Schottky-Sperrdioden sind Halbleiterdioden mit minimaler Durchlassspannung und schnellen Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 10 ns. Diese werden in Strombereichen von 500 mA bis 5 Ampere und bis zu 40 V hergestellt. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich besonders für Niederspannungs- und Hochfrequenzanwendungen wie SMPS sowie als effiziente Freilaufdioden.
Das Symbol des Geräts ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Höflichkeit: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode
Interne Konstruktion
Schottky-Dioden sind anders aufgebaut als herkömmliche pn-Sperrschichtdioden. Anstelle eines pn-Übergangs werden sie mit a erstellt Metallhalbleiterübergang Wie nachfolgend dargestellt.
Der Halbleiterabschnitt besteht hauptsächlich aus Silizium vom n-Typ und auch aus einer Reihe verschiedener Materialien wie Platin, Wolfram, Molybdän, Chrom usw. Die Diode kann je nach verwendetem Material unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, so dass sie verbessert werden können Schaltgeschwindigkeit, geringerer Durchlassspannungsabfall usw.
Wie es funktioniert
In Schottky-Dioden werden Elektronen zum Hauptträger im Halbleitermaterial, während im Metall extrem kleine Minoritätsträger (Löcher) vorhanden sind. Wenn die beiden Materialien verbunden sind, beginnen die im Siliziumhalbleiter vorhandenen Elektronen schnell in Richtung des verbundenen Metalls zu fließen, was zu einem massiven Transfer von Majoritätsträgern führt. Aufgrund ihrer erhöhten kinetischen Energie als das Metall werden sie im Allgemeinen als 'heiße Träger' bezeichnet.
Bei den normalen pn-Sperrschichtdioden werden die Minoritätsträger über unterschiedliche benachbarte Polaritäten injiziert. Während in Schottky-Dioden Elektronen über Regionen mit identischer Polarität injiziert werden.
Der massive Einstrom von Elektronen in Richtung des Metalls verursacht einen starken Verlust an Ladungsträgern für das Siliziummaterial in dem Bereich nahe der Übergangsoberfläche, der dem Verarmungsbereich des pn-Übergangs anderer Dioden ähnelt. Die zusätzlichen Ladungsträger im Metall erzeugen eine 'negative Wand' im Metall zwischen dem Metall und dem Halbleiter, die den weiteren Stromeintritt blockiert. Das heißt, die negativ geladenen Elektronen am Siliziumhalbleiter in Schottky-Dioden ermöglichen einen trägerfreien Bereich zusammen mit einer negativen Wand an der Metalloberfläche.
Bezugnehmend auf die unten gezeigte Figur bewirkt das Anlegen eines Vorwärtsvorspannungsstroms im ersten Quadranten eine Verringerung der Energie der negativen Barriere aufgrund der positiven Anziehung durch die Elektronen in diesem Bereich. Dies führt zum Rückfluss von Elektronen in großen Mengen über die Grenze. Die Größe dieser Elektronen hängt von der Größe des für die Vorspannung angelegten Potentials ab.
Unterschied zwischen normalen Dioden und Schottky-Dioden
Im Vergleich zu normalen pn-Sperrschichtdioden ist der Sperrübergang in Schottky-Dioden sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtsvorspannungsbereich geringer.
Dies ermöglicht es den Schottky-Dioden, eine stark verbesserte Stromleitung bei gleichem Vorspannungspotential sowohl über Vorwärts- als auch Rückwärtsvorspannungsbereiche zu haben. Dies scheint ein gutes Merkmal im Vorwärtsvorspannungsbereich zu sein, obwohl es für den Rückwärtsvorspannungsbereich schlecht ist.
Die Definition der allgemeinen Eigenschaften einer Halbleiterdiode für die Vorwärts- und Rückwärtsvorspannungsbereiche wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
ich D. = Ich S. (ist kVd / Tk -1)
Dabei ist Is = umgekehrter Sättigungsstrom
k = 11.600 / η mit η = 1 für Germaniummaterial und η = 2 für Siliziummaterial
Die gleiche Gleichung beschreibt den exponentiellen Anstieg des Stroms in Schottky-Dioden in der folgenden Abbildung, jedoch wird der Faktor η durch die Art der Konstruktion der Diode bestimmt.
Im Sperrbereich ist der Strom Ist ist hauptsächlich auf jene Metallelektronen zurückzuführen, die in das Halbleitermaterial wandern.
Temperaturmerkmale
Bei Schottky-Dioden wurde unter anderem kontinuierlich untersucht, wie die erheblichen Leckströme bei hohen Temperaturen über 100 ° C minimiert werden können.
Dies hat zur Produktion besserer und verbesserter Geräte geführt, die auch bei extremen Temperaturen zwischen - 65 und + 150 ° C effizient arbeiten können.
Bei typischen Raumtemperaturen kann diese Leckage im Bereich von Mikroampere für Schottky-Dioden mit geringer Leistung und im Bereich von Milliampere für Geräte mit hoher Leistung liegen.
Diese Zahlen sind jedoch im Vergleich zu normalen pn-Dioden bei gleichen Leistungsspezifikationen größer. Auch der PIV-Bewertung Denn Schottky-Dioden können viel kleiner sein als unsere herkömmlichen Dioden.
Beispielsweise kann ein 50-Ampere-Gerät normalerweise eine PIV-Bewertung von 50 V haben, während dies für eine normale 50-Ampere-Diode bis zu 150 V betragen kann. Die jüngsten Fortschritte haben jedoch Schottky-Dioden mit PIV-Nennwerten über 100 V bei ähnlichen Stromstärkewerten ermöglicht.
Aus der obigen grafischen Darstellung wird ziemlich deutlich, dass Schottky-Dioden einen nahezu idealen Satz von Eigenschaften aufweisen, sogar besser als eine Kristalldiode (Punktkontaktdiode). Der Vorwärtsabfall einer Punktkontaktdiode ist typischerweise geringer als bei normalen pn-Sperrschichtdioden.
Die Spannungswandler- oder Durchlassspannung der Schottky-Diode wird in hohem Maße vom Metall im Inneren bestimmt. Es gibt einen Kompromiss zwischen dem Einfluss der Temperatur und dem VT-Wert. Wenn einer dieser Parameter zunimmt, nimmt auch der andere zu, wodurch sich der Wirkungsgrad des Geräts verschlechtert. Darüber hinaus hängt die VT auch vom aktuellen Bereich ab. Niedrigere zulässige Werte sorgen für niedrigere VT-Werte. Der VT-Vorwärtsabfall kann in einer ungefähren Bewertung für gegebene Einheiten mit niedrigem Pegel im Wesentlichen auf Null fallen. Für mittlere und höhere Strombereiche könnten die Vorwärtsabfallwerte bei etwa 0,2 V liegen, und dies scheint ein feiner repräsentativer Wert zu sein.
Derzeit liegt die maximal zulässige Schottky-Diode im Strombereich bei etwa 75 Ampere, obwohl bald auch bis zu 100 Ampere in Sicht sein könnten.
Schottky-Dioden-Anwendung
Das Hauptanwendungsgebiet von Schottky-Dioden sind Schaltnetzteile oder SMPS, die mit Frequenzen über 20 kHz arbeiten sollen.
Typischerweise kann eine 50-Ampere-Schottky-Diode bei Raumtemperatur mit einer Durchlassspannung von 0,6 V und einer Erholungszeit von 10 ns ausgelegt sein, die speziell für eine SMPS-Anwendung entwickelt wurde. Andererseits kann eine gewöhnliche pn-Sperrschichtdiode bei derselben Stromspezifikation einen Durchlassabfall von 1,1 V und einen Wiederherstellungswert von etwa 30 bis 50 ns aufweisen.
Sie können feststellen, dass die obige Vorwärtsspannungsdifferenz ziemlich klein ist, wenn wir jedoch den Verlustleistungspegel zwischen den beiden betrachten: P (heißer Träger) = 0,6 x 50 = 30 Watt und P (pn) = 1,1 x 50 = 55 Watt, ein durchaus messbarer Unterschied, der die Effizienz des SMPS kritisch beeinträchtigen kann.
Obwohl im Sperrvorspannungsbereich die Verlustleistung in einer Schottky-Diode geringfügig höher sein kann, ist die Netto-Vorwärts- und Rückwärtsvorspannungsdissipation viel besser als bei einer pn-Sperrschichtdiode.
Wiederherstellungszeit umkehren
In gewöhnlichen pn-Halbleiterdioden ist die Rückgewinnungszeit (trr) aufgrund der injizierten Minoritätsträger hoch.
In Schottky-Dioden ist die Rückgewinnungszeit aufgrund extrem niedriger Minoritätsträger wesentlich niedrig. Aus diesem Grund können Schottky-Dioden auch bei Frequenzen von 20 GHz so effektiv arbeiten, dass die Geräte mit extrem hoher Geschwindigkeit schalten müssen.
Für höhere Frequenzen als diese wird aufgrund ihrer sehr kleinen Übergangsfläche oder Punktübergangsfläche immer noch eine Punktkontaktdiode oder eine Kristalldiode verwendet.
Schottky-Dioden-Ersatzschaltung
Die nächste Abbildung zeigt das Ersatzschaltbild einer Schottky-Diode mit typischen Werten. Das nebenstehende Symbol ist das Standardsymbol des Geräts.
Die Induktivität Lp und die Kapazität Cp sind die im Gehäuse selbst angegebenen Werte. RB bildet den Serienwiderstand, der sich aus dem Kontaktwiderstand und dem Volumenwiderstand zusammensetzt.
Die Werte für den Widerstand rd und die Kapazität Cj entsprechen den in den vorhergehenden Absätzen diskutierten Berechnungen.
Schottky-Dioden-Spezifikationstabelle
Die folgende Tabelle enthält eine Liste der von Motorola Semiconductor Products hergestellten Gleichrichter mit heißen Trägern sowie deren Spezifikationen und Pinbelegungsdetails.
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