Для чего используется диод Шоттки

Принцип работы диода Шоттки

Что такое диод Шоттки? Это полупроводниковый элемент, название которого соответствует фамилии знаменитого физика и изобретателя, работавшего в Германии. Специфика диода Шоттки заключается в минимальном снижении напряжения. Эта низкая динамика наблюдается при прямом введении компонента в цепь. На практике используется при обратном напряжении с небольшими значениями (в среднем 3-10В), при возможности применять в промышленности с гораздо большими величинами значение может достигать до 1200В.


Внешний вид

Разновидности диодов Шоттки

Все полупроводниковые элементы, работающие по принципу барьера Шоттки, делятся по мощности на:

  • высокой;
  • средней;
  • малой мощности.


Сдвоенный диод

На рисунке показан сдвоенный элемент, являющий собой по сути два элемента. Они расположены в едином корпусе, в одно целое соединены катодом или анодом. В этом случае чаще всего имеется три вывода диода. При идентичных параметрах собранных таким образом элементов обеспечивается надежность работы всего устройства, в первую очередь, за счет единой температуры.

Особенности и принцип работы диода Шоттки

Как работает диод Шоттки? В чем принципиальные отличия его работы от аналогов с другим барьерным переходом?

Устройство диода Шоттки имеет отличие от других элементов того же назначения использованием барьером в виде перехода между металлом и полупроводником. У аналогов обычно работает с этой же целью p-n переход. Так в первом случае имеется односторонняя электропроводность. В зависимости от того, какой конкретно металл выбран для перехода в элементе, различаются и характеристики элемента. Чаще всего выбирается кремний, возможно применение арсенида галлия. Реже могут применяться сплавы вольфрама, платины и других материалов.

Кремний — самый распространенный и надежный элемент в диодах Шоттки, с ним конструкция надежно работает в условиях высокой мощности. Изделие стабильнее в работе, чем другие полупроводниковые аналоги, а простота изготовления и устройства диода Шоттки делают его очень доступным вариантом.

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.

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Несомненными преимуществами подобных полупроводниковых изделий являются:

  • надежное удерживание электротока;
  • минимальная емкость барьера обеспечивает длительную эксплуатацию;
  • быстродействие.

Высокие показатели обратного тока — основной недостаток устройств с диодом Шоттки. Из-за этого при скачке обратного тока диод может выйти из строя.

Важно! При внедрении подобных диодов в цепи с высокой мощностью электротока создается риск теплового пробоя.

Маркировка и схема диода Шоттки

На схеме преподносится почти как стандартный полупроводниковый диод, но имеются и отличия.


Обозначения диодов

В маркировке используется набор символов, они всегда обозначаются сбоку изделия. Используются международные стандарты, но в зависимости от производителя маркировка может отличаться.

Сочетание цифр и букв на корпусе не всегда понятно, но в радиотехнических справочниках всегда можно найти точную расшифровку.

Работа в ИБП

Подобные элементы очень широко используются в импульсных схемах, в приборах для стабилизации напряжения, а также в блоках питания. Преимущественно выбираются сдвоенные элементы, имеющие в одном корпусе общий катод.

Использование в ИБП сдвоенного диода Шоттки с общим катодом является признаком высокого качества и надежности блока питания.

При этом сгоревший элемент относится к частым и типовым неисправностям импульсного устройства. Нерабочее состояние возникает при:

  • утечке на корпус;
  • электроприборе.

Встроенная защита приводит к блокировке ИБП в обоих случаях. При утечке возможно присутствие незначительных нестабильных пульсаций напряжения на выходе, а также слабые “подергивания” вентилятора. В случае пробоя напряжения в блоке питания полностью исключены. Так можно определить вероятную причину нерабочего состояния диода Шоттки, но для окончательного решения понадобится диагностика.

Для диагностики следует выполнить шаги:

  1. Выпаять элемент и схемы.
  2. Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.
  3. Выполнить проверку мультиметром.


Проверка мультиметром

Отличие процедуры от диагностики обычных диодов заключается в необходимости демонтажа сборки или элемента, иначе проверить его состояние будет очень сложно. Утечку диагностировать сложнее. При использовании типичного мультиметра может отображаться полная работоспособность элемента при работе прибора в режиме “диод”. Потому лучше устанавливать режим “омметр” и заменить элемент при демонстрации сопротивления. Показатель 5 кОм не устанавливает точно неисправность диода, но лучше считать его подозрительным и выполнить замену. Доступная стоимость диодов Шоттки позволяет сделать это практически в любой момент без особых трат.

Важно! Если для проверки работоспособности диода Шоттки используется типовой мультиметр, нужно учитывать указанный сбоку показатель электротока.

Применение

Отличительные особенности и принцип работы диода Шоттки обусловливают его широкое применение в быту и в промышленности. Кроме блоков питания компьютера, его часто можно встретить в схемах:

  • бытовых электроприборов;
  • стабилизаторов напряжения;
  • во всем спектре радио- и телеаппаратуры;
  • в другой электронике.

Подобные элементы используются в современных батареях и транзисторах, работа которых обеспечивается сенечной энергией.

Такое универсальное использование элемента связано с способностью полупроводникового диода с эффектом Шоттки во много раз усиливать работоспособность любого прибора и увеличивать его эффективность. Обратное сопротивление электротока восстанавливается, за счет чего он сохраняется в электрической сети. Потери динамики напряжения минимизируются. Также диод Шоттки вбирает несколько видов излучений.

Диод с барьером Шоттки — неприхотливый и простой элемент, обеспечивающий бесперебойную работу множества современных приборов. Доступный, надежный, отличается широкой сферой применения благодаря особенностям в своей конструкции.

Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

Что это такое

Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.
Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В. Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.

Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:

  • полупроводник;
  • стеклянная пассивация;
  • металл;
  • защитное кольцо.

При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.

Отличие от других полупроводников

Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.

Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:

  • арсенида галлия;
  • кремния;
  • золота;
  • вольфрама;
  • карбида кремния;
  • палладия;
  • платины.

От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний — по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.

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.

Сфера применения

Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.

Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).

Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.

С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.

Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное — понимать специфику его работы и использовать его корректно.

Диоды Шоттки – устройство, виды, характеристики и использование

Диоды Шоттки или более точно – диоды с барьером Шоттки — это полупроводниковые приборы, выполненные на базе контакта металл-полупроводник, в то время как в обычных диодах используется полупроводниковый p-n-переход.

Диод Шоттки обязан своим названием и появлением в электронике немецкому физику изобретателю Вальтеру Шоттки, который в 1938 году, изучая только что открытый барьерный эффект, подтвердил выдвинутую ранее теорию, согласно которой хоть эмиссии электронов из металла и препятствует потенциальный барьер, но по мере увеличения прикладываемого внешнего электрического поля этот барьер будет снижаться. Вальтер Шоттки открыл этот эффект, который затем и назвали эффектом Шоттки, в честь ученого.

Исследуя контакт металла и полупроводника можно видеть, что если вблизи поверхности полупроводника имеется область обедненная основными носителями заряда, то в области контакта этого полупроводника с металлом со стороны полупроводника образуется область пространственного заряда ионизированных акцепторов и доноров, при этом реализуется блокирующий контакт – тот самый барьер Шоттки. В каких условиях возникает этот барьер? Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела определяет уравнение Ричардсона:

Создадим условия, когда при контакте полупроводника, например n-типа, с металлом термодинамическая работа выхода электронов из металла была бы больше, чем термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника. В таких условиях, в соответствии с уравнением Ричардсона, ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника окажется больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

В начальный момент времени, при контакте названных материалов, ток от полупроводника в металл превысит обратный ток (из металла в полупроводник), в результате чего в приповерхностных областях как полупроводника, так и металла — станут накапливаться объемные заряды — положительные в полупроводнике и отрицательные — в металле. В контактной области возникнет электрическое поле, образованное этими зарядами, и будет иметь место изгиб энергетических зон.

Под действием поля термодинамическая работа выхода для полупроводника возрастет, и возрастание будет происходить до тех пор, пока в контактной области не уравняются термодинамические работы выхода, и соответствующие им токи термоэлектронной эмиссии применительно к поверхности.

Картина перехода к равновесному состоянию с формированием потенциального барьера для полупроводника p-типа и металла аналогична рассмотренному примеру с полупроводником n-типа и металла. Роль внешнего напряжения — регулировка высоты потенциального барьера и напряженности электрического поля в области пространственного заряда полупроводника.

На рисунке выше представлены зонные диаграммы различных этапов формирования барьера Шоттки. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φк = ФМе — Фп/п.

Очевидно, вольт-амперная характеристика для барьера Шоттки получается несимметричной. В прямом направлении ток растет по экспоненте вместе с ростом прикладываемого напряжения. В обратном направлении ток не зависит от напряжения. В обоих случаях ток обусловлен электронами в качестве основных носителей заряда.

Диоды Шоттки поэтому отличаются быстродействием, ведь в них исключены диффузные и рекомбинационные процессы, требующие дополнительного времени. С изменением числа носителей и связана зависимость тока от напряжения, ибо в процессе переноса заряда участвуют эти носители. Внешнее напряжение меняет число электронов, способных перейти с одной стороны барьера Шоттки на другую его сторону.

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.

Здесь даже малый начальный ток через контактную область приводит к выделению тепла, которое затем способствует появлению дополнительных носителей тока. При этом отсутствует инжекция неосновных носителей заряда.

У диодов Шоттки поэтому отсутствует диффузная емкость, поскольку нет неосновных носителей, и как следствие — быстродействие достаточно высокое по сравнению с полупроводниковыми диодами. Получается подобие резкого несимметричного p-n-перехода.

Таким образом, прежде всего диоды Шоттки — это СВЧ-диоды различного назначения: детекторные, смесительные, лавинно-пролетные, параметрические, импульсные, умножительные. Диоды Шоттки можно применять в качестве приемников излучения, тензодатчиков, детекторов ядерного излучения, модуляторов света, и наконец – выпрямителей высокочастотного тока.

Обозначение диода Шоттки на схемах

Диоды Шоттки сегодня

На сегодняшний день диоды Шоттки распространены весьма широко в электронных устройствах. На схемах они изображаются по иному, чем обычные диоды. Часто можно встретить сдвоенные выпрямительные диоды Шоттки, выполненные в трехвыводном корпусе свойственном силовым ключам. Такие сдвоенные конструкции содержат внутри два диода Шоттки, объединенные катодами или анодами, чаще — катодами.

Диоды в сборке имеют очень близкие параметры, поскольку каждая такая сборка изготавливается единым технологическим циклом, и в итоге их рабочий температурный режим одинаков, соответственно выше и надежность. Прямое падение напряжения 0,2 – 0,4 вольта наряду с высоким быстродействием (единицы наносекунд) — несомненные преимущества диодов Шоттки перед p-n-собратьями.

Особенность барьера Шоттки в диодах, применительно к малому падению напряжения, проявляется при приложенных напряжениях до 60 вольт, хотя быстродействие остается непоколебимым. Сегодня диоды Шоттки типа 25CTQ045 (на напряжение до 45 вольт, на ток до 30 ампер для каждого из пары диодов в сборке) можно встретить во многих импульсных источниках питания, где они служат в качестве силовых выпрямителей для токов частотой до нескольких сотен килогерц.

Нельзя не затронуть тему недостатков диодов Шоттки, они конечно есть, и их два. Во-первых, кратковременное превышение критического напряжения мгновенно выведет диод из строя. Во-вторых, температура сильно влияет на максимальный обратный ток. При очень высокой температуре перехода диод просто пробьет даже при работе под номинальным напряжением.

Ни один радиолюбитель не обходится без диодов Шоттки в своей практике. Здесь можно отметить наиболее популярные диоды: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Эти диоды есть как в выводном исполнении, так и в SMD. Главное, за что радиолюбители их так ценят — высокое быстродействие и малое падение напряжения на переходе — максимум 0,55 вольт — при невысокой цене данных компонентов.

Редкая печатная плата обходится без диодов Шоттки в том или ином назначении. Где-то диод Шоттки служит в качестве маломощного выпрямителя для цепи обратной связи, где-то — в качестве стабилизатора напряжения на уровне 0,3 — 0,4 вольт, а где-то является детектором.

В приведенной таблице вы можете видеть параметры наиболее распространенных сегодня маломощных диодов Шоттки.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Диоды Шоттки: что это такое, чем отличается, как работает

Устройство получило свое название в честь Вальтера Шоттки, немецкого изобретателя и физика, открывшего квантовую зависимость, согласно которой внешнее электрическое поле принуждает покидать зону проводимости все свободные электроны. Впоследствии ученый был награжден медалью Хьюза за свою деятельность. Примечательно, что имея отношение к теоретической физике, данное открытие находит активное практическое применение.

Содержание статьи

  • Отличия от обычного диода
  • Как устроен диод Шоттки
  • Применение диодов Шоттки
  • Как маркируется диод Шоттки и обозначается на схемах

Диод Шоттки является представителем полупроводниковых элементов, обладающих барьером и отличающихся малым падением напряжения при прямом введении компонента в электрическую цепь (от 0,2 до 0,4 вольт). Благодаря простоте конструкции, оперативной возобновляемости заряда, неприхотливости и большому значению тока утечки, барьерный диод активно используется в современной радиоэлектронике.

Отличия от обычного диода

Данный компонент пропускает электрический ток в одном направлении и не пропускает его в другом, как и другие классические диоды, но обеспечивает высокое быстродействие и малое падение напряжения при переходе.

Важнейшая особенность диода Шоттки – вместо привычного электронно-дырочного перехода применяется принцип контакта между металлическими и различными полупроводниковыми материалами, что положительно влияет на повышение рабочей частоты. Диффузная емкость и процесс рекомбинации не проявляются в области контакта, поскольку в так называемой переходной зоне отсутствуют неосновные носители заряда. Собственная емкость данного слоя при этом стремится к 0.

Таким образом, данные изделия являются СВЧ-диодами различного назначения:

  • импульсными;
  • лавинно-пролетными;
  • смесительными;
  • детекторными;
  • умножительными;
  • параметрическими.

Другая особенность заключается в том, что большая часть диодов Шоттки состоит из низковольтных и чувствительных к статическому напряжению моделей. Однако воспринимать это как категорический недостаток неверно, поскольку это дает возможность использовать данные средства для обработки радиосигналов малой мощности.

Наконец, такие изделия отличаются большей стабильностью при подаче электрического тока, чем прочие аналоги, поскольку в их корпус внедрены кристаллические образования (кремниевая подложка).

Как устроен диод Шоттки

Структура элемента включает в себя несколько частей:

  • эпитаксиальный слой;
  • подложка;
  • охранное кольцо;
  • металлическая пленка;
  • барьер;
  • внешний контакт.

Основа, как правило, изготавливается из кремния или арсенида галлия, но если требуется обеспечить схеме высокую устойчивость к изменению температурного режима, используется германий. В качестве материала для напыления применяется палладий, серебро, платина, вольфрам, алюминий или золото. Примечательно, что тыльная сторона полупроводника легируется сильнее. Уровень легирования и разновидность металла оказывают влияние на характеристики выпрямления.

Принцип работы основан на особенностях барьера. В полупроводнике, в контактной области, образуется слой, значительно обедненный электронами, но обладающий вентильными свойствами. Таким образом, появляется барьер для носителей заряда.

В зависимости от мощности существует несколько типов диодов Шоттки:

  • малый;
  • средний;
  • высокий.

Исходя из конструктивных особенностей, различают виды для поверхностного или объемного монтажа, а также модули и выпрямительные аналоги. Выбирая выпрямительные компоненты, следует обращать внимание на показатели тока и напряжения, а также материал конструкции и способ монтирования. Также различают 3 вариации диодных сборок: модели с общим анодом, элементы с удвоением и тремя выводами, а также разновидности, которые имеют вывод с общего катода. Для всех типов действует ограничение допустимого обратного напряжения, величиной 1200 вольт.

Применение диодов Шоттки

Компоненты активно эксплуатируются в составе разных приборов и оборудования:

  • компьютерная техника и бытовая электроника;
  • силовые высокочастотные выпрямители;
  • солнечные батареи и приемники излучения;
  • радиоаппаратура и телевизионное оборудование;
  • усилители звука и МОП-транзисторы;
  • стабилизаторы и БП.

Изделия эксплуатируются везде, где требуется минимальное прямое падение напряжения. Популярность обусловлена преимуществами диодов Шоттки, которые позволяют восстанавливать обратное сопротивление электрического тока, стабилизировать напряжение, принимать на себя излучения, а также увеличить эффективность конечных приборов.

Несмотря на преимущества, такие приборы обладают недостатками. Но их всего два:

  • в случае повышения температуры фиксируется значительное возрастание обратного тока;
  • пробой необратим в случаях кратковременного превышения критического напряжения.

Существует три основные неисправности, которые могут произойти с диодами данного типа: обрыв, пробой и утечка (выявить сложнее всего). Диагностика осуществляется при помощи универсального тестера (мультиметр). Для получения точных результатов проверка потребует пайки и измерения обратного сопротивления. В случае использования типового тестера следует учитывать указанный показатель электрического тока.

Как маркируется диод Шоттки и обозначается на схемах

Зачастую диод Шоттки на схеме обозначается как обычный диод, а дополнительная информация о типе компонента указывается в спецификации.

Как правило, маркировка диодов Шоттки представляет собой набор символов, нанесенных на корпус изделия согласно международным стандартам. В зависимости от страны производителя маркировки могут различаться. В любом случае расшифровать код можно при помощи радиотехнических справочников.

В случае необходимости можно заменить стандартный диод можно аналогичным устройством с барьером – главное, чтобы совпадали параметры тока и напряжения. Но монтировать классическое изделие вместо барьерного аналога категорически не рекомендуется, поскольку из-за перегрева оно быстро выйдет из строя. Опытные радиотехники могут подобрать элемент с запасом по мощности, проанализировав всю схему.

Диоды Шотки: технология совершенствуется

В статье обсуждаются сравнительные достоинства и недостатки диодов Шоттки на примерах продукции ведущих производителей, а также предпочтительные области применения этих компонентов. Большое внимание уделено преимуществам карбидокремниевой технологии, обеспечивающей высокий КПД системы и меньший расход потребляемой энергии.

Карбидокремниевые диоды Шоттки используются в приложениях силовой электроники благодаря такой характеристике как низкое падение прямого напряжения, что позволяет уменьшить потери мощности по сравнению с кремниевыми диодами на p-n-переходе. За счет ряда преимуществ диоды Шоттки применяются в приложениях с низким напряжением включения, малым временем восстановления и малой емкостью перехода.
Высокая плотность тока диодов Шоттки и малое падение прямого напряжения обеспечивают меньшее потребление мощности, чем традиционные диоды на p-n-переходе. За счет большей энергоэффективности диодам Шоттки требуется меньшее охлаждение.

Как видно из рисунка 1, у диода Шоттки — типичная характеристика полупроводникового диода в прямом направлении, но с намного меньшим напряжением включения. При больших значениях тока угол ее наклона уменьшается, и она ограничивается последовательным сопротивлением или максимальным уровнем тока инжекции. У стандартного диода на p-n-переходе падение напряжения заключено в диапазоне 0,6…1,7 В, а у диода Шоттки — в пределах 0,15…0,45 В. Меньшее падение напряжения позволяет повысить скорость переключения, а также КПД системы.
Существенное отличие диодов на p-n-переходе и диодов Шоттки заключается во времени обратного восстановления, когда диод переключается из непроводящего состояния в проводящее, и наоборот. У стандартного диода с p-n-переходом это время составляет сотни наносекунд и меньше в случае с ультрабыстрыми диодами на p-n-переходе. У диодов Шоттки время обратного восстановления настолько мало, что не нормируется. У высокомощных диодов Шоттки время переключения достигает десятков наносекунд. При переключении p-n-перехода возникает обратный ток восстановления, что приводит к появлению электромагнитных помех. Напротив, диоды Шоттки переключаются практически мгновенно, т.к. их емкостная нагрузка невелика.

Диод Шоттки — полупроводник с носителями основного типа. Если он легирован носителями n-типа, они играют определяющую роль в нормальных условиях функционирования устройства. Основные носители быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта, находящегося на другой стороне диода, и становятся свободно перемещающимися электронами. Таким образом, диод Шоттки прекращает проводить быстрее, чем диод на p-n-переходе. Это качество позволяет использовать устройство меньшего размера и с более быстрым переходом. Одной из причин, по которой диод Шоттки используется в импульсных источниках питания, является его высокая скорость, т.е. возможность работать в диапазоне частот 200 кГц…2 МГц. Как следствие, в схеме используются дроссели и конденсаторы меньшего размера.
У диодов Шоттки имеются ограничения — их относительно малое номинальное обратное напряжение. Обратный ток утечки, увеличиваясь с ростом температуры, может вызвать температурную нестабильность устройства. Часто это обстоятельство вынуждает ограничивать обратное напряжение диода величиной, значительно меньшей максимально допустимой.
Таким образом, к недостаткам диодов Шоттки относятся:
– намного больше обратный ток утечки, чем у стандартных диодов на p-n-переходе;
– максимальная температура перехода, которая, как правило, ограничена диапазоном 125–175°C по сравнению с 200°C у выпрямителей на кремниевых диодах;
– ограниченное обратное напряжение, максимальное значение которого, как правило, составляет около 100 В.

За последнее десятилетие карбидокремниевые (SiC) диоды Шоттки стали выпускаться на напряжения в 300…700 В. У этого типа диодов примерно в 40 раз меньше обратный ток утечки, чем у кремниевых диодов Шоттки. У карбида кремния высокая удельная теплопроводность и потому изменение температуры мало сказывается на его параметрах переключения и тепловых характеристиках. Благодаря специальному корпусу рабочая температура перехода может превышать 500 К, что исключает необходимость в принудительном охлаждении этих устройств в авиакосмических приложениях.
Падение прямого напряжения у стандартных кремниевых диодов составляет около 0,6 В, а у германиевых — 0,3 В. На рисунке 2 показаны характеристики типичного карбидокремниевого диода Шоттки.
Компания Cree анонсировала линейку карбидокремниевых диодов Шоттки на 650 В, в которой учтены последние изменения в силовой архитектуре центров обработки данных (ЦОД). По мнению отраслевых экспертов, энергоэффективность за счет этих устройств вырастет до 5%. В силу того, что ЦОД потребляют около 10% всей вырабатываемой в мире электрической энергии, любое увеличение КПД систем позволяет значительно снизить суммарное потребление.

Диапазон входного напряжения стандартных импульсных источников питания, как правило, составляет 90…264 В. Существующие ЦОД питаются от трехфазных 480-В сетей. Напряжение этих сетей преобразуется силовым трансформатором в 208 В, а затем подается на источник питания сервера. Потери в трансформаторе уменьшают совокупную эффективность источника тока.

Чтобы повысить КПД силовой архитектуры ЦОД, в последнее время стало исключаться преобразование 480 В/208 В. При этом вместо того чтобы подавать напряжение 120 В АС с 3-фазной 208-В линии относительно нейтрали, на источники питания серверов подается напряжение более широкого диапазона 90…305 В (277 В плюс 10% на защитную полосу) непосредственно с 3-фазной 480-А линии относительно нейтрали.
Для оптимального функционирования источников питания серверов с высоким входным напряжением диапазона 90…305 В требуются диоды Шоттки, у которых расширенный диапазон максимального запирающего напряжения, достигающего 650 В. Новые 650-В компоненты Cree обеспечивают необходимое решение при построении современных источников питания для серверов ЦОД и оборудования связи. Эти карбидокремниевые диоды не только характеризуются высоким запирающим напряжением в 650 В, но и позволяют снизить расход электроэнергии по сравнению с кремниевыми устройствами за счет отсутствия потерь на обратное восстановление.
В семейство 650-В диодов Шоттки серии C3DXX065A входят 4-, 6-, 8- и 10-А варианты устройств в корпусах TO-220-2. Диапазон рабочих температур этих компонентов составляет –55…175°C.
Cree также анонсировала первые в отрасли 1700-В диоды Шоттки для коммерческого применения. За счет того, что эти диоды не имеют потерь при переключении, они с успехом используются в высоковольтных преобразователях для электроприводов, в ветроэнергетических установках и городском транспорте.
В число первых изделий 1700-В серии вошли диоды Шоттки на 10 и 25 А, выполненные в виде кристаллов для интеграции в 1700-В силовые модули, которые работают в диапазоне токов 50…600 А. Новая серия диодов на 1700 В позволяет увеличить КПД, надежность и срок службы силовых систем, уменьшив общие размеры системы, ее вес и стоимость.
В 2010 г. компания Infineon Technologies анонсировала второе поколение карбидокремниевых диодов Шоттки в корпусе TO-220 FullPAK. Это полностью изолированный корпус, который обеспечивает более простой и надежный монтаж и не требует изоляции.
Устройства в корпусе TO-220 FullPAK характеризуются тем же тепловым сопротивлением между переходом и теплоотводом, что и неизолированные устройства в корпусе TO-220. Это достигается за счет запатентованного метода диффузионной пайки, применение которого позволяет существенно снизить тепловое сопротивление между кристаллом и выводами, а также эффективно компенсировать тепловое сопротивление внутреннего изолирующего слоя FullPAK. Infineon предлагает серию компонентов в корпусе FullPAK на номинальные токи 2…6 А. Эти карбидокремниевые диоды Шоттки рассчитаны на 600 и 1200 В.

Коррекция коэффициента активной мощности широко используется в схемах импульсных источников питания AC/DC в соответствии с требованиями IEC-61000-4-3, вступившими в силу в январе 2001 г. Для импульсных источников питания с выходной номинальной мощностью выше 300 Вт повышающие преобразователи с активным ККМ, как правило, проектируются для работы в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, CCM). Карбидокремниевые диоды Шоттки идеально подходят для таких приложений.
Во время выключения вольтодобавочного диода схемы ККМ и включения повышающего MOSFET избыточный обратный ток восстановления в кремниевом диоде повышает в нем потери на переключение. Кроме того, этот ток увеличивает потери при коммутации MOSFET, что приводит к необходимости использовать MOSFET и повышающий диод большего размера, чтобы соответствовать требованиям к эффективности и тепловым характеристикам.
Применение обычных кремниевых диодов в импульсных источниках питания приводит к потере 1% КПД из-за того, что диоды не выключаются мгновенно. Карбидокремниевые устройства позволяют снизить расход энергии при переключении. За счет такой экономии карбидокремниевая технология допускает меньшие значения максимального номинального тока диода. В результате размеры схемных компонентов уменьшаются при той же потребляемой мощности. В высоковольтных системах размеры теплоотводов уменьшаются, за счет чего плотность мощности источников тока растет.
Еще одним преимуществом использования карбидокремниевых диодов в импульсных источниках питания является возможность функционирования на более высоких частотах переключения, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры и стоимость таких компонентов как конденсаторы фильтров и дроссели, а также сократить энергопотребление.

Карбидокремниевая технология имеет ряд преимуществ за счет того, что заряд обратного восстановления не накапливается в режиме нормальной проводимости диода. Когда стандартный биполярный кремниевый диод выключается, этот заряд рассеивается при рекомбинации групп носителей заряда вблизи области перехода. Ток, протекающий во время рекомбинации, называется обратным током восстановления. Протекание этого нежелательного тока совместно с напряжением на соответствующих силовых ключах приводит к выделению на них тепла.
За счет отсутствия заряда обратного восстановления у карбидокремниевых диодов Шоттки намного меньшие потери при переключении. Следовательно, их эффективность выше, а рассеиваемое тепло — меньше. На рисунке 3 сравнивается время восстановления стандартного диода Шоттки, ультрабыстрого диода Шоттки STTH806DTI и карбидокремниевого диода Шоттки STPSC606D компании STMicroelectronics.

Тестирование показало, что у карбидокремниевого диода Шоттки эффективность взыше на 0,5%, а при большой нагрузке на высоких частотах — на 1%. Использование карбидокремниевых диодов также позволяет увеличить плотность мощности за счет дросселя и трансформатора меньшего размера при увеличении частоты переключения.
Наконец, отсутствие шумов от карбидокремниевых диодов позволяет уменьшить и размеры фильтра электромагнитных помех. В результате плотность мощности дополнительно возрастает.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий