I diodi a barriera Schottky sono diodi semiconduttori progettati con una tensione diretta minima e velocità di commutazione elevate che possono essere fino a 10 ns. Questi sono prodotti in intervalli di corrente da 500 mA a 5 ampere e fino a 40 V. Grazie a queste caratteristiche diventano particolarmente adatti in applicazioni a bassa tensione e alta frequenza come in SMPS, e anche come diodi a ruota libera efficienti.
Il simbolo del dispositivo è mostrato nell'immagine seguente:
Cortesia: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode
Costruzione interna
I diodi Schottky sono costruiti in modo diverso rispetto ai tradizionali diodi a giunzione p-n. Invece di una giunzione p-n sono costruiti utilizzando un file giunzione semiconduttrice metallica come mostrato di seguito.
La sezione dei semiconduttori è per lo più costruita utilizzando silicio di tipo n, e anche con un mucchio di materiali diversi come platino, tungsteno, molibdeno, cromo ecc. Il diodo può avere diversi set di caratteristiche a seconda del materiale utilizzato, consentendo loro di essere migliorati velocità di commutazione, minore caduta di tensione diretta ecc.
Come funziona
Nei diodi Schottky gli elettroni diventano il vettore maggioritario nel materiale semiconduttore, mentre nel metallo esibiscono portatori minoritari estremamente piccoli (buchi). Quando i due materiali sono collegati, gli elettroni presenti nel semiconduttore di silicio iniziano a fluire rapidamente verso il metallo connesso, determinando un massiccio trasferimento di portatori maggioritari. A causa della loro maggiore energia cinetica rispetto al metallo, sono generalmente chiamati 'portatori caldi'.
I normali diodi a giunzione p-n i portatori di minoranza vengono iniettati attraverso polarità adiacenti differenti. Mentre nei diodi Schottky gli elettroni vengono iniettati attraverso regioni con polarità identica.
Il massiccio afflusso di elettroni verso il metallo provoca una forte perdita di portatori per il materiale di silicio nell'area vicino alla superficie di giunzione, che assomiglia alla regione di svuotamento della giunzione p-n di altri diodi. I portatori aggiuntivi nel metallo creano una 'parete negativa' nel metallo tra il metallo e il semiconduttore che blocca l'ulteriore ingresso di corrente. Significa che gli elettroni caricati negativamente sul semiconduttore di silicio all'interno dei diodi Schottky facilitano una regione libera dal vettore insieme a una parete negativa sulla superficie metallica.
Facendo riferimento alla figura mostrata sotto, l'applicazione della corrente di polarizzazione diretta nel primo quadrante provoca una riduzione dell'energia della barriera negativa a causa dell'attrazione positiva degli elettroni in quest'area. Ciò porta al flusso di ritorno degli elettroni in quantità enormi attraverso il confine. La grandezza di questi elettroni dipende dalla grandezza del potenziale applicato per la polarizzazione.
Differenza tra diodi normali e diodi Schottky
Rispetto ai normali diodi a giunzione p-n, la giunzione barriera nei diodi Schottky è inferiore, sia nelle regioni di polarizzazione diretta che inversa.
Ciò consente ai diodi Schottky di avere una conduzione di corrente molto migliorata per lo stesso livello di potenziale di polarizzazione, attraverso entrambe le regioni di polarizzazione diretta e inversa. Questa sembra essere una buona caratteristica nella regione di polarizzazione diretta, sebbene negativa per la regione di polarizzazione inversa.
La definizione delle caratteristiche generali di un diodo semiconduttore per le regioni di polarizzazione diretta e inversa è rappresentata dall'equazione:
io D = I S ( e kVd / Tk -1)
dove Is = corrente di saturazione inversa
k = 11.600 / η con η = 1 per materiale germanio e η = 2 per materiale silicio
La stessa equazione descrive l'aumento esponenziale della corrente nei diodi Schottky nella figura seguente, tuttavia il fattore η è determinato dal tipo di costruzione del diodo.
Nella regione del bias inverso, la corrente È è principalmente dovuto a quegli elettroni metallici che viaggiano nel materiale semiconduttore.
Caratteristiche della temperatura
Per i diodi Schottky, uno degli aspetti principali che è stato continuamente ricercato è come ridurre al minimo le sue correnti di dispersione sostanziali ad alte temperature superiori a 100 ° C.
Ciò ha portato alla produzione di dispositivi migliori e migliorati che possono funzionare in modo efficiente anche a temperature estreme comprese tra - 65 e + 150 ° C.
A temperature ambiente tipiche questa perdita può essere nell'intervallo di microampere per diodi Schottky a bassa potenza e nell'intervallo di milliampere per dispositivi ad alta potenza.
Tuttavia, queste cifre sono maggiori rispetto ai normali diodi p-n con le stesse specifiche di potenza. Anche il Classificazione PIV per un diodi Schottky può essere molto inferiore ai nostri diodi tradizionali.
Ad esempio, normalmente un dispositivo da 50 ampere può avere una classificazione PIV di 50 V, mentre questa può arrivare fino a 150 V per un normale diodo da 50 amp. Detto questo, i recenti progressi hanno abilitato i diodi Schottky con valori PIV superiori a 100 V a valori di amperaggio simili.
Diventa abbastanza chiaro dalla rappresentazione grafica di cui sopra che ai diodi Schottky vengono attribuiti un insieme quasi ideale di caratteristiche, anche meglio di un diodo a cristallo (diodo a contatto puntuale). La caduta in avanti di un diodo a contatto puntuale è tipicamente inferiore a quella di un normale diodo a giunzione p-n.
Il TV o la caduta di tensione diretta del diodo Schottky in larga misura è determinata dal metallo all'interno. Sembra esserci un compromesso tra l'effetto della temperatura e il livello di TV. Se uno di questi parametri aumenta l'altro aumenta anche degradando il livello di efficienza del dispositivo. Inoltre, la VT dipende anche dall'intervallo di corrente, valori inferiori consentiti garantiscono valori inferiori di VT. La caduta in avanti di VT può essere essenzialmente fino a zero per una data unità di basso livello, in una valutazione approssimativa. Per intervalli di corrente medi e superiori, i valori di caduta diretta potrebbero essere intorno a 0,2 V e questo sembra essere un valore rappresentativo.
Al momento la gamma di corrente massima tollerabile del diodo Schottky disponibile è di circa 75 ampere, sebbene presto anche fino a 100 ampere potrebbero essere all'orizzonte.
Applicazione del diodo Schottky
La principale area di applicazione dei diodi Schottky è negli alimentatori switching o SMPS, che sono destinati a funzionare con frequenze superiori a 20 kHz.
In genere, un diodo Schottky da 50 amp a temperatura ambiente può essere classificato con una tensione diretta di 0,6 V e un tempo di ripristino di 10 ns, progettato specificamente per un'applicazione SMPS. D'altra parte un normale diodo a giunzione p-n può mostrare una caduta in avanti di 1,1 V e un valore di recupero di circa 30-50 ns, alla stessa specifica di corrente.
Potresti trovare la differenza di tensione diretta di cui sopra essere piuttosto piccola, tuttavia se guardiamo il livello di dissipazione di potenza tra i due: P (portante caldo) = 0,6 x 50 = 30 watt e P (pn) = 1,1 x 50 = 55 watt, una differenza abbastanza misurabile, che può danneggiare gravemente l'efficienza dell'SMPS.
Sebbene, nella regione di polarizzazione inversa, la dissipazione in un diodo Schottky possa essere leggermente superiore, tuttavia la dissipazione di polarizzazione diretta e inversa netta sarà molto migliore di un diodo a giunzione p-n.
Tempo di recupero inverso
Nel normale diodo a semiconduttore p-n, il tempo di recupero inverso (trr) è elevato a causa dei portatori minoritari iniettati.
Nei diodi Schottky a causa di portatori di minoranza estremamente bassi, il tempo di recupero inverso è sostanzialmente basso. Questo è il motivo per cui i diodi Schottky sono in grado di funzionare in modo così efficace anche a frequenze di 20 GHz, che richiedono che i dispositivi commutino a una velocità estremamente elevata.
Per frequenze più alte di questa, viene ancora impiegato un diodo a contatto o un diodo a cristallo, a causa della loro area di giunzione molto piccola o area di giunzione a punti.
Circuito equivalente a diodi Schottky
La figura successiva mostra il circuito equivalente di un diodo Schottky con valori tipici. Il simbolo adiacente è il simbolo standard del dispositivo.
L'induttanza Lp e la capacità Cp sono i valori specificati nell'imballo stesso, rB costituisce la resistenza in serie composta dalla resistenza di contatto e dalla resistenza bulk.
I valori per la resistenza rd e la capacità Cj sono come da calcoli discussi nei paragrafi precedenti.
Tabella delle specifiche del diodo Schottky
La tabella seguente ci fornisce un elenco di raddrizzatori a portante caldo prodotti da Motorola Semiconductor Products insieme alle loro specifiche e dettagli sulla piedinatura.
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