диод Шоттки

Не путать с диодом Шокли .

диод Шоттки

Различные диоды с барьером Шоттки: ВЧ-устройства малого сигнала (слева), выпрямительные диоды Шоттки средней и большой мощности (средний и правый)
Тип	Пассивный
Изобретенный	Уолтер Х. Шоттки
Конфигурация контактов	анод и катод
Электронный символ

Диод Шоттки (названный в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки ), также известный как диод с барьером Шоттки или диод с горячими носителями , представляет собой полупроводниковый диод, образованный соединением полупроводника с металлом . Он имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. Детекторы « кошачьи усы», использовавшиеся на заре беспроводной связи , и металлические выпрямители, использовавшиеся в первых энергетических приложениях, можно считать примитивными диодами Шоттки.

Когда приложено достаточное прямое напряжение, ток течет в прямом направлении. Кремниевый p-n-диод имеет типичное прямое напряжение 600–700 мВ, а прямое напряжение Шоттки составляет 150–450 мВ. Это более низкое требование к прямому напряжению обеспечивает более высокую скорость переключения и лучшую эффективность системы.

Строительство

1N5822 Диод Шоттки в разрезанной упаковке. Полупроводник в центре образует барьер Шоттки против одного металлического электрода (обеспечивая выпрямляющее действие) и омический контакт с другим электродом.

Диоды с барьером Шоттки HP 5082-2800 для приложений общего назначения

Между металлом переход металл- и полупроводником образуется полупроводник, создающий барьер Шоттки (вместо перехода полупроводник-полупроводник, как в обычных диодах). Типичными используемыми металлами являются молибден, платина, хром или вольфрам, а также некоторые силициды (например, силицид палладия и силицид платины ), тогда как полупроводником обычно является кремний n-типа. Металлическая сторона действует как анод , а полупроводник n-типа — как катод диода; это означает, что обычный ток может течь от стороны металла к стороне полупроводника, но не в противоположном направлении. Этот барьер Шоттки обеспечивает как очень быстрое переключение, так и низкое прямое падение напряжения.

Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Полупроводники как n-, так и p-типа могут создавать барьеры Шоттки. Однако p-тип обычно имеет гораздо более низкое прямое напряжение. Поскольку обратный ток утечки резко возрастает с уменьшением прямого напряжения, он не может быть слишком низким, поэтому обычно используемый диапазон составляет около 0,15–0,45 В, а полупроводники p-типа используются лишь изредка. Силицид титана и другие тугоплавкие силициды, которые способны выдерживать температуры, необходимые для отжига истока/стока в КМОП-процессах, обычно имеют слишком низкое прямое напряжение, чтобы их можно было использовать, поэтому в процессах с использованием этих силицидов обычно не используются диоды Шоттки.

С увеличением легирования полупроводника ширина обедненной области уменьшается. Ниже определенной ширины носители заряда могут туннелировать через область обеднения. При очень высоких уровнях легирования переход больше не ведет себя как выпрямитель и становится омическим контактом. Это можно использовать для одновременного формирования омических контактов и диодов, поскольку диод образуется между силицидом и слаболегированной областью n-типа, а омический контакт образуется между силицидом и сильнолегированной областью n- или p-типа. . Слегка легированные области p-типа создают проблему, поскольку полученный контакт имеет слишком высокое сопротивление для хорошего омического контакта, но слишком низкое прямое напряжение и слишком высокую обратную утечку для создания хорошего диода.

Поскольку края контакта Шоттки довольно острые, вокруг них возникает высокий градиент электрического поля, что ограничивает величину порога напряжения обратного пробоя. Используются различные стратегии: от защитных колец до наложения металлизации для распределения градиента поля. Защитные кольца занимают ценную площадь кристалла и используются в основном для более крупных высоковольтных диодов, тогда как перекрывающаяся металлизация используется в основном для меньших низковольтных диодов.

Диоды Шоттки часто используются в качестве ограничителей антинасыщения в транзисторах Шоттки . Диоды Шоттки из силицида палладия (PdSi). превосходны благодаря более низкому прямому напряжению (которое должно быть ниже, чем прямое напряжение перехода база-коллектор). Температурный коэффициент Шоттки ниже коэффициента перехода B–C, что ограничивает использование PdSi при более высоких температурах.

Для мощных диодов Шоттки важное значение приобретают паразитные сопротивления скрытого слоя n+ и эпитаксиального слоя n-типа. Сопротивление эпитаксиального слоя более важно, чем для транзистора, так как ток должен проходить по всей его толщине. Однако он выполняет функцию распределенного балластного резистора по всей площади перехода и в обычных условиях предотвращает локальный тепловой разгон.

По сравнению с силовыми p–n-диодами диоды Шоттки менее прочны. Переход находится в непосредственном контакте с термочувствительной металлизацией; Таким образом, диод Шоттки может рассеивать меньшую мощность, чем его аналог p – n эквивалентного размера с глубоко спрятанным переходом, прежде чем выйти из строя (особенно во время обратного пробоя). Относительное преимущество более низкого прямого напряжения диодов Шоттки уменьшается при более высоких прямых токах, когда в падении напряжения преобладает последовательное сопротивление.

Обратное время восстановления

Наиболее важным отличием p–n- диода от диода Шоттки является время обратного восстановления (trr ₎ , когда диод переключается из проводящего состояния в непроводящее. В ap-n-диоде время обратного восстановления может составлять от нескольких микросекунд до менее 100 нс для быстрых диодов и в основном ограничивается диффузионной емкостью, вызванной неосновными носителями, накопленными в диффузионной области во время проводящего состояния. Диоды Шоттки значительно быстрее, поскольку они являются униполярными устройствами, и их скорость ограничена только емкостью перехода. Время переключения составляет ~100 пс для слабосигнальных диодов и до десятков наносекунд для специальных силовых диодов большой емкости. При переключении p–n-перехода также возникает обратный ток восстановления, который в мощных полупроводниках вносит повышенный шум ЭМИ . У диодов Шоттки переключение происходит по существу «мгновенно» с лишь небольшой емкостной нагрузкой, что не вызывает особого беспокойства.

Такое «мгновенное» переключение происходит не всегда. В частности, в устройствах Шоттки более высокого напряжения структура защитного кольца, необходимая для управления геометрией поля пробоя, создает паразитный p-n-диод с обычными характеристиками времени восстановления. Пока этот диод защитного кольца не смещен в прямом направлении, он добавляет только емкость. Однако если переход Шоттки задействован достаточно сильно, прямое напряжение в конечном итоге сместит оба диода вперед, и фактическое значение t _rr будет сильно затронуто.

Часто говорят, что диод Шоттки представляет собой полупроводниковый прибор с « основной несущей ». Это означает, что если полупроводниковое тело является легированным n-типом, то только носители n-типа (подвижные электроны ) играют существенную роль в нормальной работе устройства. Основные носители быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта на другой стороне диода и становятся свободно движущимися электронами . медленной случайной рекомбинации Следовательно, не происходит носителей n- и p-типа, так что этот диод может прекратить проводимость быстрее, чем обычный выпрямительный диод p – n . Это свойство, в свою очередь, позволяет уменьшить площадь устройства, что также способствует более быстрому переходу. Это еще одна причина, по которой диоды Шоттки полезны в импульсных преобразователях мощности : высокая скорость диода означает, что схема может работать на частотах в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц, что позволяет использовать небольшие катушки индуктивности и конденсаторы с большей эффективностью. чем было бы возможно с другими типами диодов. Диоды Шоттки малой площади — сердце радиочастотных технологий детекторы и смесители , которые часто работают на частотах до 50 ГГц.

Ограничения

Наиболее очевидными ограничениями диодов Шоттки являются их относительно низкие номинальные значения обратного напряжения и относительно высокий обратный ток утечки . Для кремниево-металлических диодов Шоттки обратное напряжение обычно составляет 50 В или меньше. Доступны некоторые конструкции с более высоким напряжением (200 В считается высоким обратным напряжением). Обратный ток утечки, поскольку он увеличивается с температурой, приводит к проблеме тепловой нестабильности . Это часто ограничивает полезное обратное напряжение значительно ниже фактического номинала.

Хотя достижимы более высокие обратные напряжения, они будут обеспечивать более высокое прямое напряжение, сравнимое с другими типами стандартных диодов. Такие диоды Шоттки не имели бы никаких преимуществ. если не требуется большая скорость переключения.

Карбид-кремниевый диод Шоттки

Диоды Шоттки, изготовленные из карбида кремния, имеют гораздо меньший обратный ток утечки, чем кремниевые диоды Шоттки, а также более высокое прямое напряжение (около 1,4–1,8 В при 25 ° C) и обратное напряжение. По состоянию на 2011 год у производителей они выпускались в вариантах до 1700 В обратного напряжения.

Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, и температура мало влияет на его коммутационные и тепловые характеристики. Диоды Шоттки из карбида кремния в специальной упаковке могут работать при температуре перехода более 500 К (около 200 °C), что позволяет использовать пассивное радиационное охлаждение в аэрокосмической отрасли.

Приложения

Фиксация напряжения

В то время как стандартные кремниевые диоды имеют падение напряжения в прямом направлении около 0,7 В, а германиевые диоды — 0,3 В, падение напряжения на диодах Шоттки при прямом смещении около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,46 В (см. 1N5817). и 1N5711 ), что делает их полезными для ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов . Это связано с более высокой плотностью тока в диоде Шоттки.

Защита от обратного тока и разряда

Низкое прямое падение напряжения диода Шоттки хорошо подходит для энергоэффективных приложений, поскольку на нагрев тратится мало энергии. Это делает их полезными в качестве блокирующих диодов в автономных («автономных») фотоэлектрических (PV) системах, которые предотвращают разряд батарей через солнечные панели в ночное время. Они также используются в системах, подключенных к сети, с несколькими цепочками, соединенными параллельно, чтобы предотвратить протекание обратного тока из соседних цепочек через заштрихованные цепочки в случае выхода из строя байпасных диодов.

Импульсные источники питания

Диоды Шоттки также используются в качестве выпрямителей в импульсных источниках питания . Низкое прямое напряжение и быстрое время восстановления приводят к повышению эффективности.

Их также можно использовать в цепях питания « ИЛИ » в изделиях, которые имеют как внутреннюю батарею , так и вход сетевого адаптера или аналогичные устройства. Однако в этом случае высокий обратный ток утечки представляет собой проблему, поскольку любая схема измерения напряжения с высоким импедансом (например, контролирующая напряжение батареи или определяющая наличие сетевого адаптера) будет видеть напряжение от другого источника питания через диод. утечка.

Схемы выборки и хранения

Диоды Шоттки можно использовать в схемах выборки и хранения на основе диодных мостов . По сравнению с обычными p – n-перехода диодными мостами на основе диоды Шоттки могут предложить преимущества. Диод Шоттки с прямым смещением не имеет накопителя заряда неосновных носителей. Это позволяет им переключаться быстрее, чем обычные диоды, что приводит к меньшему времени перехода от этапа выборки к этапу удержания. Отсутствие хранения заряда неосновных носителей также приводит к меньшему шагу удержания или ошибке выборки, что приводит к более точной выборке на выходе.

Контроль заряда

Благодаря эффективному управлению электрическим полем диоды Шоттки можно использовать для точной загрузки или выгрузки одиночных электронов в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы или квантовые точки.

Обозначение

SS14 Диод Шоттки в
DO-214 AC (SMA) Комплект
(версия 1N5819 для поверхностного монтажа )

К часто встречающимся диодам Шоттки относятся выпрямители серии 1N58xx 1N581x (1 А ) и 1N582x (3 А). , такие как сквозные части и детали для поверхностного монтажа SS1x (1 A) и SS3x (3 A). Выпрямители Шоттки доступны в различных вариантах корпусов для поверхностного монтажа .

Диоды Шоттки со слабым сигналом, такие как 1N5711, 1Н6263, 1СС106, 1СС108, и серии БАТ41–43, 45–49. широко используются в высокочастотных приложениях в качестве детекторов, смесителей и нелинейных элементов и вытеснили германиевые диоды. Они также подходят для защиты от электростатического разряда (ESD) чувствительных устройств, таких как III-V полупроводниковые приборы , лазерные диоды и, в меньшей степени, открытые линии КМОП- схем.

Переходы металл-полупроводник Шоттки используются в преемниках семейства 7400 TTL логических устройств , сериях 74S, 74LS и 74ALS, где они используются в качестве зажимов Бейкера параллельно с переходами коллектор-база биполярных транзисторов для предотвращения их насыщения. , тем самым значительно сокращая задержки выключения.

Альтернативы

Если требуется меньше рассеиваемой мощности, вместо этого можно использовать полевой МОП-транзистор и схему управления в режиме работы, известном как активное выпрямление .

Супердиод , обеспечивает почти идеальную характеристику диода за счет , состоящий из pn-диода или диода Шоттки и операционного усилителя эффекта отрицательной обратной связи, хотя его использование ограничено частотами, которые может обрабатывать используемый операционный усилитель.

Электросмачивание

Электросмачивание можно наблюдать, когда диод Шоттки формируется с использованием капли жидкого металла, например ртути , в контакте с полупроводником, например кремнием . В зависимости от типа легирования и плотности полупроводника растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. Этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки».

См. также

• Гетероструктурный барьерный варактор - Полупроводниковый прибор с переменной емкостью.
• Список диодов Шоттки 1N58xx
• Эффект Шоттки - явление в физике конденсированного состояния. Страницы, отображающие описания из Викиданных в качестве запасного варианта.

Внешние ссылки

• «Характеристики диодов Шоттки» – PowerGuru
• «Введение в выпрямители Шоттки»
• «Всегда ли самое низкое прямое падение напряжения у настоящих диодов Шоттки является лучшим выбором?» Техническое приложение, IXYS Corporation .
• «Диод Шоттки» в Electronics Notes