Điốt Schottky - Làm việc, Đặc điểm, Ứng dụng

Điốt rào cản Schottky là điốt bán dẫn được thiết kế với điện áp chuyển tiếp tối thiểu và tốc độ chuyển mạch nhanh có thể thấp tới 10 ns. Chúng được sản xuất trong phạm vi dòng điện từ 500 mA đến 5 ampe và lên đến 40 V. Do các tính năng này, chúng trở nên đặc biệt phù hợp trong các ứng dụng điện áp thấp, tần số cao như trong SMPS và cũng như điốt tự do hiệu quả.

Biểu tượng của thiết bị được hiển thị trong hình ảnh sau:

Lịch sự: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode

Xây dựng nội bộ

Điốt Schottky được cấu tạo khác so với điốt tiếp giáp p-n truyền thống. Thay vì một đường giao nhau p-n, chúng được xây dựng bằng cách sử dụng mối nối bán dẫn kim loại như hình bên dưới.

Phần bán dẫn chủ yếu được chế tạo bằng silicon loại n, và cũng có nhiều vật liệu khác nhau như bạch kim, vonfram, molypden, chrome, v.v. Diode có thể có các đặc tính khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng, cho phép chúng được nâng cao tốc độ chuyển đổi, giảm điện áp chuyển tiếp thấp hơn, v.v.

Làm thế nào nó hoạt động

Trong điốt Schottky, các điện tử trở thành hạt tải điện đa số trong vật liệu bán dẫn, trong khi trong kim loại thể hiện hạt tải điện cực kỳ nhỏ (lỗ trống). Khi hai vật liệu được liên kết, các điện tử có trong chất bán dẫn silicon bắt đầu chảy nhanh về phía kim loại được kết nối, dẫn đến sự chuyển giao lớn các hạt tải điện. Do động năng của chúng tăng hơn kim loại, chúng được gọi là 'hạt tải điện nóng'.

Điốt tiếp giáp p-n bình thường mà các sóng mang thiểu số được tiêm qua các cực lân cận khác nhau. Trong khi ở điốt Schottky, các điện tử được tiêm qua các vùng có phân cực giống hệt nhau.

Dòng điện tử ồ ạt về phía kim loại gây ra sự mất mát nhiều hạt tải điện cho vật liệu silicon tại vùng gần với bề mặt tiếp giáp, giống như vùng suy giảm của tiếp giáp p-n của các điốt khác. Các hạt tải điện bổ sung trong kim loại tạo ra 'bức tường âm' trong kim loại giữa kim loại và chất bán dẫn, ngăn cản sự xâm nhập sâu hơn của dòng điện. Có nghĩa là các electron mang điện tích âm ở chất bán dẫn silicon bên trong điốt Schottky tạo điều kiện cho một vùng hạt tải điện tự do cùng với một bức tường âm ở bề mặt kim loại.

Tham khảo hình bên dưới, áp dụng dòng điện phân cực thuận trong góc phần tư thứ nhất gây ra sự giảm năng lượng của rào cản âm do lực hút dương từ các điện tử trong khu vực này. Điều này dẫn đến dòng trở lại của các điện tử với một lượng lớn qua ranh giới. Độ lớn của các electron này phụ thuộc vào độ lớn của điện thế tác dụng lên xu hướng.

Sự khác biệt giữa điốt thường và điốt Schottky

So với điốt tiếp giáp p-n bình thường, điểm tiếp giáp trong điốt Schottky thấp hơn, ở cả vùng phân cực thuận và nghịch.

Điều này cho phép các điốt Schottky có khả năng dẫn dòng được cải thiện nhiều cho cùng một mức điện thế phân cực, trên cả vùng phân cực thuận và nghịch. Đây dường như là một tính năng tốt trong vùng phân cực thuận, mặc dù không tốt cho vùng phân cực ngược.

Định nghĩa về các đặc tính chung của diode bán dẫn cho vùng phân cực thuận và nghịch được biểu diễn bằng phương trình:

Tôi _D = Tôi _S ( Là ^{kVd / Tk} -1)

trong đó Is = dòng bão hòa ngược
k = 11.600 / η với η = 1 đối với vật liệu Gecmani và η = 2 đối với vật liệu Silicon

Phương trình tương tự mô tả sự gia tăng dòng điện theo cấp số nhân trong điốt Schottky trong hình sau, tuy nhiên hệ số η được xác định bởi kiểu cấu tạo của điốt.

Trong vùng phân cực ngược, dòng điện Là chủ yếu là do các electron kim loại đó đi vào vật liệu bán dẫn.

Đặc điểm nhiệt độ

Đối với điốt Schottky, một trong những khía cạnh chính liên tục được nghiên cứu là làm thế nào để giảm thiểu dòng điện rò rỉ đáng kể của nó ở nhiệt độ cao trên 100 ° C.

Điều này đã dẫn đến việc sản xuất các thiết bị tốt hơn và cải tiến có thể hoạt động hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ khắc nghiệt từ - 65 đến + 150 ° C.

Ở nhiệt độ phòng điển hình, sự rò rỉ này có thể nằm trong phạm vi microampe đối với điốt Schottky công suất thấp và trong phạm vi miliampe đối với thiết bị công suất cao.

Tuy nhiên, những con số này lớn hơn khi so sánh với điốt p-n bình thường ở cùng thông số công suất. Ngoài ra, Xếp hạng PIV đối với điốt Schottky có thể ít hơn nhiều so với điốt truyền thống của chúng tôi.

Ví dụ: thông thường một thiết bị 50 amp có thể có định mức PIV là 50 V, trong khi điều này có thể lên đến 150 V đối với một diode 50 amp thông thường. Điều đó nói rằng, những tiến bộ gần đây đã cho phép điốt Schottky với xếp hạng PIV trên 100 V ở các giá trị cường độ dòng điện tương tự.

Từ biểu diễn đồ họa ở trên trở nên khá rõ ràng rằng điốt Schottky được cho là có bộ đặc tính gần như lý tưởng, thậm chí còn tốt hơn điốt tinh thể (điốt tiếp xúc điểm). Độ rơi về phía trước của một điốt tiếp điểm điểm thường thấp hơn một điốt tiếp điểm p-n bình thường.

VT hoặc điện áp giảm phía trước của diode Schottky ở một mức độ lớn được xác định bởi kim loại bên trong. Xảy ra sự cân bằng giữa ảnh hưởng của nhiệt độ và mức VT. Nếu một trong các thông số này tăng, thông số kia cũng tăng làm giảm mức hiệu quả của thiết bị. Hơn nữa, VT cũng phụ thuộc vào phạm vi hiện tại, giá trị cho phép thấp hơn đảm bảo giá trị VT thấp hơn. Mức giảm về phía trước VT về cơ bản có thể giảm xuống 0 đối với một đơn vị cấp thấp nhất định, trong một đánh giá gần đúng. Đối với phạm vi dòng điện trung bình và cao hơn, giá trị giảm phía trước có thể vào khoảng 0,2 V và đây có vẻ là một giá trị đại diện tốt.

Tại thời điểm hiện tại, phạm vi dòng điện có thể chịu đựng tối đa của Diode Schottky hiện có là khoảng 75 ampe, mặc dù có thể sớm lên tới 100 ampe.

Ứng dụng diode Schottky

Lĩnh vực ứng dụng chính của điốt Schottky là trong chuyển mạch nguồn điện hoặc SMPS, được thiết kế để làm việc với tần số trên 20 kHz.

Thông thường, một diode Schottky 50 amp ở nhiệt độ phòng có thể được đánh giá với điện áp thuận là 0,6 V và thời gian phục hồi 10 ns, được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng SMPS. Mặt khác, một diode tiếp giáp p-n thông thường có thể thể hiện mức giảm về phía trước là 1,1 V và tome phục hồi khoảng 30 đến 50 ns, ở cùng một thông số kỹ thuật hiện tại.

Bạn có thể thấy sự chênh lệch điện áp thuận ở trên là khá nhỏ, tuy nhiên nếu chúng ta nhìn vào mức tiêu tán công suất giữa cả hai: P (sóng mang nóng) = 0,6 x 50 = 30 watt và P (pn) = 1,1 x 50 = 55 watt, một sự khác biệt khá lớn có thể đo lường được, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả của SMPS.

Mặc dù, trong vùng phân cực ngược, sự tiêu tán trong một diode Schottky có thể cao hơn một chút, nhưng sự tiêu tán phân cực thuận và ngược thuần sẽ tốt hơn nhiều so với một diode tiếp giáp p-n.

Đảo ngược thời gian khôi phục

Trong điốt bán dẫn p-n thông thường, thời gian khôi phục ngược (trr) cao do các hạt tải điện thiểu số được đưa vào.

Trong các Điốt Schottky do các sóng mang thiểu số cực kỳ thấp nên thời gian khôi phục ngược về cơ bản là thấp. Đây là lý do tại sao Điốt Schottky có thể hoạt động rất hiệu quả ngay cả ở tần số 20 GHz, đòi hỏi các thiết bị phải chuyển đổi với tốc độ cực nhanh.

Đối với các tần số cao hơn tần số này, một diode tiếp xúc điểm hoặc một diode tinh thể vẫn được sử dụng, do vùng tiếp giáp rất nhỏ của chúng hoặc vùng tiếp giáp điểm.

Mạch tương đương điốt Schottky

Hình tiếp theo mô tả mạch tương đương của Diode Schottky với các giá trị điển hình. Ký hiệu liền kề là ký hiệu tiêu chuẩn của thiết bị.

Độ tự cảm Lp và điện dung Cp là các giá trị được chỉ định trong chính gói sản phẩm, rB tạo thành điện trở nối tiếp tạo nên từ điện trở tiếp xúc và điện trở chung.

Các giá trị cho điện trở rd và điện dung Cj theo các tính toán đã thảo luận trong các đoạn trước.

Biểu đồ đặc điểm kỹ thuật diode Schottky

Biểu đồ dưới đây cung cấp cho chúng ta danh sách các bộ chỉnh lưu sóng mang nóng do Motorola Semiconductor Products sản xuất cùng với thông số kỹ thuật và chi tiết sơ đồ chân của chúng.