Schottky -diod - Schottky diode
 Olika Schottky-barriärdioder: RF-enheter med liten signal (vänster), medelstora och högeffekta Schottky-likriktardioder (mitten och höger)
| |
| Typ | Passiv |
|---|---|
| Uppfunnet | Walter H. Schottky |
| Stiftkonfiguration | anod och katod |
| Elektronisk symbol | |
 | |
Den Schottky-dioden (uppkallad efter den tyska fysikern Walter Schottky ), även känd som Schottky-barriärdiod eller varm bärare diod , är en halvledardiod som bildas av korsningen av en halvledare med en metall. Den har ett lågt spänningsfall framåt och en mycket snabb omkoppling. De grävaren-whisker detektorer som används i de första dagarna av trådlösa och metalliska riktare används i tidiga kraftapplikationer kan betraktas primitiva Schottky-dioder.
När tillräcklig framspänning appliceras strömmar en ström i riktningen framåt. En kisel p – n -diod har en typisk framspänning på 600–700 mV, medan Schottkys framspänning är 150–450 mV. Detta lägre krav på framspänning tillåter högre kopplingshastigheter och bättre systemeffektivitet.
Konstruktion
En metall -halvledarförbindelse bildas mellan en metall och en halvledare, vilket skapar en Schottky -barriär (i stället för en halvledar -halvledarkoppling som i konventionella dioder). Typiska metaller som används är molybden, platina, krom eller volfram och vissa silicider (t.ex. palladiumsilicid och platinasilicid ), medan halvledaren vanligtvis skulle vara kisel av n-typ. Metalsidan fungerar som anoden , och n-typ halvledare fungerar som katoden i dioden; vilket betyder att konventionell ström kan flöda från metallsidan till halvledarsidan, men inte i motsatt riktning. Denna Schottky -barriär resulterar i både mycket snabb omkoppling och lågt spänningsfall framåt.
Valet av kombinationen av metallen och halvledaren bestämmer diodens framspänning. Både halvledare av n- och p-typ kan utveckla Schottky-barriärer. Emellertid har p-typen vanligtvis en mycket lägre framspänning. Eftersom den omvända läckströmmen ökar dramatiskt med sänkning av framspänningen kan den inte vara för låg, så det vanligtvis använda intervallet är cirka 0,5–0,7 V, och halvledare av p-typ används endast sällan. Titansilicid och andra eldfasta silicider, som klarar de temperaturer som behövs för käll-/avloppsglödgning i CMOS -processer, har vanligtvis för låg spänning framåt för att vara användbar, så processer som använder dessa silicider erbjuder därför vanligtvis inte Schottky -dioder.
Med ökad dopning av halvledaren sjunker utarmningsregionens bredd. Under en viss bredd kan laddningsbärarna tunnelera genom utarmningsregionen. Vid mycket höga dopningsnivåer uppträder korsningen inte längre som likriktare och blir en ohmsk kontakt. Detta kan användas för samtidig bildning av ohmska kontakter och dioder, eftersom en diod kommer att bildas mellan siliciden och lätt dopad n-typ region, och en ohmisk kontakt mellan siliciden och den starkt dopade n- eller p-typ regionen . Lätt dopade regioner av p-typ utgör ett problem, eftersom den resulterande kontakten har för högt motstånd för en bra ohmsk kontakt, men för låg spänning framåt och för högt omvänd läckage för att göra en bra diod.
Eftersom kanterna på Schottky -kontakten är ganska skarpa, uppstår en hög elektrisk fältgradient runt dem, vilket begränsar hur stor den omvända nedbrytningsspänningströskeln kan vara. Olika strategier används, från skyddsringar till överlappningar av metallisering för att sprida fältgradienten. Skyddsringarna förbrukar värdefull matrisyta och används främst för större högspänningsdioder, medan överlappande metallisering används främst med mindre lågspänningsdioder.
Schottky -dioder används ofta som antisaturationsklämmor i Schottky -transistorer . Schottky-dioder tillverkade av palladiumsilicid (PdSi) är utmärkta på grund av deras lägre framspänning (som måste vara lägre än framspänningen i bas-kollektorövergången). Schottky -temperaturkoefficienten är lägre än koefficienten för B – C -korsningen, vilket begränsar användningen av PdSi vid högre temperaturer.
För Schottky-dioder med effekt blir parasitmotstånden hos det nedgrävda n+ -skiktet och det epitaxiella n-typskiktet viktiga. Motståndet hos det epitaxiella skiktet är viktigare än det är för en transistor, eftersom strömmen måste passera hela dess tjocklek. Det fungerar emellertid som ett distribuerat ballastmotstånd över hela korsningsområdet och förhindrar under vanliga förhållanden lokaliserad termisk tillflykt.
I jämförelse med power p – n -dioderna är Schottky -dioderna mindre robusta. Korsningen är i direktkontakt med den termiskt känsliga metalliseringen, en Schottky-diod kan därför sprida mindre effekt än en motsvarande pn-motsvarighet med en djupt begravd korsning innan den misslyckas (särskilt vid omvänd nedbrytning). Den relativa fördelen med den lägre framspänningen för Schottky -dioder minskas vid högre framåtströmmar, där spänningsfallet domineras av seriemotståndet.
Omvänd återhämtningstid
Den viktigaste skillnaden mellan pn- dioden och Schottky-dioden är omvänd återhämtningstid (t rr ) när dioden växlar från ledande till icke-ledande tillstånd. I ap -n -diod kan den omvända återhämtningstiden vara i storleksordningen flera mikrosekunder till mindre än 100 ns för snabba dioder, och den begränsas huvudsakligen av diffusionskapacitansen som orsakas av minoritetsbärare som ackumuleras i diffusionsregionen under ledande tillstånd. Schottky -dioder är betydligt snabbare eftersom de är unipolära enheter och deras hastighet endast begränsas av övergångskapacitansen. Växlingstiden är ~ 100 ps för de små signaldioderna och upp till tiotals nanosekunder för speciella högkapacitetsdioder. Med p-n-junction-omkoppling finns det också en omvänd återhämtningsström, som i kraftfulla halvledare ger ökat EMI- brus. Med Schottky -dioder är omkoppling i huvudsak "omedelbar" med endast en liten kapacitiv belastning, vilket är mycket mindre bekymmersamt.
Denna "omedelbara" växling är inte alltid fallet. I Schottky -enheter med högre spänning skapar i synnerhet skyddsringstrukturen som behövs för att styra nedbrytningsfältgeometri en parasitisk pn -diod med de vanliga återhämtningstidsattributen. Så länge denna skyddsringdiod inte är förspänd framåt, tillför den endast kapacitans. Om Schottky -korsningen drivs tillräckligt hårt kommer framspänningen så småningom att förspänna både dioder framåt och den faktiska t rr kommer att påverkas kraftigt.
Det sägs ofta att Schottky -dioden är en halvledaranordning med " majoritetsbärare ". Detta betyder att om halvledarkroppen är en dopad n-typ, spelar endast n-typbärarna (mobila elektroner ) en betydande roll i enhetens normala drift. Majoritetsbärarna injiceras snabbt i metallkontaktens ledningsband på andra sidan av dioden för att bli fritt rörliga elektroner . Därför, ingen långsam slumpmässig rekombination är av n och p-typ bärare inblandade, så att denna diod kan upphöra ledning snabbare än en vanlig p-n-likriktardiod . Den här egenskapen möjliggör i sin tur ett mindre enhetsområde, vilket också möjliggör en snabbare övergång. Detta är en annan anledning till att Schottky-dioder är användbara i switch-mode effektomvandlare : diodens höga hastighet gör att kretsen kan fungera vid frekvenser i intervallet 200 kHz till 2 MHz, vilket möjliggör användning av små induktorer och kondensatorer med högre effektivitet än vad som är möjligt med andra diodtyper. Schottky-dioder i små områden är hjärtat i RF- detektorer och blandare , som ofta fungerar vid frekvenser upp till 50 GHz.
Begränsningar
De tydligaste begränsningarna för Schottky -dioder är deras relativt låga omvända spänningsvärden och deras relativt höga omvända läckström . För Schottky-dioder av kiselmetall är omvänd spänning vanligtvis 50 V eller mindre. Vissa modeller med högre spänning är tillgängliga (200 V anses vara en hög omvänd spänning). Omvänd läckström, eftersom den ökar med temperaturen, leder till en termisk instabilitet . Detta begränsar ofta den användbara omvända spänningen till långt under det faktiska värdet.
Medan högre bakspänningar kan uppnås, skulle de presentera en högre framspänning, jämförbar med andra typer av standarddioder. Sådana Schottky -dioder skulle inte ha någon fördel om inte stor omkopplingshastighet krävs.
Schottky -diod av kiselkarbid
Schottky -dioder konstruerade av kiselkarbid har en mycket lägre omvänd läckström än kisel -Schottky -dioder, liksom högre framspänning (cirka 1,4–1,8 V vid 25 ° C) och omvänd spänning. Från och med 2011 var de tillgängliga från tillverkare i varianter upp till 1700 V omvänd spänning.
Kiselkarbid har hög värmeledningsförmåga och temperaturen har liten påverkan på dess omkoppling och termiska egenskaper. Med särskild förpackning, kan kiselkarbid Schottky-dioder arbeta vid junction temperaturer på över 500 K (ca 200 ° C), som tillåter passiv radiativ kylning i rymdapplikationer.
Ansökningar
Spänningsspänning
Medan vanliga kiseldioder har ett framspänningsfall på cirka 0,7 V och germaniumdioder 0,3 V, ligger Schottky -diodernas spänningsfall vid förspänningar på cirka 1 mA i intervallet 0,15 V till 0,46 V (se 1N5817 och 1N5711), vilket gör dem användbara vid spänningsklämapplikationer och förebyggande av transistorns mättnad . Detta beror på den högre strömtätheten i Schottky -dioden.
Omvänd ström och urladdningsskydd
På grund av en Schottky -diods låga framspänningsfall går mindre energi bort som värme, vilket gör dem till det mest effektiva valet för applikationer som är känsliga för effektivitet. Till exempel används de i fristående ("off-grid") fotovoltaiska (PV) system för att förhindra att batterier laddas ur genom solpaneler på natten, kallade "blockeringsdioder". De används också i nätanslutna system med flera strängar parallellt kopplade, för att förhindra att omvänd ström strömmar från intilliggande strängar genom skuggade strängar om "bypass-dioderna" har misslyckats.
Strömförsörjning i switchat läge
Schottky-dioder används också som likriktare i strömförsörjningar med switchat läge . Den låga spänningen framåt och den snabba återhämtningstiden leder till ökad effektivitet.
De kan också användas i strömförsörjningens " ELLER " -kretsar i produkter som har både ett internt batteri och en nätadapteringång eller liknande. Den höga omvända läckströmmen utgör emellertid ett problem i detta fall, eftersom varje högimpedansspänningskänslig krets (t.ex. övervakning av batterispänningen eller detektering av om en nätadapter är närvarande) kommer att se spänningen från den andra strömkällan genom dioden läckage.
Prov-och-håll kretsar
Schottky-dioder kan användas i diodbro-baserade prov- och hållkretsar. Jämfört med vanliga pn -övergångsbaserade diodbroar kan Schottky -dioder erbjuda fördelar. En framåtriktad Schottky-diod har ingen lagringsutrymme för minoritetsbärare. Detta gör att de kan växla snabbare än vanliga dioder, vilket resulterar i lägre övergångstid från provet till hållsteget. Frånvaron av lagring av minoritetsbärareavgifter resulterar också i ett lägre lagringssteg eller samplingsfel, vilket resulterar i ett mer exakt sampel vid utgången.
Laddningskontroll
På grund av sin effektiva elektriska fältkontroll kan Schottky -dioder användas för att exakt ladda eller lossa enstaka elektroner i halvledarnanostrukturer som kvantbrunnar eller kvantpunkter.
Beteckning
Vanligt förekommande schottky-dioder inkluderar likriktare i 1N58xx- serien, till exempel 1N581x (1 A ) och 1N582x (3 A) genomgående håldelar och SS1x (1 A) och SS3x (3 A) ytmonterade delar. Schottky-likriktare finns i många paketstilar för ytmontering .
Små signal schottky-dioder som 1N5711, 1N6263, 1SS106, 1SS108 och BAT41–43, 45–49-serierna används ofta i högfrekventa applikationer som detektorer, blandare och olinjära element och har ersatta germaniumdioder. De är också lämpliga för elektrostatisk urladdning (ESD) skydd av känsliga enheter som III-V-halvledaranordningar , laserdioder och, i mindre utsträckning, exponerade linjer av CMOS- kretsar.
Schottky metall-halvledarövergångar finns i efterföljarna till 7400 TTL- familjen av logiska enheter , 74S-, 74LS- och 74ALS-serierna, där de används som Baker-klämmor parallellt med kollektor-basövergångarna på de bipolära transistorerna för att förhindra deras mättnad , vilket minskar deras avstängningsförseningar kraftigt.
Alternativ
När mindre effektförlust önskas kan en MOSFET och en styrkrets istället användas, i ett driftläge som kallas aktiv likriktning .
En superdiod bestående av en pn-diod eller Schottky-diod och en operationsförstärkare ger en nästan perfekt diodkarakteristik på grund av effekten av negativ återkoppling, även om dess användning är begränsad till frekvenser som den använda driftförstärkaren kan hantera.
Elektrovätning
Elektrovätning kan observeras när en Schottky -diod bildas med en droppe flytande metall, t.ex. kvicksilver , i kontakt med en halvledare, t.ex. kisel . Beroende på dopningstyp och densitet i halvledaren beror droppspridningen på storleken och tecknet på spänningen som appliceras på kvicksilverdroppen. Denna effekt har kallats "Schottky electrowetting".
Se även
- Schottky -barriär
- Schottky -effekt (Schottky -utsläpp)
- Heterobarriär varaktor -diod
- Aktiv rättelse
- Bakerklämma och Schottky -transistor
- 1N58xx Schottky -dioder
- Elektrovätning