Барьер шоттки принцип работы

Принцип работы диода Шоттки, что такое диод Шоттки

Что такое диод Шоттки? Это полупроводниковый элемент, название которого соответствует фамилии знаменитого физика и изобретателя, работавшего в Германии. Специфика диода Шоттки заключается в минимальном снижении напряжения. Эта низкая динамика наблюдается при прямом введении компонента в цепь. На практике используется при обратном напряжении с небольшими значениями (в среднем 3-10В), при возможности применять в промышленности с гораздо большими величинами значение может достигать до 1200В.

Внешний вид

Разновидности диодов Шоттки

Все полупроводниковые элементы, работающие по принципу барьера Шоттки, делятся по мощности на:

• высокой;
• средней;
• малой мощности.

Сдвоенный диод

На рисунке показан сдвоенный элемент, являющий собой по сути два элемента. Они расположены в едином корпусе, в одно целое соединены катодом или анодом. В этом случае чаще всего имеется три вывода диода. При идентичных параметрах собранных таким образом элементов обеспечивается надежность работы всего устройства, в первую очередь, за счет единой температуры.

Особенности и принцип работы диода Шоттки

Как работает диод Шоттки? В чем принципиальные отличия его работы от аналогов с другим барьерным переходом?

Устройство диода Шоттки имеет отличие от других элементов того же назначения использованием барьером в виде перехода между металлом и полупроводником. У аналогов обычно работает с этой же целью p-n переход. Так в первом случае имеется односторонняя электропроводность. В зависимости от того, какой конкретно металл выбран для перехода в элементе, различаются и характеристики элемента. Чаще всего выбирается кремний, возможно применение арсенида галлия. Реже могут применяться сплавы вольфрама, платины и других материалов.

Кремний — самый распространенный и надежный элемент в диодах Шоттки, с ним конструкция надежно работает в условиях высокой мощности. Изделие стабильнее в работе, чем другие полупроводниковые аналоги, а простота изготовления и устройства диода Шоттки делают его очень доступным вариантом.

Металл-полупроводник: принцип работы перехода

Структура элемента

Принцип работы диода Шоттки основан на особенностях барьера. Эффект Шоттки при контакте компонентов, из которых выполнен непосредственно полупроводник и металл заключается в образовании бедного электронами участка. Последний имеет вентильные характеристики, аналогичные p-n взаимодействию. Контактный слой останавливает носителей заряда. По сравнению с другими типами полупроводниковых вентилей такое решение обладает:

• минимальным обратным током;
• стремящейся к нулю собственной емкостью;
• обратным напряжением самой низкой допустимой величины;
• при прямом включении — меньшим снижением напряжения (до 0.5 В в сравнении с 2-3 В в случае аналога).

В переходной зоне нет лишних носителей заряда. Благодаря этому там не возникают диффузии и рекомбинации, что наблюдается в контактных слоях p-n перехода. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами.

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Несомненными преимуществами подобных полупроводниковых изделий являются:

• надежное удерживание электротока;
• минимальная емкость барьера обеспечивает длительную эксплуатацию;
• быстродействие.

Высокие показатели обратного тока — основной недостаток устройств с диодом Шоттки. Из-за этого при скачке обратного тока диод может выйти из строя.

Важно! При внедрении подобных диодов в цепи с высокой мощностью электротока создается риск теплового пробоя.

Маркировка и схема диода Шоттки

На схеме преподносится почти как стандартный полупроводниковый диод, но имеются и отличия.

Обозначения диодов

https://www.youtube.com/watch?v=iAobttnNDAM

В маркировке используется набор символов, они всегда обозначаются сбоку изделия. Используются международные стандарты, но в зависимости от производителя маркировка может отличаться.

Сочетание цифр и букв на корпусе не всегда понятно, но в радиотехнических справочниках всегда можно найти точную расшифровку.

Работа в ИБП

Подобные элементы очень широко используются в импульсных схемах, в приборах для стабилизации напряжения, а также в блоках питания. Преимущественно выбираются сдвоенные элементы, имеющие в одном корпусе общий катод.

Использование в ИБП сдвоенного диода Шоттки с общим катодом является признаком высокого качества и надежности блока питания.

При этом сгоревший элемент относится к частым и типовым неисправностям импульсного устройства. Нерабочее состояние возникает при:

• утечке на корпус;
• электроприборе.

Встроенная защита приводит к блокировке ИБП в обоих случаях. При утечке возможно присутствие незначительных нестабильных пульсаций напряжения на выходе, а также слабые «подергивания» вентилятора. В случае пробоя напряжения в блоке питания полностью исключены. Так можно определить вероятную причину нерабочего состояния диода Шоттки, но для окончательного решения понадобится диагностика.

Для диагностики следует выполнить шаги:

1. Выпаять элемент и схемы.
2. Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.
3. Выполнить проверку мультиметром.

Проверка мультиметром

Отличие процедуры от диагностики обычных диодов заключается в необходимости демонтажа сборки или элемента, иначе проверить его состояние будет очень сложно. Утечку диагностировать сложнее.

При использовании типичного мультиметра может отображаться полная работоспособность элемента при работе прибора в режиме «диод». Потому лучше устанавливать режим «омметр» и заменить элемент при демонстрации сопротивления.

Показатель 5 кОм не устанавливает точно неисправность диода, но лучше считать его подозрительным и выполнить замену. Доступная стоимость диодов Шоттки позволяет сделать это практически в любой момент без особых трат.

Важно! Если для проверки работоспособности диода Шоттки используется типовой мультиметр, нужно учитывать указанный сбоку показатель электротока.

Применение

Отличительные особенности и принцип работы диода Шоттки обусловливают его широкое применение в быту и в промышленности. Кроме блоков питания компьютера, его часто можно встретить в схемах:

• бытовых электроприборов;
• стабилизаторов напряжения;
• во всем спектре радио- и телеаппаратуры;
• в другой электронике.

Подобные элементы используются в современных батареях и транзисторах, работа которых обеспечивается сенечной энергией.

Такое универсальное использование элемента связано с способностью полупроводникового диода с эффектом Шоттки во много раз усиливать работоспособность любого прибора и увеличивать его эффективность. Обратное сопротивление электротока восстанавливается, за счет чего он сохраняется в электрической сети. Потери динамики напряжения минимизируются. Также диод Шоттки вбирает несколько видов излучений.

Диод с барьером Шоттки — неприхотливый и простой элемент, обеспечивающий бесперебойную работу множества современных приборов. Доступный, надежный, отличается широкой сферой применения благодаря особенностям в своей конструкции.

Источник: https://principraboty.ru/princip-raboty-dioda-shottki-chto-tako-diod-shottki/

Диод Шоттки

> Теория > Диод Шоттки

Электротехника и радиоэлектроника пестрят многими понятиями, одним из которых является диод Шоттки, используемый в многочисленных схемах электроцепей. Многие задаются вопросами о том, что такое диод Шоттки, как он обозначается на схемах, а также каков принцип работы диода Шоттки.

Внешний вид Диода Шоттки с маркировкой 1N5817

Общая информация и принцип работы

Диод Шоттки – диодное полупроводниковое изделие, которое при прямолинейном включении в цепь выдает малый показатель уменьшения напряжения. Состоит данный элемент из металла и полупроводника. Назван диод в честь известного немецкого физика-испытателя В. Шоттки, какой в 38 году 20 века изобрел его.

https://www.youtube.com/watch?v=HUV4NQCQoK0

В промышленности применяется такой диод с ограниченным обратным напряжением – до 250 В, но на практике в бытовых целях для предотвращения движения тока в противоположную сторону применяются в основном низковольтные варианты – 3-10В.

Диоды Шоттки можно разделить на 3 класса по мощностным характеристикам:

• высокомощные;
• среднемощные;
• маломощные.

Диод с барьером Шоттки (более точное наименование изделия) состоит из проводника, для контакта с каким используется металл, кольца защиты и пассивации стеклом.

Структура диода с барьером Шоттки 1N5817

В тот момент, когда по электроцепи проходит ток, в разных участках корпуса по всей области полупроводникового барьера и на защитном кольце собираются отрицательные и положительные заряды, что приводит к возникновению электрополя и выделению тепловой энергии – это большой плюс диода для многих физических опытов.

Диодные сборки этого типа могут выпускаться в нескольких вариациях:

• диоды Шоттки с общим анодом;
• диодные изделия, имеющие вывод с общего катода;
• диоды, собранные по схеме удвоения.

Технические характеристики популярных модификаций диодов Шоттки

НаименованиеПредельное обратное пиковое напряжениеПредельный выпрямительный электротокПиковый прямой электротокПредельный обратный электротокПредельное прямое напряжение

Ед. измерения	В	А	оС	А	µА	В
1N5817	20	1	90	25	1	0,45
1N5818	30	1	90	25	1	0,55
1N5819	40	1	90	25	1	0,6
1N5821	30	3	95	80	2	0,5
1N5822	40	3	95	80	2	0.525

Габаритные размеры диодных сборок типа Шоттки серии 1N5817

Различия от иных полупроводников

Диоды Шоттки различаются от иных диодных изделий тем, что имеют преграду в виде перехода – полупроводник-металл, характеризующийся односторонней электропроводностью. Металлом в них могут выступать кремний, арсенид галлия, реже могут использоваться соединения германия, вольфрама, золота, платины и прочие.

Работа этого электронного компонента будет полностью зависеть от выбранного металла. Чаще всего в таких конструкциях встречается кремний, так как отличается большей надежностью и отличными рабочими характеристиками на высоких мощностях. Могут также использоваться соединения галлия и мышьяка, германия. Производственная технология этого электронного изделия проста, что обуславливает его низкую стоимость.

Изделие Шоттки характеризуется более стабильным функционированием при подаче электротока, чем прочие типы полупроводниковых диодов. Достигается это за счет того, что в его корпус внедряются специальные кристаллические образования.

Достоинства и недостатки

Вышеописанные диоды имеют некоторые достоинства, которые заключаются в следующем:

• электроток отлично удерживается в цепи;
• небольшая емкость барьера Шоттки увеличивает срок службы изделия;
• низкое падение электронапряжения;
• быстродействие в электроцепи.

Самым же существенным недостатком компонента является огромный обратный ток, что даже при скачке этого показателя в несколько единиц приводит к выходу диода из строя.

Обратите внимание! При эксплуатации электроэлемента Шоттки в цепях с мощным электротоком при неблагоприятных условиях теплового обмена случается теплопробой.

Диод Шоттки: обозначение и маркировка

Диод Шоттки на электросхемах обозначается практически точно так же, как и обычные полупроводники, но с некоторыми особенностями.

Условные графические обозначения основных полупроводников и диодов, в том числе диода с барьером Шоттки

https://www.youtube.com/watch?v=kl1E0QuBX2o

Стоит отметить, что на схемах могут встречаться и сдвоенные варианты диода Шоттки. Представляет собой такая конструкция два соединенных диода в общем корпусе, имеющие спаянные катоды или аноды, что ведет к образованию трех выводов.

Внешний вид и обозначение сдвоенного диода Шоттки с общим катодом

Маркировка таких элементов проставляется сбоку в виде букв и символов. Каждый производитель осуществляет маркирование своих изделий по-своему, но выполняя определенные международные стандарты.

Важно! Если буквенно-цифирное обозначение на корпусе диода не понятно, то рекомендуется смотреть расшифровку в радиотехническом справочнике.

Область применение

Применение диодных конструкций с барьером Шоттки можно встретить во многих приборах и электротехнических структур. Наиболее часто они применяются на электросхемах в следующей технике:

• электроприборы для дома и компьютеры;
• блоки питания различного типа и стабилизаторы напряжения;
• теле,- и радиоаппаратура;
• транзисторы и батареи, работающие от солнечной энергии;
• прочая электроника.

Столь широкая область применения связана с тем, что такой электротехнический элемент увеличивает многократно эффективность и работоспособность конечного изделия, восстанавливает обратное сопротивление электротока, сохраняет его в электросети, снижает численность утерь динамики электронапряжения, а также вбирает в себя довольно много различного типа излучений.

Диагностирование диодов Шоттки

Проверить исправность электроэлемента Шоттки несложно, однако для этого потребуется некоторое время. Для диагностики неисправностей необходимо проделать нижеследующее:

1. Из электросхемы или диодного моста требуется изначально выпаять интересующий элемент;
2. Провести визуальный осмотр на возможные механические повреждения, наличие следов химических и прочих реакций;
3. Проверить диод тестером или мультиметром;
4. Если проверка проводится мультиметром, то необходимо после его включения подвести щупы к концам катода и анода, в итоге прибор выдаст реальное напряжение диодной сборки.

Важно! При проведении проверочных мероприятий мультиметром, следует учитывать электроток, который обычно указан сбоку изделия.

Схема проверки диодной сборки Шоттки посредством мультиметра

Итогом этих простых действий станет установление технического состояния полупроводника. Неисправным же диод может стать по следующим причинам:

1. При возникновении пробоин элемент Шоттки перестает удерживать электроток, соответственно из полупроводника превращается в проводника;
2. Когда в диодном мосту или самом диодном элементе случается обрыв, то пропуск электротока прекращается вообще.

Стоит отметить, что при таких происшествиях не будет видно ни дыма, ни запаха гари, соответственно, проверять потребуется все диоды, а лучше всего обратиться в специализированные мастерские.

Диод Шоттки – простой и неприхотливый, но в то же время крайне необходимый элемент в современной электронике, так как именно благодаря ему удается обеспечить бесперебойную работу многих приборов и технических изделий.

Источник: https://jelectro.ru/teoriya/diod-shottki.html

Эталонная проверочная модель расчета полупроводникового диода Шоттки

Диоды Шоттки — одни из самых старых полупроводниковых элементов, которые до сих пор используются в современных устройствах, в том числе в компьютерах и радарах. Для полной уверенности в корректной работе диода Шоттки, инженерам необходимо учитывать при проектировании такие факторы, как плотность тока и высоту потенциального барьера. Приведенная ниже эталонная модель подтверждает, что программный пакет COMSOL Multiphysics® с модулем расширения Полупроводники хорошо подходит для решения таких задач.

Краткая история диода Шоттки

Принцип работы диода Шоттки был впервые продемонстрирован в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном. Соединив металлический провод и галеновый кристалл (который играл роль полупроводника), Браун создал диод с точечным контактом, который превращал переменный ток в постоянный (т.е. выпрямлял ток). Это устройство было одним из первых экземпляров и концептов полупроводникового диода, но работа Брауна не привлекла особого внимания, т.к. в то время для нее не нашлось практических применений.

Изобретение радио создало спрос на полупроводниковые диоды, или, как их называли в то время, кристаллические детекторы. В 1901 году индийский профессор физики Джагадиш Чандра Бос показал, что диод чувствителен к радиоволнам.

Пять лет спустя Гринлиф Уиттер Пиккард запатентовал кристаллический детектор «кошачий ус», который широко использовался в радиотехнике вплоть до 1920-х годов. Такой диод состоял из тонкого металлического провода (напоминаущего кошачий ус), который находился в контакте с кристаллом кремния.

[su_box style="default" title="" box_color="#F27405" radius="0"]

Подстраивая положение провода, можно было ловить радиосигнал и настраивать радиоприемник.

[/su_box]

Детектор «кошачий ус», который использовался в кристаллическом радиоприемнике. Автор изображения — JA.Davidson, изображение доступно на Викискладе.

https://www.youtube.com/watch?v=M5Yg0L4GHGY

В 1930-х годах физик Вальтер Шоттки установил, что в точке соприкосновения металла и полупроводника возникает потенциальный барьер. Его работа привела к появлению диодов Шоттки — и дала им имя. Эти диоды также называют диодами с барьером Шоттки, диодами с горячими носителями или с горячими электронами. Как и другие диоды, они пропускают ток в одном направлении благодаря потенциальному барьеру, возникающему при контакте (прямое смещение), и не пропускают ток в обратном направлении (обратное смещение).

Применение и достоинства диодов Шоттки

По сравнению с другими современными типами диодов у диодов Шоттки есть несколько преимуществ . Например, их отличают высокая плотность тока и малое падение напряжения в прямом направлении, так что они потребляют мало энергии и выделяют меньше тепла. Таким образом, они эффективнее и компактнее других диодов, и их можно использовать с небольшими по размеру радиаторами. Помимо этого, диоды Шоттки быстро переключаются, быстро возвращаются в состояние готовности и отличаются малой емкостью. Эти свойства важны в таких прикладных задачах, как:

• Зарядка компьютеров и смартфонов
• Смесители частот для СВЧ-радаров
• Выпрямление мощности для приводов двигателей и светодиодов
• Защита транзисторов от насыщения
• Защита от разряда аккумулятора в фотоэлементах.

Во всех указанных приложениях инженеры смогут проводить проектирование диодов в специализированном пакете для расчета полупроводников и численно определять такие ключевые характеристики устройств как, например, плотность тока и напряжение. Давайте рассмотрим для примера эталонную проверочную модель.

Численное проектирование диода Шоттки

Эталонная проверочная модели «Контакт Шоттки» описывает поведение простого диода Шоттки при смещении в прямом направлении. В геометрии модели воспроизведена полупроводниковая пластина из кремния (внизу), на которую нанесен слой вольфрама (вверху). Обратите внимание, что для задания свойств кремния вы можете использовать настройки программного пакета COMSOL® по умолчанию.

Геометрия простейшего диода Шоттки.

При изучении диода важно правильно подобрать высоту потенциального барьера, создаваемого контактом Шоттки: от нее зависит, будет ли диод работать. Высота барьера зависит от структуры перехода «металл — полупроводник», и ее непросто определить. В этой модели используется идеальное значение для высоты потенциального барьера, рассчитанное на основе стандартных свойств кремния и работы выхода вольфрама (4,72 В), которое равно 0,67 В. Используя такой «идеальный» контакт Шоттки, мы упрощаем модель.

Так мы можем рассчитать ток, текущий через контакт между двумя материалами, не учитывая снижение барьера за счет снижения сил зеркального изображения, туннелирования, влияния диффузии и поверхностных состояний. Этот ток определяется в первую очередь термоэлектронным вкладом, зависимость которого от приложенного напряжения и плотности тока показана на графике ниже.

Сравнение расчетной модели (сплошная линия) и экспериментальных данных (круглые маркеры) о плотности тока в диоде Шоттки с прямым смещением.

Как вы видите, результаты эталонной проверочной модели хорошо согласуются с экспериментальными данными, показывая, что свойства контакта Шоттки можно точно моделировать в программном пакете COMSOL Multiphysics с помощью модуля расширения Полупроводники.

Дальнейшие шаги

Попробуйте сами промоделировать диоды Шоттки с помощью этого примера. Нажмите на кнопку ниже, чтобы перейти в Библиотеку моделей и приложений, в которой вы найдете пошаговые инструкции по сборке модели. Если у вас есть учетная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение, вы можете загрузить MPH-файлы для этой модели.

Узнайте подробнее о моделировании полупроводников в корпоративном блоге COMSOL:

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/evaluating-a-schottky-diode-with-a-semiconductor-benchmark-model/

]]>