الثنائيات شوتكي - العمل ، الخصائص ، التطبيق

الثنائيات شوتكي - العمل ، الخصائص ، التطبيق

الثنائيات الحاجزة Schottky عبارة عن صمامات ثنائية شبه موصلة مصممة بأقل جهد أمامي وسرعات تحويل سريعة قد تصل إلى 10 نانوثانية. يتم تصنيعها في نطاقات تيار من 500 مللي أمبير إلى 5 أمبير وتصل إلى 40 فولت. نظرًا لهذه الميزات ، فإنها تصبح مناسبة بشكل خاص في تطبيقات الجهد المنخفض والتردد العالي مثل SMPS ، وأيضًا كصمامات ثنائية حرة فعالة.



يظهر رمز الجهاز في الصورة التالية:

كياسة: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode





البناء الداخلي

يتم تصنيع الثنائيات Schottky بشكل مختلف مقارنة بصمامات التوصيل التقليدية p-n. بدلاً من تقاطع p-n ، تم إنشاؤها باستخدام ملف تقاطع أشباه الموصلات المعدنية كما هو مبين أدناه.

الهيكل الداخلي للدايود شوتكي

تم بناء قسم أشباه الموصلات في الغالب باستخدام السيليكون من النوع n ، وأيضًا بمجموعة من المواد المختلفة مثل البلاتين والتنغستن والموليبدينوم والكروم وما إلى ذلك. سرعة التبديل ، انخفاض الجهد إلى الأمام وما إلى ذلك.



كيف تعمل

في ثنائيات شوتكي ، تصبح الإلكترونات هي الناقل الأغلبية في مادة أشباه الموصلات ، بينما في المعادن تظهر ناقلات أقلية صغيرة للغاية (ثقوب). عندما يتم ربط المادتين ، تبدأ الإلكترونات الموجودة في أشباه الموصلات السيليكونية بالتدفق بسرعة نحو المعدن المتصل ، مما يؤدي إلى انتقال هائل لمعظم ناقلات. نظرًا لطاقتها الحركية المتزايدة مقارنة بالمعدن ، فإنها تسمى بشكل عام 'الناقلات الساخنة'.

يتم حقن الثنائيات العادية pn الوصلة التي تحمل الأقلية عبر أقطاب متجاورة مختلفة. بينما في ثنائيات شوتكي تُحقن الإلكترونات عبر مناطق ذات قطبية متطابقة.

يتسبب التدفق الهائل للإلكترونات نحو المعدن في خسارة فادحة لحاملات مادة السيليكون في المنطقة القريبة من سطح التقاطع ، والتي تشبه منطقة استنفاد تقاطع p-n من الثنائيات الأخرى. تخلق الحوامل الإضافية في المعدن 'جدارًا سلبيًا' في المعدن بين المعدن وأشباه الموصلات مما يمنع دخول المزيد من التيار. مما يعني أن الإلكترونات سالبة الشحنة في أشباه الموصلات السيليكونية داخل ثنائيات شوتكي تسهل منطقة خالية من الناقل إلى جانب جدار سالب على سطح المعدن.

بالإشارة إلى الشكل الموضح أدناه ، يؤدي تطبيق تيار الانحياز الأمامي في الربع الأول إلى انخفاض في طاقة الحاجز السالب بسبب الجذب الإيجابي من الإلكترونات في هذه المنطقة. هذا يؤدي إلى عودة تدفق الإلكترونات بكميات هائلة عبر الحدود. يعتمد حجم هذه الإلكترونات على حجم الجهد المطبق على الانحياز.

الفرق بين الثنائيات العادية وثنائيات شوتكي

بالمقارنة مع الثنائيات العادية pn الوصلة ، يكون تقاطع الحاجز في ثنائيات Schottky أقل ، سواء في مناطق التحيز الأمامية أو العكسية.

هذا يسمح لثنائيات شوتكي بأن يكون لها توصيل تيار محسّن كثيرًا لنفس المستوى من احتمالية التحيز ، عبر مناطق التحيز الأمامية والعكسية. يبدو أن هذه ميزة جيدة في منطقة التحيز الأمامي ، على الرغم من أنها سيئة لمنطقة التحيز العكسي.

يتم تمثيل تعريف الخصائص العامة للديود أشباه الموصلات لمناطق التحيز الأمامي والعكس بالمعادلة:

أنا د = أنا س ( يكون كيلو فولت / تك -1)

حيث هو = تيار التشبع العكسي
k = 11600 / مع η = 1 لمادة الجرمانيوم و η = 2 لمادة السيليكون

تصف نفس المعادلة الارتفاع الأسي للتيار في ثنائيات شوتكي في الشكل التالي ، ولكن يتم تحديد العامل η حسب نوع بناء الصمام الثنائي.

مقارنة خصائص الثنائيات الحاملة الساخنة وثنائيات الوصلة pn

في منطقة التحيز العكسي ، التيار يكون يرجع ذلك أساسًا إلى انتقال الإلكترونات المعدنية إلى مادة أشباه الموصلات.

خصائص درجة الحرارة

بالنسبة لثنائيات شوتكي ، فإن أحد الجوانب الأساسية التي تم البحث عنها باستمرار هو كيفية تقليل تيارات التسرب الكبيرة عند درجات حرارة عالية تزيد عن 100 درجة مئوية.

وقد أدى ذلك إلى إنتاج أجهزة أفضل ومحسنة يمكنها العمل بكفاءة حتى في درجات الحرارة القصوى بين - 65 إلى + 150 درجة مئوية.

في درجات حرارة الغرفة النموذجية ، يمكن أن يكون هذا التسرب في نطاق ميكرو أمبير لثنائيات شوتكي ثنائية الطاقة منخفضة الطاقة ، وفي نطاق مللي أمبير للأجهزة عالية الطاقة.

ومع ذلك ، فإن هذه الأرقام أكبر عند مقارنتها بثنائيات p-n العادية بنفس مواصفات الطاقة. أيضا ، تصنيف PIV لأن ثنائيات شوتكي يمكن أن تكون أقل بكثير من الثنائيات التقليدية لدينا.

على سبيل المثال ، عادةً ما يكون للجهاز 50 أمبير تصنيف PIV يبلغ 50 فولت ، في حين أن هذا قد يصل إلى 150 فولت للديود العادي 50 أمبير. ومع ذلك ، فقد مكّنت التطورات الأخيرة ثنائيات شوتكي ذات تصنيفات PIV تزيد عن 100 فولت عند قيم التيار المماثلة.

يتضح تمامًا من التمثيل الرسومي أعلاه أن ثنائيات شوتكي تُنسب إلى مجموعة مثالية تقريبًا من الخصائص ، حتى أفضل من الصمام الثنائي البلوري (صمام ثنائي نقطة الاتصال). عادةً ما يكون الانخفاض الأمامي لصمام ثنائي النقطة أقل من ثنائيات التوصيل العادية pn.

يتم تحديد VT أو انخفاض الجهد الأمامي للديود Schottky إلى حد كبير بواسطة المعدن الموجود بالداخل. يحدث أن يكون هناك مفاضلة بين تأثير درجة الحرارة ومستوى VT. إذا زادت إحدى هذه المعلمات من الأخرى ، فإنها تزيد أيضًا من تدهور مستوى كفاءة الجهاز. علاوة على ذلك ، يعتمد VT أيضًا على النطاق الحالي ، وتضمن القيم المنخفضة المسموح بها قيمًا أقل لـ VT. يمكن أن ينخفض ​​VT إلى الأمام بشكل أساسي إلى الصفر لوحدات ذات مستوى منخفض معين ، في تقييم تقريبي. بالنسبة للنطاقات الحالية المتوسطة والعالية ، يمكن أن تكون قيم الإسقاط الأمامي حوالي 0.2 فولت ، ويبدو أن هذه قيمة تمثيلية جيدة.

في الوقت الحالي ، يبلغ الحد الأقصى المتاح من الصمام الثنائي شوتكي النطاق الحالي المسموح به حوالي 75 أمبير ، على الرغم من أن ما يصل إلى 100 أمبير قد يكون في الأفق قريبًا.

تطبيق شوتكي ديود

مجال التطبيق الرئيسي لثنائيات Schottky هو في تبديل مصادر الطاقة أو SMPS ، والتي تهدف إلى العمل مع ترددات تزيد عن 20 كيلو هرتز.

عادةً ، يمكن تصنيف الصمام الثنائي Schottky 50 أمبير في درجة حرارة الغرفة بجهد أمامي قدره 0.6 فولت ، ووقت استرداد 10 نانوثانية ، مصمم خصيصًا لتطبيق SMPS. من ناحية أخرى ، قد يُظهر الصمام الثنائي العادي للوصلة pn هبوطًا أماميًا قدره 1.1 فولت وجزء الاسترداد من حوالي 30 إلى 50 نانوثانية ، في نفس المواصفات الحالية.

قد تجد فرق الجهد الأمامي أعلاه صغيرًا جدًا ، ولكن إذا نظرنا إلى مستوى تبديد الطاقة بين الاثنين: P (ناقل ساخن) = 0.6 × 50 = 30 واط ، و P (pn) = 1.1 × 50 = 55 واط ، وهو فرق قابل للقياس ، يمكن أن يضر بكفاءة SMPS بشكل حاسم.

على الرغم من أنه في منطقة التحيز العكسي ، قد يكون التبديد في الصمام الثنائي Schottky أعلى قليلاً ، إلا أن تبديد التحيز الصافي للأمام والعكس سيكون أفضل بكثير من الصمام الثنائي الموصل pn.

وقت الاسترداد العكسي

في الصمام الثنائي العادي لأشباه الموصلات pn ، يكون وقت الاسترداد العكسي (trr) مرتفعًا على حساب ناقلات الأقلية المحقونة.

في Schottky Diodes بسبب ناقلات الأقلية المنخفضة للغاية ، يكون وقت الاسترداد العكسي منخفضًا بشكل كبير. هذا هو السبب في أن Schottky Diodes قادرة على العمل بكفاءة حتى عند ترددات تبلغ 20 جيجاهرتز ، مما يتطلب تبديل الأجهزة بسرعة فائقة للغاية.

بالنسبة للترددات الأعلى من ذلك ، لا يزال الصمام الثنائي النقطي أو الصمام الثنائي البلوري مستخدمًا ، نظرًا لمنطقة تقاطعها الصغيرة جدًا أو منطقة تقاطع النقطة.

الدائرة المكافئة لثنائيات شوتكي

يوضح الشكل التالي الدائرة المكافئة لـ Schottky Diode بقيم نموذجية. الرمز المجاور هو الرمز القياسي للجهاز.

الدائرة المكافئة لثنائيات شوتكي

المحاثة Lp والسعة Cp هي القيم المحددة في الحزمة نفسها ، وتشكل rB المقاومة التسلسلية المكونة من مقاومة التلامس والمقاومة السائبة.

قيم المقاومة rd والسعة Cj هي حسب الحسابات التي تمت مناقشتها في الفقرات السابقة.

مخطط مواصفات شوتكي ديود

يوفر لنا الرسم البياني أدناه قائمة بمعدلات التيار الساخن التي تصنعها Motorola Semiconductor Products جنبًا إلى جنب مع مواصفاتها وتفاصيل pinout.




السابق: تصحيح الصمام الثنائي: نصف موجة ، موجة كاملة ، PIV في المادة التالية: دارة ضوء إعاقة LED