый простой способ изготовить диод Шоттки – это присоединить к поверхности полупроводника металлический провод, сделав точечный контакт. Некоторые диоды Шоттки до сих пор производятся таким способом, но осуществить контроль качества готовых диодов сложно.
Самая популярная технология использует вакуумное нанесение металла на поверхность полупроводника. Этот метод обладает недостатком, заключающимся в пробое диода вследствие воздействия электрических полей по краям пластины проводника. Для устранения этой проблемы производители защищают полупроводниковую пластину оксидным охранным кольцом. Кроме того, это охранное кольцо защищает переход металл-полупроводник от разрушения вследствие физического воздействия. Такие диоды изготавливаются в том числе в форм-факторе, допускающем поверхностный монтаж компонентов.
Параметры диода Шоттки
Ниже приведен перечень характеристик, на основании которых следует подбирать диод Шоттки для использования в вашем следующем электронном проекте.
Примеры диодов Шоттки
Полезно увидеть, как эти характеристики обычно приводятся на сайте изготовителя или в спецификации. Ниже приведены два примера:
1N5711 – это ультрабыстрый диод Шоттки, обладающий высоким пробивным напряжением, низким падением напряжения при прямом включении и охранным кольцом для защиты перехода металл-полупроводник.
1N5828 – это диод Шоттки в корпусе штыревого типа, используемый для выпрямления тока.
Управление током
Вы планируете поработать над высокочастотным или мощным устройством, в котором требуется применение низкого напряжения? Ваш выбор – диоды Шоттки! Эти диоды широко известны благодаря их низкому падению напряжения при прямом включении и высокой скорости переключения. Используются ли они в ячейках солнечных батарей или для выпрямления тока, нет других подобных устройств, обладающих падением напряжения всего 0,3 В, дающее дополнительную эффективность. Современные ПО для разработки электронных устройств уже имеют множество готовых к использованию бесплатных библиотек, содержащих диоды Шоттки. Самому не нужно ничего делать. Попробуйте уже сегодня!