Za posledních 60-80 let se objevilo mnoho elektronických součástek, které ve své práci využívají polovodičový efekt. V tomto článku se dozvíme, co je to Schottkyho dioda. Pojďme se společně podívat, o jaké zařízení se jedná, jak funguje a čím se liší od svých běžných protějšků.
historie
Ve 30. letech XNUMX. století si německý fyzik a inženýr Walter Hermann Schottky všiml, že v místě kontaktu kovu a polovodiče vzniká potenciální bariéra, která umožňuje průchod proudu jedním směrem a neprochází opačným směrem. . Tato bariéra byla po vědci pojmenována – Schottkyho bariéra a polovodičové diody využívající tento efekt – Schottkyho diody, neboli diody se Schottkyho bariérou.
První diodu využívající Schottkyho efekt předvedl v roce 1874 Karl Ferdinand Braun. Vědec vytvořil bodovou diodu spojením kovového drátu s krystalem galenitu. Brownova práce tehdy nevzbudila velkou pozornost.
Přehled
Bariérová dioda Schottky, stejně jako běžná np dioda, vede proud v jednom směru a nevede ve druhém. Vypadá to jako obyčejná dioda, ale existují rozdíly, a to významné. Co je tedy Schottkyho dioda?
Princip činnosti a zařízení
Pojďme zjistit, jak funguje Schottkyho dioda (DS). Pojďme se podívat na jeho design.
Čísla na obrázku ukazují:
- 1 – externí kontakt (anoda);
- 2 – kovová fólie;
- 3 – oblast vesmírného náboje;
- 4 – n-vrstva (epitaxiální film);
- 5 – substrát typu n++++;
- 6 – nerektifikační kovová fólie;
- 7 – vnější kontakt (katoda).
Jak takové zařízení funguje? V konvenční diodě tvoří n-polovodič a p-polovodič np přechod. V DS se místo jednoho z polovodičů (většinou typu p) používá kov – stříbro, zlato, platina atd.). Vznikne tak přechod kov-polovodič, který má v různých provozních režimech různé vlastnosti. Pojďme si tyto vlastnosti krátce a jednoduchými slovy vysvětlit.
Bez odsazení
Volné elektrony se pohybují z polovodiče do kovu. To vytváří bariéru, kde se setkávají kladné a záporné ionty. Elektrony jej nemohou překonat bez vnější pomoci.
Dopředný posun
Vytvořme předpětí – přiveďte kladné napětí vzhledem ke katodě na anodu. Nyní mohou elektrony z n-polovodiče překonat bariéru a dostat se do kovu. Objeví se elektrický proud.
Aby elektrony překonaly bariéru, musí být potenciální rozdíl mezi anodou a katodou větší než potenciál přechodového pole kov-polovodič. U většiny zařízení je tato hodnota 0.1-0.2 V.
Reverzní zkreslení
Pokud je na anodu ve vztahu ke katodě aplikováno záporné napětí (reverzní předpětí), pak se šířka bariéry zvětší a elektrony kovu ji nebudou moci překonat. Proud nepoteče v opačném směru.
Pokud se zpětné předpětí nadměrně zvýší, dojde k přerušení spoje a poteče proud. Takový nevratný výpadek znamená nevratné selhání zařízení. Konvenční np polovodiče se v tomto případě dostávají do lavinového vratného průrazu. Po odpojení napětí je provoz obnoven (pokud výkon rozptýlený na krystalu nepřekročí kritickou hodnotu).
Rozdíl od obvyklého
Jaký je rozdíl mezi DS a konvenčním polovodičem (np), kromě designu? Podívejme se na proudově-napěťové charakteristiky obou.
Z kladné větve grafu vidíme:
- DS se otevírá při nižším napětí.
- Pokles napětí v propustném směru na DS je při stejných proudech mnohem nižší.
Reverzní větev je méně příjemná. Ukazuje, že DC jsou „nemocné“ velkým zpětným proudem (tzv. unikající proud) a při nižším napětí dochází k jejich rozpadu. Kromě toho je porucha nevratná, jak je uvedeno výše, a ne lavinová porucha, která zahrnuje np diody předtím, než jsou nevratně rozbity.
A ještě jedna vlastnost, která se v grafu nepromítá. Při přímém předpětí nedochází k vstřikování děr do n-vrstvy – v kovu je jich málo a bariéra pro ně je příliš velká. Proto, když je aplikováno reverzní předpětí, bariéra se uzavírá mnohem rychleji než u konvenčního polovodiče – rekombinace děr není potřeba. O kolik rychleji? Hodně – rozdíl se měří v řádech – nano- a pikosekundy místo stovek nano- a desítek mikrosekund. Rozdíl je impozantní a právě to umožnilo použít DS tam, kde klasické prostě nemohou fungovat – ve vysokofrekvenčních obvodech.
Co se týče nevýhod, tak kromě velkého zpětného proudu a nemožnosti jít do lavinového průrazu je jich ještě pár. Prvním je velká závislost zpětného proudu na teplotě krystalu. Se zvyšující se teplotou se výrazně zvyšuje zpětný proud, což výrazně zhoršuje usměrňovací vlastnosti zařízení a zvyšuje riziko nevratné poruchy. Druhým je nízké zpětné napětí, obvykle nepřesahující několik desítek voltů.
Existují vysokonapěťové DS se zpětným napětím větším než kilovolt. Ale přímý pokles napětí takových polovodičů je srovnatelný s poklesem napětí konvenčních np diod. Zbývá jediná výhoda – rychlost.
UGO a značení
Jak rozlišit Schottkyho diodu v elektrickém obvodu? Není na tom nic složitého. Na obrázku níže je vpravo konvenční grafické označení (UGO) obvyklého a vpravo je DS.
Kromě jednotlivých diod existují také jejich sestavy – několik polovodičů v jednom pouzdru. Obvykle jsou takové diody dvě a jsou navzájem spojeny jedním ze svorek.
Obrázek výše ukazuje sestavu UGO dvou DS se společnou katodou, ale existují sestavy Schottkyho diod se společnou anodou a dokonce i ty, které jsou zapojeny zády k sobě do série.
Pár slov o standardním značení diod a Schottkyho sestav. Obvykle diody tohoto typu obsahují následující písmena:
- 1N (nejčastější v naší praxi);
- SR;
- TQ;
- SQ;
- CPQ;
- DQ;
- SF.
Například: 1N5817, SR1620, 20TQ035, 20TQ035, 11DQ09,30CPQ150, SF303. Pokud jde o čísla, označují číslo šarže, typ, modifikaci a vlastnosti. Zde se bez příručky neobejdete. Tuzemské DL se označují stejně jako běžné – písmenem „D“ se sadou čísel. Pouze podle čísel zjistíte, o jaký polovodič jde a jaké má vlastnosti.
Toto není úplný seznam označení. Ve skutečnosti je seznam mnohonásobně delší. Zde je například jedno z označení sestavy: MBRF20100CT. Takže referenční knihy vám mohou pomoci.
Jak otestovat Schottkyho diodu pomocí multimetru
Kontrola provozuschopnosti diody nebo sestavy se Schottkyho bariérou pomocí multimetru se téměř neliší od kontroly běžného np polovodičového zařízení. Také vede proud v jednom směru a ne ve druhém. Zapneme multimetr do režimu testování diod (neměříme odpor!) a zazvoníme polovodič jedním a druhým směrem. V jednom směru bude zařízení vykazovat určitý druh odporu, ve druhém – nekonečno.
Nyní k sestavám. Prověříme například funkčnost sestavy SBL3045PT, která obsahuje dvě diody spojené katodami. Vnitřní schéma je vytištěno na těle.
Multimetr přepneme do režimu testování diod (neměříme odpor!) a každou z diod zazvoníme nejprve jedním směrem, pak druhým. V jednom směru bude multimetr vykazovat určitý odpor, ve druhém – nekonečno.
Pokud ano, pak je montáž v pořádku. Ale to není celý test. Již víme, že Schottkyho diody mají vysoký svodový proud, proto je vhodné tento parametr pokud ne změřit, tak alespoň odhadnout.
Multimetr zapneme v režimu měření odporu na hranici cca 20 kOhm (kdo má který je nejblíže). Každou z diod nazýváme v dopředném a zpětném směru. V obou případech by zařízení mělo ukazovat nekonečno. Pokud vykazuje určitý odpor v jednom ze směrů, znamená to, že svodový proud testované diody je vysoký. Je lepší se toho zbavit (nebo spíše, bohužel, celé sestavy).
Není nutné se zbavovat celé sestavy, i když je jedna z diod úplně rozbitá. Druhý pracovní lze použít v nějakém jiném obvodu.
Pokračuj. V některých případech je nutné vybrat polovodič s daným propustným úbytkem napětí. Tento parametr se snadno měří, i když budete muset sestavit malý obvod.
Hodnota odporu je zvolena tak, aby proud procházející diodou byl asi 500 mA. Pokud testujete polovodič s nízkým výkonem, zvyšte hodnotu R1 pomocí Ohmova zákona pro její výpočet – R = U / I, kde:
- R – požadovaný odpor v ohmech;
- U – napětí zdroje ve voltech;
- I je požadovaný proud diodou v ampérech.
Jako zdroj energie je vhodné použít adaptér pro nabíjení telefonu nebo smartphonu. Kterýkoli z nich bude produkovat takový proud.
Obvod je sestaven a zapnut, zbývá pouze změřit napětí na diodě multimetrem zapnutým v režimu měření stejnosměrného napětí. Výsledkem měření je požadovaný úbytek napětí.
Pomocí stejného obvodu se měří zpětný proud. Diodu (katodu k rezistoru) otočíme a sériově s ní aktivujeme multimetr, zapnutý v režimu měření malých proudů.
A ještě jedna otázka, která zajímá mnohé. Je možné otestovat Schottkyho diodu bez odpájení? Bohužel neexistuje jednoznačná odpověď. Vše závisí na okruhu, ve kterém stojí. Takříkajíc z „vázání“. V některých případech je ověření možné, v jiných ne – údaje jsou zkresleny prvky připojenými k diodě. Zpravidla bez odpájení můžete zkontrolovat polovodiče usměrňovacího můstku, ale zřídka se montuje na DS.
Můžete zkusit zazvonit bez odpojení – není to mučení. Pokud zařízení ukazuje, že dioda funguje (zvoní pouze jedním směrem), pak s vysokou mírou pravděpodobnosti funguje. Pokud se něco pokazí, budete muset prvek odstranit. Navíc stačí odpájet kterýkoli kolík zvednutím prvku nad desku. Svodový proud a úbytek napětí samozřejmě nelze na pájeném polovodiči zkontrolovat ani přibližně.
Rozsah aplikace
Dnes jsou Schottkyho diody díky svým jedinečným vlastnostem široce používány. Lze je nalézt téměř všude, kde je vyžadován nízký pokles napětí v propustném směru a krátké spínací časy.
S jejich pomocí je například v duplikačních systémech připojeno několik napájecích zdrojů k jedné zátěži a ke zvýšení výkonu. V solárních panelech tyto prvky zabraňují vybíjení nabíjené baterie a obcházejí poškozené články.
Vzhledem k tomu, že DS je rychlý, používá se v detektorech a lokálních oscilátorech rádiových přijímačů a ve spínaných zdrojích. Živým příkladem je napájení vašeho počítače. Jako usměrňovače používá sestavy Schottkyho diod, které se často nazývají duální dioda.
Stejné DS nebo sestavy jsou instalovány v téměř všech spínaných napájecích zdrojích a spínacích boost/buck konvertorech.
To je vše o Schottkyho bariérových diodách. Nyní víte, o jaké zařízení se jedná, jak funguje, jak se liší od běžného np polovodiče a kde jej lze nalézt.
Díky, pomohlo to! 3
Jak zkontrolovat nabíječku notebooku
Jak zkontrolovat nabití baterie pomocí multimetru
Jak zkontrolovat napájení počítače bez počítače a jak řešit běžné problémy
Kompletní návod na kontrolu autobaterie pomocí multimetru
Jak zkontrolovat nabíjecí relé na skútru nebo mopedu – vzdělávací program na populárních modelech
K velké rodině polovodičových diod pojmenovaných podle jmen vědců, kteří neobvyklý efekt objevili, můžeme přidat ještě jednu. Toto je Schottkyho dioda. Německý fyzik Walter Schottka objevil a studoval tzv. bariérový efekt, ke kterému dochází při určité technologii vytváření přechodu kov-polovodič.
Hlavním rysem Schottkyho diody je, že na rozdíl od konvenčních diod založených na pn přechodu využívá přechod kov-polovodič, kterému se také říká Schottkyho bariéra. Tato bariéra, stejně jako polovodičový pn přechod, má vlastnost jednosměrné elektrické vodivosti a řadu charakteristických vlastností.
Materiály používané pro výrobu Schottkyho bariérových diod jsou převážně křemík (Si) a arsenid galia (GaAs), stejně jako kovy jako zlato, stříbro, platina, palladium a wolfram.
Ve schématech zapojení je Schottkyho dioda znázorněna takto.
Jak vidíte, její obraz se poněkud liší od označení běžné polovodičové diody. Kromě tohoto označení lze ve schématech nalézt i obrázek duální Schottkyho diody (sestava).
Duální dioda jsou dvě diody namontované v jednom společném krytu. Vývody jejich katod nebo anod jsou kombinované. Proto má taková sestava zpravidla tři výstupy. Spínané zdroje obvykle používají společné katodové sestavy.
Vzhledem k tomu, že dvě diody jsou umístěny ve stejném pouzdře a vyrobeny v jediném technologickém procesu, jsou si svými parametry velmi blízké. Protože jsou umístěny v jediném krytu, jejich teplotní podmínky jsou stejné. Tím se zvyšuje spolehlivost a životnost prvku.
Schottkyho diody mají dvě pozitivní vlastnosti: velmi nízký úbytek napětí v propustném směru (0,2-0,4 voltu) na přechodu a velmi vysoký výkon.
Bohužel k tak malému poklesu napětí dochází, když použité napětí není větší než 50-60 voltů. Jak se dále zvyšuje, Schottkyho dioda se chová jako běžná křemíková usměrňovací dioda.
Nevýhody diod se Schottkyho bariérou zahrnují: чpak i při krátkodobém překročení zpětného napětí okamžitě selžou a hlavně nevratně. Zatímco křemíkové silové ventily se po zastavení nadměrného napětí dokonale samoléčí a pokračují v práci. Navíc zpětný proud diod velmi závisí na teplotě přechodu. Při velkém zpětném proudu dochází k tepelnému průrazu.
Kontrola Schottkyho diod pomocí multimetru.
Schottkyho diodu můžete zkontrolovat pomocí komerčního multimetru. Technika je stejná jako při kontrole běžné polovodičové diody s pn přechodem. Ale i zde jsou úskalí. Netěsná dioda se testuje obzvláště obtížně. Nejprve je nutné vyjmout prvek z obvodu pro přesnější kontrolu. Je docela snadné určit zcela rozbitou diodu. Při všech mezích měření odporu bude mít vadný prvek nekonečně malý odpor, a to jak v přímém, tak v opačném zapojení. To je ekvivalentní zkratu.
Je obtížnější zkontrolovat diodu s podezřením na „netěsnost“. Pokud zkontrolujeme multimetrem DT-830 v režimu „dioda“, uvidíme zcela provozuschopný prvek. Můžete zkusit změřit jeho zpětný odpor pomocí ohmmetru. Na hranici „20 kOhm“ je zpětný odpor definován jako nekonečně velký. Pokud zařízení vykazuje alespoň nějaký odpor, řekněme 3 kOhm, pak by tato dioda měla být považována za podezřelou a měla by být nahrazena známou dobrou. Kompletní výměna Schottkyho diod na napájecích sběrnicích +3,3V a +5,0V může poskytnout XNUMX% záruku.
Kde jinde se v elektronice používají Schottkyho diody? Lze je nalézt v poněkud exotických zařízeních, jako jsou přijímače záření alfa a beta, detektory neutronového záření a v poslední době se na spojích Schottkyho bariéry montují solární panely. Dodávají tedy elektřinu i kosmickým lodím.
