دیود شاتکی

دیود شاتکی یک دیود نیمه هادی فلزی با افت ولتاژ کم به جلو و سرعت سوئیچینگ بسیار سریع است.

دیود شاتکی نوع دیگری از دیودهای نیمه هادی است.

اما این مزیت را دارد که افت ولتاژ رو به جلو آنها نسبت به دیود pn-اتصال سیلیکون معمولی کمتر است.

دیودهای شاتکی کاربردهای مفیدی از اصلاح‌، تهویه سیگنال و سوئیچینگ گرفته تا دروازه های منطقی TTL و CMOS دارند که علت اصلی آن کم بودن سرعت و سرعت سوئیچینگ سریع آنهاست.

دروازه های ‌منطقی TTL Schottky با حروف LS مشخص می‌شوند که در‌جایی از کد مدار دروازه منطقی آنها دیده می‌شود.

به عنوان مثال 74LS00

دیودهای اتصال PN با اتصال مواد نیمه هادی نوع p و n به یکدیگر اجازه می‌دهد تا از آن به عنوان وسیله ای برای تصحیح استفاده شود و ما دیدیم که هنگام پیشروی بایاس ، منطقه تخلیه تا حد زیادی کاهش می‌یابد و اجازه می دهد جریان از آن عبور کند در جهت رو به جلو ، و هنگامی که معکوس معکوس شود ، منطقه تخلیه افزایش می‌یابد و جریان جریان را مسدود می‌کند.

عمل بایاس اتصال pn با‌استفاده از ولتاژ خارجی برای جلو یا عقب بردن بایاس‌، به ترتیب مقاومت سد اتصال را کاهش می‌دهد یا افزایش می‌دهد.

بنابراین رابطه ولتاژ- جریان (منحنی مشخصه) یک دیود اتصال pn معمولی تحت تأثیر مقدار مقاومت محل اتصال قرار می‌گیرد.

به یاد داشته باشید که دیود اتصال pn یک دستگاه غیر خطی است.

بنابراین مقاومت DC آن هم با ولتاژ بایاس و هم با جریان از طریق آن متفاوت خواهد بود.

وقتی بایاس رو به جلو باشد‌، هدایت از طریق محل اتصال شروع نمی‌شود تا زمانی که ولتاژ بایاس خارجی به‌”ولتاژ زانو”‌برسد که در آن نقطه‌جریان به سرعت افزایش می‌یابد و برای دیودهای سیلیکون ولتاژ مورد نیاز برای‌هدایت رو به جلو مانند 0.65 تا 0.7 ولت است.

مشخصات دیود IV اتصال PN

برای دیودهای اتصال سیلیکونی ، این ولتاژ زانو می تواند بین 0.6 تا 0.9 ولت باشد ، بسته به نوع دوپ شده در هنگام ساخت ، و اینکه آیا دستگاه یک دیود سیگنال کوچک است یا یک دیود اصلاح کننده بسیار بزرگتر.

ولتاژ زانو برای یک دیود ژرمانیم استاندارد‌، با این‌وجود تقریباً 0.3‌ولت بسیار‌کمتر است‌، و این‌امر برای برنامه‌های سیگنال‌کوچک مناسب‌تر است.

اما نوع دیگری از دیود اصلاح کننده وجود دارد که دارای ولتاژ زانو کوچک و همچنین سرعت سوئیچینگ سریع به نام دیود مانع شاتکی یا به سادگی “دیود شاتکی” است.

دیودهای Schottky می توانند در بسیاری از برنامه های مشابه دیودهای اتصال pn استفاده شوند.

کاربردهای مختلفی دارند ، خصوصاً در منطق دیجیتال ، انرژی های تجدید پذیر و برنامه های خورشیدی.

دیود شاتکی

بر خلاف یک دیود اتصال pn معمولی که از یک قطعه ماده نوع P و یک قطعه ماده نوع N تشکیل شده است ، دیودهای Schottky با استفاده از یک الکترود فلزی متصل به یک نیمه هادی نوع N ساخته می شوند.

از آنجا که آنها با‌استفاده از یک ترکیب فلزی در‌یک طرف محل اتصال‌خود و سیلیکون دوپ‌شده در طرف‌دیگر ساخته شده‌اند.

بنابراین دیود Schottky هیچ لایه تخلیه ای ندارد و بر خلاف دیودهای اتصال pn معمولی که دستگاه های دو قطبی هستند ، به عنوان دستگاه های تک قطبی طبقه بندی می شوند.

متداول‌ترین فلز تماسی مورد استفاده برای ساخت دیود Schottky “سیلیسید” است که یک ترکیب سیلیکونی و فلزی بسیار رسانا است.

این تماس سیلیکون فلز-سیلیکون دارای مقاومت اهمی معقول پایینی است که باعث می شود جریان بیشتری جریان داشته باشد و هنگام ولتاژ افت ولتاژ کمتری در حدود Vƒ <0.4V ایجاد کند.

ترکیبات مختلف فلزی افت ولتاژ مختلف رو به جلو را ایجاد می‌کنند‌، به طور معمول بین 0.3 تا 0.5 ولت.

ساختار و نماد دیود شاتکی

در بالا ساختار ساده و نماد یک دیود شاتکی نشان داده شده است که در آن یک نیمه هادی سیلیکونی دوپ سبک دوپ با یک الکترود فلزی به هم متصل‌شده و آنچه را‌”اتصال فلز نیمه هادی” نامیده می‌شود‌، تولید می‌کند.

عرض محل اتصال ms به نوع ماده فلزی و نیمه هادی مورد استفاده بستگی خواهد داشت.

اما هنگامی‌که بایاس رو به جلو باشد‌، الکترون‌ها از ماده نوع n به الکترود فلزی منتقل‌می‌شوند و جریان‌را جریان می‌دهند.

بنابراین جریان از طریق دیود شاتکی نتیجه رانش حامل های اکثریت است.

از آنجا که هیچ ماده نیمه رسانایی از نوع p وجود ندارد و بنابراین حامل اقلیتی (سوراخ) وجود ندارد ، در صورت بایاس معکوس ، هدایت دیودها خیلی سریع متوقف می شود و به جریان مسدود کننده جریان تغییر می کند ، همانطور که برای یک دیود اتصال pn معمولی.

بنابراین برای یک دیود شاتکی واکنش بسیار سریعی به تغییرات بایاس و نشان دادن مشخصات دیود اصلاح کننده وجود دارد.

همانطور که قبلاً بحث شد:

ولتاژ زانو که در‌آن دیود شاتکی‌”روشن”‌می‌شود و شروع به هدایت می‌کند‌، در‌سطح ولتاژ بسیار‌پایین‌تر از معادل اتصال pn آن است.

همانطور که در مشخصات I-V زیر نشان داده شده است.

مشخصات دیود شاتکی IV

همانطور‌که می‌بینیم‌، شکل کلی مشخصات فلزی نیمه هادی دیود شاتکی IV بسیار شبیه به یک دیود اتصال pn استاندارد است.

به جز ولتاژ گوشه یا زانو که دیود اتصال MS شروع به هدایت آن می کند در حدود 0.4 ولت.

با توجه به این مقدار، جریان جلو یک دیود سیلیکونی شاتکی بسته به الکترود فلزی مورد استفاده می تواند چندین برابر بیشتر از یک دیود اتصال pn معمولی باشد.

به‌یاد داشته‌باشید که قانون اهم به ما می‌گوید که قدرت برابر است با ولت برابر آمپر‌،‌(P = V * I)

بنابراین افت ولتاژ کمتری برای یک جریان دیود مشخص‌، ID باعث اتلاف توان جلوتر به شکل گرما از طریق اتصال‌می‌شود.

این افت توان کم باعث می شود که دیود شاتکی در برنامه های کم ولتاژ و جریان بالا مانند:

• صفحات فتوولتائیک خورشیدی

که ولتاژ جلو (VF) از یک دیود اتصال pn استاندارد عبور می‌کند ، یک انتخاب گرمایش بیش از حد باشد.

با این‌حال‌، باید توجه‌داشت که جریان نشت معکوس‌،‌(IR) برای یک دیود شاتکی به‌طور‌کلی بسیار‌بیشتر از یک دیود اتصال pn است.

با این‌حال توجه‌داشته‌باشید که اگر‌منحنی ویژگی‌های I-V مشخصه غیر اصلاح‌کننده خطی‌تری را نشان دهد ، این یک تماس اهمیتی است.

از مخاطبین اهم برای اتصال ویفر و تراشه های نیمه هادی با پین های اتصال خارجی یا مدار سیستم استفاده‌می‌شود.

به عنوان مثال‌، اتصال ویفر نیمه هادی یک دروازه منطقی معمولی به پایه های بسته پلاستیکی آن در خط (DIL).

همچنین به دلیل ساخته شدن دیود شاتکی با اتصال فلز به نیمه هادی‌، گرانتر از دیودهای سیلیکونی اتصال pn استاندارد که دارای مشخصات ولتاژ و جریان مشابه هستند‌، کمی گران‌تر است.

به عنوان مثال ، سری 1.0 Ampere 1N58xx Schottky در مقایسه با سری 1N400x منظوره عمومی.

دیودهای شاتکی در منطق دروازه ها

دیود شاتکی همچنین در مدارهای دیجیتال کاربردهای زیادی دارد و به دلیل :

• پاسخ فرکانس بالاتر
• کاهش زمان سوئیچینگ
• و مصرف کم انرژی

در گیت ها و مدارهای دیجیتال منطق ترانزیستور – ترانزیستور (TTL) شواتکی کاربرد گسترده ای دارد.

در مواردی که به سوئیچینگ با سرعت بالا نیاز است ، TTL مبتنی بر Schottky انتخاب بدیهی است.

نسخه های مختلفی از Schottky TTL وجود دارد که همگی با سرعت متفاوت و مصرف برق متفاوت هستند.

سه سری منطقی اصلی TTL که از دیود Schottky در ساخت آن استفاده می شود به شرح زیر است:

Schottky Diode Clamped TTL (سری S) – سری Schottky “S” TTL (74SXX) یک نسخه بهبود یافته از دروازه ها و مدارهای منطقی TTL دیود ترانزیستور اصلی و ترانزیستور – ترانزیستور سری 74 است.

دیودهای شاتکی در سر محل‌اتصال پایه جمع‌کننده ترانزیستورهای سوئیچینگ قرار‌می‌گیرند تا از اشباع‌شدن‌آنها و ایجاد تاخیرهای انتشار اجازه‌کار سریعتر را‌بگیرند.

Low-Power Schottky (سری LS) – سرعت سوئیچینگ ترانزیستور‌، پایداری و اتلاف قدرت سری 74LSXX TTL نسبت به‌سری‌قبلی 74SXX بهتر است.

خانواده کم‌مصرف Schottky TTL و همچنین سرعت سوئیچینگ بالاتر‌، مصرف‌انرژی‌کمتری دارند و سری 74LSXX TTL را برای‌بسیاری از برنامه‌ها انتخاب‌خوبی‌می‌کند.

پیشرفته Schottky کم مصرف (سری ALS) – بهبودهای اضافی در مواد مورد استفاده برای ساخت اتصالات ms دیودها به این معنی است که سری 74LSXX نسبت به سری 74ALSXX و 74LS زمان تأخیر انتشار و اتلاف توان بسیار کمتری را کاهش داده است.

با این حال‌، سری ALS چون یک فناوری جدیدتر و ذاتاً طراحی پیچیده‌تری نسبت به TTL استاندارد است‌، کمی گرانتر‌است.

ترانزیستور گیره دار شاتکی

تمام دروازه‌ها و مدارهای‌قبلی TTL Schottky از یک ترانزیستور گیره‌ای شاتکی استفاده می‌کنند تا مانع از سختی اشباع‌شدن آنها شود.

همانطور که نشان داده شده است‌، ترانزیستور گیره ای شاتکی در اصل یک ترانزیستور اتصال دو قطبی استاندارد است .

که دیود شاتکی به طور موازی از محل اتصال پایه جمع کننده آن متصل است.

هنگامی که ترانزیستور به طور معمول در ناحیه فعال منحنی ویژگی های خود هدایت می شود‌،

اتصال پایه جمع کننده مغایرت معکوس دارد و بنابراین دیود مغرض معکوس است

و به ترانزیستور می تواند به عنوان ترانزیستور npn نرمال عمل کند.

با این وجود ، هنگامی که ترانزیستور شروع به اشباع می کند ، دیود Schottky بایاس به جلو سوق پیدا می کند و محل اتصال کلکتور را به مقدار زانوی 0.4 ولت خود می بندد ، و ترانزیستور را از اشباع سخت دور نگه می دارد زیرا هر جریان پایه اضافی از طریق دیود منتقل می شود.

جلوگیری از اشباع شدن ترانزیستورها توسط مدارهای منطقی‌، تاخیر در انتشار آنها بسیار کاهش می یابد

و باعث می‌شود مدارهای TTL Schottky برای استفاده در فلیپ فلاپ ها‌، اسیلاتورها و تراشه های حافظه ایده آل باشند.

خلاصه دیود شاتکی

ما در اینجا دیده ایم که دیود شاتکی که به آن دیود مانع شاتکی نیز گفته می شود ،

یک دیود نیمه هادی حالت جامد است که در آن یک الکترود فلزی و یک نیمه هادی نوع n ،

دیودهای اتصال MS دیودها را تشکیل می دهند و به آن دو مزیت عمده نسبت به دیودهای اتصال pn سنتی می دهند. ، سرعت تعویض بیشتر و ولتاژ بایاس کم به جلو.

اتصال فلز به نیمه هادی یا اتصال ms ولتاژ زانو بسیار کمتری از 0.3 تا 0.4 ولت را در

مقایسه با مقدار 0.6 تا 0.9 ولت در یک دیود اتصال pn-اتصال پایه سیلیکون برای همان‌مقدار جریان جلو فراهم می‌کند.

تغییرات در مواد فلزی و نیمه هادی مورد استفاده برای ساخت آنها به این معنی است ،

که دیودهای کاروتید سیلیکون (SiC) Schottky قادر به روشن کردن “ON” با افت ولتاژ جلوتر از 0.2 ولت هستند،

با دیود Schottky جایگزین دیود ژرمانیم کمتر استفاده‌شده در بسیاری از برنامه هایی که نیاز به ولتاژ پایین زانو دارند.

دیودهای شاتکی به سرعت در حال تبدیل شدن به دستگاه ترجیحی ترجیحی در برنامه های ولتاژ پایین و جریان زیاد برای استفاده در انرژی های تجدید پذیر و برنامه های صفحه خورشیدی هستند.

با این حال ، در مقایسه با معادل های اتصال pn جریان نشتی معکوس دیود Schottky بیشتر است .

پس ولتاژ شکست معکوس آنها در حدود 50 ولت کمتر است.

ولتاژ روشن کمتر ، زمان سوئیچینگ سریعتر و کاهش مصرف برق باعث می شود که دیود Schottky در بسیاری از برنامه های مدار مجتمع با سری 74LSXX TTL از دروازه های منطقی بسیار رایج باشد.

اتصالات نیمه هادی فلزی را می توان با رسوب الکترود فلزی در مناطق نیمه رسانای بسیار دوپ شده (و در نتیجه مقاومت کم) ، به عنوان “تماس های اهم” و همچنین دیودهای تصحیح کننده کار کرد.

کنتاکتهای اهم به طور مساوی جریان را در هر دو جهت هدایت می کنند.

به ویفرهای نیمه هادی و مدارها امکان اتصال یک اتصال به ترمینالهای خارجی را می دهند.