Dioda Schottky este un alt tip de diodă semiconductoare, dar au avantajul căderii lor de tensiune directă substanțial mai mică decât cea a diodelor convenționale de siliciu cu joncțiune-pn.

Diodele Schottky au multe aplicații utile de la redresare, condiționarea semnalului și comutare, până la porți logice TTL și CMOS datorită în principal puterii lor reduse și vitezei rapide de comutare. Porțile logice TTL Schottky sunt identificate prin literele LS care apar undeva în codul lor de circuit al porții logice, de ex. 74LS00.

Diodele cu joncțiune-pn se formează prin îmbinarea unui material semiconductor de tip-p și unul de tip-n, permițându-le să fie folosite ca dispozitiv de redresare și am văzut că, atunci când sunt polarizate direct, regiunea de epuizare este mult redusă, permițând curentul să curgă prin ea în direcția înainte iar atunci când este polarizată invers, regiunea de epuizare este crescută blocând fluxul de curent.

Acțiunea de polarizare a joncțiunii-pn folosind o tensiune externă pentru a o polariza direct sau invers, scade sau crește, respectiv, rezistența barierei de joncțiune. Astfel, relația tensiune-curent (curba caracteristică) a unei diode cu joncțiune-pn tipice este influențată de valoarea rezistenței joncțiunii. Amintiți-vă că dioda cu joncțiune-pn este un dispozitiv neliniar, astfel încât rezistența sa DC va varia atât în ​​funcție de tensiunea de polarizare, cât și de curentul prin ea.

Când este polarizată direct, conducția prin joncțiune nu începe până când tensiunea de polarizare externă atinge „tensiunea VKNEE de genunchi”, moment în care curentul crește rapid, iar pentru diodele de siliciu, tensiunea necesară pentru conducția directă este de aproximativ 0,65 până la 0,7 volți, așa cum se arată mai jos.

Caracteristicile IV ale diodei cu joncțiune-pn

Pentru diode practice cu joncțiune de siliciu, această tensiune de genunchi poate fi între 0,6 și 0,9 volți, în funcție de modul în care a fost dopată în timpul fabricării și dacă dispozitivul este o diodă de semnal mică sau o diodă de redresare mult mai mare. Tensiunea de genunchi pentru o diodă standard de germaniu este, însă, mult mai mică la aproximativ 0,3 volți, ceea ce o face mai potrivită pentru aplicații de semnal mic.

Dar există un alt tip de diodă redresoare care are o mică tensiune de genunchi, precum și o viteză de comutare rapidă numită diodă cu barieră Schottky, sau pur și simplu „diodă Schottky”. Diodele Schottky pot fi utilizate în multe dintre aceleași aplicații ca diodele convenționale cu joncțiune-pn și au multe utilizări diferite, în special în aplicații de logică digitală, energie regenerabilă și panouri solare.

Dioda Schottky

Spre deosebire de o diodă convențională cu joncțiune-pn care este formată dintr-o bucată de material de tip-P și o bucată de material de tip-N, diodele Schottky sunt construite folosind un electrod metalic legat de un semiconductor de tip-N. Deoarece sunt construite folosind un compus metalic pe o parte a joncțiunii lor și siliciu dopat pe cealaltă parte, dioda Schottky nu are, prin urmare, niciun strat de epuizare și sunt clasificate ca dispozitive unipolare, spre deosebire de diodele tipice cu joncțiune-pn, care sunt dispozitive bipolare.

Cel mai comun metal de contact utilizat pentru construcția diodei Schottky este „Silicidul”, care este un compus din siliciu și metal extrem de conductiv. Acest contact silicid metal-siliciu are o valoare a rezistenței ohmice destul de scăzută, permițând să curgă mai mult curent, producând o cădere de tensiune directă mai mică, de aproximativ Vƒ < 0,4 V la conducție. Diferiți compuși metalici vor produce diferite căderi de tensiune directe, de obicei între 0,3 și 0,5 volți.

Construcția și simbolul diodei Schottky

Mai sus se arată construcția simplificată și simbolul unei diode Schottky în care un semiconductor cu siliciu de tip-n ușor dopat este unit cu un electrod metalic pentru a produce ceea ce se numește „joncțiune metal-semiconductor”. Lățimea joncțiunii-ms va depinde de tipul metalului și materialului semiconductor utilizat, dar atunci când sunt polarizate direct, electronii se deplasează de la materialul de tip-n la electrodul metalic permițând curgerea curentului. Astfel, curentul prin dioda Schottky este rezultatul derivei purtătorilor majoritari.

Deoarece nu există material semiconductor de tip-p și, prin urmare, nu există purtători minoritari (goluri), atunci când este polarizată invers, conducția diodelor se oprește foarte repede și se schimbă pentru blocarea fluxului de curent, ca pentru o diodă convențională cu joncțiune-pn. Astfel, pentru o diodă Schottky există un răspuns foarte rapid la schimbările de polarizare și demonstrează caracteristicile unei diode redresoare.

Așa cum s-a discutat anterior, tensiunea de genunchi la care o diodă Schottky comută „ON” și începe să conducă este la un nivel de tensiune mult mai mic decât echivalentul său de joncțiune-pn, așa cum se arată în următoarele caracteristici I-V.

Caracteristici I-V ale diodei Schottky

După cum putem vedea, forma generală a caracteristicilor I-V ale diodei Schottky metal-semiconductoare este foarte similară cu cea a unei diode standard cu joncțiune-pn, cu excepția tensiunii de colț sau de genunchi la care începe să conducă dioda cu joncțiune-ms, care este mult mai mică, în jur de 0,4 volți.

Datorită acestei valori mai mici, curentul direct al unei diode Schottky din siliciu poate fi de multe ori mai mare decât cel al unei diode tipice cu joncțiune-pn, în funcție de electrodul metalic utilizat. Amintiți-vă că legea lui Ohm ne spune că puterea este egală cu volți ori amperi, (P = V*I), deci o cădere mai mică a tensiunii directe, pentru un anumit curent de diodă ID, va produce o disipare mai mică a puterii directe, sub formă de căldură pe joncțiune.

Această pierdere de putere mai mică face ca dioda Schottky să fie o alegere bună în aplicații de joasă tensiune și curent mare, cum ar fi panourile solare fotovoltaice, unde tensiunea-directă (VF) care cade pe o diodă standard cu joncțiune-pn ar produce un efect de încălzire excesiv. Însă, trebuie remarcat faptul că curentul de scurgere invers, (IR) pentru o diodă Schottky este, în general, mult mai mare decât pentru o diodă cu joncțiune- pn.

Rețineți totuși că dacă curba caracteristicilor I-V prezintă o caracteristică mai liniară care nu redresează, atunci este un contact ohmic. Contactele ohmice sunt utilizate în mod obișnuit pentru a conecta substraturi și cipuri semiconductoare cu pini de conectare externi sau circuite ale unui sistem. De exemplu, conectarea substratului semiconductor al unei porți logice tipice la pinii carcasei sale plastice dual-in-line (DIL).

De asemenea, datorită faptului că dioda Schottky este fabricată cu o joncțiune metal-semiconductor, tinde să fie puțin mai scumpă decât diodele standard din siliciu cu joncțiune-pn care au specificații de tensiune și curent similare. De exemplu, seria Schottky de 1.0 Amper 1N58xx în comparație cu seria 1N400x de uz general.

Diode Schottky în porți logice

Dioda Schottky are, de asemenea, multe utilizări în circuitele digitale și sunt utilizate pe scară largă în porțile și circuitele logice digitale cu logica tranzistor-tranzistor (TTL) Schottky datorită răspunsului lor în frecvență mai înalt, a timpilor de comutare scăzute și a consumului redus de putere. Acolo unde este necesară comutarea de mare viteză, TTL bazat pe Schottky este alegerea evidentă.

Există diferite versiuni ale Schottky TTL, toate cu viteze și consum de putere diferite. Cele trei serii principale de logică TTL care utilizează dioda Schottky în construcția sa sunt date de:

• Schottky Diode Clamped TTL (seria S) - Schottky seria „S” TTL (74SXX) este o versiune îmbunătățită a porților logice și circuitelor originale diodă-tranzistor DTL și tranzistor-tranzistor TTL seria 74. Diodele Schottky sunt plasate peste joncțiunea bază-colector a tranzistoarelor de comutare pentru a preveni saturarea acestora și a crea întârzieri de propagare, permițând o operare mai rapidă.

• Low-Power Schottky (seria LS) - Viteza de comutare a tranzistorului, stabilitatea și disiparea puterii din seria 74LSXX TTL este mai bună decât seria 74SXX anterioară. Pe lângă o viteză de comutare mai mare, familia TTL Low-Power Schottky consumă mai puțină putere, făcând seria TTL 74LSXX o alegere bună pentru multe aplicații.

• Advanced Low-Power Schottky (seria ALS) - Îmbunătățiri suplimentare în materialele utilizate pentru fabricarea joncțiunilor-ms ale diodelor înseamnă că seria 74LSXX are un timp de întârziere de propagare redus și o disipare a puterii mult mai mică comparativ cu seria 74ALSXX și 74LS. Dar, fiind o tehnologie mai nouă și un model inerent mai complex decât TTL standard, seria ALS este puțin mai scumpă.

Tranzistor cu clemă Schottky

Toate porțile și circuitele TTL Schottky anterioare folosesc un tranzistor cu clemă Schottky pentru a preveni ca acestea să fie conduse puternic în saturație.

Așa cum se arată, un tranzistor cu clemă Schottky este practic un tranzistor bipolar cu joncțiune standard cu o diodă Schottky conectată în paralel pe joncțiunea sa bază-colector.

Când tranzistorul conduce normal în regiunea activă a curbelor sale caracteristice, joncțiunea bază-colector este polarizată invers și astfel dioda este polarizată invers, permițând tranzistorului să funcționeze ca un tranzistor normal npn. Dar, când tranzistorul începe să se satureze, dioda Schottky devine polarizată direct și fixează joncțiunea colector-bază la valoarea sa de genunchi de 0,4 volți, menținând tranzistorul în afara saturației dure, deoarece orice curent de bază în exces este șuntat prin diodă.

Prevenirea circuitelor logice de comutare a tranzistorilor de la saturație scade foarte mult timpul de întârziere a propagării, făcând circuitele TTL Schottky ideale pentru utilizarea în flip-flop-uri, oscilatoare și cipuri de memorie.

Rezumatul diodei Schottky

Am văzut aici că dioda Schottky, cunoscută și sub numele de diodă cu barieră Schottky, este o diodă semiconductoare solid-state în care un electrod metalic și un semiconductor de tip-n formează diode cu joncțiune-ms, oferindu-i două avantaje majore față de diodele tradiționale cu joncțiune-pn, o viteză de comutare mai rapidă și o tensiune de polarizare directă redusă.

Joncțiunea metal-semiconductor sau joncțiunea-ms oferă o tensiune de genunchi mult mai mică, de obicei 0,3 la 0,4 volți, comparativ cu o valoare de 0,6 până la 0,9 volți observată într-o diodă standard cu joncțiune-pn pe bază de siliciu, pentru aceeași valoare a curentului direct. Variațiile materialelor metalice și semiconductoare utilizate pentru construcția lor înseamnă că diodele Schottky din carbură de siliciu (SiC) pot comuta „ON” cu o cădere de tensiune directă de până la 0,2 volți, dioda Schottky înlocuind dioda de germaniu mai puțin utilizată în multe aplicații care necesită o tensiune scăzută de genunchi.

Diodele Schottky devin rapid dispozitivul de redresare preferat în aplicațiile de joasă tensiune, curent ridicat pentru utilizare în aplicații cu energie regenerabilă și panouri solare. Dar, în comparație cu echivalentele cu joncțiune-pn, curenții de scurgere inverși ai diodei Schottky sunt mai mari și tensiunea lor de străpungere inversă este mai mică, în jur de 50 volți.

O tensiune de comutare-on mai mică, un timp de comutare mai rapid și un consum redus de energie fac ca dioda Schottky să fie extrem de utilă în multe aplicații cu circuite integrate, seria 74LSXX TTL de porți logice fiind cea mai frecventă.

Joncțiunile metal-semiconductor pot fi, de asemenea, făcute să funcționeze ca „contacte ohmice”, precum și diode de redresare prin depunerea electrodului metalic pe regiuni semiconductoare puternic dopate (și, prin urmare, cu rezistență scăzută). Contactele ohmice conduc curentul în mod egal în ambele direcții, permițând substraturilor semiconductoare și circuitelor să se conecteze la terminale externe.