Диод Шоттки - Schottky diode

Не путать с Диод Шокли.
Диод Шоттки
Schottky.jpg
Различные диоды с барьером Шоттки: малосигнальные ВЧ-устройства (слева), выпрямительные диоды Шоттки средней и большой мощности (в центре и справа)
ТипПассивный
ИзобрелУолтер Х. Шоттки
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Диод Шоттки symbol.svg

В Диод Шоттки (назван в честь немецкого физика Уолтер Х. Шоттки ), также известный как Диод с барьером Шоттки или же диод с горячими носителями, является полупроводником диод образованный стыком полупроводник с металлом. Имеет низкий прямое напряжение падение и очень быстрое переключение. В детекторы кошачьих усов использовался в первые дни беспроводной и металлические выпрямители Применяемые в ранних силовых приложениях можно считать примитивными диодами Шоттки.

Когда приложено достаточное прямое напряжение, ток течет в прямом направлении. Кремний p – n диод имеет типичное прямое напряжение 600–700 мВ, а прямое напряжение Шоттки составляет 150–450 мВ. Это более низкое требование к прямому напряжению позволяет повысить скорость переключения и повысить эффективность системы.

Строительство

1N5822 Диод Шоттки в разрезанной упаковке. Полупроводник в центре образует Барьер Шоттки против одного металлического электрода (обеспечивающего выпрямляющее действие) и омический контакт с другим электродом.

А переход металл – полупроводник образуется между металлом и полупроводником, создавая Барьер Шоттки (вместо переход полупроводник-полупроводник как в обычных диодах). Типичными используемыми металлами являются молибден, платина, хром или вольфрам, а также некоторые силициды (например., силицид палладия и силицид платины ), тогда как полупроводник обычно представляет собой кремний n-типа.[1] Металлическая сторона действует как анод, а полупроводник n-типа действует как катод диода; смысл обычный ток может течь со стороны металла на сторону полупроводника, но не в обратном направлении. Этот барьер Шоттки обеспечивает как очень быстрое переключение, так и низкое прямое падение напряжения.

Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Полупроводники n- и p-типа могут создавать барьеры Шоттки. Однако р-тип обычно имеет гораздо более низкое прямое напряжение. Поскольку обратный ток утечки резко увеличивается с понижением прямого напряжения, он не может быть слишком низким, поэтому обычно используемый диапазон составляет около 0,5–0,7 В, а полупроводники p-типа используются лишь изредка. Силицид титана и другие тугоплавкие силициды, которые способны выдерживать температуры, необходимые для отжига истока / стока в процессах КМОП, обычно имеют слишком низкое прямое напряжение, чтобы их можно было использовать, поэтому в процессах с использованием этих силицидов обычно не используются диоды Шоттки.[требуется разъяснение ]

С увеличением легирования полупроводника ширина обедненной области уменьшается. Ниже определенной ширины носители заряда могут туннелировать через обедненную область. При очень высоких уровнях легирования переход больше не ведет себя как выпрямитель и становится омическим контактом. Это может быть использовано для одновременного формирования омических контактов и диодов, поскольку между силицидом и слаболегированной областью n-типа образуется диод, а между силицидом и сильнолегированной областью n- или p-типа образуется омический контакт. . Слаболегированные области p-типа представляют проблему, поскольку полученный контакт имеет слишком высокое сопротивление для хорошего омического контакта, но слишком низкое прямое напряжение и слишком высокую обратную утечку, чтобы сделать хороший диод.

Поскольку края контакта Шоттки довольно острые, вокруг них возникает высокий градиент электрического поля, который ограничивает величину порога обратного напряжения пробоя. Используются различные стратегии, от защитных колец до перекрытий металлизации для распределения градиента поля. Защитные кольца занимают ценную площадь кристалла и используются в основном для больших высоковольтных диодов, в то время как перекрывающаяся металлизация используется в основном для низковольтных диодов меньшего размера.

Диоды Шоттки часто используются в качестве антинасыщающих клещей в Транзисторы Шоттки. Диоды Шоттки из силицида палладия (PdSi)[требуется разъяснение ] превосходны благодаря более низкому прямому напряжению (которое должно быть ниже прямого напряжения перехода база-коллектор). Температурный коэффициент Шоттки ниже, чем коэффициент перехода B – C, что ограничивает использование PdSi при более высоких температурах.

Для силовых диодов Шоттки важными становятся паразитные сопротивления скрытого слоя n + и эпитаксиального слоя n-типа. Сопротивление эпитаксиального слоя более важно, чем для транзистора, поскольку ток должен проходить по всей его толщине. Однако он служит в качестве распределенного балластирующего резистора по всей площади перехода и, в обычных условиях, предотвращает локализованный тепловой разгон.

По сравнению с силовыми p – n-диодами диоды Шоттки менее надежны. Переход находится в прямом контакте с термочувствительной металлизацией, поэтому диод Шоттки может рассеивать меньшую мощность, чем аналог p-n эквивалентного размера с глубоко скрытым переходом до выхода из строя (особенно во время обратного пробоя). Относительное преимущество более низкого прямого напряжения диодов Шоттки уменьшается при более высоких прямых токах, когда падение напряжения определяется последовательным сопротивлением.[2]

Время обратного восстановления

Самое главное различие между п-п диод и диод Шоттки - время обратного восстановления (trr), когда диод переключается из проводящего состояния в непроводящее. В p − n-диоде время обратного восстановления может составлять от нескольких микросекунд до менее 100 нс для быстрых диодов, и оно в основном ограничено диффузионная емкость вызванные неосновными носителями, накопленными в области диффузии во время проводящего состояния.[3] Диоды Шоттки значительно быстрее, поскольку они униполярные устройства, и их скорость ограничена только емкостью перехода. Время переключения ~ 100 пс для малосигнальных диодов и до десятков наносекунд для специальных мощных диодов большой емкости. При переключении p – n-перехода возникает также ток обратного восстановления, который в мощных полупроводниках увеличивает EMI шум. В диодах Шоттки переключение происходит практически мгновенно с небольшой емкостной нагрузкой, что не вызывает беспокойства.

Это «мгновенное» переключение происходит не всегда. В частности, в устройствах Шоттки с более высоким напряжением структура защитного кольца, необходимая для управления геометрией поля пробоя, создает паразитный p-n-диод с обычными атрибутами времени восстановления. Пока этот защитный кольцевой диод не смещен в прямом направлении, он добавляет только емкость. Однако, если переход Шоттки приводится в движение достаточно сильно, прямое напряжение в конечном итоге смещает оба диода вперед и фактическое trr будут сильно затронуты.

Часто говорят, что диод Шоттки - это "основной оператор "полупроводниковый прибор. Это означает, что если полупроводниковое тело представляет собой допированный n-типа, только носители n-типа (мобильные электроны ) играют значительную роль в нормальной работе устройства. Большинство носителей быстро вводятся в зону проводимости металлического контакта на другой стороне диода, чтобы стать свободно движущиеся электроны. Следовательно, нет медленных случайных рекомбинация носителей n- и p-типа, так что этот диод может прекратить проводимость быстрее, чем обычный p − n выпрямитель. диод. Это свойство, в свою очередь, позволяет уменьшить площадь устройства, что также способствует более быстрому переходу. Это еще одна причина, по которой диоды Шоттки полезны в импульсном режиме. преобразователи мощности: высокая скорость диода означает, что схема может работать на частотах в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц, что позволяет использовать небольшие индукторы и конденсаторы с большей эффективностью, чем это было бы возможно с другими типами диодов. Диоды Шоттки малой площади - сердце ВЧ детекторы и смесители, которые часто работают на частотах до 50 ГГц.

Ограничения

Наиболее очевидными ограничениями диодов Шоттки являются их относительно низкие номинальные значения обратного напряжения и относительно высокие значения. обратный ток утечки. Для кремний-металлических диодов Шоттки обратное напряжение обычно составляет 50 В или меньше. Доступны некоторые конструкции с более высоким напряжением (200 В считается высоким обратным напряжением). Обратный ток утечки, поскольку он увеличивается с температурой, приводит к термическая нестабильность проблема. Это часто ограничивает полезное обратное напряжение намного ниже фактического номинального значения.

Хотя более высокие обратные напряжения достижимы, они будут давать более высокое прямое напряжение, сравнимое с другими типами стандартных диодов. Такие диоды Шоттки не имели бы преимущества. [4] если не требуется большая скорость переключения.

Диод Шоттки из карбида кремния

Диоды Шоттки, построенные из Карбид кремния имеют намного меньший обратный ток утечки, чем кремний Диоды Шоттки, а также более высокое прямое напряжение (около 1,4–1,8 В при 25 ° C) и обратное напряжение. По состоянию на 2011 г. они были доступны от производителей в вариантах обратного напряжения до 1700 В.[5]

Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, а температура мало влияет на его переключение и тепловые характеристики. В специальной упаковке карбидокремниевые диоды Шоттки могут работать при температурах перехода более 500K (около 200 ° C), что позволяет радиационный охлаждение в аэрокосмический Приложения.[5]

Приложения

Фиксация напряжения

В то время как стандартные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6 В, а германиевые диоды 0,2 В, падение напряжения на диодах Шоттки при прямом смещении составляет около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,46 В (см. 1N5817[6] и 1N5711[7]), что делает их полезными при напряжении зажимные приложения и предотвращение насыщение транзистора. Это связано с более высоким плотность тока в диоде Шоттки.

Защита от обратного тока и разряда

Благодаря низкому прямому падению напряжения диодов Шоттки меньше энергии расходуется в виде тепла, что делает их наиболее эффективным выбором для приложений, чувствительных к эффективности. Например, они используются в автономных («автономных») фотоэлектрический (PV) системы для предотвращения батареи от разряда через солнечные батареи в ночное время, называемого «блокирующими диодами». Они также используются в системах, подключенных к сети, с несколькими цепочками, соединенными параллельно, чтобы предотвратить протекание обратного тока от соседних цепочек через заштрихованные цепочки, если «байпасные диоды» вышли из строя.

Импульсные источники питания

Диоды Шоттки также используются в качестве выпрямители в импульсные источники питания. Низкое прямое напряжение и быстрое время восстановления приводят к повышению эффективности.

Их также можно использовать в источниках питания »ИЛИ ЖЕ "ing цепей в продуктах, которые имеют как внутренние аккумулятор и сетевой адаптер input или подобное. Однако в этом случае большой обратный ток утечки представляет проблему, поскольку любая схема измерения напряжения с высоким импедансом (например, отслеживающая напряжение батареи или обнаруживающая наличие сетевого адаптера) будет видеть напряжение от другого источника питания через диод. утечка.

Цепи выборки и хранения

Диоды Шоттки могут быть использованы в диодно-мостовых схемах. образец и держать схемы. По сравнению с обычным p-n переход На основе диодных мостов диоды Шоттки могут иметь преимущества. Диод Шоттки с прямым смещением не имеет накопителя заряда неосновных носителей. Это позволяет им переключаться быстрее, чем обычные диоды, что сокращает время перехода от образца к этапу удержания. Отсутствие накопителя заряда неосновных носителей также приводит к более низкому шагу удержания или ошибке выборки, что приводит к более точной выборке на выходе.[8]

Контроль заряда

Благодаря эффективному контролю электрического поля диоды Шоттки могут использоваться для точной загрузки или разгрузки отдельных электронов в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы или квантовые точки. [9]

Обозначение

SS14 диод Шоттки в
DO-214 Пакет AC (SMA)
(версия для поверхностного монтажа 1N5819 )[10]

Обычно встречающиеся диоды Шоттки включают 1N58xx выпрямители серии, такие как 1N581x (1 А ) и сквозные детали 1N582x (3 А),[6][11] и детали SS1x (1 A) и SS3x (3 A) для поверхностного монтажа.[10][12] Выпрямители Шоттки доступны во множестве корпус для поверхностного монтажа стили.[13][14]

Слабосигнальные диоды Шоттки, такие как 1N5711,[7] 1N6263, г.[15] 1SS106,[16] 1SS108,[17] и серии BAT41–43, 45–49[18] широко используются в высокочастотных приложениях в качестве детекторов, смесителей и нелинейных элементов и заменили германиевые диоды.[19] Они также подходят для электростатический разряд (ESD) защита чувствительных устройств, таких как III-V-полупроводник устройства, лазерные диоды и, в меньшей степени, обнаженные линии CMOS схема.

Переходы металл-полупроводник Шоттки представлены в преемниках 7400 TTL семья логические устройства, 74S, 74LS и 74ALS, где они используются в качестве Зажимы Baker параллельно с переходами коллектор-база биполярные транзисторы чтобы предотвратить их насыщение, тем самым значительно сократив задержки выключения.

Альтернативы

Когда требуется меньшее рассеивание мощности, МОП-транзистор и вместо этого может использоваться схема управления в рабочем режиме, известном как активное выпрямление.

А супер диод состоящий из pn-диода или диода Шоттки и операционный усилитель обеспечивает почти идеальную диодную характеристику из-за эффекта отрицательной обратной связи, хотя его использование ограничено частотами, с которыми может работать используемый операционный усилитель.

Электросмачивание

Электросмачивание можно наблюдать, когда диод Шоттки сформирован с использованием капля жидкого металла, например Меркурий, в контакте с полупроводником, например кремний. В зависимости от допинг Тип и плотность в полупроводнике, растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути.[20] Этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки».[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ‘’Лотон, М.А. (2003). «17. Силовые полупроводниковые приборы». Справочник электромонтера. Newnes. С. 25–27. ISBN  978-0-7506-4637-6. Получено 2011-05-16.
  2. ^ Гастингс, Алан (2005). Искусство аналоговой компоновки (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN  0-13-146410-8.
  3. ^ Пьер, Роберт Ф. (1996). Основы полупроводниковых устройств. Эддисон-Уэсли. ISBN  978-0-131-78459-8.
  4. ^ «Введение в выпрямители Шоттки» (PDF). MicroNotes. 401. Выпрямители Шоттки редко превышают рабочее пиковое обратное напряжение 100 В, поскольку устройства, умеренно превышающие этот номинальный уровень, будут давать прямые напряжения, равные или превышающие эквивалентные выпрямители с pn переходом.
  5. ^ а б "Диоды Шоттки: старые хороши, новые лучше". Силовая электроника.
  6. ^ а б "1N5817 Паспорта (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  7. ^ а б "1N5711 Таблицы данных (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  8. ^ Джонс, Дэвид А. и Мартин, Кен. Разработка аналоговых интегральных схем (1997), Wiley. Стр.351. ISBN  0-471-14448-7
  9. ^ О. Д. Коуту-младший, Дж. Пуэбла, Э. А. Чехович, И. Дж. Люксмур, К. Дж. Эллиот, Н. Бабазаде, М. С. Сколник, А. И. Тартаковский Контроль заряда в одиночных квантовых точках InP / (Ga, In) P, встроенных в диоды Шоттки (2011), Physical Review B 84, 125301. Дои:10.1103 / PhysRevB.84.125301
  10. ^ а б "Паспорта SS14 (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-11-23.
  11. ^ "1N5820 Таблицы данных (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-11-23.
  12. ^ "Паспорта SS34 (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-11-23.
  13. ^ Выпрямители Bourns Schottky.
  14. ^ Выпрямители Vishay Schottky.
  15. ^ "1N6263 Паспорта (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  16. ^ "1SS106 Таблицы данных (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  17. ^ "1SS108 Datasheets (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  18. ^ "Таблицы данных BAT4 (PDF)". Datasheetcatalog.com. Получено 2013-01-14.
  19. ^ Малосигнальные диоды Шоттки Vishay.
  20. ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). Дои:10.1063/1.4818715
  21. ^ Успехи РКЦ С. Арскотта "Электросмачивание и полупроводники" 4, 29223 (2014). Дои:10.1039 / C4RA04187A

внешняя ссылка