Диод является одним из основных компонентов, которые обычно используются в современнных электронных схемах. Его обычно можно найти в выпрямителях, ограничителях и многих других часто используемых схемах. Это полупроводниковое устройство с двумя выводами, которое пропускает ток только в одном направлении: от анода к катоду (+ к -) и блокирует ток в обратном направлении, то есть от катода к аноду. Причина этого в том, что он имеет практически нулевое сопротивление в прямом направлении и бесконечное сопротивление в обратном направлении. Существует множество типов диодов, каждый из которых имеет свои уникальные свойства и области применения. Мы уже узнали о стабилитронах и их работе, а в этой статье мы узнаем о другом интересном типе диода, называемом диодом Шоттки, и о том, как его можно использовать в наших схемах.

Диод Шоттки (названный в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки) — это еще один тип полупроводникового диода, но вместо PN-перехода диод Шоттки имеет переход металл-полупроводник, который уменьшает емкость и увеличивает скорость переключения диода Шоттки, и это отличает его от других диодов. Диод Шоттки также имеет другие названия, такие как диод с поверхностным барьером, диод с барьером Шоттки, диод с горячими носителями или диод с горячими электронами .

Символическое обозначение диода Шоттки

Символическое обозначение диода Шоттки основано на обычном символе диода, но вместо прямой линии он имеет S-образную структуру на отрицательном конце диода, как показано на рисунке ниже. Этот схематический символ можно легко использовать, чтобы отличить диод Шоттки от других диодов при чтении принципиальной схемы. На протяжении всей статьи мы будем сравнивать диод Шоттки с обычным диодом для лучшего понимания его работы и его преимуществ.

Даже по внешнему виду диод Шоттки похож на обычный диод, и зачастую трудно заметить разницу, не прочитав на нем номер детали. Но в большинстве случаев диод Шоттки кажется немного громоздким, чем обычные диоды, но это не всегда так. Внешний вид диода Шоттки и назначение его контактов показаны на следующем рисунке. 

Что делает диод Шоттки особенным?

Как обсуждалось ранее, диод Шоттки выглядит и работает очень похоже на обычный диод, но уникальными характеристиками диода Шоттки являются его очень низкое падение напряжения и высокая скорость переключения. Чтобы лучше это понять, давайте подключим диод Шоттки и обычный диод к идентичной схеме и проверим, как они работают.

На изображениях выше мы имеем две схемы: одну для диода Шоттки, а другую для типичного диода с PN-переходом. Эти схемы будут использоваться для дифференциации падения напряжения на обоих диодах. Таким образом, левая схема предназначена для диода Шоттки, а правая — для типичного диода с PN-переходом. Оба диода питаются напряжением 5 В. Когда ток проходит от обоих диодов, диод Шоттки имеет падение напряжения только 0,3 В и оставляет 4,7 В для нагрузки, с другой стороны, типичный диод с PN-переходом имеет падение напряжения 0,7 В и оставляет 4,3 В для нагрузки. Таким образом, диод Шоттки имеет меньшее падение напряжения, чем обычный диод с PN-переходом. Помимо падения напряжения, диод Шоттки также имеет некоторые другие преимущества по сравнению с типичным диодом с PN-переходом: диод Шоттки имеет более высокую скорость переключения, меньший шум и лучшую производительность, чем типичный диод с PN-переходом.

Недостатки диода Шоттки

Если диод Шоттки имеет очень низкое падение напряжения и высокую скорость переключения, обеспечивая лучшую производительность, то зачем нам вообще нужны обычные диоды с PN-переходом? Почему бы нам просто не использовать диод Шоттки для всех схем?

Хотя это правда, диоды Шоттки лучше, чем диоды с PN-переходом, и постепенно они становятся более предпочтительными, чем диоды с PN-переходом. Двумя основными недостатками диода Шоттки являются его низкое обратное напряжение пробоя и высокий обратный ток утечки по сравнению с обычным диодом. Это делает его непригодным для коммутации высокого напряжения. Кроме того, диоды Шоттки сравнительно дороже обычных выпрямительных диодов.   

Диод Шоттки против выпрямительного диода

Краткое сравнение PN-диода и диода Шоттки приведено в следующей таблице.

PN-переходной диод	Диод Шоттки
Диод с PN-переходом представляет собой биполярное устройство, то есть проводимость тока происходит как за счет неосновных, так и за счет основных носителей заряда.	В отличие от диода с PN-переходом, диод Шоттки является униполярным устройством, то есть проводимость тока происходит только за счет основных носителей заряда.
Диод с PN-переходом имеет переход полупроводник-полупроводник.	В то время как диод Шоттки имеет переход металл-полупроводник.
Диоды с PN-переходом имеют большое падение напряжения.	Диод Шоттки имеет небольшое падение напряжения.
Высокие потери в состоянии ON	Низкие потери в состоянии ON
Медленная скорость переключения.	Быстрая скорость переключения.
Высокое напряжение включения (0,7 В)	Низкое напряжение включения (0,2 В)
Высокое обратное блокирующее напряжение	Низкое обратное блокирующее напряжение
Низкий обратный ток	Высокий обратный ток

Таким образом, эти два типа диодов различаются по достаточно большому числу показателей.

Структура диода Шоттки

Диоды Шоттки сконструированы с использованием перехода металл-полупроводник, как показано на изображении ниже. Диоды Шоттки имеют соединение металла с одной стороны перехода и легированный кремний с другой стороны, поэтому диод Шоттки не имеет обедненного слоя. Благодаря этому свойству диоды Шоттки известны как униполярные устройства, в отличие от типичных диодов с PN-переходом, которые являются биполярными устройствами.

Базовая структура диода Шоттки показана на изображении выше. Как вы можете видеть на изображении, диод Шоттки имеет на одной стороне соединение металлов, от платины до вольфрама, молибдена, золота и т. д., а на другой стороне — полупроводник N-типа. Когда соединение металла и полупроводник N-типа объединяются, они создают переход металл-полупроводник. Это соединение известно как барьер Шоттки. Ширина барьера Шоттки зависит от типа металла и полупроводниковых материалов, которые используются при формировании перехода.

Барьер Шоттки работает по-разному в несмещенном, прямосмещенном или обратном смещении. В состоянии прямого смещения, когда положительная клемма батареи подключена к металлу, а отрицательная клемма подключена к полупроводнику n-типа, диод Шоттки пропускает ток. Но в состоянии обратного смещения, когда положительная клемма батареи соединена с полупроводником n-типа, а отрицательная клемма соединена с металлом, диод Шоттки блокирует ток. Однако, если напряжение обратного смещения превысит определенный уровень, оно нарушит барьер, и ток начнет течь в обратном направлении, а это может привести к повреждению компонентов, подключенных к диоду Шоттки.

Характеристики диода Шоттки

Одной из важных характеристик, которую следует учитывать при выборе диода, является график зависимости прямого напряжения (V) от прямого тока (I). График вольт-амперной характеристики наиболее популярных диодов Шоттки 1N5817, 1N5818 и 1N5819 показан на рисунке ниже.

Показанные на рисунке характеристики диода Шоттки очень похожи на характеристики типичного диода с PN-переходом. Низкое падение напряжения, чем у типичного диода с PN-переходом, позволяет диоду Шоттки потреблять меньше напряжения, чем обычному диоду. Из приведенного выше графика видно, что 1N517 имеет наименьшее прямое падение напряжения по сравнению с двумя другими, также можно отметить, что падение напряжения увеличивается с увеличением тока через диод. Даже для 1N517 при максимальном токе 30А падение напряжения на нем может достигать 2В. Следовательно, эти диоды обычно используются в слаботочных устройствах.

Параметры, которые следует учитывать при выборе диода Шоттки

Каждый инженер-конструктор должен выбрать правильный диод Шоттки в соответствии с потребностями своего применения. Для выпрямительных конструкций потребуются диоды высокого напряжения, низкого/среднего тока и низкой частоты. Для коммутационных конструкций номинальная частота диода должна быть высокой.

Ниже перечислены некоторые общие и важные параметры диода Шоттки, которые следует учитывать при его выборе:

Прямое падение напряжения: напряжение, падающее при включении прямосмещенного диода, представляет собой прямое падение напряжения. Это зависит от разных диодов. Для диода Шоттки обычно предполагается, что напряжение включения составляет около 0,2 В.

Напряжение обратного пробоя: определенная величина напряжения обратного смещения, после которой диод выходит из строя и начинает проводить ток в обратном направлении, называется напряжением обратного пробоя. Обратное напряжение пробоя диода Шоттки составляет около 50 вольт.

Время обратного восстановления: это время, необходимое для переключения диода из состояния прямой проводимости или состояния «ВКЛ» в обратное состояние «ВЫКЛ». Наиболее важным отличием типичного диода с PN-переходом от диода Шоттки является время обратного восстановления. В типичном диоде с PN-переходом время обратного восстановления может варьироваться от нескольких микросекунд до 100 наносекунд. У диодов Шоттки нет времени восстановления, поскольку у диода Шоттки нет области обеднения на переходе.

Обратный ток утечки: ток, проводимый от полупроводникового устройства в обратном смещении, является обратным током утечки. В диоде Шоттки повышение температуры значительно увеличит обратный ток утечки.

Применение диода Шоттки

Диоды Шоттки находят множество применений в электронной промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Некоторые из их приложений следующие:

1. Цепи ограничения напряжения

Схемы ограничения обычно используются в приложениях формирования волны. Низкое падение напряжения делает диод Шоттки полезным в качестве фиксирующего диода.

2. Защита от обратного тока и разряда.

Как мы знаем, диод Шоттки также называют блокирующим диодом, поскольку он блокирует ток в обратном направлении; его можно использовать в качестве защиты от разряда. Например, в аварийном фонаре диод Шоттки используется между суперконденсатором и двигателем постоянного тока, чтобы предотвратить разряд суперконденсатора через двигатель постоянного тока.

3. Схемы выборки и хранения.

В прямосмещенных диодах Шоттки нет неосновных носителей заряда, и благодаря этому они могут переключаться быстрее, чем типичные диоды с PN-переходом. Поэтому используются диоды Шоттки, потому что у них меньшее время перехода от этапа выборки к этапу удержания, что приводит к более точной выборке на выходе.

4. Выпрямитель мощности

Диоды Шоттки имеют высокую плотность тока, а низкое прямое падение напряжения означает, что теряется меньше энергии, чем у типичного диода с PN-переходом, и это делает диоды Шоттки более подходящими для силовых выпрямителей.

244 просмотров