Диод Шоттки был создан немецким физиком, инженером Вальтером Шоттки в 30-х годах прошлого века. Им было замечено, что электрическое поле влияет на свободные электроны, тем самым заставляя их вылетать из зоны проводимости. Буквально, это выглядит как выход из твердого тела. Эта зависимость получила свое название в честь ее первооткрывателя, то есть самого Вальтера Шоттки. В научной литературе подобное явление называется эффектом Шоттки.
В зоне контакта это приводит к появлению слоя, который содержит малое количество электронов и имеет выраженные вентильные свойства. Спустя некоторое время, они стали использоваться в электротехнике, в создании различного оборудования. В статье подробно описаны все особенности строения диода, сфера его применения и как он используется. В дополнении, статья содержит видеоролик и научную статья по выбранной теме.
Металл и полупроводник: особенности контакта
В контактной области полупроводниковых и металлических материалов эффект Шоттки приводит к образованию в полупроводнике слоя, сильно обеднённого электронами. Он обладает вентильными свойствами, присущими полупроводниковому p-n-переходу. Эта зона представляет собой преграду для носителей заряда, поэтому данные радиокомпоненты часто называют диодами с барьером Шоттки.
Элементы отличаются от обычных полупроводниковых вентилей следующими качествами:
- пониженное падение напряжения при прямом смещении;
- незначительная собственная ёмкость;
- малый обратный ток;
- низкое допустимое обратное напряжение.
При прямом смещении разность потенциалов на диоде Шоттки не превышает 0,5 В, тогда как на обычном выпрямительном вентиле падение напряжения составляет около 2-3 В. Это объясняется небольшим сопротивлением переходного участка между полупроводником и металлом. В таблице ниже представлены характеристики диодов Шоттки. 
[stextbox id=’info’]Хорошие частотные характеристики диодов Шоттки обусловлены отсутствием в переходной зоне неосновных носителей заряда. Из-за этого в контактной области не протекают обычные для чисто полупроводникового p-n-перехода процессы диффузии и рекомбинации дырок и электронов. [/stextbox]
Следовательно, собственная ёмкость этого слоя стремится к нулю. Данное свойство делает диоды с барьером Шоттки предпочтительными для использования в высоко- и сверхвысокочастотных схемах, а также аппаратуре с импульсными режимами работы – всевозможных цифровых устройствах, системах управления электроникой и импульсных блоках питания.
Низковольтные диоды
Особенность диодов Шоттки состоит в том, что они являются низковольтными. Если приложенная разность потенциалов превышает некоторый допустимый уровень, то в соответствии с квантовыми законами происходит пробой, который в обычном полупроводниковом радиокомпоненте может быть туннельным, лавинным или тепловым. После первых двух диод восстанавливается и продолжает исправно работать. Тепловой пробой означает фатальную поломку.
Однако чувствительность этих радиокомпонентов не всегда является их недостатком. Например, благодаря этой характеристике диоды с барьером Шоттки используются в особо чувствительных гетеродинах, которые получают способность обрабатывать радиосигналы очень малой мощности.
Основные параметры:
- Максимальное постоянное обратное напряжение;
- Максимальное импульсное обратное напряжение;
- Максимальный (средний) прямой ток;
- Максимальный импульсный прямой ток;
- Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
- Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
- Максимальная рабочая частота диода;
- Время обратного восстановления;
- Общая емкость диода.
В диодах с барьером Шоттки пробой всегда бывает только тепловым. Такова особенность металло-полупроводникового перехода. При большом обратном смещении элемент выходит из строя и нуждается в замене. Этим, кстати, объясняется сильная чувствительность диодов Шоттки к статическому электричеству – при их монтаже и обслуживании радиоаппаратуры с этими элементами необходимо заземлять спецодежду и инструменты.
Производство диодов Шоттки
В качестве полупроводниковой составляющей используются стандартные материалы – кремний, германий и арсенид галлия. На них в процессе изготовления радиокомпонентов напыляются такие металлы, как золото, серебро, палладий, вольфрам. Именно эти элементы таблицы Менделеева обеспечивают достаточно высокий потенциальный барьер, определяющий функциональность диодов Шоттки. Германиевые радиокомпоненты показывают высокую устойчивость к изменению температурного режима, поэтому данный материал чаще кремния и арсенида галлия используется при производстве диодов для мощных схем питания. Зато кремниевые и галлиевые элементы демонстрируют лучшие частотные параметры.
Материал в тему: Что такое кондесатор
Диоды Шоттки в блоках питания
В системных блоках питания, диоды Шоттки используются для выпрямления тока каналов +3.3В и +5В, а, как известно, величина выходных токов этих каналов составляет десятки ампер, что приводит к необходимости очень серьезно относиться к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь. Решение этих вопросов способно значительно увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.
Итак, для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при переключении, в самых сильноточных каналах (+3.3В и +5В), где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используются диоды Шоттки. Применение диодов Шоттки в этих каналах обусловлено следующими соображениями:
- Диод Шоттки является практически безынерционным прибором с очень малым временем восстановления обратного сопротивления, что приводит к уменьшению обратного вторичного тока и к уменьшению броска тока через коллекторы силовых транзисторов первичной части в момент переключения диода. Это в значительной степени снижает нагрузку на силовые транзисторы, и, как результат, увеличивает надежность блока питания.
- Прямое падение напряжения на диоде Шоки также очень мало, что при величине тока 15–30 А обеспечивает значительный выигрыш в КПД.
Так как в современных блоках питания очень мощным становится и канал напряжения +12В, то применение диодов Шоттки в этом канале также дало бы значительный энергетический эффект, однако их применение в канале +12В нецелесообразно. Это связано с тем, что при обратном напряжении свыше 50В (а в канале +12В обратное напряжение может достигать величины и 60В) диоды Шоттки начинают плохо переключаться (слишком долго и при этом возникают значительные обратные токи утечки), что приводит к потере всех преимуществ их применения. Поэтому в канале +12В используются быстродействующие кремниевые импульсные диоды.
Хотя промышленностью сейчас выпускаются диоды Шоттки и с большим обратным напряжением, но их использование в блоках питания считается нецелесообразным по разным причинам, в том числе и экономического плана. Но в любых правилах имеются исключения, поэтому в отдельных блоках питания можно встретить диодные сборки Шоттки и в каналах +12В. В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки представляют собой, как правило, диодные сборки из двух диодов (диодные полумосты), что однозначно повышает технологичность и компактность блоков питания, а также улучшает условия охлаждения диодов. Использование отдельных диодов, а не диодных сборок, является сейчас показателем низкокачественного блока питания.
Проявление неисправностей диодов Шоттки
Как уже отмечалось, неисправность диодов Шоттки является одной из основных проблем современных блоков питания. Так по каким же предварительным признакам можно предположительно определить их неисправность? Таких признаков несколько. Во-первых, при пробоях и утечках вторичных выпрямительных диодов, как правило, срабатывает защита, и блок питания не запускается. Это может проявляться по-разному:
- При включении блока питания вентилятор «дергается», т. е. совершает несколько оборотов и останавливается; после этого выходные напряжения полностью отсутствуют, т. е. источник питания блокируется.
- После включения блока питания вентилятор «дергается» постоянно, на выходах блока питания можно наблюдать пульсации напряжения, т. е. защита срабатывает периодически, но блок питания при этом полностью не блокируется.
- Признаком неисправности диодов Шоттки является чрезвычайно сильный разогрев вторичного радиатора, на котором они установлены.
- Признаком утечки диодов Шоттки может являться самопроизвольное выключение блока питания, а значит и компьютера, при увеличении нагрузки (например, при запуске программ, обеспечивающих 100% загрузку процессора), а также невозможность запустить компьютер после «апгрейда», хотя мощность блока питания является достаточной.
Кроме того, необходимо осознавать, что в блоках питания с плохой и непродуманной схемотехникой, утечки выпрямительных диодов приводят к перегрузкам первичной цепи и к всплескам тока через силовые транзисторы, что может стать причиной их отказа. Таким образом, профессиональный подход к ремонту блоков питания, диктует обязательную проверку вторичных выпрямительных диодов при каждой замене силовых транзисторов-ключей первичной части блока питания.
Материал по теме: Что такое реле времени
Диагностика диодов Шоттки
Проверка и точная диагностика диодов Шоттки, на практике, является достаточно непростым делом, т. к. многое здесь определяется типом используемого измерительного прибора и опытом подобных измерений, хотя определить обычный пробой одного или двух диодов диодной сборки Шоттки не составляет особого труда. Для этого необходимо выпаять диодную сборку и проверить тестером оба диода согласно схеме на рис. 5. При подобной диагностике тестер необходимо установить в режим проверки диодов. Неисправный диод в обоих направлениях покажет одинаковое сопротивление (как правило, очень малое, т. е. покажет короткое замыкание), что и указывает на его непригодность для дальнейшего использования. Однако явные пробои диодных сборок в практике встречаются очень и очень редко.
[stextbox id=’info’]В основном же, приходится иметь дело с утечками (причем зачастую с тепловыми утечками) диодов Шоттки. А вот утечки, выявить таким способом невозможно. «Утекающий» диод при проверках тестером в режиме «диод» является в подавляющем большинстве случаев полностью исправным. Гарантированную точность диагностики, на наш взгляд, позволяет дать только такой метод, как замена диода на заведомо исправный аналогичный прибор.[/stextbox]
Но все-таки, выявить «подозрительный» диод можно попытаться с помощью методики, заключающейся в измерении сопротивления его обратного перехода. Для этого будем пользоваться не режимом проверки диодов, а обычным омметром.
Внимание! При использовании этой методики следует помнить, что разные тестеры могут давать отличающиеся показания, что объясняется различием самих тестеров.
Итак, устанавливаем предел измерений на значение [20К] и измеряем обратное сопротивление диода (рис. 6). Как показывает практика, исправные диоды на этом пределе измерений должны показывать бесконечно большое сопротивление.
Если же при измерении выявляется некоторое, как правило, небольшое сопротивление (2–10 КОм), то такой диод можно считать «очень подозрительным» и его лучше заменить, или хотя бы проверить методом замены. Если же проводить проверку на пределе измерений [200К], то даже исправные диоды могут показывать в обратном направлении очень небольшое сопротивление (единицы и десятки кОм), поэтому и рекомендуется использовать предел [20К]. Естественно, что на больших пределах измерений (2 Мом, 20 Мом и т. д.) даже абсолютно исправный диод оказывается полностью открытым, т. к. его p-n переходу прикладывается слишком высокое (для диодов Шоттки) обратное напряжение. На пределе [200К] можно проводить проверку сравнительным методом, т. е. брать гарантированно-исправный диод, измерять его обратное сопротивление и сравнивать с сопротивлением проверяемого диода. Значительные отличия в этих измерениях будут указывать на необходимость замены диодной сборки.
Иногда встречаются ситуации, когда выходит из строя только один из диодов сборки. В этом случае неисправность также легко выявляется методом сравнения обратного сопротивления двух диодов одной сборки. Диоды одной сборки должны иметь одинаковое сопротивление. Предложенную методику можно дополнить еще и проверкой на термическую устойчивость. Суть этой проверки заключается в следующем. В тот момент времени, когда проверяется сопротивление обратного перехода на пределе измерений [20K] (см. предыдущий абзац), необходимо коснуться разогретым паяльником контактов диодной сборки, обеспечивая тем самым прогрев ее кристалла.
Неисправная диодная сборка практически мгновенно начинает «плыть», т. е. ее обратное сопротивление начинает очень быстро уменьшаться, в то время как исправная диодная сборка достаточно долго удерживает обратное сопротивление на бесконечно большом значении. Эта проверка очень важна, т. к. при работе диодная сборка сильно нагревается (не зря же ее размещают на радиаторе) и вследствие нагрева изменяет свои характеристики. Рассмотренная методика обеспечивает проверку устойчивости характеристик диодов Шоттки к температурным колебаниям, ведь увеличение температуры корпуса до 100 или 125°C увеличивает значение обратного тока утечки в сто раз (см. данные табл. 1).
Вот так можно попытаться проверить диод Шоттки, однако предложенными методиками не стоит злоупотреблять, т. е. не следует проводить проверки на слишком большом пределе измерений сопротивления и слишком сильно разогревать диод, т. к. теоретически, все это может привести к повреждению диода.
Кроме того, из-за возможности отказа диодов Шоттки под действием температуры, необходимо строго соблюдать все рекомендуемые условия пайки (температурный режим и время пайки). Хотя надо отдать должное производителям диодов, так как многие из них добились того, что монтаж сборок можно осуществлять при высокой температуре 250 °C в течение 10 секунд.
Заключение
В статье описаны все аспекты работы и устройства диода Шоттки. Еще больше информации можно найти в статье Устройство высоковольтных диодов Шоттки. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.xprt.ru
www.eandc.ru
www.texnic.ru
Следующая
