Диод шоттки принцип работы

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.

Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.

Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова, и сегодня мы продолжим курс “Основы электроники”. Героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение диодов и стабилитронов:

И вот настало время диода Шоттки.

Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это явление.

Сердцем диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый барьер Шоттки. И элемент, и барьер названы так в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, который занимался исследованием этих процессов и явлений в 1930-х годах.

Так вот, барьер Шоттки – это переход между металлом и полупроводником. В обычном диоде у нас используется переход между полупроводниками p-типа и n-типа, а здесь уже совсем другая история – металл + полупроводник.

Для функционирования барьера Шоттки необходимо, чтобы работы выхода использующихся металла и полупроводника были различными. А работа выхода, в свою очередь, это энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из твердого тела. Рассмотрим случай, когда барьер образуется при контакте металла и полупроводника n-типа. Причем работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем работа выхода из металла:

Возникающий ток термоэлектронной эмиссии можно рассчитать следующим образом:

Здесь нам важно заметить, что поскольку phi_ > phi_ , то, напротив, j_ < j_. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:

Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и в результате под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.

Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.

Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда. То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки – повышенному быстродействию (поскольку отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы).

Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда – дырки в n-области и электроны в p-области:

Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет.

Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:

А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:

• Первое преимущество – меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе – это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
• Быстродействие – бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
• Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
• И еще один недостаток – при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов.

А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.

На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:

Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:

Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается. Пока разницы особо никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:

Первый канал (желтый) – сигнал на входе
Второй канал (красный) – сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) – сигнал на выходе цепи с обычным диодом

И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).

Итак, резюмируем. Мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки, давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем спасибо

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

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:

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.

Диод Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной “фишкой” диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (I_F(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (V_RRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (V_F) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два “дохлых” состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор “подёргивается” и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на “утечку”. Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме “диод”, то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе “20кОм” обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Как работает диод с барьером Шоттки

Диод Шоттки был создан немецким физиком, инженером Вальтером Шоттки в 30-х годах прошлого века. Им было замечено, что электрическое поле влияет на свободные электроны, тем самым заставляя их вылетать из зоны проводимости. Буквально, это выглядит как выход из твердого тела. Эта зависимость получила свое название в честь ее первооткрывателя, то есть самого Вальтера Шоттки. В научной литературе подобное явление называется эффектом Шоттки.

В зоне контакта это приводит к появлению слоя, который содержит малое количество электронов и имеет выраженные вентильные свойства. Спустя некоторое время, они стали использоваться в электротехнике, в создании различного оборудования. В статье подробно описаны все особенности строения диода, сфера его применения и как он используется. В дополнении, статья содержит видеоролик и научную статья по выбранной теме.

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:

1. пониженное падение напряжения при прямом смещении;
2. незначительная собственная ёмкость;
3. малый обратный ток;
4. 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. В таблице ниже представлены характеристики диодов Шоттки.

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.

Низковольтные диоды

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.

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.

1. Максимальное постоянное обратное напряжение;
2. Максимальное импульсное обратное напряжение;
3. Максимальный (средний) прямой ток;
4. Максимальный импульсный прямой ток;
5. Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
6. Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
7. Максимальная рабочая частота диода;
8. Время обратного восстановления;
9. Общая емкость диода.

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.

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.

Диоды Шоттки в блоках питания

В системных блоках питания, диоды Шоттки используются для выпрямления тока каналов +3.3В и +5В, а, как известно, величина выходных токов этих каналов составляет десятки ампер, что приводит к необходимости очень серьезно относиться к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь. Решение этих вопросов способно значительно увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.

Итак, для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при переключении, в самых сильноточных каналах (+3.3В и +5В), где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используются диоды Шоттки. Применение диодов Шоттки в этих каналах обусловлено следующими соображениями:

• Диод Шоттки является практически безынерционным прибором с очень малым временем восстановления обратного сопротивления, что приводит к уменьшению обратного вторичного тока и к уменьшению броска тока через коллекторы силовых транзисторов первичной части в момент переключения диода. Это в значительной степени снижает нагрузку на силовые транзисторы, и, как результат, увеличивает надежность блока питания.
• Прямое падение напряжения на диоде Шоки также очень мало, что при величине тока 15–30 А обеспечивает значительный выигрыш в КПД.

Так как в современных блоках питания очень мощным становится и канал напряжения +12В, то применение диодов Шоттки в этом канале также дало бы значительный энергетический эффект, однако их применение в канале +12В нецелесообразно. Это связано с тем, что при обратном напряжении свыше 50В (а в канале +12В обратное напряжение может достигать величины и 60В) диоды Шоттки начинают плохо переключаться (слишком долго и при этом возникают значительные обратные токи утечки), что приводит к потере всех преимуществ их применения. Поэтому в канале +12В используются быстродействующие кремниевые импульсные диоды.

Хотя промышленностью сейчас выпускаются диоды Шоттки и с большим обратным напряжением, но их использование в блоках питания считается нецелесообразным по разным причинам, в том числе и экономического плана. Но в любых правилах имеются исключения, поэтому в отдельных блоках питания можно встретить диодные сборки Шоттки и в каналах +12В. В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки представляют собой, как правило, диодные сборки из двух диодов (диодные полумосты), что однозначно повышает технологичность и компактность блоков питания, а также улучшает условия охлаждения диодов. Использование отдельных диодов, а не диодных сборок, является сейчас показателем низкокачественного блока питания.

Проявление неисправностей диодов Шоттки

Как уже отмечалось, неисправность диодов Шоттки является одной из основных проблем современных блоков питания. Так по каким же предварительным признакам можно предположительно определить их неисправность? Таких признаков несколько. Во-первых, при пробоях и утечках вторичных выпрямительных диодов, как правило, срабатывает защита, и блок питания не запускается. Это может проявляться по-разному:

• При включении блока питания вентилятор «дергается», т. е. совершает несколько оборотов и останавливается; после этого выходные напряжения полностью отсутствуют, т. е. источник питания блокируется.
• После включения блока питания вентилятор «дергается» постоянно, на выходах блока питания можно наблюдать пульсации напряжения, т. е. защита срабатывает периодически, но блок питания при этом полностью не блокируется.
• Признаком неисправности диодов Шоттки является чрезвычайно сильный разогрев вторичного радиатора, на котором они установлены.
• Признаком утечки диодов Шоттки может являться самопроизвольное выключение блока питания, а значит и компьютера, при увеличении нагрузки (например, при запуске программ, обеспечивающих 100% загрузку процессора), а также невозможность запустить компьютер после «апгрейда», хотя мощность блока питания является достаточной.

Кроме того, необходимо осознавать, что в блоках питания с плохой и непродуманной схемотехникой, утечки выпрямительных диодов приводят к перегрузкам первичной цепи и к всплескам тока через силовые транзисторы, что может стать причиной их отказа. Таким образом, профессиональный подход к ремонту блоков питания, диктует обязательную проверку вторичных выпрямительных диодов при каждой замене силовых транзисторов-ключей первичной части блока питания.

Диагностика диодов Шоттки

Проверка и точная диагностика диодов Шоттки, на практике, является достаточно непростым делом, т. к. многое здесь определяется типом используемого измерительного прибора и опытом подобных измерений, хотя определить обычный пробой одного или двух диодов диодной сборки Шоттки не составляет особого труда. Для этого необходимо выпаять диодную сборку и проверить тестером оба диода согласно схеме на рис. 5. При подобной диагностике тестер необходимо установить в режим проверки диодов. Неисправный диод в обоих направлениях покажет одинаковое сопротивление (как правило, очень малое, т. е. покажет короткое замыкание), что и указывает на его непригодность для дальнейшего использования. Однако явные пробои диодных сборок в практике встречаются очень и очень редко.

В основном же, приходится иметь дело с утечками (причем зачастую с тепловыми утечками) диодов Шоттки. А вот утечки, выявить таким способом невозможно. «Утекающий» диод при проверках тестером в режиме «диод» является в подавляющем большинстве случаев полностью исправным. Гарантированную точность диагностики, на наш взгляд, позволяет дать только такой метод, как замена диода на заведомо исправный аналогичный прибор.

Но все-таки, выявить «подозрительный» диод можно попытаться с помощью методики, заключающейся в измерении сопротивления его обратного перехода. Для этого будем пользоваться не режимом проверки диодов, а обычным омметром.

Внимание! При использовании этой методики следует помнить, что разные тестеры могут давать отличающиеся показания, что объясняется различием самих тестеров.

Итак, устанавливаем предел измерений на значение [20К] и измеряем обратное сопротивление диода (рис. 6). Как показывает практика, исправные диоды на этом пределе измерений должны показывать бесконечно большое сопротивление.

Если же при измерении выявляется некоторое, как правило, небольшое сопротивление (2–10 КОм), то такой диод можно считать «очень подозрительным» и его лучше заменить, или хотя бы проверить методом замены. Если же проводить проверку на пределе измерений [200К], то даже исправные диоды могут показывать в обратном направлении очень небольшое сопротивление (единицы и десятки кОм), поэтому и рекомендуется использовать предел [20К]. Естественно, что на больших пределах измерений (2 Мом, 20 Мом и т. д.) даже абсолютно исправный диод оказывается полностью открытым, т. к. его p-n переходу прикладывается слишком высокое (для диодов Шоттки) обратное напряжение. На пределе [200К] можно проводить проверку сравнительным методом, т. е. брать гарантированно-исправный диод, измерять его обратное сопротивление и сравнивать с сопротивлением проверяемого диода. Значительные отличия в этих измерениях будут указывать на необходимость замены диодной сборки.

Иногда встречаются ситуации, когда выходит из строя только один из диодов сборки. В этом случае неисправность также легко выявляется методом сравнения обратного сопротивления двух диодов одной сборки. Диоды одной сборки должны иметь одинаковое сопротивление. Предложенную методику можно дополнить еще и проверкой на термическую устойчивость. Суть этой проверки заключается в следующем. В тот момент времени, когда проверяется сопротивление обратного перехода на пределе измерений [20K] (см. предыдущий абзац), необходимо коснуться разогретым паяльником контактов диодной сборки, обеспечивая тем самым прогрев ее кристалла.

Неисправная диодная сборка практически мгновенно начинает «плыть», т. е. ее обратное сопротивление начинает очень быстро уменьшаться, в то время как исправная диодная сборка достаточно долго удерживает обратное сопротивление на бесконечно большом значении. Эта проверка очень важна, т. к. при работе диодная сборка сильно нагревается (не зря же ее размещают на радиаторе) и вследствие нагрева изменяет свои характеристики. Рассмотренная методика обеспечивает проверку устойчивости характеристик диодов Шоттки к температурным колебаниям, ведь увеличение температуры корпуса до 100 или 125°C увеличивает значение обратного тока утечки в сто раз (см. данные табл. 1).

Вот так можно попытаться проверить диод Шоттки, однако предложенными методиками не стоит злоупотреблять, т. е. не следует проводить проверки на слишком большом пределе измерений сопротивления и слишком сильно разогревать диод, т. к. теоретически, все это может привести к повреждению диода.

Кроме того, из-за возможности отказа диодов Шоттки под действием температуры, необходимо строго соблюдать все рекомендуемые условия пайки (температурный режим и время пайки). Хотя надо отдать должное производителям диодов, так как многие из них добились того, что монтаж сборок можно осуществлять при высокой температуре 250 °C в течение 10 секунд.

Диод Шоттки

Диод полупроводниковый, применяющий в принципе своей работы барьерный эффект, носит имя немецкого учёного, его описавшего, – Вальтера Шоттки.

Важно! Барьерный эффект – серьёзное влияние общего объемного заряда на развитие разряда в промежутке с резко неравномерным полем.

Дополнительная информация. Что такое диод – электронный элемент, обладающий неодинаковой возможностью проводить электрический ток, в зависимости от его направления.

Диод Шоттки: принцип работы

От классического вида вентиль Шоттки отличается тем, что основу его работы составляет пара полупроводник-металл. Зачастую эта пара упоминается как барьер Шоттки. Этот барьер, кроме схожей с p-n переходом способности проводить электричество в одну сторону, обладает несколькими полезными особенностями.

Арсенид галлия и кремний – основные поставщики материала для производства электронного элемента в промышленных условиях. В более редких случаях используют драгоценные химические элементы: платина, палладий и им подобные.

Его графическое условное выражение на электрических схемах не совпадает с классическими диодами. Маркировка электронных элементов похожа. Также встречаются двойные диоды в виде сборки.

Важно! Двойной диод – это пара диодов, совмещенных в общем объеме.

Сдвоенный диод с барьером Шоттки

У сдвоенных вентилей выходы катодов или анодов совмещены. Отсюда следует, что такое изделие обладает тремя концами. Сборки с общим катодом, например, работают там, где требуются импульсные блоки питания. Диоды Шоттки с общим анодом используются существенно реже.

Диоды находятся в едином корпусе и используют для их изготовления одну технологию производства, поэтому по набору своих параметров они как близнецы-братья. Температура работы у них тоже одинаковая, т.к. находятся в общем пространстве. Данное свойство значительно уменьшает необходимость их замены из-за потери работоспособности.

Самые важные отличительные свойства рассматриваемых вентилей – это незначительное прямое падение напряжения (до 0,4 В) в момент перехода и высокое время срабатывания.

Однако упомянутая величина падения напряжения обладает узким диапазоном прикладываемого напряжения – не более 60 В. И сама эта величина мала, что задаёт достаточно узкий спектр применения данных диодов. Если напряжение превысит указанную величину, барьерный эффект исчезает, и диод начинает работать в режиме обычного выпрямительного диода. Обратное напряжение для большинства из них не выходит за рамки 250 В, однако существуют образцы с величиной обратного напряжения 1,2 кВ.

При проектировании электрических схем проектировщики частенько на принципиальных схемах диод Шоттки не выделяют графически, однако в спецификации к заказу указывают на его использование, прописывая в типе. Поэтому при заказе оборудования на это нужно обращать пристальное внимание.

Из неудобств в работе с вентилями с барьером Шоттки необходимо отметить их чрезвычайную «нежность» и нетерпимость к малейшему, даже очень короткому по времени превышению номинала обратного напряжения. В этом случае они просто выходят из строя и больше не восстанавливаются, что, в сравнении с кремниевыми диодами, не идёт им на пользу, т.к. последние обладают свойством самовосстановления, после чего могут продолжать работать в обычном режиме, не требуя замены. Также нельзя забывать, что обратный ток в них критически зависит от градуса перехода. При появлении значительного значения обратного тока, пробоя не избежать.

Повышенная рабочая частота вследствие незначительной емкости переходных процессов и короткого периода восстановления по причине серьёзного быстродействия – те положительные свойства, позволяющие использовать данные диоды, например, радиолюбителям. Также применяют их на частотах, достигающих нескольких сотен кГц, например, в импульсных выпрямителях. Большое количество произведённых диодов уходит для использования в микроэлектронике. Современный уровень развития науки и промышленности дозволяет использовать в процессе изготовления вентилей с барьером Шоттки нано технологии. Созданные таким образом вентили применяют для шунтирования транзисторов. Данное решение серьёзно увеличивает срабатывание последних.

Диоды Шоттки в источниках питания

В компьютерных блоках питания очень часто расположены вентили Шоттки. Пятивольтовое напряжение обеспечивает серьёзный ток в десятки ампер, что для низковольтных систем питания является рекордом. Для этих блоков питания и применяют вентили Шоттки. В основном, используются сдвоенные диоды с единым катодом. Ни один качественный современный питающий блок компьютеров не обходится без такой сборки.

Диагноз. «Перегоревший» питающий блок электронного устройства чаще всего означает необходимость замены сгоревшей сборки Шоттки. Причины неисправности всего две: увеличенный ток утечки и электрический пробой. При наступлении описанных состояний электрическое питание на компьютер перестаёт подаваться. Защитные механизмы сработали. Рассмотрим, как это происходит.

Напряжение на входе компьютера отсутствует на постоянной основе. Блок питания полностью заблокирован вшитой в компьютер защитой.

Бывает «непонятная» ситуация: вентилятор охлаждения то начинает работать, то опять характерный шум пропадает. Это означает, что напряжение на входе компьютера (выходе питающего блока) то появляется, то исчезает. Т.е. защита отрабатывает периодические ошибки, но блокировать полностью источник не спешит. Появился неприятный запах, идущий от горячего блока? Диодный блок точно требует замены. Ещё один способ домашней диагностики: при большой нагрузке центрального процессора питающий блок отключился сам по себе. Это признак утечки.

После ремонта блока питания, связанного с заменой сдвоенных диодов Шоттки, необходимо «прозвонить» и транзисторы. При обратной процедуре диоды также требуют проверки. Особенно это правило актуально, если причиной ремонта стала утечка.

Проверка диодов Шоттки

Бытовой мультиметр хорошо справляется с задачей проверки любого вида диодов с барьером Шоттки. Способ проверки очень схож с проверкой рядового диода. Однако есть свои секреты. Электронный элемент с утечкой особенно тяжело поддаётся корректной проверке. Во-первых, диодную сборку необходимо извлечь из схемы. Для этого потребуется паяльник. Если диод пробит, то сопротивление, близкое к нулю, во всех возможных режимах работы подскажет о его неработоспособности. По физическим процессам это напоминает замыкание.

«Утечка» диагностируется сложнее. Самый распространённый мультиметр для населения – dt-830, в большинстве случаев измерений в положении «диод» не увидит проблему. При переведении регулятора в положение «омметр» омическое сопротивление уйдёт в бесконечность. Также прибор не должен показывать наличие Омического сопротивления. В противном случае требуется замена.

Диоды Шоттки распространены в электрике и радиоэлектронике. Область их использования широкая, вплоть до приёмников альфа излучения и различных космических аппаратов.

Видео