Диоды Шоттки или более точно - диоды с барьером Шоттки - это полупроводниковые приборы, выполненные на базе контакта металл-полупроводник, в то время как в обычных диодах используется полупроводниковый p-n-переход.
Диод Шоттки обязан своим названием и появлением в электронике немецкому физику изобретателю Вальтеру Шоттки, который в 1938 году, изучая только что открытый барьерный эффект, подтвердил выдвинутую ранее теорию, согласно которой хоть эмиссии электронов из металла и препятствует потенциальный барьер, но по мере увеличения прикладываемого внешнего электрического поля этот барьер будет снижаться. Вальтер Шоттки открыл этот эффект, который затем и назвали эффектом Шоттки, в честь ученого.
Исследуя контакт металла и полупроводника можно видеть, что если вблизи поверхности полупроводника имеется область обедненная основными носителями заряда, то в области контакта этого полупроводника с металлом со стороны полупроводника образуется область пространственного заряда ионизированных акцепторов и доноров, при этом реализуется блокирующий контакт - тот самый барьер Шоттки. В каких условиях возникает этот барьер? Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела определяет уравнение Ричардсона:
Создадим условия, когда при контакте полупроводника, например n-типа, с металлом термодинамическая работа выхода электронов из металла была бы больше, чем термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника. В таких условиях, в соответствии с уравнением Ричардсона, ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника окажется больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:
В начальный момент времени, при контакте названных материалов, ток от полупроводника в металл превысит обратный ток (из металла в полупроводник), в результате чего в приповерхностных областях как полупроводника, так и металла - станут накапливаться объемные заряды - положительные в полупроводнике и отрицательные - в металле. В контактной области возникнет электрическое поле, образованное этими зарядами, и будет иметь место изгиб энергетических зон.
Под действием поля термодинамическая работа выхода для полупроводника возрастет, и возрастание будет происходить до тех пор, пока в контактной области не уравняются термодинамические работы выхода, и соответствующие им токи термоэлектронной эмиссии применительно к поверхности.
Картина перехода к равновесному состоянию с формированием потенциального барьера для полупроводника p-типа и металла аналогична рассмотренному примеру с полупроводником n-типа и металла. Роль внешнего напряжения - регулировка высоты потенциального барьера и напряженности электрического поля в области пространственного заряда полупроводника.
На рисунке выше представлены зонные диаграммы различных этапов формирования барьера Шоттки. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φк = ФМе - Фп/п.
Очевидно, вольт-амперная характеристика для барьера Шоттки получается несимметричной. В прямом направлении ток растет по экспоненте вместе с ростом прикладываемого напряжения. В обратном направлении ток не зависит от напряжения. В обоих случаях ток обусловлен электронами в качестве основных носителей заряда.
Диоды Шоттки поэтому отличаются быстродействием, ведь в них исключены диффузные и рекомбинационные процессы, требующие дополнительного времени. С изменением числа носителей и связана зависимость тока от напряжения, ибо в процессе переноса заряда участвуют эти носители. Внешнее напряжение меняет число электронов, способных перейти с одной стороны барьера Шоттки на другую его сторону.
Вследствие технологии изготовления и на основе описанного принципа действия, - диоды Шоттки имеют малое падение напряжения в прямом направлении, значительно меньшее чем у традиционных p-n-диодов.
Здесь даже малый начальный ток через контактную область приводит к выделению тепла, которое затем способствует появлению дополнительных носителей тока. При этом отсутствует инжекция неосновных носителей заряда.
У диодов Шоттки поэтому отсутствует диффузная емкость, поскольку нет неосновных носителей, и как следствие - быстродействие достаточно высокое по сравнению с полупроводниковыми диодами. Получается подобие резкого несимметричного p-n-перехода.
Таким образом, прежде всего диоды Шоттки - это СВЧ-диоды различного назначения: детекторные, смесительные, лавинно-пролетные, параметрические, импульсные, умножительные. Диоды Шоттки можно применять в качестве приемников излучения, тензодатчиков, детекторов ядерного излучения, модуляторов света, и наконец - выпрямителей высокочастотного тока.
Обозначение диода Шоттки на схемах
Диоды Шоттки сегодня
На сегодняшний день диоды Шоттки распространены весьма широко в электронных устройствах. На схемах они изображаются по иному, чем обычные диоды. Часто можно встретить сдвоенные выпрямительные диоды Шоттки, выполненные в трехвыводном корпусе свойственном силовым ключам. Такие сдвоенные конструкции содержат внутри два диода Шоттки, объединенные катодами или анодами, чаще - катодами.
Диоды в сборке имеют очень близкие параметры, поскольку каждая такая сборка изготавливается единым технологическим циклом, и в итоге их рабочий температурный режим одинаков, соответственно выше и надежность. Прямое падение напряжения 0,2 - 0,4 вольта наряду с высоким быстродействием (единицы наносекунд) - несомненные преимущества диодов Шоттки перед p-n-собратьями.
Особенность барьера Шоттки в диодах, применительно к малому падению напряжения, проявляется при приложенных напряжениях до 60 вольт, хотя быстродействие остается непоколебимым. Сегодня диоды Шоттки типа 25CTQ045 (на напряжение до 45 вольт, на ток до 30 ампер для каждого из пары диодов в сборке) можно встретить во многих импульсных источниках питания, где они служат в качестве силовых выпрямителей для токов частотой до нескольких сотен килогерц.
Нельзя не затронуть тему недостатков диодов Шоттки, они конечно есть, и их два. Во-первых, кратковременное превышение критического напряжения мгновенно выведет диод из строя. Во-вторых, температура сильно влияет на максимальный обратный ток. При очень высокой температуре перехода диод просто пробьет даже при работе под номинальным напряжением.
Ни один радиолюбитель не обходится без диодов Шоттки в своей практике. Здесь можно отметить наиболее популярные диоды: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Эти диоды есть как в выводном исполнении, так и в SMD. Главное, за что радиолюбители их так ценят - высокое быстродействие и малое падение напряжения на переходе - максимум 0,55 вольт - при невысокой цене данных компонентов.
Редкая печатная плата обходится без диодов Шоттки в том или ином назначении. Где-то диод Шоттки служит в качестве маломощного выпрямителя для цепи обратной связи, где-то - в качестве стабилизатора напряжения на уровне 0,3 - 0,4 вольт, а где-то является детектором.
В приведенной таблице вы можете видеть параметры наиболее распространенных сегодня маломощных диодов Шоттки.
Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.
Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.
Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В. Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.
Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:
При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.
Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.
Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:
От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний - по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.
При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.
К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро - стоит только провести подключение.
Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.
Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.
Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).
Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.
С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.
Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное - понимать специфику его работы и использовать его корректно.
Большинство современных радиосхем использует диод Шоттки. Его действие основано на физическом эффекте, который открыл немецкий ученый Вальтер Шоттки, поэтому он и носит его имя. Этот элемент имеет много таких же параметров, как и обычные диоды, но есть у него и существенные отличия.
Если обычный полупроводниковый диод основан на свойствах p-n перехода, то принцип работы диода Шоттки основан на свойствах перехода при контакте металла и полупроводника. Такой контакт получил в физике получил название «барьер Шоттки». В качестве полупроводника чаще всего используется арсенид галлия (GaAs), а из металлов применяют в основном следующие:
На радиотехнических схемах обозначение диода Шоттки похоже на обозначение обычного полупроводникового элемента, но есть заметное различие: со стороны катода, где есть небольшая перпендикулярная к основной линии черта, у нее дополнительно загибаются края в разные стороны под прямым углом или с плавным изгибом.
Иногда на принципиальных схемах затруднительно графически обозначить этот элемент, его рисуют, как обычный диод, а в спецификации дополнительно указывают тип.
Полупроводниковый элемент Шоттки широко применяется в различных электронных и радиотехнических устройствах из-за своих положительных свойств. К ним относят следующие:
Но есть и несколько отрицательных свойств, которые необходимо учитывать при использовании этого радиотехнического элемента. А именно:
Полупроводниковый радиотехнический элемент Шоттки характеризуется отсутствием диффузной емкости из-за отсутствия неосновных носителей. Поэтому этот элемент в первую очередь - это СВЧ-диод широкого спектра применения. Его используют в роли следующих элементов:
Малое падение напряжения, к сожалению, наблюдается у большинства этих элементов при рабочем напряжении в пределах 55−60 В. Если напряжение выше этого значения, то диод Шоттки имеет такие же качества, как и обычный полупроводниковый элемент на кремниевой основе. Максимум обратного напряжения обычно составляет порядка 250 В, но есть особые модели, которые выдерживают и 1200 В (например, VS-10ETS12-M3).
Из сдвоенных моделей популярной среди радиолюбителей является 60CPQ150. Этот радиоэлемент имеет максимум обратного напряжения 150 В, а каждый отдельный диод из сборки рассчитан на пропускание тока в прямом включении силой 30 А. В мощных импульсных источниках питания иногда можно встретить модель VS-400CNQ045, у которой сила тока на выходе после выпрямления достигает 400 А.
У радиолюбителей пользуются популярностью диоды Шоттки серии 1N581x. Такие образцы, как 1N5817, 1N5818, 1N5819 имеют максимальный номинальный прямой ток 1 А, а обратное напряжение у них составляет 20−40 В . Падение напряжения на барьере (переходе) в диапазоне от 0.45 до 0.55 В. Также в радиолюбительской практике встречается элемент 1N5822 с прямым током до 3 А.
На печатных платах используют миниатюрные диоды серий SK12 - SK16. Несмотря на очень небольшие размеры, они выдерживают прямой ток до 1 А, а напряжение «обратки» составляет от 20 до 60 В. Есть и более мощные диоды, например, SK36. У него прямой ток доходит до 3 А.
Существует всего три вида возможных неисправностей. Это пробой, обрыв и утечка. Если первые два вида можно диагностировать самостоятельно в домашних условиях с помощью обычного мультиметра, то третья неисправность в домашних условиях практически не поддается диагностике.
Для надежного определения выхода из строя диода его необходимо выпаять из схемы, иначе шунтирование через другие элементы схемы будет искажать полученные показания. При пробое элемент ведет себя как обычный проводник. При замере его сопротивления в обоих направлениях измерительный прибор будет составлять «0». При обрыве деталь вообще не пропускает электрический ток в любом направлении. Его сопротивление равно бесконечности в каждом направлении.
Косвенным признаком утечки в элементе является его нестабильная работа. Иногда может срабатывать встроенная защита в блоке питания компьютера, монитора и т. д.
Мультиметром определить утечку невозможно, так как она возникает при работе элемента, а замеры необходимо производить при его отключении от схемы.
Или различных схемах электрических цепей встречается такое понятие, как диод Шоттки. Прежде всего, это специальный диод-полупроводник, имеющий при прямом включении маленькое падение напряжения,и состоящий из полупроводника и металла. Свое название получил в честь изобретателя из Германии Вальтера Шоттки, который изобрел этот электронный элемент.
Вконтакте
Допустимое обратное напряжение в электронном элементе в промышленных целях ограничено 250 вольтами. На практике применяется в основном в низковольтных цепях, чтобы предотвратить течение тока в обратную сторону. По своей мощности разделяются на несколько групп: маломощные, среднемощные и мощные.
Само устройство состоит из металла - полупроводника, пассивации стеклом, защитного кольца и металла. Когда по цепи начинает идти электрический ток, то на защитном кольце и по всей области барьера-полупроводника будут скапливаться положительные и отрицательные заряды , но в разных частях корпуса, при котором будет возникать электрическое поле и выделяется тепло, что является большим плюсом для некоторых опытов в физике.
Этот электронный элемент отличается от других тем, что в нем в качестве преграды используется металл - полупроводник, который имеет одностороннюю электропроводимость, и обладающий многими другими отличительными свойствами. Такими металлами-полупроводниками могут быть арсенид галлий, золото, карбид кремния , вольфрам, германий, палладий, платина и так далее.
От выбранного металла будет зависеть и вся работа электронного элемента Шоттки. Особенно часто используют кремний, потому что он надежнее других, хорошо работает на больших мощностях. Также чаще других металлов
используют полупроводник на основе арсенида галлия (GaAs) - химическое соединение мышьяка и галлия, реже - на основе германия (Ge). Технология изготовления этих электронных элементов очень проста, поэтому он и является самым дешевым.
Также диод Шоттки отличается от других стабильной работой при подаче тока. Для стабильности используют внедрение в корпус этого электронного элемента специальных кристаллов, что является очень тонкой работой, потому что халатность или невнимательность может привести к неисправности устройства. Этим редко занимаются люди, чаще всего эту работу выполняет специальный робот - автомат, запрограммированный для такой операции.
Как и все электронные детали и элементы имеют обозначения, на принципиальных схемах этот электронный элемент изображается вот так (см. рис. 1), что несколько отличается от обозначения обычного полупроводника.
Еще на схемах можно встретить изображение сдвоенного диода Шоттки (см. рис. 2). Это два смонтированных электронных элемента в одном общем корпусе . Аноды или катоды у них спаяны, поэтому имеют три вывода.
Этот электронный элемент, как и большинство, маркируется сбоку. И если непонятны буквы и цифры на обозначении, то можно посмотреть по радиотехническому справочнику их расшифровку.
У этого устройства есть свои положительные стороны и свои недостатки.
Большой минус
в том, что бывает очень большим обратный ток. В некоторых случаях, например, превышение нужного уровня обратного тока
даже на несколько ампер, электронный элемент просто ломается или выходит из строя в самый неподходящий момент вне зависимости от того, новый он или старый. Также часто можно наблюдать утечки диодов, что может привести в некоторых случаях к печальным последствиям, если относится к проверке полупроводников с пренебрежением.
Эти электронные элементы
, представленные выше, можно встретить в нашем мире практически везде: в компьютерах, стабилизаторах, бытовой технике, радиовещании, телевидении, блоках питания, солнечных батареях, транзисторах и во многих других приборах из всех сферах жизни.
Во всех случаях поднимает эффективность и работоспособность, уменьшает численность потерь динамики напряжения, восстанавливает обратное сопротивление тока, принимает на себя излучение альфа, бета и гамма- зарядов, позволяет работать достаточно много времени без пробоев, удерживает ток в напряжении электрической цепи.
Можно провести диагностику электронного элемента Шоттки, если возникнет такая необходимость, но на это уйдет немного времени. Прежде всего, необходимо выпаять один элемент из диодного моста или электронной схемы. Осмотреть визуально и проверить тестером. В результате этих простых технических операций узнаете исправный ли полупроводник или нет. Хотя и необязательно выпаивать всю сборку, ведь это лишняя работа, а самое главное - з атраты времени.
Также можно проверить данный диод или диодный мост мультиметром , при этом учитывайте то, что на приборе изготовитель пишет ток сбоку. Мы включаем мультиметр и подводим его щупы к концам анода и катода, и он покажет нам напряжение диода.
Иногда бывает так, что диод Шоттки может стать неисправным по некоторым причинам. Рассмотрим их:
Причем в обоих случаях запаха гари вы не почувствуете и дыма не увидите, так как в корпусе встроена специальная защита против таких происшествий. Если вдруг в одном транзисторе сгорел вышесказанный диод , то убедитесь, что это единственное устройство, где вы нашли неисправность, потому что диоды обязательно нужно проверять все.
Хотя иногда может и не быть такой возможности для того, чтобы проверить диоды на исправность, когда это будет необходимо. Иногда бывает так , что компьютер начинает тормозить, включаться очень долго, «зависает». Возможно, дело связано именно с диодами, и каждый может разобрать процессор и посмотреть, что внутри случилось.
Нужно, прежде всего, обесточить компьютер и открыть блок питания в системном блоке. Сразу же можно заметить диоды. Проверьте, есть ли в них пробоины или обрывы. Если есть, то нужно их достать и заменить новым полупроводником, устранив неполадки самостоятельно, но лучше обратиться за помощью к профессионалам.
Диоды Шоттки получили широкую популярность и распространение во всех сферах современной жизни, особенно в электронике. Их можно найти как сдвоенные выпрямительные диоды , где два полупроводника установлены в одном корпусе и концы анодов или катодов связаны между собой, так и простые, также бывают очень маленькими (например, очень часто встречается в мелких электрических деталях).
Этот полупроводник очень часто используют в импульсных блоках питания в бытовой технике, что значительно снижает потери и улучшает тепловой режим работы. Также данные электронные элементы используются в транзисторах в качестве выпрямителей тока, и в таких специальных диодах, которые используют для объединения параллельных источников питания.
Диод Шоттки - это полупроводниковый прибор (диод) реализованный за счет контакта металл-полупроводник. Свое имя получил в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.
Особенности диодов Шоттки
В 1938 г. ученым была создана основа теории этих полупроводниковых приборов. Вместо p-n перехода в таких диодах в качестве барьера применен металл-полупроводник. Область полупроводникового материала объединена основными носителями. В месте контакта начинает формироваться область заряда ионизованных акцепторов. В результате в районе перехода возникает потенциальный барьер, который получил название барьера Шоттки. Изменение его уровня приводит к изменению значения тока, протекающему сквозь диод Шоттки. Главной особенностью таких полупроводниковых приборов считается низкий уровень понижения прямого напряжения после p-n перехода, а также отсутствие уровня заряда обратного восстановления.
Диоды Шоттки работают в диапазоне температур от минус 65 0 до плюс 160 0 по Цельсию, значение допустимого обратного напряжения выпускаемых в промышленности диодов ограничено 250 В. Однако широкое применение эти приборы получили в промышленной электронике в низковольтных цепях, обратное напряжение которых ограничено пределом до десятков вольт. Диод Шоттки позволяет получать необходимое значение потенциального барьера путем подбора нужного металла. Достаточно низкий уровень высокочастотного шума позволяет использовать такие диоды в импульсных блоках питания, в цифровой аппаратуре, в качестве приемников излучения, модуляторов света, в трансформаторных блоках аналоговой аппаратуры. Они нашли широкое применение при конструировании солнечных батарей. Принцип барьера Шоттки используют при проектировании и изготовлении быстродействующих СВЧ-диодов. Диод Шоттки конструктивно исполнен в стеклянном, пластмассовом и металлическом корпусах. Также эти приборы выпускаются в SMD-корпусах.
Достоинства и недостатки
Их достоинством, в отличие от кремниевых диодов, является довольно низкое падение напряжения (до 0,2-0,4 вольт). Такое малое значение падения характерно исключительно для диодов Шоттки. Барьер Шоттки тоже имеет меньшее значение электрической емкости перехода, это позволяет заметно повышать рабочую частоту прибора. Также эти устройства характеризуются пониженным значением уровня помех. Диод Шоттки имеет и ряд недостатков. Главным является высокая чувствительность к кратковременным скачкам обратного тока и напряжения, в результате чего происходит короткое замыкание, а диод перегорает. Также диоды такого типа характеризуются увеличением значения обратного тока при повышении температуры кристалла.
По мощности эти полупроводниковые приборы можно разбить на три группы: маломощные (проходной ток их не превышает 3-5 ампер), средней мощности (до 10 ампер) и мощные (ток достигает 60 ампер). Мощные диоды Шоттки используются для работы в приборах, служащих для выпрямления переменного тока. Они обеспечивают прохождение прямого тока, достигающего десятков ампер. При этом падение напряжения на диоде составляет всего 0,5-1 В. Допустимое же значение обратного напряжения в диодах Шоттки - 200-500 В.
