دیود شاتکی، که بعضی مواقع به عنوان دیود مانع یا دیود حامل داغ نیز شناخته می شود، یک نیمه رسانای فلزی است که کار آن سوئیچینگ سریع همراه با افت ولتاژ رو به جلو پایین، با یک افت ولتاژ کوچک در سر تا سر پایانه ها در هنگام عبور جریان از دیود است. در جایی که افت ولتاژ یک دیود استاندارد بین 0.6 تا 1.7 ولت است، افت ولتاژ دیود شاتکی بین 0.15 تا 0.45 ولت است. بر اثر این افت ولتاژ پایین، سرعت سوئیچینگ بالا می رود و راندمان سیستم افزایش پیدا می کند.
فهرست مطالب
دیود شاتکی چیست؟
یکی از کاربردی ترین قطعات الکترونیکی که به افتخار مخترع آن، فیزیکدان آلمانی “والتر اچ. شاتکی” نامیده شده است، دیودهای شاتکی می باشد. این قطعه نام های دیگری مانند دیود مانع سطحی، دیود مانع شاتکی، حامل داغ یا دیود الکترونی داغ نیز دارد.
این قطعه الکترونیکی یک دیود نیمه هادی فلزی است که سرعت سوئیچینگ بسیار بالا و افت ولتاژ کمی دارد که می‌تواند در انواع کاربردهای شکل دهی، سوئیچینگ و یکسو سازی موج, مانند هر دیود پیوندی دیگری استفاده شود.
نماد دیود شاتکی
نماد این قطعه بر اساس نماد دیود معمولی است، اما به جای داشتن یک خط مستقیم، ساختاری مانند S در انتهای منفی قطعه دارد که در تصویر زیر نشان داده شده است. این نماد شماتیک به راحتی می تواند برای تشخیص دیود شاتکی از سایر دیودها هنگام خواندن نمودار مدار استفاده شود.
حتی از نظر ظاهر فیزیکی قطعه، دیود شاتکی شبیه به دیودهای معمولی به نظر می رسد و اغلب اوقات تشخیص تفاوت بدون خواندن پارت نامبر روی آن دشوار است. البته به طور معمول یک دیود شاتکی نسبت به دیودهای معمولی کمی حجیم تر به نظر می رسد، اما همیشه هم اینطور نیست. تصویر پین اوت دیود شاتکی در زیر نشان داده شده است.
ساختار دیود شاتکی
این دیودها با استفاده از اتصال فلز-نیمه هادی همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است ساخته می شوند. دیودهای شاتکی دارای یک ترکیب فلزی در یک طرف اتصال و سیلیکون دوپ شده در طرف دیگر هستند، بنابراین این دیود لایه تخلیه ندارد. با توجه به این ویژگی، دیودهای شاتکی بر خلاف دیودهای معمولی PN-junction که دستگاه های دو قطبی هستند، به عنوان دستگاه های تک قطبی شناخته می شوند.
ساختار اصلی یک دیود شاتکی در تصویر بالا نشان داده شده است. همانطور که در تصویر می بینید این قطعه دارای یک ترکیب فلزی در یک طرف است که می تواند از پلاتین تا تنگستن، مولیبدن، طلا و غیره و یک نیمه هادی نوع N در سمت دیگر باشد. هنگامی که ترکیب فلزی و نیمه هادی نوع N با هم ترکیب می شوند، یک اتصال فلز-نیمه هادی ایجاد می کنند. این تقاطع به عنوان سد شاتکی (Schottky barrier) شناخته می شود و عرض آن به نوع فلز و مواد نیمه هادی بستگی دارد که در تشکیل اتصال استفاده می شود.
سد شاتکی در حالت بدون بایاس، بایاس رو به جلو یا بایاس معکوس، متفاوت عمل می کند. در حالت بایاس رو به جلو، زمانی که ترمینال مثبت باتری به فلز و ترمینال منفی به نیمه هادی نوع n متصل است، دیود شاتکی عبور جریان را امکان پذیر می کند. اما در حالت بایاس معکوس هنگامی که ترمینال مثبت باتری با نیمه هادی نوع n و ترمینال منفی با فلز متصل می شود، دیود شاتکی عبور جریان را مسدود می کند. با این حال، اگر ولتاژ بایاس معکوس بالاتر از یک سطح خاص افزایش یابد، سد را می شکند و جریان در جهت معکوس شروع به عبور می کند و این می تواند به اجزای متصل به دیود آسیب برساند.
عمکلرد دیود شاتکی
دیودهای شاتکی برای ولتاژ روشن شدن کم، زمان بازیابی سریع و انرژی کم تلفات در فرکانس‌های بالاتر استفاده می‌شوند. این ویژگی ها دیودهای شاتکی را قادر می سازد تا با تسهیل انتقال سریع از حالت رسانا به حالت مسدود، جریان را اصلاح کنند.
شاتکی بدون بایاس
الکترون های آزاد موجود در نیمه هادی نوع n از نیمه هادی نوع n به فلز در طول ترکیب بین فلز و نیمه هادی نوع n حرکت می کنند. این منجر به تولید حالت تعادل می شود. هنگامی که الکترون های آزاد در سراسر محل اتصال حرکت می کنند، یک الکترون اضافی برای اتم های موجود در اتم فراهم می کند.
به همین دلیل، اتم های موجود در اتصال فلزی یک الکترون اضافی دریافت می کنند. اتم ها در محل اتصال طرف منفی الکترون ها را از دست می دهند و به یون های مثبت تبدیل می شوند. در اتصال فلزی، اتم ها الکترون های اضافی به دست می آورند و سعی می کنند به یون های منفی تبدیل شوند.
از این رو، این امر منجر به تولید یون های مثبت در سمت منفی و یون های منفی در سمت مثبت در محل اتصال فلز می شود. زمانی که این یون های مثبت و منفی با هم جمع شوند، منطقه تخلیه تشکیل می شود. در دیود شاتکی بدون بایاس، تنها تعداد کمتری الکترون از نیمه هادی به فلز جریان می یابد. دیگر جریان الکترون به دلیل ولتاژ داخلی متوقف می شود.
شاتکی بایاس رو به جلو
در نیمه هادی نوع n زمانی که ترمینال مثبت باتری به فلز و ترمینال منفی به هادی نوع n متصل است، دیود شاتکی بایاس رو به جلو نامیده می شود. در دیود، هنگامی که ولتاژ بایاس رو به جلو اعمال می شود، الکترون های بیشتری در فلز و هادی تشکیل می شود.
هنگامی که ولتاژی بیشتر از 0.2 ولت اعمال می شود، الکترون های آزاد نمی توانند از طریق مانع اتصال حرکت کنند. با توجه به این جریان از دیود عبور می کند. هنگامی که مقدار ولتاژ افزایش می یابد، منطقه تخلیه نازک می شود و ناپدید می شود.
شاتکی بایاس معکوس
در نیمه هادی نوع n اگر پایانه منفی باتری به فلز و ترمینال مثبت به هادی نوع n متصل شود، دیود شاتکی بایاس معکوس نامیده می شود. در همان زمان، اگر یک ولتاژ بایاس معکوس اعمال شود، عرض منطقه تخلیه افزایش می یابد؛ بنابراین، جریان متوقف می شود.
در صفحه فلزی تعداد بیشتری از الکترون های برانگیخته وجود خواهد داشت. به همین دلیل جریان نشتی کمی وجود خواهد داشت. هنگامی که ولتاژ بایاس معکوس بیشتر افزایش می یابد، جریان نیز به دلیل مانع ضعیف افزایش می یابد. هنگامی که افزایش غیر طبیعی در ولتاژ بایاس اتفاق می افتد، جریان الکتریکی نیز به طور ناگهانی افزایش می یابد و زمانی که منطقه تخلیه خراب شود، دستگاه آسیب می بیند.
بنابراین، دیودهای شاتکی اغلب یک انتخاب ایده آل برای دستگاه های نیمه هادی در بسیاری از کاربردها هستند.
کاربرد دیود های شاتکی
در بررسی کاربرد دیود شاتکی به پنج مورد از رایج ترین موارد اشاره می کنیم.
- کاربردهای میکسر فرکانس رادیویی و دیود آشکار ساز
این نوع دیودها دارای سرعت سوئیچینگ بالا و قابلیت فرکانس بالا هستند که آنها را برای استفاده در کاربردهای فرکانس رادیویی مجهز می کند. علاوه بر این، این دیودها دارای پیکربندی های مختلف اتصال فلز-نیمه هادی هستند که این دستگاه های نیمه هادی را در مدارهای آشکار ساز قدرت یا میکسر مفید می کند.
- کاربرد های یکسو کننده (رکتیفایر)
دیودهای شاتکی بهترین دستگاه های نیمه هادی برای استفاده در کاربردهای یکسو کننده هستند، زیرا این دستگاه ها برخلاف ویژگی های دستگاه های اتصال PN معمولی، هم چگالی جریان بالا و هم افت ولتاژ رو به جلو پایین دارند. این مزایا به سطوح گرمای پایین‌تر، هیت سینک های کوچک تر موجود در طراحی و افزایش کارایی کلی سیستم الکترونیکی کمک می‌کند.
- کاربرد های برقی یا مدار
دیودهای شاتکی را می توان در جاهایی استفاده کرد که در آن جریان توسط دو منبع تغذیه موازی تولید می شود. ویژگی های دیود شاتکی باعث می شود که به دلیل افت ولتاژ رو به جلو کم آنها برای استفاده در برق یا مدار کاربرد مناسبی داشته باشند. وجود این دیودها همچنین از ورود جریان معکوس از یک منبع به منبع دیگر جلوگیری می کند.
- کاربرد های سلول خورشیدی
سلول های خورشیدی اغلب برای ذخیره انرژی به باتری های قابل شارژ متصل می شوند زیرا خورشید به عنوان منبع انرژی 24 ساعته در دسترس نیست. دیودهای شاتکی کاربید سیلیکون از تخلیه باتری ها از طریق سلول های خورشیدی در شب جلوگیری می کنند و از تخلیه سلول های خورشیدی با کارایی بالا از سلول های خورشیدی با عملکرد پایین جلوگیری می کنند.
- کاربرد های دیود کلمپ
دیودهای شاتکی به عنوان سوئیچ در کاربردهای دیود های کلمپ استفاده می شود. در این کاربرد، اتصال پایه به سمت جلو بایاس است. با این دیودها زمان خاموشی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و سرعت مدار افزایش می یابد.
ویژگی های شاتکی
ویژگی های دیود شاتکی عمدتاً شامل موارد زیر است:
- راندمان بالاتر
- افت ولتاژ رو به جلو پایین
- ظرفیت کم
- پکیج SMD فوق العاده کوچک
- حلقه محافظ یکپارچه برای محافظت در برابر استرس
مزایای استفاده از دیود شاتکی
دیودهای شاتکی کاربرد های متنوعی دارد که در مقایسه با دیگر انواع دیودها، ممکن است سایر دیودها عملکرد خوبی نداشته باشند؛ برخی از این کاربرد ها عبارت اند از میکسرهای RF، دیود آشکارساز، سلول خورشیدی، دستگاه های گیره ولتاژ و … . در ادامه به مزیت استفاده از دیود شاتکی اشاره شده است:
- ولتاژ قطع بسیار پایینی در حدود 0.3 ولت دارد.
- سرعت سوییچینگ بالایی دارند
- مصرف برق بیسیار کمی دارد.
- واکنش بسیار سریعی به تغییر بایاس دارد.
- به دیود ایده آل نزدیکتر است.
- زمان ذخیره سازی ناچیزی دارد.
معایب دیود شاتکی
- دیود شاتکی در مقایسه با سایر دیودها نسبتاً گران است.
- در مقایسه با دیود اتصال P-N در ولتاژ پایین کار می کنند.
- نمی توانند ولتاژ بسیار بالایی را بدون خرابی تحمل کنند.
- جریان معکوس نسبتاً بالاتری دارند.
- در عمل به سرعت گرم می شود.
پارامترهای مهم در انتخاب دیود شاتکی
با توجه به اهداف پروژه، می توانید قطعات الکترونیکی مورد نیاز را انتخاب کند. برای طرح های یکسوسازی، دیودهای با ولتاژ بالا، جریان کم/متوسط و فرکانس پایین مورد نیاز است. برای طرح های سوئیچینگ، درجه فرکانس دیود باید بالا باشد. برخی از پارامترهای رایج و مهم که باید در نظر داشته باشید در زیر ذکر شده است:
- افت ولتاژ رو به جلو
ولتاژی که برای روشن کردن دیود بایاس رو به جلو کاهش می یابد، افت ولتاژ رو به جلو است. با توجه به دیودهای مختلف متفاوت است. برای دیود شاتکی معمولاً ولتاژ روشن شدن حدود 0.2 ولت در نظر گرفته می شود.
- ولتاژ شکست معکوس
مقدار خاصی از ولتاژ بایاس معکوس که پس از آن دیود شکسته می شود و شروع به هدایت در جهت معکوس می کند، ولتاژ شکست معکوس نامیده می شود. ولتاژ شکست معکوس برای دیود شاتکی حدود 50 ولت است.
- زمان بازیابی معکوس
مدت زمانی است که دیود از حالت هدایت جلو یا حالت “روشن” به حالت “خاموش” معکوس می گذرد. مهم ترین تفاوت بین دیود PN-junction معمولی و دیود شاتکی زمان بازیابی معکوس است. در یک دیود اتصال PN معمولی زمان بازیابی معکوس می تواند از چند میکروثانیه تا 100 نانوثانیه متغیر باشد. دیودهای شاتکی زمان بازیابی ندارند، زیرا این نوع دیود، منطقه تخلیه در محل اتصال ندارد.
- جریان نشتی معکوس
جریانی که از یک دستگاه نیمه هادی در بایاس معکوس هدایت می شود، جریان نشتی معکوس است. در دیود شاتکی افزایش دما، جریان نشتی معکوس را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
