Schottky-dioders konstruktion, fördelar och användningar i modern elektronik

En Schottky-diod är en speciell typ av diod som är känd för sin snabba växlingshastighet och låga spänningsfall framåt.Den spelar en viktig roll i modern elektronik, från effektlikriktare till högfrekvenskretsar.Den här artikeln förklarar dess arbetsprincip, konstruktion, typer, användningar, fördelar och hur den skiljer sig från en p–n-övergångsdiod.

Katalog

Figur 1. Vad är en Schottky-diod?

Vad är en Schottky-diod?

En Schottky-diod är en speciell typ av halvledardiod som använder en metall-halvledarövergång istället för den konventionella p-n-övergången som finns i standarddioder.Den är också känd som en Schottky-barriärdiod (SBD).Till skillnad från vanliga dioder är Schottky-dioder designade för höghastighetsomkoppling och lågt spänningsfall framåt. Detta gör dem idealiska för kretsar där effektivitet och hastighet spelar roll som strömlikriktare, RF-detektorer och switchande strömförsörjning.

Schottky-diodens historia

Figur 2. Utveckling av Schottky-dioden

Konceptet med Schottky-barriären introducerades på 1930-talet, men endast Schottky-dioder blev genomförbart på 1960-talet med framsteg inom halvledartillverkning.I de tidiga dagarna användes dessa dioder främst i mikrovågs- ​​och RF-kretsar på grund av deras extremt snabba svarstid.När materialvetenskapen förbättrades, kiselbaserade Schottky-dioder blev prisvärda och pålitliga, vilket banade väg för deras användning inom kraftelektronik.Idag, avancerade material som t.ex Galliumarsenid (GaAs) och kiselkarbid (SiC) används för att bygga högpresterande Schottky-dioder för högtemperatur- och högspänningstillämpningar.

Arbetsprincipen för Schottky-dioden

Figur 3. Arbetsprincip för Schottky-dioden

Driften av en Schottky-diod är baserad på Schottky-barriären som bildas vid förbindelsen mellan en metall och en halvledare.När en metall såsom platina eller molybden kommer i kontakt med en n-typ halvledare som kisel, rör sig elektroner från halvledaren till metallen tills jämvikt uppnås.Denna överföring skapar en utarmningsregion och en potentiell barriär som kallas Schottky-barriären.Under förspänning framåt passerar elektroner från halvledaren lätt denna barriär in i metallen, vilket tillåter ström att flyta med ett mycket litet spänningsfall.

När dioden är omvänd förspänd, barriärhöjden ökar och blockerar det mesta av strömmen, även om en liten läckström kvarstår eftersom det inte finns någon riktig p–n-övergång.Eftersom ledning endast involverar majoritetsbärare (elektroner) och inte minoritetsbärare (hål), har Schottky-dioden ingen laddningslagring, vilket möjliggör mycket snabbare omkopplingshastigheter än vanliga dioder.

Specifikation av Schottky Diode

Specifikation	Typiskt Värde/intervall	Beskrivning
Spänningsfall framåt (Vf)	0,15 V – 0,45 V	Mycket lägre än standardkisel dioder (~0,7 V), vilket möjliggör högre effektivitet.
Omvänd läckström (Ir)	Relativt hög	Liten ström flyter under reversering partiskhet;ökar med temperaturen.
Omvänd genombrottsspänning (Vbr)	20 V – 200 V	Maximal backspänning dioden kan tolerera före sammanbrott.
Omvänd återhämtningstid (trr)	Några nanosekunder	Extremt snabb växling pga ingen avgift lagring.
Maximal framåtström (Ifmax)	Enhetsberoende	Maximal kontinuerlig ström diod kan säkert leda.
Junction Kapacitans	Låg	Stöder högfrekventa och snabbkopplingskretsar.

Typer av Schottky-dioder

Figur 4. Schottky-dioder med låg barriär

• Schottky-dioder med låg barriär

Schottky-dioder med låg barriär är utformade för att erbjuder ett mycket lågt spänningsfall framåt, vanligtvis inom intervallet 0,15 till 0,3 volt , vilket avsevärt minskar strömförlusten och förbättrar den totala kretseffektiviteten.Detta kommer dock med en avvägning som de uppvisar en högre omvänd läckström, speciellt vid förhöjda temperaturer.Dessa dioder används ofta i omvandlare på logisk nivå, strömhanteringskretsar, RF-detektorer och batteridrivna enheter.

Figur 5. Högbarriär Schottky-dioder

• Schottky-dioder med hög barriär

Schottky-dioder med hög barriär är utformade för att ger lägre omvänd läckström jämfört med lågbarriärtyper, erbjuder förbättrad omvänd blockeringsförmåga och bättre stabilitet under högre spänningar.De har en något högre framåtspänningsfall vilket är en avvägning för minskat läckage och ökad tillförlitlighet.Dessa dioder är idealiska för medel- till högspänningstillämpningar där det är viktigare att hålla lågt läckage än att minimera spänningsfallet.

Figur 6. Silicon (Si) Schottky-dioder

• Kiselkarbid (SiC) Schottky-dioder

Dessa dioder är kända för sin förmåga att hantera höga spänningar, höga strömmar och förhöjda temperaturer, vilket gör dem idealiska för kraftelektronik såsom växelriktare, DC–DC-omvandlare och motordrivningar.Kiselkarbid har en brett bandgap, vilket gör att dioden kan arbeta effektivt vid högre spänningar och temperaturer med lägre energiförlust jämfört med kiseldioder.S

Figur 7. Galliumarsenid (GaAs) Schottky-dioder

• Galliumarsenid (GaAs) Schottky-dioder

Designad för högfrekvent drift och används ofta i RF-, mikrovågs- och kommunikationskretsar.GaAs Schottky-dioder används ofta i blandare, detektorer, oscillatorer och frekvensmultiplikatorer för radarsystem, satellitkommunikation och trådlösa sändare

Konstruktion och struktur för Schottky-dioden

Figur 10. Konstruktion och struktur för Schottky-dioden

En Schottky-diod är konstruerad med en metall–halvledarövergång istället för p–n-övergången finns i konventionella dioder.Vanligtvis avsätts ett tunt skikt av metall såsom platina, molybden, krom, aluminium eller volfram på en halvledare av n-typ (vanligtvis kisel).Detta metall-halvledargränssnitt bildar Schottky-barriären, som är ansvarig för diodens likriktande beteende.

Strukturen inkluderar tre huvuddelar metallskikt som fungerar som anod och tillhandahåller Schottky-barriären som styr elektronflödet. n-typ halvledarskikt som fungerar som katod;elektroner rör sig från detta lager in i metallen under framåtförspänning och utarmningsområde som bildas vid metallhalvledarkontakten;den är tunn och tillåter snabb växling med minimal laddningslagring.

Till skillnad från en p–n-övergångsdiod, det finns inget material av p-typ i en Schottky-diod, vilket innebär att ledning endast sker genom majoritetsbärare (elektroner).Detta resulterar i ett lågt spänningsfall framåt, snabb växlingshastighet och låg effektförlust.Enheten är vanligtvis monterad på en metallbas eller ett substrat för värmeavledning, och hela enheten är inkapslad för att skydda den från miljöpåverkan.

Tillämpningar av Schottky Diode

Figur 11. Tillämpningar av Schottky-diod

Schottky-dioder används ofta i modern elektronik på grund av deras låga spänningsfall framåt, snabba omkopplingshastighet och höga effektivitet.Nedan är de viktigaste tillämpningarna förklarade tydligt:

• Strömlikriktare

Används i nätaggregat och omvandlare för att effektivt omvandla AC till DC med minimal spänningsförlust och värmealstring.

• Växla kretsar

Idealisk för höghastighets digitala och logiska kretsar där snabb omkoppling och låg återhämtningstid är avgörande.

• Spänn- och skyddskretsar

Skydda känsliga komponenter genom att klämma fast spänningsspikar, förhindra skador i digitala eller RF-system.

• RF och mikrovågskretsar

Vanlig i radiofrekvens-, radar- och kommunikationssystem på grund av deras låga kapacitans och snabba respons.

• Spänningsklämning och vågformning

Används i vågformsformning och klippkretsar för att hålla signalnivåer inom säkra gränser.

• Omvänd strömskydd

Förhindrar ström från att flöda bakåt i kretsar som batteriladdare och solenergisystem.

• Ström-ELLER-kretsar

Används för att växla mellan flera strömkällor utan betydande spänningsfall.

• Blandare och detektorer

Finns i RF-mottagare och mikrovågsdetektorer, där deras snabba omkoppling möjliggör noggrann signaldetektering.

Fördelar med Schottky Diode

• Lågt spänningsfall framåt

Det typiska framåtspänningsfallet är endast cirka 0,2 till 0,3 volt, vilket minskar effektförlusten och förbättrar den totala effektiviteten, särskilt i lågspänningstillämpningar.

• Snabb växlingshastighet

Eftersom det inte finns någon laddningslagring från minoritetsbärare kan Schottky-dioder slås på och av inom nanosekunder, vilket gör dem idealiska för höghastighetskretsar.

• Hög effektivitet

Lågt motstånd framåt och minimal effektförlust resulterar i bättre energieffektivitet, särskilt i effektlikriktare och switchade regulatorer.

• Låg effektförlust

Det minskade spänningsfallet över dioden minimerar värmeutvecklingen, vilket möjliggör mindre kylflänsar och kompakta konstruktioner.

• Bättre termisk prestanda

Kan arbeta vid högre frekvenser och temperaturer jämfört med vanliga p–n-dioder.

• Enkel konstruktion

Metall-halvledarstrukturen förenklar tillverkningen och ger konsekvent prestanda.

• Lämplig för högfrekventa applikationer

Låg korsningskapacitans och snabb återställning gör dem idealiska för RF-, mikrovågs- och strömförsörjningskretsar.

Begränsningar och försiktighetsåtgärder för Schottky-dioden

Begränsningar

• Hög omvänd läckström: Schottky-dioder har högre omvänt läckage, särskilt vid höga temperaturer, vilket kan orsaka oönskad effektförlust.

• Låg omvänd genombrottsspänning: Vanligtvis mellan 20 V och 200 V, vilket begränsar användningen i högspänningskretsar.

• Temperaturkänslighet: Läckströmmen ökar snabbt med temperaturökning, vilket påverkar prestandan.

• Begränsad högspänningskapacitet: Den tunna utarmningsregionen kan lätt bryta ner under hög omvänd förspänning.

• Högre kostnad: Avancerade Schottky-material är dyrare än vanliga silikonversioner.

Försiktighetsåtgärder

• Begränsa omvänd spänning: Håll alltid backspänningen under det nominella värdet för att förhindra kopplingsavbrott.

• Ge korrekt värmeavledning: Använd kylflänsar eller bra termisk PCB-design för att hantera temperaturen.

• Undvik miljöer med hög temperatur: Förhindra överdriven uppvärmning för att undvika ökat läckage eller fel.

• Kontrollera spänningsvärdena noggrant: Välj en diod med tillräcklig backspänningsmarginal för din applikation.

• Ooptimera användningen: Använd högkostnads Schottky-dioder endast där deras prestandafördelar är nödvändiga.

Schottky Diode Circuits

Strömlikriktarkretsar

Schottky-dioder används ofta i likriktare för strömförsörjning (både halvvåg och helvåg) för att omvandla AC till DC.Deras låga framåtspänningsfall minimerar strömförluster och förbättrar effektiviteten, särskilt i switchade strömförsörjningar.

Spännkretsar

I spänningsspänningskretsar begränsar eller "klämmer" Schottky-dioder spänningen till en säker nivå, vilket skyddar känsliga komponenter från spänningsspikar.Deras snabba svarstid säkerställer exakt spänningsbegränsning.

Växla kretsar

Eftersom Schottky-dioder kan slås på och av på nanosekunder, är de idealiska för höghastighetslogik och digitala omkopplingskretsar, såsom transistoromkoppling och signaldirigeringsapplikationer.

Omvända strömskyddskretsar

Schottky-dioder används för att förhindra ström från att flöda bakåt i batteridrivna enheter, solpaneler och DC-omvandlare.Deras låga spänningsfall minimerar effektförlusten jämfört med standarddioder.

RF och mikrovågskretsar

I RF (radiofrekvens) och mikrovågssystem fungerar Schottky-dioder som detektorer, blandare och frekvensmultiplikatorer på grund av deras låga kapacitans och snabba svar på högfrekventa signaler.

Spänningskretsar

Används för att forma eller begränsa vågformer, klipper Schottky-dioder signaltoppar för att förhindra distorsion eller skydda kretsar från överspänningsförhållanden.

Logiska kretsar (TTL och CMOS)

Schottky-dioder är inbyggda i Schottky Transistor-Transistor Logic (TTL)-kretsar för att förhindra transistormättnad, vilket möjliggör snabbare omkoppling och minskad utbredningsfördröjning.

Ström-ELLER-kretsar

I system med flera strömkällor säkerställer Schottky-dioder att endast en källa driver belastningen åt gången.Deras låga framåtspänningsfall hjälper till att upprätthålla en stabil uteffekt utan betydande spänningsförluster.

Schottky Diode vs PN junction Diode

Parameter	Schottky Diod	P–N Junction Diode
Typ av korsning	Metall-halvledarövergång	Halvledare av P-typ och N-typ korsning
Laddningsbärare	Majoritetsbärare (elektroner endast)	Både majoritet och minoritet transportörer
Framåtspänningsfall (Vf)	Låg, vanligtvis 0,2 V – 0,3 V	Högre, cirka 0,6 V – 0,7 V
Växlingshastighet	Mycket snabb på grund av ingen laddning lagring	Långsammare på grund av minoritetsbärare lagring
Omvänd återhämtningstid	Extremt kort	Relativt längre
Omvänd läckström	Högre läckström	Lägre läckström
Omvänd nedbrytningsspänning	Relativt låg (20 V – 200 V)	Kan vara höga upp till tusentals volt
Temperaturstabilitet	Läckaget ökar snabbt med temperatur	Mer stabil under temperatur variationer
Effekteffektivitet	Hög på grund av lågt spänningsfall	Måttlig på grund av högre spänning släppa
Material som används	Metall med halvledare av N-typ	Halvledare av P-typ och N-typ

Slutsats

Schottky-dioden utmärker sig för sin höga effektivitet, snabba respons och enkla design.Även om den har vissa begränsningar, såsom högre läckage och låg backspänning, gör dess fördelar den idealisk för höghastighets- och lågeffektapplikationer.Sammantaget är det fortfarande en viktig komponent i dagens elektronik- och kraftsystem.