Construción de diodos Schottky, vantaxes e usos na electrónica moderna

Un díodo Schottky é un tipo especial de díodo coñecido pola súa velocidade de conmutación rápida e unha baixa caída de tensión directa.Desempeña un papel importante na electrónica moderna, desde rectificadores de potencia ata circuítos de alta frecuencia.Este artigo explica o seu principio de funcionamento, construción, tipos, usos, beneficios e como se diferencia dun díodo de unión p–n.

Catálogo

Figura 1. Que é un diodo Schottky?

Que é un diodo Schottky?

Un díodo Schottky é un tipo especial de díodo semicondutor que utiliza unha unión metal-semicondutor en lugar da unión p–n convencional que se atopa nos díodos estándar.Tamén se coñece como diodo de barreira Schottky (SBD).A diferenza dos díodos normais, os díodos Schottky están deseñados para conmutación de alta velocidade e baixa caída de tensión directa. Isto fai que sexan ideais para circuítos onde a eficiencia e a velocidade importan, como rectificadores de enerxía, detectores de RF e fontes de alimentación conmutadas.

Historia do diodo Schottky

Figura 2. Evolución do diodo Schottky

O concepto de A barreira Schottky foi introducida na década de 1930, pero só diodos Schottky fíxose viable na década de 1960 cos avances na fabricación de semicondutores.Nos primeiros días, estes díodos utilizáronse principalmente en circuítos de microondas e RF debido ao seu tempo de resposta extremadamente rápido.A medida que melloraba a ciencia dos materiais, diodos Schottky a base de silicio convertéronse en accesibles e fiables, abrindo o camiño para o seu uso na electrónica de potencia.Hoxe, materiais avanzados como Arseniuro de galio (GaAs) e carburo de silicio (SiC) úsanse para construír díodos Schottky de alto rendemento para aplicacións de alta temperatura e alta tensión.

Principio de funcionamento do diodo Schottky

Figura 3. Principio de funcionamento do diodo Schottky

O funcionamento dun díodo Schottky baséase na barreira Schottky formada na unión entre un metal e un semicondutor.Cando a metal como o platino ou o molibdeno entra en contacto cun Semicondutores tipo n como o silicio, os electróns móvense do semicondutor ao metal ata que se alcanza o equilibrio.Esta transferencia crea unha rexión de esgotamento e unha barreira potencial chamada barreira Schottky.Baixo polarización directa, os electróns do semicondutor atravesan facilmente esta barreira cara ao metal, permitindo que a corrente fluya cunha caída de tensión moi pequena.

Cando o o diodo está polarizado inversamente, a altura da barreira aumenta e bloquea a maior parte da corrente, aínda que permanece unha pequena corrente de fuga xa que non existe un verdadeiro empalme p–n.Debido a que a condución só implica portadores maioritarios (electróns) e non portadores minoritarios (buracos), o díodo Schottky non ten almacenamento de carga, o que permite velocidades de conmutación moito máis rápidas que os díodos ordinarios.

Especificación do diodo Schottky

Especificación	Típico Valor/Intervalo	Descrición
Caída de tensión directa (Vf)	0,15 V - 0,45 V	Moito máis baixo que o silicio estándar diodos (~0,7 V), permitindo unha maior eficiencia.
Corrente de fuga inversa (Ir)	Relativamente alto	Pequena corrente flúe ao revés prexuízo;aumenta coa temperatura.
Tensión de ruptura inversa (Vbr)	20 V - 200 V	Tensión inversa máxima do diodo pode tolerar antes da avaría.
Tempo de recuperación inversa (trr)	Uns poucos nanosegundos	Cambio extremadamente rápido debido a almacenamento sen cargo.
Corriente directa máxima (Ifmáx)	Dependente do dispositivo	Máxima corrente continua o díodo pode conducir con seguridade.
Capacitancia de unión	Baixo	Soporta alta frecuencia e circuítos de conmutación rápida.

Tipos de diodos Schottky

Figura 4. Díodos Schottky de barreira baixa

• Diodos Schottky de baixa barreira

Os díodos Schottky de baixa barreira están deseñados para ofrecen unha caída de tensión directa moi baixa, normalmente no rango de 0,15 a 0,3 voltios , o que reduce significativamente a perda de enerxía e mellora a eficiencia global do circuíto.Non obstante, isto vén cunha compensación que presentan a maior corrente de fuga inversa, especialmente a temperaturas elevadas.Estes díodos úsanse habitualmente en conversores de nivel lóxico, circuítos de xestión de enerxía, detectores de RF e dispositivos alimentados por batería.

Figura 5. Diodos Schottky de alta barreira

• Diodos Schottky de alta barreira

Os díodos Schottky de alta barreira están deseñados para proporcionar unha corrente de fuga inversa máis baixa en comparación cos tipos de barreira baixa, ofrecendo melloras capacidade de bloqueo inverso e mellor estabilidade baixo tensións máis altas.Teñen un caída de tensión directa lixeiramente maior que é unha compensación para reducir as fugas e unha maior fiabilidade.Estes diodos son ideais para aplicacións de media a alta tensión onde manter unha baixa fuga é máis crítico que minimizar a caída de tensión.

Figura 6. Díodos Schottky de silicio (Si).

• Diodos Schottky de carburo de silicio (SiC).

Estes díodos son coñecidos pola súa capacidade manexar altas tensións, altas correntes e temperaturas elevadas, facéndoos ideais para electrónica de potencia como inversores, conversores DC-DC e motores.O carburo de silicio ten a banda ampla, o que permite que o díodo funcione de forma eficiente a voltaxes e temperaturas máis altas con menor perda de enerxía en comparación cos díodos de silicio.S

Figura 7. Diodos Schottky de arseniuro de galio (GaAs).

• Diodos Schottky de arseniuro de galio (GaAs).

Deseñado para operacións de alta frecuencia e de uso habitual en RF, microondas e circuítos de comunicación.Os díodos Schottky GaAs úsanse a miúdo mesturadores, detectores, osciladores e multiplicadores de frecuencia para sistemas de radar, comunicacións por satélite e transmisores sen fíos

Construción e estrutura do diodo Schottky

Figura 10. Construción e estrutura do diodo Schottky

Un diodo Schottky é construído utilizando unha unión metal-semicondutor en lugar da unión p–n atopados en díodos convencionais.Normalmente, unha fina capa de metal como platino, molibdeno, cromo, aluminio ou wolframio deposítase sobre un semicondutor tipo n (xeralmente silicio).Esta interface metal-semicondutor forma a barreira Schottky, que é responsable do comportamento rectificador do díodo.

A estrutura inclúe tres partes principais capas metálicas que actúa como o ánodo e proporciona a barreira Schottky que controla o fluxo de electróns. capa de semicondutores tipo n que serve de cátodo;os electróns móvense desta capa ao metal durante a polarización directa e a rexión de esgotamento que se formaron no contacto do semicondutor metálico;é delgado e permite un cambio rápido cun almacenamento de carga mínimo.

A diferenza dun diodo de unión p–n, non hai material de tipo p nun diodo Schottky, é dicir, a condución ocorre só a través de portadores maioritarios (electróns).Isto resulta nunha baixa caída de tensión directa, velocidade de conmutación rápida e baixa perda de enerxía.O dispositivo adoita estar montado sobre unha base metálica ou substrato para a disipación da calor, e todo o conxunto está encapsulado para protexelo dos efectos ambientais.

Aplicacións do diodo Schottky

Figura 11. Aplicacións do diodo Schottky

Os díodos Schottky son amplamente utilizados na electrónica moderna debido á súa baixa caída de tensión directa, a súa rápida velocidade de conmutación e a súa alta eficiencia.A continuación explícanse con claridade as principais aplicacións:

• Rectificadores de potencia

Úsase en fontes de alimentación e conversores para converter de forma eficiente AC a DC cunha mínima perda de tensión e xeración de calor.

• Circuítos de conmutación

Ideal para circuítos dixitais e lóxicos de alta velocidade onde a conmutación rápida e o tempo de recuperación baixo son esenciais.

• Circuítos de suxeición e protección

Protexa os compoñentes sensibles suxeitando os picos de tensión, evitando danos nos sistemas dixitais ou de RF.

• Circuítos de RF e microondas

Común en sistemas de radiofrecuencia, radar e comunicación debido á súa baixa capacidade e resposta rápida.

• Suxeición de tensión e conformación de ondas

Úsase en circuítos de forma de onda e recorte para manter os niveis de sinal dentro de límites seguros.

• Protección de corrente inversa

Evita que a corrente flúe cara atrás en circuítos como cargadores de baterías e sistemas de enerxía solar.

• Circuítos de alimentación OR

Utilízase para cambiar entre varias fontes de enerxía sen unha caída de tensión significativa.

• Mesturadores e detectores

Atópase en receptores de RF e detectores de microondas, onde a súa rápida conmutación permite unha detección precisa do sinal.

Vantaxes do diodo Schottky

• Baixa caída de tensión directa

A caída típica de tensión directa é só de 0,2 a 0,3 voltios, o que reduce a perda de enerxía e mellora a eficiencia xeral, especialmente en aplicacións de baixa tensión.

• Velocidade de conmutación rápida

Dado que non hai almacenamento de carga dos operadores minoritarios, os díodos Schottky poden acenderse e apagarse en nanosegundos, o que os fai ideais para circuítos de alta velocidade.

• Alta Eficiencia

A baixa resistencia cara adiante e a mínima disipación de enerxía dan como resultado unha mellor eficiencia enerxética, especialmente nos rectificadores de potencia e os reguladores de conmutación.

• Baixa perda de potencia

A caída de tensión reducida a través do díodo minimiza a xeración de calor, permitindo disipadores de calor máis pequenos e deseños compactos.

• Mellor rendemento térmico

Capaz de funcionar a frecuencias e temperaturas máis altas en comparación cos díodos p–n estándar.

• Construción sinxela

A estrutura metal-semicondutor simplifica a fabricación e proporciona un rendemento consistente.

• Adecuado para aplicacións de alta frecuencia

A baixa capacidade de unión e a rápida recuperación fanos ideais para RF, microondas e circuítos de fonte de alimentación conmutada.

Limitacións e precaucións do diodo Schottky

Limitacións

• Alta corrente de fuga inversa: Os díodos Schottky teñen unha fuga inversa máis alta, especialmente a altas temperaturas, o que pode causar perdas de enerxía non desexadas.

• Tensión de avaría inversa baixa: Normalmente, entre 20 V e 200 V, restrinxindo o uso en circuítos de alta tensión.

• Sensibilidade á temperatura: A corrente de fuga aumenta rapidamente co aumento da temperatura, afectando o rendemento.

• Capacidade limitada de alta tensión: A rexión de esgotamento delgada pode romperse facilmente baixo un alto sesgo inverso.

• Maior custo: Os materiais Schottky avanzados son máis caros que as versións estándar de silicio.

Precaucións

• Límite de tensión inversa: Manteña sempre a tensión inversa por debaixo do valor nominal para evitar a ruptura da unión.

• Proporcionar unha disipación de calor adecuada: Use disipadores de calor ou bo deseño térmico de PCB para xestionar a temperatura.

• Evite ambientes de alta temperatura: Evitar o quecemento excesivo para evitar un aumento das fugas ou fallos.

• Verifique coidadosamente as clasificacións de voltaxe: Seleccione un díodo cunha marxe de tensión inversa adecuada para a súa aplicación.

• Optimize Uso: Use diodos Schottky de alto custo só onde sexan necesarias as súas vantaxes de rendemento.

Circuítos de diodos Schottky

Circuitos rectificadores de potencia

Os díodos Schottky úsanse amplamente nos rectificadores de fontes de enerxía (tanto de media onda como de onda completa) para converter AC en DC.A súa baixa caída de tensión directa minimiza a perda de enerxía e mellora a eficiencia, especialmente nas fontes de alimentación conmutadas.

Circuitos de sujeción

Nos circuítos de suxeición de tensión, os díodos Schottky limitan ou "agarran" a tensión a un nivel seguro, protexendo os compoñentes sensibles dos picos de tensión.O seu tempo de resposta rápido garante unha limitación precisa da tensión.

Circuítos de conmutación

Debido a que os díodos Schottky poden acender e apagar en nanosegundos, son ideais para circuítos de conmutación dixital e lóxica de alta velocidade, como aplicacións de conmutación de transistores e enrutamento de sinal.

Circuítos de protección de corrente inversa

Os díodos Schottky úsanse para evitar que a corrente flúe cara atrás en dispositivos alimentados por batería, paneis solares e conversores de CC.A súa baixa caída de tensión minimiza a perda de enerxía en comparación cos díodos estándar.

Circuítos de RF e microondas

Nos sistemas de RF (radiofrecuencia) e microondas, os díodos Schottky funcionan como detectores, mesturadores e multiplicadores de frecuencia debido á súa baixa capacidade e á súa rápida resposta aos sinais de alta frecuencia.

Circuitos de corte de tensión

Usados para dar forma ou limitar formas de onda, os díodos Schottky recortan os picos de sinal para evitar a distorsión ou protexer os circuítos das condicións de sobretensión.

Circuítos lóxicos (TTL e CMOS)

Os díodos Schottky están integrados nos circuítos Schottky Transistor-Transistor Logic (TTL) para evitar a saturación do transistor, permitindo unha conmutación máis rápida e un retardo de propagación reducido.

Circuítos de alimentación OR

Nos sistemas con varias fontes de enerxía, os díodos Schottky aseguran que só unha fonte alimenta a carga á vez.A súa baixa caída de tensión directa axuda a manter unha saída estable sen perdas significativas de tensión.

Diodo Schottky vs Diodo de unión PN

Parámetro	Schottky Diodo	P–N Diodo de unión
Tipo de unión	Unión metal-semicondutor	Semicondutores tipo P e tipo N unión
Portadores de carga	Portadores maioritarios (electróns só)	Tanto maioritarios como minoritarios transportistas
Caída de tensión directa (Vf)	Baixo, normalmente 0,2 V – 0,3 V	Máis alto, uns 0,6 V - 0,7 V
Velocidade de conmutación	Moi rápido porque non cobra almacenamento	Máis lento debido ao transportista minoritario almacenamento
Tempo de recuperación inversa	Extremadamente curto	Relativamente máis longo
Corrente de fuga inversa	Maior corrente de fuga	Menor corrente de fuga
Tensión de avaría inversa	Relativamente baixo (20 V – 200 V)	Pode chegar a miles de voltios
Estabilidade da temperatura	A fuga aumenta rapidamente con temperatura	Máis estable baixo a temperatura variacións
Eficiencia energética	Alta debido á baixa caída de tensión	Moderado debido á maior tensión soltar
Material utilizado	Metal con semicondutor tipo N	Semicondutores tipo P e tipo N

Conclusión

O díodo Schottky destaca pola súa alta eficiencia, resposta rápida e deseño sinxelo.Aínda que ten algúns límites, como unha fuga máis alta e unha baixa tensión inversa, as súas vantaxes fan que sexa ideal para aplicacións de alta velocidade e baixa potencia.En xeral, segue sendo un compoñente importante nos sistemas electrónicos e de enerxía actuais.