За 60-80 лет появилось немало электронных компонентов, использующих в своей работе полупроводниковый эффект. В этой статье мы узнаем, что такое диод Шоттки. Давайте вместе посмотрим, что это за прибор, как он работает и чем отличается от своих обычных собратьев.
История создания
В 30-х ходах XIX века немецкий физик и инженер Вальтер Герман Шоттки заметил, что в точке соприкосновения металла и полупроводника возникает потенциальный барьер, который пропускает ток в одну сторону и не пропускает в обратную. Этот барьер был назван в честь ученого – барьером Шоттки, а полупроводниковые диоды, использующие такой эффект, – диодами Шоттки, или диодами с барьером Шоттки.
Первый диод, использовавший эффект Шоттки, был продемонстрирован в 1874 г. Карлом Фердинандом Брауном. Ученый создал точечный диод, соединив металлический провод с галеновым кристаллом. В то время работа Брауна не привлекла особого внимания.
Общие сведения
Диод с барьером Шоттки, как и обычный n-p-диод, проводит ток в одну сторону и не проводит в другую. Вроде обычный диод, но отличия есть, и существенные. Итак, что такое диод Шоттки?
Принцип работы и устройство
Разберемся, как работает диод Шоттки (ДШ). Взглянем на его конструкцию.
На рисунке цифрами обозначены:
- 1 – внешний контакт (анод);
- 2 – металлическая пленка;
- 3 – область объемного заряда;
- 4 – n-слой (эпитаксиальная пленка);
- 5 – подложка n++++ -типа;
- 6 – невыпрямляющая металлическая пленка;
- 7 – внешний контакт (катод).
Как работает такой прибор? В обычном диоде n-полупроводник и p-полупроводник образуют n-p переход. В ДШ вместо одного из полупроводников (как правило, р-типа) используется металл – серебро, золото, платина и пр.). Так образуется переход металл-полупроводник, который в разных режимах работы имеет неодинаковые свойства. Объясним эти свойства кратко и простыми словами.
Смещения нет
Свободные электроны перемещаются из полупроводника в металл. Так создается барьер, где встречаются положительные и отрицательные ионы. Преодолеть его электроны без посторонней помощи не могут.
Прямое смещение
Создадим прямое смещение – подадим положительное напряжение относительно катода на анод. Теперь электроны из n-полупроводника могут преодолеть барьер и перейти в металл. Появится электрический ток.
Для того чтобы электроны преодолели барьер, разность потенциалов между анодом и катодом должна быть больше, чем потенциал поля перехода металл-полупроводник. Для большинства приборов это значение – 0.1-0.2 В.
Обратное смещение
Если на анод относительно катода подать отрицательное напряжение (обратное смещение), то ширина барьера увеличится, и электроны металла преодолеть его не смогут. Ток в обратном направлении течь не будет.
Если чрезмерно увеличить напряжение обратного смещения, переход будет пробит и ток потечет. Такой необратимый пробой означает безвозвратный выход из строя прибора. Обычные n-p-полупроводники в этом случае входят в лавинный обратимый пробой. При снятии напряжения работа восстанавливается (если рассеиваемая на кристалле мощность не превысила критическую).
Отличие от обычного
В чем отличие ДШ от обычного полупроводникового (n-p), кроме конструкции? Взглянем на вольтамперную характеристику того и другого.
Из положительной ветви графика мы видим:
- ДШ открывается более низким напряжением.
- Прямое падение напряжения на ДШ намного ниже при тех же токах.
Обратная ветвь радует меньше. Из нее видно, что ДШ «болеют» большим обратным током (так называемый ток утечки), а их пробой наступает при более низком напряжении. Причем пробой необратимый, как было отмечено выше, а не лавинный, в который входят n-p диоды, прежде чем будут пробиты безвозвратно.
И еще одна особенность, не отраженная на графике. При прямом смещении инжекции дырок в n-слой не происходит – в металле их мало, а барьер для них слишком велик. Поэтому при подаче обратного смещения барьер запирается намного быстрее, чем в обычном полупроводнике – рекомбинация дырок не нужна. Насколько быстрее? Намного – разница измеряется порядками – нано- и пикосекунды вместо сотен нано и десятков микро. Разница внушительная, и именно она позволила применять ДШ там, где обычные работать просто не могут – в высокочастотных цепях.
Что касается недостатков, то кроме большого обратного тока и отсутствия возможности уйти в лавинный пробой есть еще парочка. Первый – большая зависимость обратного тока от температуры кристалла. При увеличении температуры обратный ток вырастает в разы, существенно ухудшая выпрямительные свойства прибора и повышая риск необратимого пробоя. Второй – низкое обратное напряжение, обычно не превышающее нескольких десятков вольт.
УГО и маркировка
Как отличить диод Шоттки на электрической схеме? В этом нет ничего сложного. На рисунке ниже справа – условное графическое обозначение (УГО) обычного, а справа – ДШ.
Кроме одиночных диодов существуют и их сборки – несколько полупроводников в одном корпусе. Обычно таких диодов два, и они соединены друг с другом одним из выводов.
На рисунке выше изображено УГО сборки из двух ДШ с общим катодом, но существуют диодные сборки Шоттки с сообщим анодом, и даже включенные встречно-последовательно.
Пару слов о типовой маркировке диодов и сборок Шоттки. Обычно на диодах такого типа присутствуют литеры:
- 1N (наиболее распространен в нашей практике);
- SR;
- TQ;
- SQ;
- CPQ;
- DQ;
- SF.
К примеру: 1N5817, SR1620, 20TQ035, 20TQ035, 11DQ09,30CPQ150, SF303. Что касается цифр, то они обозначают номер партии, тип, модификацию и характеристики. Тут без справочника не обойтись. Отечественные ДШ маркируются так же, как и обычные – литерой «Д» с набором цифр. Только по цифрам можно узнать, что это за полупроводник и какими характеристиками он обладает.
Приведен не полный перечень маркировки. На самом деле список в разы длиннее. К примеру, вот одна из маркировок сборки: MBRF20100CT. Так что справочники вам в помощь.
Как проверить диод Шоттки мультиметром
Проверка диода или сборки с барьером Шоттки на исправность мультиметром почти ничем не отличается от проверки обычного n-p полупроводникового прибора. Он так же в одну сторону проводит ток, в другую нет. Включаем мультиметр в режим проверки диодов (не измерения сопротивления!) и прозваниваем полупроводник в одну и в другую сторону. В одну сторону прибор покажет какое-то сопротивление, в другую – бесконечность.
Теперь по сборкам. Для примера проверим на работоспособность сборку SBL3045PT, имеющую составе два диода, соединенных катодами. Внутренняя схема нанесена на корпус.
Включаем мультиметр в режим проверки диодов (не измерения сопротивления!) и прозваниваем каждый из диодов сначала в одном, потом в другом направлении. В одну сторону мультиметр покажет какое-то сопротивление, в другую – бесконечность.
Если это так, то сборка исправна. Но это еще не вся проверка. Мы уже знаем, что диоды Шоттки отличаются большим током утечки, так что желательно если не измерить, то хотя бы оценить этот параметр.
Включаем мультиметр в режим измерения сопротивления на пределе около 20 кОм (у кого какой есть ближайший). Прозваниваем каждый из диодов в прямом и обратном направлении. В обоих случаях прибор должен показать бесконечность. Если в одном из направлений он покажет какое-то сопротивление, значит, ток утечки у проверяемого диода великю. От него (точнее, увы, от всей сборки) лучше избавиться.
Не обязательно избавляться от всей сборки, даже если один из диодов вообще пробит. Второй исправный можно использовать в какой-нибудь другой схеме.
Идем дальше. В некоторых случаях необходимо подобрать полупроводник с заданным прямым падением напряжения. Этот параметр несложно замерить, правда, придется собрать небольшую схему.
Номинал резистора подобран так, чтобы ток через диод был порядка 500 мА. Если вы проверяете маломощный полупроводник, увеличьте номинал R1, воспользовавшись для его расчета законом Ома – R = U / I, где:
- R – искомое сопротивление в омах;
- U – напряжение источника питания в вольтах;
- I – необходимый ток через диод в амперах.
В качестве источника питания удобно использовать адаптер для зарядки телефона или смартфона. Такой ток выдаст любой из них.
Схема собрана и включена, осталось замерить напряжение на диоде мультиметром, включенным в режим измерения постоянных напряжений. Результат измерений – искомое падение напряжения.
При помощи этой же схемы измеряется обратный ток. Переворачиваем диод (катод к резистору), последовательно с ним активируем мультиметр, включенный в режим измерения малых токов.
И еще один вопрос, который интересует многих. Можно ли проверить диод Шоттки, не выпаивая? Однозначного ответа, к сожалению, нет. Все зависит от схемы, в которой он стоит. Так сказать, от «обвязки». В некоторых случаях проверка возможна, в некоторых – нет – показания искажаются подключенными к диоду элементами. Как правило, не выпаивая, можно проверить полупроводники выпрямительного моста, но он редко собирается на ДШ.
Попытаться прозвонить, не выпаивая, можно – попытка не пытка. Если прибор покажет, что диод исправен (звонится только в одну сторону), то с большой долей вероятности он рабочий. Если что-то пошло не так, то придется элемент выпаять. Причем отпаять достаточно один любой вывод, приподняв элемент над платой. Ток утечки и падение напряжения, конечно, на впаянном полупроводнике не проверишь даже примерно.
Сфера применения
Сегодня диоды Шоттки благодаря своим уникальным свойствам нашли широкое применение. Их можно встретить практически везде, где требуется малое прямое падение напряжения и небольшое время переключения.
С их помощью, к примеру, подключают несколько блоков питания на одну нагрузку в системах дублирования и для увеличения мощности. В солнечных панелях эти элементы предотвращают разряд заряжаемой батареи и шунтируют вышедшие из строя ячейки.
Благодаря тому, что ДШ быстродействующий, он применяется в детекторах и гетеродинах радиоприемников и в импульсных блоках питания. Живой пример – блок питания вашего компьютера. В нем в качестве выпрямителей установлены диодные сборки Шоттки, которые нередко называют сдвоенным диодом.
Такие же ДШ или сборки установлены практически во всех импульсных блоках питания и импульсных повышающих/понижающих преобразователях.
Вот и все о диодах с барьером Шоттки. Теперь вы знаете, что это за прибор, как он устроен, чем отличается от обычного n-p-полупроводника и где его можно найти.
Сейчас читают:
