Dioda Schottky’ego – Jak to działa?

Dioda Schottky’ego to szczególny rodzaj diody o wyjątkowych właściwościach fizycznych. Dla elektroników to znakomite narzędzie, które można wykorzystywać przy budowie skomplikowanych układów. Natomiast dla przeciętnej osoby, niemającej zainteresowań związanych z elektroniką, dioda Schottky‘ego stanowi nieznany element, którego dziennie nieświadomie używa. Przykładem są popularne ładowarki impulsowe, które często stosowane są do zasilania telewizorów, lub zasilacze do monitorów komputerowych LCD.

Czym jest dioda? Jak działa?

Dioda to powszechnie znany element elektroniczny, który przez osoby nie interesujące się głębiej elektroniką jest najczęściej kojarzony z diodą elektroluminescencyjną, czyli diodą typu LED. Warto wiedzieć, że jest to tylko jeden z wielu typów diod, które pełnią bardzo istotne funkcje w wielu urządzeniach elektronicznych, których używam na co dzień. Jak działa dioda? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy najpierw zaznaczyć, że dioda to element elektroniczny z dwiema elektrodami – anodą i katodą (często nazywany z tego powodu dwuelektrodowym lub dwuzaciskowym). Jest to komponent, który niesymetrycznie przewodzi prąd elektryczny: chodzi o to, że prąd płynie “lepiej” w jednym z dwóch kierunków, a w drugim – gorzej. 

Dioda – zasada działania

Przewodzenie prądu tylko w jednym kierunku (w tak zwanym kierunku przewodzenia) stanowi zazwyczaj istotę pracy diody. Drugi kierunek powinien być przez diodę możliwie najlepiej blokowany (choć w rzeczywistości występuje pewna wada tych elementów, którą jest zjawisko tak zwanego prądu upływu – prąd wsteczny). Tak więc dioda Schottky’ego to dioda, która przewodzi prąd w jednym kierunku.

To, jak wygląda dioda, możesz zobaczyć na poniższym rysunku.

Dioda Schottky’ego – zastosowanie diod

Dzięki takim właściwościom fizycznym, diody mogą być z powodzeniem wykorzystywane w wielu praktycznych urządzeniach, jak na przykład odbiorniki radiowe lub prostowniki (urządzenia służące do prostowania napięcia przemiennego – na przykład, aby przy pomocy prądu z gniazdka domowego móc naładować akumulator samochodowy). Diody budowane są z materiałów o różnych właściwościach – stosowanie ich różnych rodzajów oraz dobór parametrów wytwarzania złącza p-n wpływa na ostateczną charakterystykę pracy diody. W zależności od właściwości fizycznych diod, można wykorzystywać je do różnych celów. Na przykład diody LED wykazują właściwości elektroluminescencyjne, dzięki czemu można je wykorzystywać jako źródło światła. Diody Zenera przy określonym napięciu w kierunku zaporowym wykazują nagły wzrost ich prądu wstecznego – stosuje się je urządzeniach pełniących funkcje stabilizacji napięcia. Istnieje również bardzo wyjątkowy rodzaj diody – tak zwana dioda Schottky’ego.

Dioda Schottky’ego

Złącze p-n w diodach

Złącze to połączenie dwóch kryształów półprzewodnika lub metalu w taki sposób, aby tworzyły ścisły kontakt ze sobą. Złącze p-n to rodzaj warstwy przejściowej umieszczonej pomiędzy półprzewodnikiem typu p (positive) i półprzewodnikiem typu n (negative). Jeżeli w takim miejscu koncentracja dziur jest większa niż elektronów (wynika to z obecności domieszki akceptorowej w obszarze p) oznacza to przewodnictwo dziurowe. Większa koncentracja elektronów oznacza przewodnictwo elektronowe, które jest spowodowane obecnością domieszki donorów w obszarze typu n. W zależności od przypadku, nośnikami większościowymi mogą być elektrony w obszarze n lub dziury w obszarze p.

Wyjątkowość diody Schottky’ego – złącze m-s

Dioda Schottky’ego to wyjątkowy przypadek wśród tego typu elementów – to dioda półprzewodnikowa, która zamiast złącza p-n posiada złącze typu metal-półprzewodnik (takie elementy często oznaczane są symbolem m-s). Złącza typu m-s najczęściej tworzone są w formie ukształtowanego uprzednio półprzewodnika i pokrycia go metalem. Charakterystyki prądowo napięciowe takich złączy dzieli się na liniowe (o charakterze opornościowym) oraz nieliniowe. Złącza m-s o charakterystyce nieliniowej są złączami prostującymi, czyli takimi, jakie wykorzystuje się w diodzie Schottky’ego. W przewodnikach ze złączem p-n, prąd płynący w kierunku przewodzenia powstaje w wyniku ruchu nośników mniejszościowych, a więc całkowicie inaczej w stosunku do tego, co dzieje się w diodzie Schottky’ego, gdzie prąd powstaje w wyniku ruchu nośników większościowych. Jeżeli zostanie zastosowany półprzewodnik typu n, elektrony przepływające do metalu stają się nośnikami większościowymi. 

Dioda Schottky’ego a inne rodzaje diod

Dioda Schottky’ego charakteryzuje się bardzo niską pojemnością złącza, dzięki czemu uzyskuje bardzo niski czas przełączania. Takie właściwości sugerują porównanie z diodą ostrzową, która posiada podobne właściwości. Mimo wszystko dioda Schottky’ego jest znacznie mniej zawodna (również mechanicznie – odporna na wstrząsy), charakteryzuje się mniejszym rozrzutem wartości parametrów, znacząco mniejszym prądem wstecznym, mniejszym oporem w kierunku przewodzenia, ale większą pojemność pasożytniczą. W diodzie warstwowej w złączu p-n podczas przewodzenia gromadzi się stosunkowo duży ładunek, co wyklucza diody z takimi właściwościami między innym z przydatności do zadań, w których na przykład muszą obsłużyć wysokie częstotliwości. Dioda Schottky’ego posiada bardzo niską bezwładność właśnie dzięki temu, że ładunek, jaki gromadzi się w złączu metal-półprzewodnik, jest niewielki – to czyni ją bardzo dobrze przystosowaną do pracy przy przełączaniu oraz przy zakresach o bardzo wysokich częstotliwościach. To jest jedna z ważniejszych właściwości, które decydują o tym, że diody Schottky’ego są przydatne między innymi jak elementy ładowarek impulsowych (takich, jakie stosuje się dzisiaj między innymi do zasilania telewizorów) czy mieszaczach (układach elektronicznych, które mają za z dwóch sygnałów zmiennych wytworzyć trzeci, o częstotliwości będącej połączeniem sygnałów z wejścia). 

Podsumowanie

Dioda Schottky’ego to półprzewodnikowa dioda, która posiada złącze typu m-s (metal-przewodnik) zamiast złącza p-n. Takie rozwiązanie sprawia, że element zyskuje właściwości prostownicze (prąd może płynąć tylko w jednym kierunku). Standardowy czas przełączania zajmuje około 100 pikosekund – tak niewielka wartość wynika z bardzo małej pojemności złącza (dioda ma bardzo niski poziom bezwładności). To znakomite parametry do pracy przy układach działających na bardzo wysokich wartościach częstotliwościowych.

Dlaczego tak przydatna jest dioda? Spadek napięcia

Diody Schottky’ego mocno wyróżniają się wieloma pozytywnymi aspektami – to między innymi bardzo niewielkie maksymalne napięcie wsteczne, rzadko przekracza granicę 100 V. Warto wiedzieć, że obecnie w przemyśle masowo stosuje się diody krzemowe – tymczasem w porównaniu z nimi, diody Schottky’ego mają około dwa razy mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia – jego wartość to około 0,3 V.

Właściwości diody Schottky’ego a jej wykorzystanie

Dioda Schottky’ego zawiera w sobie warstwę metalu oraz warstwę półprzewodnika, którym najczęściej jest krzem. Jej właściwości sprawiają, że znakomicie sprawdza się do wielu zastosowań w elektronice – jako element chroniący delikatne układy elektroniczne oraz jako prostownik stosowany przy sygnałach, których częstotliwość jest bardzo wysoka. Znacznie lepiej sprawdza się w tym zastosowaniu, niż tradycyjna dioda krzemowa – różni się przede wszystkim niższym spadkiem napięcia oraz znacznie wyższą częstotliwością sygnałów, które może obsługiwać z powodzeniem. Charakterystyka jej pracy sprawiła, że często nazywa się ją diodą z gorącymi nośnikami lub diodą barierową. Niskie napięcie przewodzenia zaczyna się w okolicach 150 mV w granicach do około 500 mV, przy czym najniższa wartość w przypadku diod krzemowych to co najmniej 600 mV. Opisywane już wcześniej tak zwane złącze barierowe (często określane jako Bariera Schottky’ego) powstaje w wyniku połączenia półprzewodnika z metalem. Półprzewodnikiem najczęściej jest krzem, natomiast metal najczęściej dobierany jest spośród platyny, wolframu, molibdenu czy chromu. Dobór zestawu materiałów, które będą pełniły rolę anody (rodzaj metalu) i katody (rodzaj półprzewodnika) stanowi o tym, jaką wartość napięcia przewodzenia uzyska dioda Schottky’ego.

Odporność na przebicia i oddawanie ciepła

Depozycja próżniowa sprawia to bardzo dobra “okazja”, aby móc możliwie najlepiej nałożyć warstwę metalu na podłoże półprzewodnika. Anodą staje się strona metaliczna, natomiast katodą jest półprzewodnik. Metal pełni przede wszystkim rolę kontaktu opornościowego dla anody – jest jedynie cienką warstwą nałożoną na krzem. Takie rozwiązanie odsłania pewnego rodzaju wadę widoczną w porównaniu do tradycyjnych diod krzemowych. Elementy o tak cienkich przewodach stają się często “słabymi ogniwami” i sprawiają, że cała dioda jest znacznie mniej odporna na przebicia. Dodatkowo warto zwrócić uwagę, że dioda Schottky’ego znacznie gorzej radzi sobie z wypromieniowywaniem ciepła z układu w stosunku do swojego proporcjonalnego odpowiednika ze złączem p-n. Powodem występowania takich właściwości jest zastosowanie metalu, który stale ma bezpośredni kontakt ze złączem Schottky’ego.

Bezwładność i czas regeneracji

Dioda Schottky’ego to element elektroniczny półprzewodnikowy, którego jedną z najważniejszych i najbardziej charakterystyczną cech odróżniających od tradycyjnej diody złączkowej jest fakt, że jej nośnikami większościowymi są elektrony. Dzieje się tak, ponieważ w półprzewodniku typu N (w katodzie – najczęściej krzemie) jest ich znacznie więcej niż w anodzie, dzięki czemu pełnią rolę nośników prądu. Warstwa metalu jest całkowicie obojętna elektrycznie. Wszystkie te cechy składają się na znacznie mniejszą bezwładność diody Schottky’ego od tradycyjnych diod. Ostatecznym powodem jest fakt, że przy złączu nie ma tak zwanego rejonu zubożonego, co bezpośrednio przekłada się na bardzo skrócony czas regeneracji. Jest on potrzebny na przejście ze stanu, w którym dioda przewodzi do stanu, kiedy pełni funkcję zaporową (na przykład chroniąc układ przed niewłaściwym zasilaniem, które uszkodziłoby zamontowane delikatne elementy elektroniczne w momencie przepływu prądu w przeciwną stronę). Różnica między tradycyjnymi diodami ze złączami p-n jest znaczna, ponieważ w najlepszym przypadku tak zwana dioda p-n będzie potrzebowała kilkuset nanosekund, a może również zdarzyć się, że wyniesie to kilka tysięcy nanosekund, podczas gdy dioda Schottky’ego wykorzysta na regenerację od dziesiątych części do maksymalnie kilkudziesięciu nanosekund.

Jak wygląda symbol diody Schottky’ego? Symbole diod

Większość osób może z łatwością rozpoznać symbol diody. Na schematach układów elektronicznych, na linii symbolizującej przewód, często można zauważyć czarny trójkąt równoramienny, którego wysokość biegnąca od wierzchołka między równymi ramionami do podstawy pokrywa się z przewodem. Symbol posiada jeszcze linię prostą o długości przybliżonej do podstawy trójkąta – jest również równoległy do niej, ale umieszczony przy dokładnie na tym wierzchołku trójkąta, który pokrywa się też z przewodem. Zazwyczaj jest ustawiony w taki sposób, aby osoba odczytująca schemat po lewej stronie miała oznaczoną anodę (od strony podstawy trójkąta), natomiast po prawej – katodę (od strony, gdzie wierzchołek trójkąta łączy się z przewodem). Całość wygląda jak czarna strzałka umieszczona na linii. Dla niektórych osób dioda LED jest częściej spotykanym symbolem – wygląda on dokładnie w ten sam sposób, jak opisany wyżej podstawowy symbol diody, ale nad “górnym ramieniem” posiada narysowane dwie strzałki, które mają oznaczać emisję światła. 

Dioda Schottky’ego – oznaczenia

Dioda Schottky’ego również niewiele różni się od standardowego oznaczenia diody. Na odcinku, który jest równoległy do podstawy trójkąta oraz styczny do wierzchołka trójkąta,  w jego górnej części, znajduje się dodatkowe załamanie – bardzo krótkie połączone odcinki (pierwszy biegnie w prawo, natomiast drugi w dół). Na jego drugim końcu również znajdują się, które są ułożone symetrycznie względem punktu przecięcia się przewodu i odcinka – całość wygląda więc jak czarny trójkąt i bardzo wysoka litera “S”.

Kto wynalazł diodę Schottky’ego?

Twórcą diody Schottky’ego było oczywiście William Schottky. To znany niemiecki naukowiec, który żył między 1886 a 1976 rokiem w zachodnich Niemczech. Przyczynił się on do wielu epokowych odkryć, z których pośrednio korzysta dzisiaj praktycznie każdy człowiek. W wieku 26 lat uzyskał tytuł doktorski, broniąc pracę dotyczącą szczególnej teorii względności. Studiował pod przewodnictwem profesora Maxa Plancka – autora wielu prac z zakresu fizyki, który był jednym z twórców teorii kwantów oraz został Laureatem Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 1918. William Schottky wspólnie z Erwinem Gerlachem stworzyli urządzenie stosowane do dzisiaj w profesjonalnych studiach dźwiękowych – tak zwany mikrofon wstęgowy. Jednym z najważniejszych osiągnięć było także odkrycie dziur w paśmie walencyjnym półprzewodnika. Schottky udoskonalił także lampy elektronowe, przeprowadził bardzo ważne badania teoretyczne dotyczące szumów termicznych i śrutowych w urządzeniach elektronowych, zasugerował dyfuzyjną teorię przepływu prądu przez złącze m-s oraz stworzył podstawy do budowy diody Schottky’ego.

Gdzie dioda Schottky’ego znajduje zastosowanie?

Wysoka wydajność diody Schottky’ego podczas obsługiwania sygnału o bardzo dużych częstotliwościach sprawia, że będzie się znakomicie sprawdzała jako element przeciwprzepięciowy umieszczony przed wejściem do czułego układu. Bardzo krótki czas regeneracji sprawia, że jest ona również bardzo przydatnym elementem wykorzystywanym w falownikach czy przetwornicach impulsowych. Niskie napięcie oraz bardzo krótki czas regeneracji sprawia, że wydajność zasilacza staje się znacznie wyższa – potrafi osiągać wartości nawet do 90% sprawności. Warto pamiętać, że tego typu diody stosuje się do prądu o częstotliwościach nie większych niż 100 GHz.  Dioda Schottky’ego bardzo często stanowi praktyczną alternatywę do wykorzystania zamiast diod germanowych – w szczególności w momencie, kiedy wymagane jest możliwie niskie napięcie progowe (które w tym przypadku wynosi około 0,4 V). Niski spadek napięcia sprawia, że to znakomity komponent do łączenia redundantnych źródeł zasilania – świetnie sprawdzi się między innymi w inwerterach. Podczas pracy należy zwrócić uwagę na temperatury, które pojawiają się w układzie, ponieważ między 25 a 100 stopniami Celsjusza wartość tak zwanego prądu wstecznego może wzrosnąć nawet dwukrotnie.

Jak sprawdzić sprawność diody Schottky’ego?

Może zdarzyć się sytuacja, w której urządzenie wyposażone w takie elementy elektroniczne przestanie działać, a podejrzenie o usterkę padnie właśnie na diodę Schottky’ego. Może to być przykładowo zasilacz od monitora lub do telewizora. W takim momencie należy sprawdzić, czy komponent prawidłowo działa. Warto jednak wiedzieć, w jaki sposób należy zrobić to poprawnie. Próby testowania diody barierowej w taki sam sposób, jak zwykłej diody, nie przyniosą pożądanych efektów. Chodzi o to, że takie same wyniki tych samych testów dla części rodzajów diod są dla nich dyskwalifikujące, a dla innych oznaczają prawidłowe działanie. Bardzo często w sprzętach elektronicznych tego rodzaju (zasilacze do monitorów lub telewizorów) stosowane są komponenty, w których umieszczona jest więcej niż jedna dioda, mimo że z zewnątrz wygląda jak pojedynczy element. Bardzo często występują dwie diody zamknięte w jednej obudowie, czego można dowiedzieć się z noty katalogowej, gdzie prawdopodobnie będzie rozrysowany również schemat całego elementu (tak zwany dokument data sheet). Pierwszą czynnością osoby podejmującej się zadania powinna być szczegółowa analiza, czym jest badany element – czy jest to na pewno dioda Schottky’ego, w jaki sposób jest zbudowana i jaki dokładnie jest rozkład wyprowadzeń. Następnie, na przykład na podstawie wiedzy znalezionej w wiarygodnych źródłach w Internecie, należy opracować serię testów, które ustalą aktualny stan diody. Do tego celu na pewno będzie konieczne wykorzystanie multimetru z omomierzem.