Диод Шоттки

Диод Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Читайте также  Размер шестигранника

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

Как уже говорилось, прямое падение напряжения Forward voltage drop у диодов с барьером Шоттки очень мало. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами. Возможно, дело связано именно с диодами, и каждый может разобрать процессор и посмотреть, что внутри случилось.

Между металлом и полупроводником возникнет электрическое поле, тормозящее и возвращающее обратно основные носители заряда полупроводника. Например, если анод общий, то это будет одна ножка из трех.

Использование диодов Шоттки в мостах обусловлено низким падением напряжения на диоде, что влечет за собой меньшие потери на мосту и снижает его нагрев.

Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.

Если в полупроводнике или диодном мосту возникнет обрыв, тогда он вообще перестанет пропускать ток.

Технология изготовления этих электронных элементов очень проста, поэтому он и является самым дешевым. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

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. При идентичных параметрах собранных таким образом элементов обеспечивается надежность работы всего устройства, в первую очередь, за счет единой температуры.
Последовательное соединение диодов

Положительные и отрицательные качества

Полупроводниковый элемент Шоттки широко применяется в различных электронных и радиотехнических устройствах из-за своих положительных свойств. К ним относят следующие:

  • очень низкое падение напряжения на переходе, максимальное значение которого составляет всего 0,55 В;
  • большая скорость срабатывания;
  • малая емкость барьера (перехода), что дает возможность применять диод Шоттки в схемах с высокой частотой тока.

Но есть и несколько отрицательных свойств, которые необходимо учитывать при использовании этого радиотехнического элемента. А именно:

  • мгновенный необратимый выход из строя даже при кратковременном повышении обратного напряжения выше предельного значения;
  • возникновение теплового пробоя на обратном токе из-за выделения тепла;
  • часто встречаются утечки диодов, которые определить затруднительно.

Металл-полупроводник: принцип работы перехода


Структура элемента

Принцип работы диода Шоттки основан на особенностях барьера. Эффект Шоттки при контакте компонентов, из которых выполнен непосредственно полупроводник и металл заключается в образовании бедного электронами участка. Последний имеет вентильные характеристики, аналогичные p-n взаимодействию. Контактный слой останавливает носителей заряда. По сравнению с другими типами полупроводниковых вентилей такое решение обладает:

  • минимальным обратным током;
  • стремящейся к нулю собственной емкостью;
  • обратным напряжением самой низкой допустимой величины;
  • при прямом включении — меньшим снижением напряжения (до 0.5 В в сравнении с 2-3 В в случае аналога).

В переходной зоне нет лишних носителей заряда. Благодаря этому там не возникают диффузии и рекомбинации, что наблюдается в контактных слоях p-n перехода. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами.

Достоинства и недостатки

Преимуществ таких у таких стабилитронов два, оба связаны с низким падением напряжения:

  • Пониженный уровень помех. Потому такие диоды хорошо подходят для аналоговых вторичных источников питания.
  • Экономичные. Напряжение теряется в среднем в три раза меньше, чем у других диодов.

Единственный недостаток – быстрей выходит из строя при воздействии обратного тока. Когда схема начинает работать некорректно, и ток протекает в обратную сторону (а диод, напомним, элемент с односторонней проводимостью), Шоттки менее устойчив, чем обычные диодные элементы.

Данное явление называют пробоем диода.

Плюсы и минусы

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: принцип работы

От классического вида вентиль Шоттки отличается тем, что основу его работы составляет пара полупроводник-металл. Зачастую эта пара упоминается как барьер Шоттки. Этот барьер, кроме схожей с p-n переходом способности проводить электричество в одну сторону, обладает несколькими полезными особенностями.

Арсенид галлия и кремний – основные поставщики материала для производства электронного элемента в промышленных условиях. В более редких случаях используют драгоценные химические элементы: платина, палладий и им подобные.

Его графическое условное выражение на электрических схемах не совпадает с классическими диодами. Маркировка электронных элементов похожа. Также встречаются двойные диоды в виде сборки.

Важно! Двойной диод – это пара диодов, совмещенных в общем объеме.

Сдвоенный диод с барьером Шоттки

У сдвоенных вентилей выходы катодов или анодов совмещены. Отсюда следует, что такое изделие обладает тремя концами. Сборки с общим катодом, например, работают там, где требуются импульсные блоки питания. Диоды Шоттки с общим анодом используются существенно реже.

Диоды находятся в едином корпусе и используют для их изготовления одну технологию производства, поэтому по набору своих параметров они как близнецы-братья. Температура работы у них тоже одинаковая, т.к. находятся в общем пространстве. Данное свойство значительно уменьшает необходимость их замены из-за потери работоспособности.

Самые важные отличительные свойства рассматриваемых вентилей – это незначительное прямое падение напряжения (до 0,4 В) в момент перехода и высокое время срабатывания.

Однако упомянутая величина падения напряжения обладает узким диапазоном прикладываемого напряжения – не более 60 В. И сама эта величина мала, что задаёт достаточно узкий спектр применения данных диодов. Если напряжение превысит указанную величину, барьерный эффект исчезает, и диод начинает работать в режиме обычного выпрямительного диода. Обратное напряжение для большинства из них не выходит за рамки 250 В, однако существуют образцы с величиной обратного напряжения 1,2 кВ.

При проектировании электрических схем проектировщики частенько на принципиальных схемах диод Шоттки не выделяют графически, однако в спецификации к заказу указывают на его использование, прописывая в типе. Поэтому при заказе оборудования на это нужно обращать пристальное внимание.

Из неудобств в работе с вентилями с барьером Шоттки необходимо отметить их чрезвычайную «нежность» и нетерпимость к малейшему, даже очень короткому по времени превышению номинала обратного напряжения. В этом случае они просто выходят из строя и больше не восстанавливаются, что, в сравнении с кремниевыми диодами, не идёт им на пользу, т.к. последние обладают свойством самовосстановления, после чего могут продолжать работать в обычном режиме, не требуя замены. Также нельзя забывать, что обратный ток в них критически зависит от градуса перехода. При появлении значительного значения обратного тока, пробоя не избежать.

Читайте также  Кто изобрел переменный ток

Повышенная рабочая частота вследствие незначительной емкости переходных процессов и короткого периода восстановления по причине серьёзного быстродействия – те положительные свойства, позволяющие использовать данные диоды, например, радиолюбителям. Также применяют их на частотах, достигающих нескольких сотен кГц, например, в импульсных выпрямителях. Большое количество произведённых диодов уходит для использования в микроэлектронике. Современный уровень развития науки и промышленности дозволяет использовать в процессе изготовления вентилей с барьером Шоттки нано технологии. Созданные таким образом вентили применяют для шунтирования транзисторов. Данное решение серьёзно увеличивает срабатывание последних.

Диоды Шоттки в источниках питания

В компьютерных блоках питания очень часто расположены вентили Шоттки. Пятивольтовое напряжение обеспечивает серьёзный ток в десятки ампер, что для низковольтных систем питания является рекордом. Для этих блоков питания и применяют вентили Шоттки. В основном, используются сдвоенные диоды с единым катодом. Ни один качественный современный питающий блок компьютеров не обходится без такой сборки.

Диагноз. «Перегоревший» питающий блок электронного устройства чаще всего означает необходимость замены сгоревшей сборки Шоттки. Причины неисправности всего две: увеличенный ток утечки и электрический пробой. При наступлении описанных состояний электрическое питание на компьютер перестаёт подаваться. Защитные механизмы сработали. Рассмотрим, как это происходит.

Напряжение на входе компьютера отсутствует на постоянной основе. Блок питания полностью заблокирован вшитой в компьютер защитой.

Бывает «непонятная» ситуация: вентилятор охлаждения то начинает работать, то опять характерный шум пропадает. Это означает, что напряжение на входе компьютера (выходе питающего блока) то появляется, то исчезает. Т.е. защита отрабатывает периодические ошибки, но блокировать полностью источник не спешит. Появился неприятный запах, идущий от горячего блока? Диодный блок точно требует замены. Ещё один способ домашней диагностики: при большой нагрузке центрального процессора питающий блок отключился сам по себе. Это признак утечки.

После ремонта блока питания, связанного с заменой сдвоенных диодов Шоттки, необходимо «прозвонить» и транзисторы. При обратной процедуре диоды также требуют проверки. Особенно это правило актуально, если причиной ремонта стала утечка.

Номенклатура диодов Шоттки

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых приборов:

  • МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временны́ми характеристиками (так как представляет собой обычный диод на p-n переходе, образуемый областями стока и подложкой, объединённой с истоком), использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.
  • Так называемые ORing [3] -диоды и ORing-сборки — силовые диоды и диодные сборки, применяемые для объединения параллельных источников питания общей нагрузки в устройствах повышенной надёжности (логическое ИЛИ по питанию). Отличаются особо низким, нормируемым прямым падением напряжения. Например, специализированный миниатюрный диод MBR140 (30 В, 1 А) при токе 100 мА имеет прямое падение напряжения не более 360 мВ при +25 °C и 300 мВ при +85 °C. ORing-диоды характеризуются относительно большой площадью P-N перехода и низкими удельными плотностями тока.

Номенклатура диодов Шоттки

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых приборов:

  • МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временны́ми характеристиками (так как представляет собой обычный диод на p-n переходе, образуемый областями стока и подложкой, объединённой с истоком), использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.
  • Так называемые ORing [3] -диоды и ORing-сборки — силовые диоды и диодные сборки, применяемые для объединения параллельных источников питания общей нагрузки в устройствах повышенной надёжности (логическое ИЛИ по питанию). Отличаются особо низким, нормируемым прямым падением напряжения. Например, специализированный миниатюрный диод MBR140 (30 В, 1 А) при токе 100 мА имеет прямое падение напряжения не более 360 мВ при +25 °C и 300 мВ при +85 °C. ORing-диоды характеризуются относительно большой площадью P-N перехода и низкими удельными плотностями тока.