Електротехніка та радіоелектроніка рясніють багатьма поняттями, одним з яких є діод Шоттки, що використовується в численних схемах електроланцюгів. Багато хто задається питаннями про те, що таке діод Шоттки, як він позначається на схемах, а також який принцип роботи діода Шоттки.
Діод Шоттки – діодний напівпровідниковий виріб, який при прямолінійному включенні до ланцюга видає малий показник зменшення напруги. Складається цей елемент з металу та напівпровідника. Названий діод на честь відомого німецького фізика-випробувача В. Шоттки, який у 38 році 20 століття винайшов його.
У промисловості застосовується такий діод з обмеженою зворотною напругою - до 250 В, але на практиці в побутових цілях для запобігання руху струму в протилежний бік застосовуються переважно низьковольтні варіанти - 3-10В.
Діоди Шоттки можна розділити на 3 класи за потужністю:
Діод з бар'єром Шоттки (точніше найменування виробу) складається з провідника, для контакту з яким використовується метал, кільця захисту та пасивації склом.
У той момент, коли по електроланцюзі проходить струм, у різних ділянках корпусу по всій області напівпровідникового бар'єру та на захисному кільці збираються негативні та позитивні заряди, що призводить до виникнення електрополя та виділення теплової енергії – це великий плюс діода для багатьох фізичних дослідів.
Діодні зборки цього типу можуть випускатися у кількох варіаціях:
Технічні характеристики популярних модифікацій діодів Шоттки
| Найменування | Гранична зворотна пікова напруга | Граничний випрямний електрострум | Піковий прямий електрострум | Граничний зворотний електрострум | Гранична пряма напруга | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Од. вимірювання | У | А | оС | А | µА | У |
| 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 |
Діоди Шоттки відрізняються від інших діодних виробів тим, що мають перешкоду у вигляді переходу - напівпровідник-метал, що характеризується односторонньою електропровідністю. Металом можуть виступати кремній, арсенід галію, рідше можуть використовуватися з'єднання германію, вольфраму, золота, платини та інші.
Робота цього електронного компонента повністю залежатиме від вибраного металу. Найчастіше в таких конструкціях зустрічається кремній, оскільки відрізняється більшою надійністю та відмінними робочими характеристиками на високих потужностях. Можуть також використовуватися сполуки галію та миш'яку, германію. Виробнича технологія цього електронного виробу є простою, що обумовлює його низьку вартість.
Виріб Шоттки характеризується стабільнішим функціонуванням при подачі електроструму, ніж інші типи напівпровідникових діодів. Досягається це завдяки тому, що у його корпус впроваджуються спеціальні кристалічні освіти.
Вищеописані діоди мають деякі переваги, які полягають у наступному:
Найбільш істотним недоліком компонента є величезний зворотний струм, що навіть при стрибку цього показника в кілька одиниць призводить до виходу діода з ладу.
Зверніть увагу!При експлуатації електроелементу Шоттки в ланцюгах з потужним електрострумом при несприятливих умовах теплового обміну відбувається теплопробою.
Діод Шоттки на електросхемах позначається практично так само, як і звичайні напівпровідники, але з деякими особливостями.
На схемах можуть зустрічатися і здвоєні варіанти діода Шоттки. Є такою конструкцією два з'єднані діоди в загальному корпусі, що мають спаяні катоди або аноди, що веде до утворення трьох висновків.
Маркування таких елементів проставляється збоку як букв і символів. Кожен виробник здійснює маркування своїх виробів по-своєму, але виконуючи певні міжнародні стандарти.
Важливо!Якщо буквено-цифірне позначення на корпусі діода не зрозуміло, рекомендується дивитися розшифровку в радіотехнічному довіднику.
Застосування діодних конструкцій з бар'єром Шоттки можна зустріти у багатьох приладах та електротехнічних структурах. Найчастіше вони застосовуються на електросхемах у наступній техніці:
Така широка сфера застосування пов'язана з тим, що такий електротехнічний елемент збільшує багаторазово ефективність і працездатність кінцевого виробу, відновлює зворотний опір електроструму, зберігає його в електромережі, знижує чисельність втрат динаміки електронапруги, а також вбирає досить багато різного типу випромінювань.
Перевірити справність електроелементу Шоттки нескладно, проте для цього буде потрібно деякий час. Для діагностики несправностей необхідно зробити наступне:
Важливо!При проведенні перевірочних заходів мультиметром, слід враховувати електрострум, який зазвичай вказаний збоку виробу.
Підсумком цих простих дій стане встановлення технічного стану напівпровідника. Несправним же діод може стати з таких причин:
Варто зазначити, що за таких подій не буде видно ні диму, ні запаху гару, відповідно, перевіряти потрібно всі діоди, а найкраще звернутися до спеціалізованих майстерень.
Діод Шоттки – простий і невибагливий, але в той же час вкрай необхідний елемент у сучасній електроніці, оскільки завдяки йому вдається забезпечити безперебійну роботу багатьох приладів та технічних виробів.
Діод напівпровідниковий, що застосовує у принципі своєї роботи бар'єрний ефект, носить ім'я німецького вченого, який його описав – Вальтера Шоттки.
Важливо!Бар'єрний ефект – серйозний вплив загального об'ємного заряду в розвитку розряду у проміжку з різко нерівномірним полем.
Додаткова інформація.Що таке діод – електронний елемент, що має неоднакову можливість проводити електричний струм, залежно від його напрямку.
Від класичного вигляду вентиль Шоттки відрізняється тим, що основу його роботи складає пара напівпровідник-метал. Найчастіше ця пара згадується як бар'єр Шоттка. Цей бар'єр, крім схожої з p-n переходом здатності проводити електрику в один бік, має кілька корисних особливостей.
Арсенід галію та кремній – основні постачальники матеріалу для виробництва електронного елемента у промислових умовах. У рідкісних випадках використовують дорогоцінні хімічні елементи: платина, паладій та подібні.
Його графічне умовне вираження електричних схемах не збігається з класичними діодами. Маркування електронних елементів схоже. Також зустрічаються подвійні діоди у вигляді збирання.
Важливо!Подвійний діод – це пара діодів, поєднаних у загальному обсязі.
У здвоєних вентилів виходи катодів чи анодів поєднані. Звідси випливає, що такий виріб має три кінці. Складання із загальним катодом, наприклад, працюють там, де потрібні імпульсні блоки живлення. Діоди Шоттки із загальним анодом використовуються значно рідше.
Діоди знаходяться в єдиному корпусі і використовують для виготовлення однієї технології виробництва, тому за набором своїх параметрів вони як близнюки-брати. Температура роботи вони теж однакова, т.к. перебувають у загальному просторі. Ця властивість значно зменшує необхідність їх заміни через втрату працездатності.
Найважливіші відмінні властивості вентилів, що розглядаються, - це незначне пряме падіння напруги (до 0,4 В) в момент переходу і високий час спрацьовування.
Однак згадана величина падіння напруги має вузький діапазон прикладеної напруги – не більше 60 В. І сама ця величина мала, що задає досить вузький спектр застосування даних діодів. Якщо напруга перевищить вказану величину, бар'єрний ефект зникає, і діод починає працювати як звичайного випрямного діода. Зворотна напруга для більшості з них не виходить за рамки 250, проте існують зразки з величиною зворотної напруги 1,2 кВ.
При проектуванні електричних схем проектувальники часто на важливих схемах діод Шоттки не виділяють графічно, однак у специфікації до замовлення вказують на його використання, прописуючи в типі. Тому при замовленні обладнання на це потрібно звертати пильну увагу.
З незручностей у роботі з вентилями з бар'єром Шоттки необхідно відзначити їхню надзвичайну «ніжність» і нетерпимість до найменшого, навіть дуже короткого за часом перевищення номіналу зворотної напруги. У цьому випадку вони просто виходять з ладу і більше не відновлюються, що в порівнянні з кремнієвими діодами не йде їм на користь, т.к. останні мають властивість самовідновлення, після чого можуть продовжувати працювати у звичайному режимі, не вимагаючи заміни. Також не можна забувати, що зворотний струм критично залежить від градуса переходу. З появою значного значення зворотного струму, пробою не уникнути.
Підвищена робоча частота внаслідок незначної ємності перехідних процесів та короткого періоду відновлення через серйозну швидкодію – ті позитивні властивості, що дозволяють використовувати дані діоди, наприклад, радіоаматорам. Також застосовують їх на частотах, що досягають кількох сотень кГц, наприклад, імпульсних випрямлячах. Велика кількість вироблених діодів витрачається для використання в мікроелектроніці. Сучасний рівень розвитку науки і промисловості дозволяє використовувати у процесі виготовлення вентилів із бар'єром Шоттки нано технології. Створені таким чином вентилі застосовують для шунтування транзисторів. Це рішення серйозно підвищує спрацювання останніх.
У комп'ютерних блоках живлення часто-густо розташовані вентилі Шоттки. П'ятивольтова напруга забезпечує серйозний струм у десятки амперів, що для низьковольтних систем живлення є рекордом. Для цих блоків живлення застосовують вентилі Шоттки. В основному використовуються здвоєні діоди з єдиним катодом. Жоден якісний сучасний блок живлення комп'ютерів не обходиться без такої збірки.
Діагноз.«Перегорілий» блок живлення електронного пристрою найчастіше означає необхідність заміни згорілої збірки Шоттки. Причини несправності лише дві: збільшений струм витоку та електричний пробій. При настанні описаних станів електричне живлення комп'ютер перестає подаватися. Захисні механізми спрацювали. Розглянемо як це відбувається.
Напруга на вході комп'ютера відсутня на постійній основі. Блок живлення повністю заблокований вшитим у комп'ютер захистом.
Буває «незрозуміла» ситуація: вентилятор охолодження починає працювати, то характерний шум зникає. Це означає, що напруга на вході комп'ютера (виході блоку живлення) то з'являється, то зникає. Тобто. захист відпрацьовує періодичні помилки, але блокувати повністю джерело не поспішає. З'явився неприємний запах від гарячого блоку? Діодний блок точно потребує заміни. Ще один спосіб домашньої діагностики: при великому навантаженні центрального процесора блок живлення відключився сам по собі. Це ознака витоку.
Після ремонту блоку живлення, пов'язаного із заміною здвоєних діодів Шоттки, необхідно «продзвонити» і транзистори. При зворотній процедурі діоди також потребують перевірки. Особливо це правило актуально, якщо причиною ремонту став витік.
Побутовий мультиметр добре справляється із завданням перевірки будь-якого виду діодів із бар'єром Шоттки. Спосіб перевірки дуже схожий на перевірку рядового діода. Проте є свої секрети. Електронний елемент із витоком особливо важко піддається коректній перевірці. По-перше, діодне складання необхідно витягти зі схеми. Для цього знадобиться паяльник. Якщо діод пробитий, то опір, близький до нуля, у всіх можливих режимах роботи підкаже про його непрацездатність. За фізичними процесами це нагадує замикання.
«Витік» діагностується складніше. Найпоширеніший мультиметр для населення – dt-830, в більшості випадків вимірів у положенні "діод" не побачить проблему. При переведенні регулятора в положення "омметр" омічний опір піде в нескінченність. Також пристрій не повинен показувати наявність Омічного опору. Інакше потрібна заміна.
Діоди Шоттки поширені в електриці та радіоелектроніці. Область їх використання широка, аж до приймачів альфа-випромінювання та різних космічних апаратів.
Діоди Шоттки або точніше - діоди з бар'єром Шоттки - це напівпровідникові прилади, виконані на базі контакту метал-напівпровідник, тоді як у звичайних діодах використовується напівпровідниковий p-n-перехід.
Діод Шоттки зобов'язаний своєю назвою та появою в електроніці німецькому фізику винахіднику Вальтеру Шоттки, який у 1938 році, вивчаючи щойно відкритий бар'єрний ефект, підтвердив висунуту раніше теорію, згідно з якою хоч емісії електронів з металу і перешкоджає потенційному бар'єру, але в міру збільшення прикладів. електричного поля цей бар'єр знижуватиметься. Вальтер Шотткі відкрив цей ефект, який потім назвали ефектом Шоттки, на честь вченого.
Досліджуючи контакт металу та напівпровідника можна бачити, що якщо поблизу поверхні напівпровідника є область збіднена основними носіями заряду, то в області контакту цього напівпровідника з металом з боку напівпровідника утворюється область просторового заряду іонізованих акцепторів і донорів, при цьому реалізується блокуючий контакт - цей бар'єр . За яких умов виникає цей бар'єр? Струм термоелектронної емісії з поверхні твердого тіла визначає рівняння Річардсона:
Створимо умови, коли при контакті напівпровідника, наприклад n-типу, з металом термодинамічна робота виходу електронів з металу була б більшою, ніж термодинамічна робота виходу електронів з напівпровідника. У таких умовах, відповідно до рівняння Річардсона, струм термоелектронної емісії з поверхні напівпровідника виявиться більшим, ніж струм термоелектронної емісії з поверхні металу:
У початковий момент часу, при контакті названих матеріалів, струм від напівпровідника в метал перевищить зворотний струм (з металу в напівпровідник), в результаті чого в приповерхневих областях як напівпровідника, так і металу - накопичуватимуться об'ємні заряди - позитивні в напівпровіднику і негативні - в метал. У контактній області виникне електричне поле, утворене цими зарядами, і буде вигин енергетичних зон.
Під дією поля термодинамічна робота виходу для напівпровідника зросте, і зростання відбуватиметься до тих пір, поки в контактній області не зрівняються термодинамічні роботи виходу, і відповідні струми термоелектронної емісії стосовно поверхні.
Картина початку рівноважного стану з формуванням потенційного бар'єру для напівпровідника p-типу і металу аналогічна розглянутому прикладу з напівпровідником n-типу і металу. Роль зовнішньої напруги – регулювання висоти потенційного бар'єру та напруженості електричного поля в області просторового заряду напівпровідника.
На малюнку вище представлені зонні діаграми різних етапів формування бар'єру Шоттка. У разі рівноваги у сфері контакту струми термоелектронної емісії вирівнялися, внаслідок ефекту поля виник потенційний бар'єр, висота якого дорівнює різниці термодинамічних робіт виходу: φк = ФМе - Фп/п.
Під час складання блоків живлення та перетворювачів напруги для автомобільних підсилювачів часто виникає проблема з випрямленням струму з трансформатора. Роздобути потужні імпульсні діоди досить серйозна проблема, тому вирішив надрукувати статтю, в якій наводиться повний перелік та парметри потужних діодів Шоттки. Якийсь час тому особисто у мене виникла проблема з випрямлячем перетворювача для авто підсилювача. Перетворювач досить потужний (500-600 Вт), частота вихідної напруги 60кГц, будь-який поширений діод, який можна знайти в старому мотлоху, відразу згорить, як сірник. Єдиним доступним варіантом на той час були вітчизняні КД213А. Діоди досить хороші, тримають до 10 Ампер, робоча частота в межах 100кГц, але вони під навантаженням страшно перегрівалися.
Насправді потужні діоди можна знайти майже в кожного. Комп'ютерний БП є, який живить цілий комп'ютер. Як правило їх роблять із потужністю від 200 ват до 1кВт і більше, а оскільки комп'ютер живиться від , значить у блоці живлення повинен бути випрямляч. У сучасних блоках живлення для випрямлення напруги використовують потужні діодні зборки Шоттки - саме у них мінімальний спад напруги на переході та можливість роботи в імпульсних схемах, де робоча частота набагато вища за мережні 50 Герц. Нещодавно на халяву принесли кілька блоків живлення, звідки і зняли діоди для цього невеликого огляду. У комп'ютерних блоках живлення можна знайти різні діодні зборки, одиничних діодів тут майже не буває - в одному корпусі два потужні діоди, часто (майже завжди) із загальним катодом. Ось деякі з них:
D83-004 (ESAD83-004)- Потужна збірка з діодів Шоттки, зворотна напруга 40 Вольт, допустимий струм 30А, в імпульсному режимі до 250А - мабуть, один із найпотужніших діодів, який можна зустріти в комп'ютерних блоках живлення.
Шоттки TO-220 SBL2040CT 10A x 2 = 20A 40V Vf = 0.6V при 10A
Шоттки TO-247 S30D40 15A x 2 = 30A 40V Vf = 0.55V при 15A
Ультрафаст TO-220 SF1004G 5A x 2 = 10A 200V Vf = 0.97V при 5A
Ультрафаст TO-220 F16C20C 8A x 2 =16A 200V Vf=1.3V при 8A
Ультрафаст SR504 5A 40V Vf=0.57
Шоттки TO-247 40CPQ060 20A x 2 = 40A 60V Vf = 0.49V при 20A
Шоттки TO-247 STPS40L45C 20A x 2 = 40A 45V Vf = 0.49V
Ультрафаст TO-247 SBL4040PT 20A x 2 = 40A 45V Vf = 0.58V при 20A
Шоттки TO-220 63CTQ100 30A x 2 =60A 100 Vf=0.69V при 30A
Шоттки TO-220 MBR2545CT 15A x 2 =30A 45V Vf=0.65V при 15A
Шоттки TO-247 S60D40 30A x 2 = 60A 40-60V Vf = 0.65V при 30A
Шоттки TO-247 30CPQ150 15A x 2 =30A 150V Vf=1V при 15A
Шоттки TO-220 MBRP3045N 15A x 2 =30A 45V Vf=0.65V при 15A
Шоттки TO-220 S20C60 10A x 2 = 20A 30-60V Vf = 0.55V при 10A
Шоттки TO-247 SBL3040PT 15A x 2 = 30A 30-40V Vf = 0.55V при 15A
Шоттки TO-247 SBL4040PT 20A x 2 = 40A 30-40V Vf = 0.58V при 20A
Ультрафаст TO-220 U20C20C 10A x 2 =20A 50-200V Vf=0.97V при 10A
Існують і сучасні вітчизняні діодні збирання на великий струм. Ось їх маркування та внутрішня схема:
Високовольтні силові діоди Шоттки з напругою до 1200 В
Хоча кращим є застосування діодів Шоттки в низьковольтних потужних випрямлячах з вихідними напругами в пару десятків вольт, на високих частотах перемикання.
Діод Шоттки - ще один різновид типового напівпровідникового діода, його відмінна особливість - це мале падіння напруги при прямому включенні. Свою назву він отримав на честь німецького фізика винахідника Вальтера Шоттки. У цих діодах у ролі потенційного бар'єру застосовується перехід метал-напівпровідник, а чи не p-n перехід. Допустима зворотна напруга діодів Шоттки зазвичай близько 1200 вольт, наприклад CSD05120 та його аналоги, на практиці вони використовуються в низьковольтних ланцюгах при зворотній напрузі до декількох десятків вольт.
На принципових схемах вони позначається майже як діод, мотри малюнок вище, але з невеликими графічними відмінностями, крім того, досить часто трапляються здвоєні діоди-шоттки.
Здвоєний діод Шоттки – це два окремих елементи зібраних в одному загальному корпусі, причому висновки катодів або анодів цих компонентів об'єднані. Тому здвоєний діод, зазвичай трьох вивідний. В імпульсних та комп'ютерних блоках живлення можна досить часто побачити здвоєні діоди Шоттки із загальним катодом.
Так як обидва діоди розміщені в єдиному корпусі і зібрані при однаковому технологічному процесі, їх технічні параметри майже ідентичні. При такому розміщенні в одному корпусі, під час роботи вони будуть в одному температурному режимі, а це один з головних факторів збільшення надійності роботи пристрою в цілому.
Переваги
Мінуси
Діоди Шоттки, як я вже зазначив вище, активно використовуються в комп'ютерних блоках живлення та імпульсних стабілізаторах напруги. Вони використовуються в низьковольтних та сильноточних частинах схеми комп'ютерних ДБЖ на +3,3 вольта та +5,0 вольт. Найчастіше застосовуються здвоєні діоди із загальним катодом. Саме використання здвоєних діодів вважається ознакою високоякісного.
Згорілий діод Шоттки одна з найбільш типових несправностей при. Діод може мати два неробочі стани: електричний пробій і витік на корпус. За будь-якого з цих станів ДБЖ блокується завдяки вбудованій схемі захисту.
У разі електричного пробою всі вторинні напруги в блоці живлення відсутні. У разі витоку вентилятор комп'ютерного БП може «підсмикуватися» і на виході можуть з'являтися пульсації вихідної напруги, що періодично зникають. Тобто модуль захисту періодично спрацьовує, але повного блокування не відбувається. Діоди Шоттки 100% згоріли, якщо радіатор, на якому вони закріплені, дуже теплий або сильно повалює горілим від них.
Слід сказати кілька слів про те, що при ремонті ДБЖ після заміни діодів, особливо з підозрою на витік на корпус, слід продзвонити всі силові транзистори, що працюють у ключовому режимі. А також у разі заміни ключових транзисторів перевірка діодів є обов'язковою та строго необхідною.
Методика перевірки діода Шоттки така сама, як і стандартного типового діода. Але тут є невеликі відмінності. Дуже важко перевірити діод цього типу вже впаяний у схему. Тому складання або окремий елемент необхідно спочатку демонтувати зі схеми для перевірки. Досить легко можна визначити повністю пробитий елемент. На всіх межах вимірювання опору мультиметр відобразить в обидві сторони нескінченно низький опір або коротке замикання.
Складніше перевірити з підозрою на витік. Якщо проводити перевірку типовим мультиметром, наприклад DT-830 у режимі «діода», ми побачимо справний компонент. Однак якщо зробити вимір у режимі омметра, то зворотний опір на межі «20 ком» визначається як нескінченно величезний (1). Якщо ж елемент показує якийсь опір, наприклад 5 кОм, цей діод краще вважати підозрілий і замінити точно працездатний. Іноді краще відразу замінити діодів Шоттки по шинах +3,3V та +5,0V у комп'ютерному ДБЖ.
Їх іноді використовують у приймачі альфа і бета випромінювання (дозиметрах), фіксаторах нейтронного випромінювання, а крім того на бар'єрних переходах Шоттки збирають панелі сонячних батарей, які живлять електроенергією космічні апарати, що бороздять простори нашого неосяжного всесвіту.
Розвиток електроніки вимагає дедалі вищих стандартів від радіодеталей. Для роботи на високих частотах використовують діод Шоттки, який за своїми параметрами перевершує кремнієві аналоги. Іноді можна зустріти назву діод з бар'єром Шоттки, що в принципі означає те саме.
Відрізняється діод Шоттки від звичайних діодів своєю конструкцією, в якій використовується метал-напівпровідник, а не p-n перехід. Зрозуміло, що властивості тут різні, а отже, і характеристики теж мають відрізнятись.
Дійсно, метал-напівпровідник має такі параметри:
Діод Шоттки виготовляється з таких матеріалів, як арсенід галію, кремній; набагато рідше, але може використовуватися – германій. Вибір матеріалу залежить від властивостей, які потрібно отримати, однак у будь-якому випадку максимальна зворотна напруга, на яку можуть виготовлятися дані напівпровідники, не вище 1200 вольт – це високовольтні випрямлячі. Насправді ж набагато частіше їх використовують при нижчій напрузі – 3, 5, 10 вольт.
На принциповій схемі діод Шоттки позначається таким чином:
Але іноді можна побачити і таке позначення:
Це означає здвоєний елемент: два діоди в одному корпусі із загальним анодом або катодом, тому елемент має три висновки. У блоках живлення використовують такі конструкції із загальним катодом, їх зручно використовувати у схемах випрямлячів. Часто на схемах малюється маркування звичайного діода, але в описі вказується, що це шотка, тому потрібно бути уважними.
Діодні збирання з бар'єром Шоттки випускаються трьох типів:
1 тип – із загальним катодом;
2 тип – із загальним анодом;
3 тип – за схемою подвоєння.
Для економії на платежах за електроенергію наші читачі радять "Економіст енергії Electricity Saving Box". Щомісячні платежі стануть на 30-50% меншими, ніж були до використання економіка. Він прибирає реактивну складову з мережі, у результаті знижується навантаження і, як наслідок, струм споживання. Електроприлади споживають менше електроенергії, знижуються витрати на її оплату.
Таке з'єднання допомагає збільшити надійність елемента: адже перебуваючи в одному корпусі, вони мають однаковий температурний режим, що важливо, якщо потрібні потужні випрямлячі, наприклад, на 10 ампер.
Але є і мінуси. Вся справа в тому, що мале падіння напруги (0,2-0,4 ст) у таких діодів проявляється на невеликих напругах, як правило - 50-60 вольт. За більш високому значенні вони поводяться як звичайні діоди. Зате по струму ця схема показує дуже хороші результати, адже часто буває необхідно – особливо у силових ланцюгах, модулях живлення – щоб робочий струм напівпровідників був не нижче 10а.
Ще один головний недолік: для цих приладів не можна перевищувати зворотний струм навіть на мить. Вони відразу виходять з ладу, тоді як кремнієві діоди, якщо була перевищена їх температура, відновлюють свої властивості.
Але позитивного таки більше. Окрім низького падіння напруги, діод Шоттки має низьке значення ємності переходу. Як відомо: нижча ємність – вища частота. Такий діод знайшов застосування в імпульсних блоках живлення, випрямлячі та інших схемах, з частотами в кілька сотень кілогерц.
ВАХ такого діода має несиметричний вигляд. Коли прикладена пряма напруга, видно, що струм зростає по експоненті, а при зворотному - напруга не залежить.
Все це пояснюється, якщо знати, що принцип роботи цього напівпровідника ґрунтується на русі основних носіїв – електронів. З цієї ж причини ці прилади і є такими швидкодіючими: у них відсутні рекомбінаційні процеси, властиві приладам з p-n переходами. Для всіх приладів, що мають бар'єрну структуру, властива несиметричність ВАХ, адже кількість носіїв електричного заряду обумовлена залежність струму від напруги.
З розвитком мікроелектроніки почали широко застосовуватися спеціальні мікросхеми, однокристальні мікропроцесори. Все це не виключає використання навісних елементів. Однак якщо для цієї мети використовувати радіоелементи звичайних розмірів, то це зведе нанівець всю ідею мініатюризації загалом. Тому були розроблені безкорпусні елементи – smd компоненти, які в 10 і більше разів менші за звичайні деталі. ВАХ таких компонентів нічим не відрізняється від ВАХ звичайних приладів, а їх зменшені розміри дозволяють використовувати такі запчастини у різних мікроскладаннях.
Компоненти SMD мають кілька типорозмірів. Для ручного паяння підходять smd розміру 1206. Вони мають розмір 3,2 на 1,6 мм, що дозволяє їх впаювати самостійно. Інші елементи smd меншіатюрні, збираються на заводі спеціальним обладнанням, і самому, в домашніх умовах, їх паяти неможливо.
Принцип роботи smd компонента також відрізняється від його великого аналога, і якщо, наприклад, розглядати ВАХ діода, вона однаковою мірою підходитиме для напівпровідників будь-якого розміру. По струму виготовляються від 1 до 10 амперів. Маркування на корпусі часто складається з цифрового коду, розшифровування якого наводиться у спеціальних таблицях. Протестувати їх можна тестером, як і великі аналоги.
Випрямлячі Шоттки використовують у імпульсних блоках живлення, стабілізаторах напруги, імпульсних випрямлячах. Найвимогливішими за струмом – 10а і більше – це напруга 3,3 та 5 вольт. Саме у таких ланцюгах вторинного живлення прилади Шоттки використовують найчастіше. Для посилення значень струму їх включають разом за схемою із загальним анодом або катодом. Якщо кожен із здвоєних діодів буде на 10 ампер, то вийде значний запас міцності.
Одна з найчастіших несправностей імпульсних модулів живлення - вихід із ладу цих діодів. Як правило, вони або повністю пробиваються або дають витік. В обох випадках несправний діод потрібно замінити, після чого перевірити мультиметром силові транзистори, а також виміряти напругу живлення.
Перевірити випрямлячі Шоттки можна так само, як і звичайні напівпровідники, оскільки вони мають схожі характеристики. Мультиметр необхідно продзвонити його в обидві сторони - він повинен показати себе так само, як і звичайний діод: анод-катод, при цьому витоків бути не повинно. Якщо він показує навіть незначний опір – 2–10 кілоом, то це вже привід для підозр.
Діод із загальним анодом або катодом можна перевірити як два звичайні напівпровідники, з'єднані разом. Наприклад, якщо анод загальний, це буде одна ніжка з трьох. На анод ставимо один щуп тестера, інші ніжки - це різні діоди, на них ставиться інший щуп.
Чи можна його замінити іншим типом? У деяких випадках діоди Шоттки змінюють на звичайні германієві. Наприклад, Д305 при струмі 10 ампер давав падіння всього 0,3 вольта, а при струмах 2-3 ампера їх взагалі можна ставити без радіаторів. Але головна мета установки Шоттки - це не мале падіння, а низька ємність, тому замінити вийде не завжди.
Як бачимо, електроніка не стоїть на місці, і подальші варіанти застосування швидкодіючих приладів тільки збільшуватиметься, даючи можливість розробляти нові, більш складні системи.
До численного сімейства напівпровідникових діодів названих на прізвища вчених, які відкрили незвичайний ефект, можна додати ще один. Це діод Шоттка.
Німецький фізик Вальтер Шоттка відкрив і вивчив так званий бар'єрний ефект, що виникає за певної технології створення переходу метал-напівпровідник.
Основною "фішкою" діода Шоттки є те, що на відміну від звичайних діодів на основі p-n переходу, тут використовується перехід метал-напівпровідник, який ще називають бар'єром Шоттки. Цей бар'єр, так само, як і напівпровідниковий p-n перехід, має властивість односторонньої електропровідності та ряд відмінних властивостей.
Як матеріал для виготовлення діодів з бар'єром Шоттки переважно використовується кремній (Si) і арсенід галію (GaAs), а також такі метали як золото, срібло, платина, паладій і вольфрам.
На важливих схемах діод Шоттки зображується так.
Як бачимо, його зображення дещо відрізняється від позначення звичайного напівпровідникового діода.
Крім такого позначення на схемах можна зустріти і зображення здвоєного діода Шоттки (складання).
Здвоєний діод – це два діоди змонтовані в одному загальному корпусі. Висновки катодів чи анодів вони об'єднані. Тому таке збирання, як правило, має три висновки. В імпульсних блоках живлення зазвичай застосовуються збирання із загальним катодом.
Так як два діоди розміщені в одному корпусі і виконані в єдиному технологічному процесі, їх параметри дуже близькі. Оскільки вони розміщені в єдиному корпусі, то температурний режим їх однаковий. Це збільшує надійність та термін служби елемента.
У діодів Шоттки є дві позитивні якості: мале пряме падіння напруги (0,2-0,4 вольта) на переході і дуже висока швидкодія.
На жаль, таке мале падіння напруги проявляється при доданій напрузі не більше 50-60 вольт. При подальшому його підвищенні діод Шоттки веде себе як звичайний кремнієвий діод випрямляння. Максимальна зворотна напруга для Шоттки зазвичай не перевищує 250 вольт, хоча у продажу можна зустріти зразки, розраховані на 1,2 кіловольта (VS-10ETS12-M3).
Так, здвоєний діод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150розрахований на максимальну зворотну напругу 150V, а кожен із діодів складання здатний пропустити у прямому включенні 30 ампер!
Також можна зустріти зразки, випрямлений за півперіод струм яких може досягати 400А максимум! Прикладом може бути модель VS-400CNQ045.
Найчастіше у важливих схемах складне графічне зображення катода просто опускають і зображують діод Шоттки як звичайний діод. А тип застосовуваного елемента вказують специфікації.
До недоліків діодів з бар'єром Шоттки можна віднести те, що навіть при короткочасному перевищенні зворотної напруги вони миттєво виходять з ладу і головне необоротне. У той час як кремнієві силові вентилі після припинення дії перевищеної напруги чудово самовідновлюються та продовжують працювати. Крім того, зворотний струм діодів дуже сильно залежить від температури переходу. На великому зворотному струмі виникає теплова пробій.
До позитивних якостей діодів Шоттки крім високої швидкодії, а отже, малого часу відновлення можна віднести малу ємність переходу (бар'єру), що дозволяє підвищити робочу частоту. Це дозволяє використовувати їх у імпульсних випрямлячах на частотах сотні кілогерц. Дуже багато діодів Шоттки знаходять своє застосування в інтегральній мікроелектроніці. Виконані нано технології діоди Шоттки входять до складу інтегральних схем, де вони шунтують переходи транзисторів для підвищення швидкодії.
У радіоаматорській практиці прижилися діоди Шоттки серії 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Всі вони розраховані на максимальний прямий струм ( I F(AV)) – 1 ампер та зворотна напруга ( V RRM) від 20 до 40 вольт. Падіння напруги ( V F) на переході становить від 0,45 до 0,55 вольт. Як мовилося раніше, пряме падіння напруги ( Forward voltage drop) у діодів з бар'єром Шоттки дуже мало.
Також досить відомим елементом є 1N5822. Він розрахований на прямий струм у 3 ампери та виконаний у корпусі DO-201AD.
Також на друкованих платах можна зустріти діоди серії SK12-SK16 для поверхневого монтажу. Вони мають невеликі розміри. Незважаючи на це, SK12-SK16 витримують прямий струм до 1 ампера при зворотній напрузі 20 - 60 вольт. Пряме падіння напруги становить 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) та 0,7 вольт (для SK15, SK16). Також на практиці можна зустріти діоди серії SK32 – SK310, наприклад, SK36, Розрахований на прямий струм 3 ампера.
Діоди Шоттки активно застосовуються в блоках живлення комп'ютерів та імпульсних стабілізаторах напруги. Серед низьковольтних напруг живлення найбільш сильноточними (десятки ампер) є напруги +3,3 вольта і +5,0 вольт. Саме в цих вторинних джерелах харчування використовуються діоди з бар'єром Шоттки. Найчастіше використовуються трививідні зборки із загальним катодом. Саме застосування збірок може вважатися ознакою високоякісного та технологічного блоку живлення.
Вихід з ладу діодів Шоттки одна з несправностей, що найчастіше зустрічаються, в імпульсних блоках живлення. У нього може бути два "дохлі" стани: чистий електричний пробій і витік. За наявності одного з цих станів блок живлення комп'ютера блокується, оскільки спрацьовує захист. Але це може відбуватися по-різному. 
У першому випадку всі вторинні напруги відсутні. Захист заблокував блок живлення. У другому випадку вентилятор "смикається" і на виході джерел живлення періодично то з'являються пульсації напруги, то пропадають.
Тобто, схема захисту періодично спрацьовує, але повного блокування джерела живлення при цьому не відбувається. Діоди Шоттки гарантовано вийшли з ладу, якщо радіатор, на якому вони встановлені, дуже сильно розігріє до появи неприємного запаху. І останній варіант діагностики пов'язаний із витоком: при збільшенні навантаження на центральний процесор у мультипрограмному режимі блок живлення мимоволі відключається.
Слід пам'ятати, що з професійному ремонті блоку живлення після заміни вторинних діодів, особливо з підозрою на витік, слід перевірити всі силові транзистори виконують функцію ключів і навпаки: після заміни ключових транзисторів перевірка вторинних діодів є обов'язковою процедурою. Завжди необхідно керуватися принципом: біда одна не приходить.
Перевірити діод Шоттки можна за допомогою рядового мультиметра. Методика така сама, як і під час перевірки звичайного напівпровідникового діода з p-n переходом . Але й тут є підводне каміння. Особливо важко перевірити діод із витоком. Насамперед елемент необхідно випаяти зі схеми для більш точної перевірки. Досить легко визначити повністю пробитий діод. На всіх межах виміру опору несправний елемент матиме нескінченно мале опір, як у прямому, і у зворотному включенні. Це рівнозначно короткому замиканню.
Складніше перевірити діод із підозрою на "витік". Якщо проводити перевірку мультиметром DT-830 в режимі "діод", ми побачимо справний елемент. Можна спробувати виміряти в режимі омметр його зворотний опір. На межі "20кОм" зворотний опір визначається як нескінченно велике. Якщо ж прилад показує хоч якийсь опір, припустимо 3 ком, цей діод слід розглядати як підозрілий і міняти на свідомо справний. Стовідсоткову гарантію може дати повна заміна діодів Шоттки по шинах живлення +3,3V та +5,0V.
Де ще в електроніці використовують діоди Шоттки? Їх можна виявити в досить екзотичних приладах, таких як приймачі альфа та бета-випромінювання, детекторах нейтронного випромінювання, а останнім часом на бар'єрних переходах Шоттки збирають панелі сонячних батарей. Так, що вони живлять електроенергією та космічні апарати.
Діод Шоттки, принцип роботи якого ми опишемо сьогодні, є вдалим винаходом німецького вченого Вальтера Шоттки. На його честь пристрій і було названо, а зустріти його можна при вивченні різних електричних схем. Для тих, хто ще тільки починає знайомитися з електронікою, буде корисним дізнатися про те, навіщо його використовують і де він найчастіше застосовується.
Це напівпровідниковий діод із мінімальним падінням рівня напруги під час прямого включення. Він має дві основні компоненти: власне, напівпровідник і метал.
Як відомо, допустимий рівень зворотної напруги в будь-яких промислових електронних пристроях становить 250 В. Таке U знаходить практичне застосування в будь-якому низьковольтному ланцюзі, перешкоджаючи зворотній течії струму.
Структура самого пристрою нескладна і виглядає так:
При проходженні електричного струму ланцюгом позитивні і негативні заряди накопичуються по всьому периметру пристрою, включаючи захисне кільце. Скупчення часток відбувається у різних елементах діода. Це забезпечує виникнення електричного поля з подальшим виділенням певної кількості тепла.
Головна його відмінність від інших напівпровідників полягає в тому, що перешкодою є металевий елемент з односторонньою провідністю.
Такі елементи виготовляють із цілого ряду цінних металів:
Від того, який метал вибирається як матеріал, залежать характеристики потрібного показника напруги та якість роботи електронного пристрою в цілому. Найчастіше застосовують кремній - через його надійність, міцність і здатність працювати в умовах великої потужності. Також використовується і арсенід галію, з'єднаний з миш'яком або германій.
При роботі з пристроями, що включають діод Шоттки, слід враховувати їх позитивні і негативні сторони. Якщо підключити його як елемент електричного ланцюга, він чудово утримуватиме струм, не допускаючи його великих втрат.
До того ж, металевий бар'єр має мінімальну ємність. Це значно збільшує зносостійкість та термін служби самого діода. Падіння напруги при його використанні мінімальне, а дія відбувається дуже швидко - варто провести підключення.
Однак великий відсоток зворотного струму є очевидним недоліком. Оскільки багато електроприладів мають високу чутливість, нерідкі випадки, коли невелике перевищення показника, лише на пару А, здатне надовго вивести прилад з ладу. Також, при недбалій перевірці напруги напівпровідника, може статися витік самого діода.
Діод Шоттки може включати будь-який акумулятор.
Він входить у пристрій сонячної батареї. Сонячні панелі, які давно успішно працюють в умовах космічного простору, збираються саме на підставі бар'єрних переходів Шоттки. Такі геліосистеми встановлюються на космічних апаратах (супутниках і телескопах, які працюють у жорстких умовах безповітряного простору).
Пристрій незамінний під час роботи комп'ютерів, побутової техніки, радіоприймачів, блоків електроживлення. При правильному використанні діод Шоттки збільшує продуктивність будь-якого пристрою, запобігає втраті струму. Він здатний приймати він альфа-, бета- і гамма-випромінювання. Саме тому він незамінний в умовах космосу.
За допомогою такого пристрою можна здійснити паралельне з'єднання діодів, використовуючи їх як здвоєні випрямлячі. Таким чином можна об'єднати між собою два паралельні джерела живлення. Один корпус включає два напівпровідники, а кінці позитивного і негативного зарядів зв'язуються один з одним. Є й простіші схеми, де діоди Шоттки дуже малі. Це притаманно дуже дрібних деталей в електроніці.
Діод Шоттки є незамінним елементом у багатьох електронних пристроях. Головне - розуміти специфіку його роботи та використовувати його коректно.
По-перше, при короткочасному перевищенні максимальної зворотної напруги, діод Шоттки незворотно виходить з ладу, на відміну від кремнієвих діодів, які переходять в режим зворотного пробою, і за умови неперевищення максимальної потужності, що розсіюється на діоді, після падіння напруги діод повністю відновлює свої властивості.
По-друге, діоди Шоттки характеризуються підвищеними (щодо звичайних кремнієвих діодів) зворотними струмами, що зростають із зростанням температури кристала. Для вищезазначеного 30Q150 зворотний струм при максимальній зворотній напрузі змінюється від 0.12 мА за +25°C до 6.0 мА за +125°C. У низьковольтних діодів в корпусах ТО-220 зворотний струм може перевищувати величину сотні міліампер (MBR4015 - до 600 мА при +125°C). За незадовільних умов тепловідведення позитивний зворотний зв'язок по теплу в діоді Шоттки призводить до його катастрофічного перегріву.
Вольтамперна характеристика бар'єру Шоттки має яскраво виражений несиметричний вигляд. У сфері прямих зміщень струм експоненційно зростає зі збільшенням прикладеної напруги. В області зворотних зсувів струм від напруги не залежить. В обох випадках, при прямому та зворотному зміщенні, струм у бар'єрі Шоттки обумовлений основними носіями заряду – електронами. З цієї причини діоди на основі бар'єру Шоттки є швидкодіючими приладами, оскільки в них відсутні рекомбінаційні та дифузійні процеси. Несиметричність вольт-амперної характеристики бар'єру Шоттка є типовою для бар'єрних структур. Залежність струму від напруги у таких структурах обумовлена зміною кількості носіїв, що у процесах зарядопереноса. Роль зовнішньої напруги полягає у зміні числа електронів, що переходять з однієї частини бар'єрної структури до іншої.
Діоди Шоттки в блоках живлення
У системних блоках живлення діоди Шоттки використовуються для випрямлення струму каналів +3.3В і +5В, а, як відомо, величина вихідних струмів цих каналів становить десятки ампер, що призводить до необхідності дуже серйозно ставитися до питань швидкодії випрямлячів і зниження їх енергетичних втрат. Вирішення цих питань здатне значно збільшити ККД джерел живлення та підвищити надійність роботи силових транзисторів первинної частини блоку живлення.
Отже, для зменшення динамічних комутаційних втрат і усунення режиму короткого замикання при перемиканні, в сильноточних каналах (+3.3В і +5В), де ці втрати найбільш значні, як випрямні елементи використовуються діоди Шоттки. Застосування діодів Шоттки у цих каналах обумовлено такими міркуваннями:
· Діод Шоттки є практично безінерційним приладом з дуже малим часом відновлення зворотного опору, що призводить до зменшення зворотного вторинного струму і зменшення кидка струму через колектори силових транзисторів первинної частини в момент перемикання діода. Це значною мірою знижує навантаження на силові транзистори, і, як наслідок, збільшує надійність блоку живлення.
· Пряме падіння напруги на діоді Шоки також дуже мало, що при величині струму 15-30 А забезпечує значний виграш у ККД.
Так як у сучасних блоках живлення дуже потужним стає і канал напруги +12В, то застосування діодів Шоттки в цьому каналі також дало б значний енергетичний ефект, проте їх застосування в каналі +12В є недоцільним. Це пов'язано з тим, що при зворотній напрузі понад 50В (а в каналі +12В зворотна напруга може досягати величини і 60В), діоди Шоттки починають погано перемикатися (занадто довго і при цьому виникають значні зворотні струми витоку), що призводить до втрати всіх переваг їх застосування. Тому в каналі +12В використовуються швидкодіючі кремнієві імпульсні діоди. Хоча промисловістю зараз випускаються діоди Шоттки і з великою зворотною напругою, але їх використання в блоках живлення вважається недоцільним з різних причин, зокрема й економічного плану. Але в будь-яких правилах є винятки, тому в окремих блоках живлення можна зустріти діодні зборки Шоттки та в каналах +12В.
У сучасних системних блоках живлення комп'ютерів діоди Шоттки є, як правило, діодними зборками з двох діодів (діодні напівмости), що однозначно підвищує технологічність і компактність блоків живлення, а також покращує умови охолодження діодів. Використання окремих діодів, а не діодних складання, є зараз показником низькоякісного блоку живлення.
Діодні зборки випускається в основному в трьох типах корпусів:
· TO-220 (менш потужні зборки з робочими струмами до 20 А, іноді до 25-30А);
· TO-247 (більш потужні зборки з робочими струмами 30 - 40 А);
· TO-3P (потужні зборки).
Електричні характеристики діодних збірок, що найчастіше використовуються в сучасних системних блоках живлення представлені в табл.1.
Взаємозамінність діодних складання визначається, виходячи з їх характеристик. Природно, що при неможливості використовувати діодну збірку з такими ж характеристиками, краще проводити заміну на прилад з великими значеннями струму і напруги. А якщо ні, то гарантувати стабільну роботу блоку живлення буде неможливо. Відомі випадки, коли виробники застосовують у своїх блоках живлення діодні зборки зі значним запасом по потужності (хоча частіше доводиться спостерігати ситуацію, якраз зворотну), і при ремонті можна встановити прилад з меншими значеннями струму або напруги. Однак при такій заміні необхідно ретельно проаналізувати характеристики блоку живлення та його навантаження, і вся відповідальність за наслідки такого доопрацювання, природно, лягає на плечі фахівця, який проводить ремонт.
