Диоды Шоттки: описание, принцип работы, схема, основные параметры

Рис.1 Обозначение доодов Шоттки на принципиальных электрических схемах.

В конце 30-х годов XX века немецкий физик Вальтер Шоттки обнаружил, что внешнее электрическое поле заставляет свободные электроны покидать зону проводимости и в буквальном смысле выходить из твёрдого тела. Данная квантовая зависимость впоследствии была названа именем её первооткрывателя и теперь известна, как эффект Шоттки.

Несмотря на то, что открытие германского учёного относится к области теоретической физики, оно находит применение в практической радиотехнике и лежит в основе функциональности таких радиокомпонентов, как диоды Шоттки. Их отличие от обычных электрических вентилей заключается в отсутствии классического полупроводникового p-n-перехода. Его роль играет контакт между полупроводником и металлом.

Металл и полупроводник: особенности контакта

В контактной области полупроводниковых и металлических материалов эффект Шоттки приводит к образованию в полупроводнике слоя, сильно обеднённого электронами. Он обладает вентильными свойствами, присущими полупроводниковому p-n-переходу. Эта зона представляет собой преграду для носителей заряда, поэтому данные радиокомпоненты часто называют диодами с барьером Шоттки.

Элементы отличаются от обычных полупроводниковых вентилей следующими качествами:
● пониженное падение напряжения при прямом смещении;
● незначительная собственная ёмкость;малый обратный ток;
● низкое допустимое обратное напряжение.

При прямом смещении разность потенциалов на диоде Шоттки не превышает 0,5 В, тогда как на обычном выпрямительном вентиле падение напряжения составляет около 2-3 В. Это объясняется небольшим сопротивлением переходного участка между полупроводником и металлом.

Хорошие частотные характеристики диодов Шоттки обусловлены отсутствием в переходной зоне неосновных носителей заряда. Из-за этого в контактной области не протекают обычные для чисто полупроводникового p-n-перехода процессы диффузии и рекомбинации дырок и электронов. Следовательно, собственная ёмкость этого слоя стремится к нулю. Данное свойство делает диоды с барьером Шоттки предпочтительными для использования в высоко- и сверхвысокочастотных схемах, а также аппаратуре с импульсными режимами работы – всевозможных цифровых устройствах, системах управления электроникой и импульсных блоках питания.

Особенности диодов Шоттки

Особенность диодов Шоттки состоит в том, что они являются низковольтными. Если приложенная разность потенциалов превышает некоторый допустимый уровень, то в соответствии с квантовыми законами происходит пробой, который в обычном полупроводниковом радиокомпоненте может быть туннельным, лавинным или тепловым. После первых двух диод восстанавливается и продолжает исправно работать. Тепловой пробой означает фатальную поломку.

В диодах с барьером Шоттки пробой всегда бывает только тепловым. Такова особенность металло-полупроводникового перехода. При большом обратном смещении элемент выходит из строя и нуждается в замене. Этим, кстати, объясняется сильная чувствительность диодов Шоттки к статическому электричеству – при их монтаже и обслуживании радиоаппаратуры с этими элементами необходимо заземлять спецодежду и инструменты.

Однако чувствительность этих радиокомпонентов не всегда является их недостатком. Например, благодаря этой характеристике диоды с барьером Шоттки используются в особо чувствительных гетеродинах, которые получают способность обрабатывать радиосигналы очень малой мощности.

Преимущества

● Высокое КПД: Малое прямое падение напряжения критически важно в источниках питания. На токах в десятки ампер экономия даже 0,3 В значительно снижает тепловые потери на кристалле.
● Сверхвысокая частота: Благодаря отсутствию времени обратного восстановления диоды Шоттки работают на частотах вплоть до десятков гигагерц (применяются в смесителях радиочастот).
● Малые шумы: Отсутствие процессов рекомбинации делает их менее шумными по сравнению с p-n диодами.

Недостатки

● Значительный обратный ток: Из-за термоэлектронной эмиссии ток утечки растёт экспоненциально при повышении температуры. Это может привести к тепловому пробою, если диод работает вблизи предельных значений обратного напряжения.
● Низкое допустимое обратное напряжение: Барьер металл-полупроводник легче пробивается высоким напряжением, чем объёмный заряд в p-n-переходе.

Основные параметры

● Максимальное постоянное обратное напряжение;
● Максимальное импульсное обратное напряжение;
● Максимальный (средний) прямой ток;
● Максимальный импульсный прямой ток;
● Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
● Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
● Максимальная рабочая частота диода;
● Время обратного восстановления;
● Общая емкость диода.

Применение

● Импульсные блоки питания: Использование в качестве выпрямительных диодов во вторичных цепях и в составе активных синхронных выпрямителей (где полевой транзистор заменяет диод).
● Логические схемы (ТТЛШ): Серия микросхем 74LSxx (Low-power Schottky). Диоды Шоттки включаются между базой и коллектором биполярных транзисторов, предотвращая их глубокое насыщение. Это исключает задержку на выход транзистора из насыщения и увеличивает скорость переключения логики в разы.
● Защита цепей: Подключение параллельно затвору мощного MOSFET-транзистора для защиты его тонкого оксидного слоя от статического электричества.
● Детектирование и смешивание сигналов: В радиоприёмниках и анализаторах спектра СВЧ-диапазона благодаря высокой чувствительности и скорости.

Производство диодов Шоттки

В качестве полупроводниковой составляющей используются стандартные материалы – кремний, германий и арсенид галлия. На них в процессе изготовления радиокомпонентов напыляются такие металлы, как золото, серебро, палладий, вольфрам. Именно эти элементы таблицы Менделеева обеспечивают достаточно высокий потенциальный барьер, определяющий функциональность диодов Шоттки.

Германиевые радиокомпоненты показывают высокую устойчивость к изменению температурного режима, поэтому данный материал чаще кремния и арсенида галлия используется при производстве диодов для мощных схем питания. Зато кремниевые и галлиевые элементы демонстрируют лучшие частотные параметры.