همه چیز در مورد دیود شاتکی

 

 مزیت اصلی این دیودها علاوه بر سرعت سوئیچ بالا، افت ولتاژ بسیار کم در حالت بایاس مستقیم است. این افت ولتاژ  به طور قابل ملاحظه ای کمتر از افت ولتاژ  0.7 ولتی در دیودهای پیوندی معمولی است.

دیودهای شاتکی کاربرد بسیار زیادی در مدارات  تصحیح کننده  و کاندیشنر سیگنال‌ها دارند و از آنها در ساختن آیسی‌های گیت منطقی TTL و CMOS استفاده می‌گردد. گیت های منطقی TTL Schottky با حروف LS که در قسمتی از پارت نامبر آیسی ظاهر می شود، شناسایی می شوند، به عنوان مثال 74LS00.

لیون الکترونیک (فروشگاه قطعات الکترونیک مرجع اصلی واردات قطعات الکترونیک) در این مقاله شما را با دیود شاتکی و انواع آن آشنا میکند:

دیودهای PN از به هم پیوستن یک ماده نیمه هادی نوع p و یک ماده نیمه هادی نوع n تشکیل می‌شوند که به آن اجازه می دهد به عنوان یک المان یکسو کننده استفاده شود، در این دیودها در هنگام  بایاس مستقیم، عرض ناحیه تخلیه به شدت کاهش می یابد و اجازه می دهد جریان از آن عبور کند و در هنگام بایاس معکوس، عرض منطقه تخلیه افزایش می یابد و باعت  مسدود کردن جریان الکتریکی می‌گردد.

در فرایند بایاس دیود pn از یک منبع ولتاژ خارجی استفاده می‌شود، و این ولتاژ با توجه به پلاریته خود، مقاومت ناحیه پیوند را به کاهش یا افزایش می دهد. بنابراین رابطه ولتاژ-جریان (منحنی مشخصه) یک دیود معمولی پیوندی، تحت تأثیر مقدار مقاومت ناحیه پیوند است. باید در نظر داشت که دیود اتصال pn یک دستگاه غیر خطی است بنابراین مقاومت DC آن با ولتاژ بایاس و جریان عبوری از آن تغییر می‌کند.

در بایاس مستقیم تا زمانی که ولتاژ دیود به مقدار ولتاژ آستانه  نرسد، هدایت الکتریکی آغاز نمی‌گردد، و پس از رسیدن ولتاژ دیود به مقدار آستانه جریان به سرعت افزایش می یابد. این ولتاژ برای دیودهای سیلیکونی در حالت بایاس مستقیم حدود 0.65 تا 0.7 ولت است که در تصویر زیر نشان داده شده است.

 

 

تصویر 1 : منحنی مشخصه ولتاژ جریان دیود پیوندی

 

در عمل ولتاژ آستانه در دیودهای سیلیکونی می‌تواند بین 0.6 تا 0.9 ولت باشد و  بستگی به تکنولوژی ساخت و مقدار ناخالصی اضافه شده به آن در فرایند تولید دارد. نوع دیگری از دیودهای یکسو کننده وجود دارد که دارای ولتاژ آستانه کم و همچنین سرعت سوئیچینگ بالایی هستند که به آن دیود شاتکی گفته می‌شود. دیودهای شاتکی را می‌توان در بسیاری از کاربردها، جایگزین دیودهای پیوندی متداول کرد. ولی علاوه بر موارد قبلی این دیود،کاربردهای دیگری از جمله  استفاده در سیستمهای انرژی‌های تجدیدپذیر و پنل های خورشیدی دارد.

 

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : دیود tvs چیست و چگونه کار می کند 

دیود شاتکی

بر خلاف دیود پیوندی متداول که از اتصال نیمه هادی نوع P با نیمه هادی نوع N تشکیل می شود، دیودهای شاتکی از اتصال یک الکترود فلزی به یک نیمه هادی نوع N ساخته می شود. از آنجایی که دیودهای شاتکی با استفاده از یک ترکیب فلزی در یک طرف اتصال و از سیلیکون دوپ شده (سیلیکونی که به آن ناخالصی افزوده شده) در طرف دیگر ساخته می شود، فاقد لایه تخلیه است و برخلاف دیودهای پیوندی pn معمولی که یک المان دوقطبی است، به عنوان یک المان‌ تک قطبی طبقه بندی می شود.

متداول‌ترین فلزی که در ساخت دیود شاتکی استفاده می‌شود Silicide، است که یک ترکیب سیلیکونی و فلزی بسیار رسانا است. این اتصال فلز Silicide و سیلیکون دارای مقدار مقاومت اهمی نسبتاً پایینی است که اجازه می‌دهد جریان بیشتری از ناحیه اتصال عبور کند و همچنین افت ولتاژ بایاس مستقیم کوچک‌تری در حدود 0.4 ولت داشته باشد.

 استفاده از ترکیبات فلزی مختلف در این نوع دیود افت ولتاژ بایاس مستقیم متفاوتی را ایجاد می کنند که معمولاً بین 0.3 تا 0.5 ولت است.

 

ساختار و نماد دیود شاتکی

در شکل بالا ساختار ساده و نماد یک دیود شاتکی  نشان داده شده که در آن یک نیمه هادی سیلیکونی نوع n با دوپ کم به یک الکترود فلزی متصل شده است تا پیوندی را ایجاد کند که به آن اتصال فلز به نیمه هادی گفته می‌شود.

ویژگی های الکتریکی این اتصال فلز به نیمه هادی تا حد زیادی به نوع ترکیب فلزی و مواد نیمه هادی و قطر آن ناحیه بستگی دارد، وقتی این پیوند در بایاس مستقیم باشد، الکترون ها از ماده نوع n به سمت الکترود فلزی حرکت می کنند. عبور جریان در دیود شاتکی نتیجه رانش حامل‌های اکثریت است.

از آنجایی که در ساختار این دیود، هیچ نیمه هادی نوع p وجود ندارد بنابراین هیچ حامل اقلیت (حفره) نیز وجود ندارد، و در صورت بوقوع پیوستن بایاس معکوس، هدایت دیود خیلی سریع متوقف می شود و مانند یک دیود پیوندی معمولی مسیر جریان مسدود می‌گردد. بنابراین در یک دیود شاتکی واکنش مسدود کردن جریان، بسیار سریع اتفاق می‌افتد.  همانطور که قبلاً گفته شد، ولتاژ آستانه که در آن یک دیود شاتکی روشن می شود و شروع به هدایت می کند در سطح ولتاژ بسیار پایین تری نسبت به دیود پیوندی معادل خود رخ می‌دهد. در شکل زیر مشخصه ولتاژ – جریان دیود پیوندی و دیود شاتکی نشان داده شده است.

 

همانطور که می بینیم،  منحنی مشخصه ولتاژ – جریان در دیود شاتکی بسیار شبیه به یک دیود استاندارد پیوندی است، به جز مقدار ولتاژ آستانه یا زانو که در دیود شاتکی این ولتاژ در حدود 0.4 ولت است. با توجه به مقدار ولتاژ آستانه پایین‌تر و بسته به الکترود فلزی مورد استفاده، جریان رو به جلو یک دیود شاتکی می تواند چندین برابر بیشتر از یک دیود پیوندی معمولی.

 

خرید انواع دیود و یکسوساز از فروشگاه قطعات الکترونیک لیون 

 

به یاد داشته باشید که طبق قانون اهم، توان برابر است با ولت آمپر، (P = V*I) بنابراین افت ولتاژ کوچکتر در بایاس مستقیم در یک  جریان معین، منجر به اتلاف کمتری که خود را به شکل گرماآشکار می‌کند می‌گردد. همین تلفات توان کمتر در دیود شاتکی آنرا گزینه بهتری در کاربردهای ولتاژ پایین و جریان بالا مانند پنل‌های فتوولتائیک خورشیدی می‌کند.

با این حال، باید توجه داشت که جریان نشتی معکوس، (IR) برای یک دیود شاتکی به طور کلی بسیار بزرگتر از یک دیود پیوندی است.  به دلیل اینکه دیود شاتکی به روش اتصال فلز به نیمه هادی ساخته می شود، نسبت به دیودهای سیلیکونی استاندارد که مشخصات ولتاژ و جریان مشابهی دارند، کمی گران تر هستند. به عنوان مثال، سری 1 آمپر 1N58xx در مقایسه با سری عمومی 1N400x.

 

کاربرد دیود شاتکی در گیت‌های منطقی

دیود شاتکی به دلیل پاسخ فرکانسی بالاتر، زمان سوئیچینگ پایین و مصرف انرژی کمتر، استفاده‌های زیادی در مدارهای دیجیتال و آیسی‌های منطقی دارند و به طور گسترده در گیت‌های منطقی (TTL) استفاده می‌شود. در مواردی که سوئیچینگ با سرعت بالا مورد نیاز است، مدارات TTLمبتنی بر تکنولوژی شاتکی انتخاب اول است.

نسخه های مختلفی از Schottky TTL وجود دارد که دارای سرعت و مصرف انرژی متفاوت هستند. سه سری اصلی منطقی TTL که از دیود شاتکی در ساخت آن استفاده می‌شود به شرح زیر است:

آیسی‌های TTL با دیود شاتکی (سری S) : آیسی‌های TTL (منطق ترانزیستور-ترانزیستور) سری "S" (74SXX) نسخه بهبود یافته‌ای از  آیسی‌های  منطق دیود ترانزیستور DTL و گیت ها و مدارهای منطقی TTL ترانزیستور-ترانزیستور سری 74 است. در این دسته از آیسی‌های TTL دیودهای شاتکی، موازی با تمامی پیوند‌های بیس-کلکتور ترانزیستورها قرار می‌گیرند تا از اشباع شدن آنها و ایجاد تاخیر در انتشار که مانع  عملکرد سریعتر است، جلوگیری کند.

آیسی‌های Schottky کم مصرف (سری LS) : در این سری از آیسی‌های منطقی مساله پایداری، سرعت سوئیچینگ ترانزیستور و اتلاف توان نسبت به سری 74SXX بهبود یافته است. علاوه بر سرعت سوئیچینگ بالاتر، خانواده کم مصرف Schottky TTL انرژی کمتری مصرف می کند و این امر باعث می‌شود آیسی‌های TTL سری 74LSXX گزینه مناسبی برای بسیاری از کاربردها باشد.

آیسی‌های Schottky پیشرفته کم مصرف (سری ALS) : بهبودهای بیشتر در مواد افزودنی مورد استفاده برای ساخت اتصالات فلز به نیمه ‌هادی سیلیکون در دیودهای شاتکی به کار رفته در سری 74LSXX به این معناست که این سری از آیسی‌ها در مقایسه با سری 74LS و 74ALSXX دارای زمان تاخیر انتشار و اتلاف توان بسیار کمتری هستند. اما با این حال، سری ALS به دلیل اینکه دارای فناوری جدیدتر و طراحی داخلی ذاتاً پیچیده‌تر نسبت به TTL استاندارد است، کمی گران‌تر است.

 

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : دیود زنر چیست 

 

در سه مدل آیسی قبل یعنی TTL Schottky ها از ترانزیستور دارای کلمپ دیود شاتکی استفاده می‌شود تا از ورود آن‌ها به حالت اشباع جلوگیری کنند. همانطور که در تصویر نشان داده شده است، یک ترانزیستور کلمپ شده با دیود شاتکی اساساً یک ترانزیستور  دوقطبی استاندارد است که یک دیود شاتکی به طور موازی به محل پیوند بیس-کلکتور آن متصل است.

هنگامی که ترانزیستور به طور معمول در ناحیه فعال منحنی‌ مشخصه‌ خود در حالت هدایت است، اتصال بیس-کلکتور  در بایاس معکوس است و بنابراین دیود هم در بایاس معکوس است و به ترانزیستور اجازه می‌دهد تا به عنوان یک ترانزیستور npn معمولی کار کند. اما زمانی که ترانزیستور شروع به رفتن به حالت اشباع می‌کند، دیود شاتکی در بایاس مستقیم قرار گرفته و ولتاژ پیوند بیس-کلکتور مقدار ولتاژ آستانه یا  زانویی 0.4 ولتی خود نگه می‌دارد و از رفتن  ترانزیستور به حالت اشباع سخت جلوگیری می‌کند، زیرا تمام جریان اضافی پایه بیس از دیود عبور می کند.

جلوگیری از اشباع شدن ترانزیستورهای سوئیچینگ در مدارهای منطقی،  زمان تأخیر انتشار آنها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و همین کاهش تاخیر، مدارهای TTL شاتکی را برای استفاده در فلیپ فلاپ ها، اسیلاتورها و تراشه های حافظه ایده آل می کند.

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : دیود چگونه کار می کند 

جمع بندی درباره دیود شاتکی

در اینجا دیدیم که دیود شاتکی  به نام دیود سدی شاتکی نیز شناخته می شود، یک دیود نیمه هادی حالت جامد که از اتصال یک الکترود فلزی و یک نیمه هادی نوع n ساخته می‌شود و دارای دو مزیت عمده نسبت به دیودهای پیوند pn سنتی است. که این مزایا عبارتند از سرعت سوئیچینگ بالاتر و ولتاژ بایاس مستقیم کمتر.

اتصال فلز به نیمه هادی یا ms-junction  در دیود شاتکی باعث کاهش سطح ولتاژ زانو یا آستانه در این دیود می‌گردد. و مقدار آن به طور معمول بین 0.3 تا 0.4 ولت است. این مقدار در مقایسه با مقدار 0.6 تا 0.9 ولت در یک دیود پیوندی استاندارد، مقدار کمتری است.

با تغییر در نوع فلز و مواد نیمه هادی مورد استفاده برای ساخت دیود شاتکی، یعنی دیودهای شاتکی سیلیکون کاربید (SiC) می توان با افت ولتاژ مستقیم تا 0.2 ولت در حالت روشن دیود رسید این باعث می‌شود این دیود بتواند جایگزین دیود ژرمانیوم گردد و این دیود را مناسب استفاده در کاربردهایی که نیاز به ولتاژ آستانه پایینی دارند، می‌گرداند.

دیودهای شاتکی به سرعت در حال تبدیل شدن به المان جایگزین برای عملیات یکسوسازی در کاربردهای ولتاژ پایین و جریان بالا، مانند سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر  پنل‌های خورشیدی هستند.

این دیودها در مقایسه با دیود معادل پیوندی خود، دارای جریان نشتی معکوس بیشتری هستند و ولتاژ شکست معکوس آنها در حدود 50 ولت کمتر است.

ولتاژ کمتر در حالت روشن، زمان سوئیچینگ سریعتر باعث مصرف توان کمتر می‌شود و همین امر دیود شاتکی را مناسب استفاده در  آیسی‌ها و مدارات مجتمع و گیت‌های منطقی می‌کند.

همچنین اتصالات فلز به نیمه هادی می‌تواند به عنوان اتصالات اهمی هم به کار رود، اتصالات اهمی جریان را به طور مساوی در هر دو جهت هدایت می‌کنند و به ویفرها و مدارهای نیمه هادی اجازه می‌دهند که به  خروجی‌های ویفر آیسی به پایه‌های پکیج آیسی متصل شوند. 

منابع:

https://www.electronics-tutorials.ws