دیود شاتکی چیست

مقدمه:

دیود شاتکی نوع دیگری از دیودهای نیمه هادی است که می‌تواند در انواع کاربردهای شکل دهی، سوئیچینگ و یکسوسازی موج مانند هر دیود پیوندی دیگر استفاده شود. مزیت اصلی این است که افت ولتاژ پیشروی یک دیود شاتکی به طور قابل توجهی کم‌تر از 0.7 ولت دیود سیلیکونی Pn-junction معمولی است.

دیود شاتکی کاربردهای مفید زیادی از اصلاح، تهویه سیگنال و سوئیچینگ تا گیت‌های منطقی TTL و CMOS دارند که عمدتاً به دلیل قدرت کم و سرعت سوئیچینگ سریع هستند. گیت های منطقی TTL Schottky با حروف LS که در جایی از کد مدار گیت منطقی آن‌ها ظاهر و شناسایی می‌شوند، به عنوان مثال 74LS00.

دیودهای اتصال PN از به هم پیوستن یک ماده نیمه هادی نوع p و یک ماده نیمه هادی نوع n تشکیل می‌شوند که به آن اجازه می‌دهد به عنوان یک دستگاه یکسو کننده استفاده شود و ما دیده‌ایم که وقتی بایاس رو به جلو، ناحیه تخلیه به شدت کاهش می‌یابد و اجازه می‌دهد جریان در جهت جلو از آن عبور کند و وقتی بایاس معکوس، منطقه تخلیه جریان مسدود کننده افزایش می‌یابد. در‌این سری از مقالات ‌اسکای تک به بررسی دیود شاتکی می‌پردازیم.

عمل بایاس کردن اتصال pn با استفاده از یک ولتاژ خارجی برای بایاس روبه‌جلو یا معکوس، مقاومت مانع اتصال را به ترتیب کاهش یا افزایش می‌دهد؛ بنابراین رابطه ولتاژ-جریان (منحنی مشخصه) یک دیود معمولی پیوند pn تحت تأثیر مقدار مقاومت اتصال است. به یاد داشته باشید که دیود اتصال pn یک دستگاه غیر خطی است بنابراین مقاومت DC آن با ولتاژ بایاس و جریان عبوری از آن متفاوت است.

هنگامی که بایاس رو به جلو باشد، رسانش از طریق اتصال شروع نمی‌شود تا زمانی که ولتاژ بایاس خارجی به ولتاژ زانو برسد که در آن نقطه جریان به سرعت افزایش می‌یابد و برای دیودهای سیلیکونی ولتاژ مورد نیاز برای انجام هدایت به جلو حدود 0.65 تا 0.7 ولت است که نشان داده شده است.

ویژگی‌ها دیود PN-junction IV:

برای دیودهای اتصال سیلیکونی عملی، این ولتاژ زانو می‌تواند بین 0.6 تا 0.9 ولت باشد، بسته به نحوه دوپ شدن آن در حین ساخت و اینکه آیا دستگاه یک دیود سیگنال کوچک است یا یک دیود یکسو کننده بسیار بزرگ‌تر. ولتاژ زانو برای یک دیود ژرمانیوم استاندارد، با این حال بسیار کم‌تر در حدود 0.3 ولت است که آن را برای کاربردهای سیگنال کوچک مناسب تر می‌کند.

اما نوع دیگری از دیودهای یکسو کننده وجود دارد که دارای ولتاژ کوچک و همچنین سرعت سوئیچینگ سریع است که دیود سدی شاتکی یا به سادگی “دیود شاتکی” نامیده می‌شود.

دیود شاتکی را می توان در بسیاری از کاربردهای مشابه دیودهای متداول pn-junction استفاده کرد و کاربردهای بسیار متفاوتی دارند، به ویژه در کاربردهای منطق دیجیتال، انرژی های تجدیدپذیر و پنل های خورشیدی.

دیود شاتکی :

بر خلاف دیودهای اتصال pn معمولی که از یک قطعه مواد نوع P و یک قطعه از مواد نوع N تشکیل می‌شود، دیودهای شاتکی با استفاده از یک الکترود فلزی متصل به نیمه هادی نوع N ساخته می‌شوند.

 از آنجایی که دیودهای شاتکی با استفاده از یک ترکیب فلزی در یک طرف اتصال خود و از سیلیکون دوپ شده در طرف دیگر ساخته شده‌اند، بنابراین دیود شاتکی فاقد لایه تخلیه است و برخلاف دیودهای اتصال pn معمولی که دستگاه‌های دوقطبی هستند، به عنوان دستگاه‌های تک قطبی طبقه‌بندی می‌شوند.

متداول‌ترین فلز تماسی که برای ساخت دیود شاتکی استفاده می‌شود سیلیسید که یک ترکیب سیلیکونی و فلزی بسیار رسانا است. این تماس سیلیسید فلز-سیلیکون دارای مقدار مقاومت اهمی نسبتاً پایینی است که اجازه می‌دهد جریان بیشتری جریان یابد و افت ولتاژ رو به جلو کمتری در حدود Vƒ<0.4V هنگام رسانش ایجاد کند. ترکیبات فلزی مختلف افت ولتاژ رو به جلو متفاوتی را ایجاد می‌کنند که معمولاً بین 0.3 تا 0.5 ولت است.

ساخت و نماد دیود شاتکی :

در بالا ساختار و نماد ساده شده یک دیود شاتکی را نشان می‌دهد که در آن یک نیمه هادی سیلیکونی نوع n با دوپ کم به یک الکترود فلزی متصل می‌شود تا چیزی را ایجاد کند که اتصال فلز-نیمه هادی نامیده می‌شود.

عرض و در نتیجه ویژگی های الکتریکی این اتصال فلز-نیمه هادی تا حد زیادی به نوع ترکیب فلزی و مواد نیمه هادی مورد استفاده در ساختار آن بستگی دارد، اما وقتی بایاس رو به جلو باشد، الکترون ها از ماده نوع n به الکترود فلزی حرکت می‌کنند. اجازه دادن به جریان بنابراین جریان از طریق دیود شاتکی نتیجه رانش اکثر حامل ها است.

از آنجایی که هیچ ماده نیمه هادی نوع p وجود ندارد و بنابراین هیچ حامل اقلیت (سوراخ) وجود ندارد، هنگامی که بایاس معکوس شود، هدایت دیودها به سرعت متوقف می‌شود و مانند یک دیود متداول Pn-junction، هدایت جریان را مسدود می‌کند؛ بنابراین برای یک دیود شاتکی واکنش بسیار سریعی به تغییرات بایاس و نشان دادن ویژگی‌های یک دیود یکسو کننده وجود دارد.

همان‌طور که قبلاً بحث شد، ولتاژ زانویی که در آن یک دیود شاتکی روشن می‌شود و شروع به هدایت می‌کند در سطح ولتاژ بسیار پایین‌تری نسبت به معادل پیوند pn آن است که در مشخصات I-V زیر نشان داده شده است.

ویژگی‌ها نمودار IV دیود شاتکی:

همان‌طور که می‌بینیم، شکل کلی ویژگی های دیود شاتکی فلزی نیمه هادی I-V بسیار شبیه به دیودهای اتصال pn استاندارد است. به جز ولتاژ گوشه که در آن دیود اتصال ms شروع به هدایت می‌کند بسیار کمتر در حدود 0.4 ولت است.

با توجه به این مقدار پایین تر، جریان رو به جلو یک دیود شاتکی سیلیکونی می‌تواند چندین برابر بیشتر از یک دیود معمولی اتصال pn باشد، بسته به الکترود فلزی مورد استفاده می‌شود. به یاد داشته باشید که قانون اهم به ما می‌گوید که توان برابر است با ولت آمپر، (P = V*I) بنابراین یک افت ولتاژ رو به جلو کوچک‌تر برای جریان دیود معین، ID اتلاف توان رو به جلو کمتری را به شکل گرما در سراسر اتصال ایجاد می‌کند.

این تلفات توان کمتر، دیود شاتکی را به انتخاب خوبی در کاربردهای ولتاژ پایین و جریان بالا مانند پانل‌های فتوولتائیک خورشیدی تبدیل می‌کند که در آن افت ولتاژ رو به جلو (VF) در یک دیود اتصال pn استاندارد اثر گرمایش بیش از حد ایجاد می‌کند. با این حال، باید توجه داشت که جریان نشتی معکوس، (IR) برای یک دیود شاتکی به طور کلی بسیار بزرگ‌تر از یک دیود اتصال pn است.

با این حال توجه داشته باشید که اگر منحنی ویژگی‌های I-V یک مشخصه غیر یکسو کننده خطی تر را نشان دهد، آنگاه یک تماس اهمی است. کنتاکت های اهمی معمولاً برای اتصال ویفرها و تراشه های نیمه هادی با پین های اتصال خارجی یا مدارهای یک سیستم استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، اتصال ویفر نیمه هادی یک گیت منطقی معمولی به پین های بسته پلاستیکی دوگانه آن (DIL).

همچنین به دلیل اینکه دیود شاتکی با اتصال فلز به نیمه هادی ساخته می‌شود، نسبت به دیودهای سیلیکونی با اتصال pn استاندارد که مشخصات ولتاژ و جریان مشابهی دارند، کمی گران تر است. به عنوان مثال، سری 1.0 آمپر 1N58xx Schottky در مقایسه با سری عمومی 1N400x.

ویژگی های:

دیود شاتکی که به نام دیود حامل گرم نیز شناخته می شوند، دارای چندین ویژگی هستند که آن‌ها را از انواع دیگر دیودها متمایز می کند. در اینجا ویژگی های کلیدی این دیود آورده شده است:

1. افت ولتاژ پایین: دیود شاتکی در مقایسه با سایر دیودها افت ولتاژ رو به جلو نسبتاً کمی دارد، معمولاً حدود 0.2 تا 0.5 ولت. این افت ولتاژ پایین اتلاف توان را کاهش می دهد و کارایی را در کاربردها بهبود می بخشد.
2. سرعت سوئیچینگ سریع: دیودهای شاتکی به دلیل مکانیسم رسانش حامل اکثر آن‌ها سرعت سوئیچینگ بالایی دارند. آن‌ها می‌توانند به سرعت بین حالت های روشن و خاموش جابه جا شوند و برای کاربردهای فرکانس بالا مناسب باشند.
3.  زمان بازیابی معکوس کم: دیود شاتکی زمان بازیابی معکوس بسیار کوتاهی دارند، معمولاً در محدوده نانو ثانیه. این بدان معناست که وقتی قطبیت ولتاژ اعمال شده معکوس شد، می‌توانند به سرعت خاموش شوند و تلفات سوئیچینگ به حداقل برسد.
4. شارژ ریکاوری معکوس کوچک: دیود شاتکی دارای شارژ بازیابی معکوس کوچکی هستند که باید در طی فرآیند تعویض از دیود برداشته شود. این ویژگی بیشتر به سرعت سوئیچینگ سریع آن‌ها کمک می‌کند.
5. ضریب دمای ولتاژ پایین: افت ولتاژ رو به جلو دیودهای شاتکی ضریب دمایی نسبتاً پایینی را نشان می‌دهد. این بدان معنی است که افت ولتاژ رو به جلو با دما در مقایسه با سایر دیودها کمتر تغییر می‌کند و در نتیجه پایداری بهتری در یک محدوده دمایی گسترده ایجاد می‌کند.
6. فرکانس عملیاتی بالا: به دلیل سرعت سوئیچینگ سریع و ظرفیت کم، دیودهای شاتکی برای کاربردهای فرکانس بالا مانند مدارهای RF (فرکانس رادیویی)، منابع تغذیه سوئیچینگ و مدارهای دیجیتال پرسرعت مناسب هستند.
7. جریان نشتی معکوس کم: دیودهای شاتکی دارای جریان نشتی معکوس کم هستند که جریانی است که هنگام اعمال ولتاژ در قطب مخالف در جهت معکوس جریان می‌یابد. این ویژگی آن‌ها را برای برنامه هایی که جریان نشتی کم ضروری است مفید می‌کند.

 توجه به این نکته مهم است که دیودهای شاتکی دارای محدودیت هایی نیز هستند، مانند حداکثر ولتاژ معکوس کمتر در مقایسه با دیودهای دیگر؛ بنابراین، آن‌ها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها سودمند است، نه به عنوان دیودهای همه منظوره.

دیودهای شاتکی در گیت های منطقی:

دیود شاتکی همچنین کاربردهای زیادی در مدارهای دیجیتال دارد و به دلیل پاسخ فرکانس بالاتر، کاهش زمان سوئیچینگ و مصرف انرژی کمتر، به طور گسترده در گیت‌ها و مدارهای منطقی دیجیتال ترانزیستور شاتکی (TTL) استفاده می‌شود. در جاهایی که سوئیچینگ با سرعت بالا مورد نیاز است، TTL مبتنی بر Schottky انتخاب واضحی است.

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

TTL با دیود شاتکی (سری S) – TTL سری “S” شاتکی (74SXX) نسخه بهبود یافته ای از دیود ترانزیستور اصلی DTL و گیت‌ها و مدارهای منطقی TTL ترانزیستور سری 74 است. دیودهای شاتکی در سراسر محل اتصال پایه-کلکتور ترانزیستورهای سوئیچینگ قرار می‌گیرند تا از اشباع شدن آن‌ها و ایجاد تاخیر در انتشار که امکان عملکرد سریع‌تر را فراهم می‌کند جلوگیری کند.

Schottky کم مصرف (سری LS) – سرعت سوئیچینگ ترانزیستور، پایداری و اتلاف توان TTL سری 74LSXX بهتر از سری قبلی 74SXX است. علاوه بر سرعت سوئیچینگ بالاتر، خانواده کم مصرف Schottky TTL انرژی کمتری مصرف می‌کند و سری 74LSXX TTL را انتخاب خوبی برای بسیاری از کاربردها می‌کند.

Schottky پیشرفته کم مصرف (سری ALS) – بهبودهای اضافی در مواد مورد استفاده برای ساخت اتصالات ms دیودها به این معنی است که سری 74LSXX در مقایسه با سری 74ALSXX و 74LS زمان تاخیر انتشار و اتلاف توان بسیار کمتری را کاهش داده است. با این حال، سری ALS از آنجایی که یک فناوری جدیدتر و طراحی ذاتاً پیچیده‌تر داخلی نسبت به TTL استاندارد است، کمی گران‌تر است.

ترانزیستور گیره دار شاتکی:

تمام گیت‌ها و مدارهای قبلی TTL Schottky از ترانزیستور گیره دار Schottky استفاده می‌کنند تا از وارد شدن سخت آن‌ها به حالت اشباع جلوگیری کنند. همان‌طور که نشان داده شده است، یک ترانزیستور گیره دار شاتکی اساساً یک ترانزیستور اتصال دوقطبی استاندارد است که یک دیود شاتکی به طور موازی در محل اتصال پایه-کلکتور آن متصل است.

هنگامی که ترانزیستور به طور معمول در ناحیه فعال منحنی‌های مشخصه‌های خود هدایت می‌کند، اتصال بیس-کلکتور بایاس معکوس است و بنابراین دیود بایاس معکوس می‌شود و به ترانزیستور اجازه می‌دهد تا به عنوان یک ترانزیستور npn معمولی کار کند.

با این حال، زمانی که ترانزیستور شروع به اشباع شدن می‌کند، دیود شاتکی بایاس رو به جلو می‌شود و اتصال پایه کلکتور را به مقدار زانویی 0.4 ولت خود می بندد و ترانزیستور را از اشباع سخت دور نگه می دارد زیرا هر جریان پایه اضافی از دیود عبور می‌کند.

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

نتیجه‌گیری :

ما در اینجا دیدیم که دیود شاتکی که به نام دیود سدی شاتکی نیز شناخته می‌شود، یک دیود نیمه هادی حالت جامد است که در آن یک الکترود فلزی و یک نیمه هادی نوع n شکل می‌گیرد. اتصال ms دیودها دو مزیت عمده نسبت به دیودهای پیوند pn سنتی دارد، سرعت سوئیچینگ سریع‌تر و ولتاژ بایاس رو به جلو پایین است.

اتصال فلز به نیمه هادی یا ms-junction ولتاژ زانو بسیار کمتری را معمولاً 0.3 تا 0.4 ولت در مقایسه با مقدار 0.6 تا 0.9 ولتی که در یک دیود اتصال pn پایه سیلیکونی استاندارد برای همان مقدار جریان رو به جلو مشاهده می‌شود، فراهم می‌کند.

تغییرات در فلز و مواد نیمه هادی مورد استفاده برای ساخت آن‌ها به این معنی است که دیود شاتکی کاربید سیلیکون (SiC) می توانند با افت ولتاژ رو به جلو تا 0.2 ولت روشن شوند و این دیود جایگزین دیود ژرمانیوم کمتر استفاده شده در بسیاری از موارد می‌شود. کاربردهایی که نیاز به ولتاژ پایین زانو دارند.

دیود شاتکی به سرعت در حال تبدیل شدن به دستگاه یکسو کننده ترجیحی در کاربردهای ولتاژ پایین و جریان بالا برای استفاده در انرژی های تجدیدپذیر و کاربردهای پنل خورشیدی هستند. با این حال، در مقایسه با معادلات پیوند pn، جریان نشتی معکوس این دیود بیشتراست و ولتاژ شکست معکوس آن‌ها در حدود 50 ولت کمتر است.

ولتاژ روشن کمتر، زمان سوئیچینگ سریع‌تر و مصرف برق کاهش یافته باعث می‌شود دیود شاتکی در بسیاری از کاربردهای مدار مجتمع بسیار مفید باشد و سری گیت های منطقی 74LSXX TTL رایج ترین آن‌ها هستند.

اتصالات فلز-نیمه هادی همچنین می‌تواند به عنوان تماس های اهمی و همچنین اصلاح دیودها با قرار دادن الکترود فلزی بر روی مناطق نیمه هادی بسیار دوپ شده (و در نتیجه مقاومت کم) ایجاد شود. کنتاکت های اهمی جریان را به طور مساوی در هر دو جهت هدایت می‌کنند و به ویفرها و مدارهای نیمه هادی اجازه می دهند که an را به پایانه های خارجی متصل کنند.