Диод шоттки принцип работы. Диоды шоттки справочник импортные маркировка

Во время сборки блоков питания и преобразователей напряжения для автомобильных усилителей часто возникает проблема с выпрямлением тока с трансформатора. Раздобыть мощные импульсные диоды довольно серьезная проблема, поэтому решил напечатать статью, в которой приводится полный перечень и парметры мощных диодов Шоттки. Некоторое время назад лично у меня возникла проблема с выпрямителем преобразователя для авто усилителя. Преобразователь довольно мощный (500-600 ватт), частота выходного напряжения 60кГц, любой распространенный диод, который можно найти в старом хламе, сразу сгорит, как спичка. Единственным доступным вариантом в то время были отечественные КД213А. Диоды достаточно хорошие, держат до 10 Ампер, рабочая частота в пределах 100кГц, но и они под нагрузкой страшно перегревались.

На самом деле мощные диоды можно найти почти у каждого. Компьютерный БП является , который питает целый компьютер. Как правило их делают с мощностью от 200 ватт до 1кВт и более, а поскольку компьютер питается от постоянного тока, значит в блоке питания должен быть выпрямитель. В современных блоках питания для выпрямления напряжения используют мощные диодные сборки Шоттки - именно у них минимальный спад напряжения на переходе и возможность работы в импульсных схемах, где рабочая частота намного выше сетевых 50 Герц. Недавно на халяву принесли несколько блоков питания, откуда и были сняты диоды для этого небольшого обзора. В компьютерных блоках питания можно найти самые разные диодные сборки, единичных диодов тут почти не бывает - в одном корпусе два мощных диода, часто (почти всегда) с общим катодом. Вот некоторые из них:

D83-004 (ESAD83-004) - Мощная сборка из диодов Шоттки, обратное напряжение 40 Вольт, допустимый ток 30А, в импульсном режиме до 250А - пожалуй, один из самых мощных диодов, который можно встретить в компьютерных блоках питания.

Основные диоды Шоттки, которые встречаются в блоках питания

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

Существуют и современные отечественные диодные сборки на большой ток. Вот их маркировка и внутренняя схема:

Высоковольтные силовые диоды Шоттки с напряжением до 1200 В

Хотя более предпочтительным является применение диодов Шоттки в низковольтных мощных выпрямителях с выходными напряжениями в пару десятков вольт, на высоких частотах переключения.

Диод Шоттки - это полупроводниковый прибор (диод) реализованный за счет контакта металл-полупроводник. Свое имя получил в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.

Особенности диодов Шоттки

В 1938 г. ученым была создана основа теории этих полупроводниковых приборов. Вместо p-n перехода в таких диодах в качестве барьера применен металл-полупроводник. Область полупроводникового материала объединена основными носителями. В месте контакта начинает формироваться область заряда ионизованных акцепторов. В результате в районе перехода возникает потенциальный барьер, который получил название барьера Шоттки. Изменение его уровня приводит к изменению значения тока, протекающему сквозь диод Шоттки. Главной особенностью таких полупроводниковых приборов считается низкий уровень понижения прямого напряжения после p-n перехода, а также отсутствие уровня заряда обратного восстановления.

Диоды Шоттки работают в диапазоне температур от минус 65 0 до плюс 160 0 по Цельсию, значение допустимого обратного напряжения выпускаемых в промышленности диодов ограничено 250 В. Однако широкое применение эти приборы получили в промышленной электронике в низковольтных цепях, обратное напряжение которых ограничено пределом до десятков вольт. Диод Шоттки позволяет получать необходимое значение потенциального барьера путем подбора нужного металла. Достаточно низкий уровень высокочастотного шума позволяет использовать такие диоды в импульсных блоках питания, в цифровой аппаратуре, в качестве приемников излучения, модуляторов света, в трансформаторных блоках аналоговой аппаратуры. Они нашли широкое применение при конструировании солнечных батарей. Принцип барьера Шоттки используют при проектировании и изготовлении быстродействующих СВЧ-диодов. Диод Шоттки конструктивно исполнен в стеклянном, пластмассовом и металлическом корпусах. Также эти приборы выпускаются в SMD-корпусах.

Достоинства и недостатки

Их достоинством, в отличие от кремниевых диодов, является довольно низкое падение напряжения (до 0,2-0,4 вольт). Такое малое значение падения характерно исключительно для диодов Шоттки. Барьер Шоттки тоже имеет меньшее значение электрической емкости перехода, это позволяет заметно повышать рабочую частоту прибора. Также эти устройства характеризуются пониженным значением уровня помех. Диод Шоттки имеет и ряд недостатков. Главным является высокая чувствительность к кратковременным скачкам обратного тока и напряжения, в результате чего происходит короткое замыкание, а диод перегорает. Также диоды такого типа характеризуются увеличением значения обратного тока при повышении температуры кристалла.

По мощности эти полупроводниковые приборы можно разбить на три группы: маломощные (проходной ток их не превышает 3-5 ампер), средней мощности (до 10 ампер) и мощные (ток достигает 60 ампер). Мощные диоды Шоттки используются для работы в приборах, служащих для выпрямления переменного тока. Они обеспечивают прохождение прямого тока, достигающего десятков ампер. При этом падение напряжения на диоде составляет всего 0,5-1 В. Допустимое же значение обратного напряжения в диодах Шоттки - 200-500 В.

Большинство современных радиосхем использует диод Шоттки. Его действие основано на физическом эффекте, который открыл немецкий ученый Вальтер Шоттки, поэтому он и носит его имя. Этот элемент имеет много таких же параметров, как и обычные диоды, но есть у него и существенные отличия.

Принцип действия и обозначение

Если обычный полупроводниковый диод основан на свойствах p-n перехода, то принцип работы диода Шоттки основан на свойствах перехода при контакте металла и полупроводника. Такой контакт получил в физике получил название «барьер Шоттки». В качестве полупроводника чаще всего используется арсенид галлия (GaAs), а из металлов применяют в основном следующие:

На радиотехнических схемах обозначение диода Шоттки похоже на обозначение обычного полупроводникового элемента, но есть заметное различие: со стороны катода, где есть небольшая перпендикулярная к основной линии черта, у нее дополнительно загибаются края в разные стороны под прямым углом или с плавным изгибом.

Иногда на принципиальных схемах затруднительно графически обозначить этот элемент, его рисуют, как обычный диод, а в спецификации дополнительно указывают тип.

Положительные и отрицательные качества

Полупроводниковый элемент Шоттки широко применяется в различных электронных и радиотехнических устройствах из-за своих положительных свойств. К ним относят следующие:

• очень низкое падение напряжения на переходе, максимальное значение которого составляет всего 0,55 В;
• большая скорость срабатывания;
• малая емкость барьера (перехода), что дает возможность применять диод Шоттки в схемах с высокой частотой тока.

Но есть и несколько отрицательных свойств, которые необходимо учитывать при использовании этого радиотехнического элемента. А именно:

• мгновенный необратимый выход из строя даже при кратковременном повышении обратного напряжения выше предельного значения;
• возникновение теплового пробоя на обратном токе из-за выделения тепла;
• часто встречаются утечки диодов, которые определить затруднительно.

Сфера применения и популярные модели

Полупроводниковый радиотехнический элемент Шоттки характеризуется отсутствием диффузной емкости из-за отсутствия неосновных носителей. Поэтому этот элемент в первую очередь - это СВЧ-диод широкого спектра применения. Его используют в роли следующих элементов:

• тензодатчик;
• приемник излучения;
• модулятор света;
• детектор ядерного излучения;
• выпрямитель тока высокой частоты.

Малое падение напряжения, к сожалению, наблюдается у большинства этих элементов при рабочем напряжении в пределах 55−60 В. Если напряжение выше этого значения, то диод Шоттки имеет такие же качества, как и обычный полупроводниковый элемент на кремниевой основе. Максимум обратного напряжения обычно составляет порядка 250 В, но есть особые модели, которые выдерживают и 1200 В (например, VS-10ETS12-M3).

Из сдвоенных моделей популярной среди радиолюбителей является 60CPQ150. Этот радиоэлемент имеет максимум обратного напряжения 150 В, а каждый отдельный диод из сборки рассчитан на пропускание тока в прямом включении силой 30 А. В мощных импульсных источниках питания иногда можно встретить модель VS-400CNQ045, у которой сила тока на выходе после выпрямления достигает 400 А.

У радиолюбителей пользуются популярностью диоды Шоттки серии 1N581x. Такие образцы, как 1N5817, 1N5818, 1N5819 имеют максимальный номинальный прямой ток 1 А, а обратное напряжение у них составляет 20−40 В . Падение напряжения на барьере (переходе) в диапазоне от 0.45 до 0.55 В. Также в радиолюбительской практике встречается элемент 1N5822 с прямым током до 3 А.

На печатных платах используют миниатюрные диоды серий SK12 - SK16. Несмотря на очень небольшие размеры, они выдерживают прямой ток до 1 А, а напряжение «обратки» составляет от 20 до 60 В. Есть и более мощные диоды, например, SK36. У него прямой ток доходит до 3 А.

Диагностика возможных неисправностей

Существует всего три вида возможных неисправностей. Это пробой, обрыв и утечка. Если первые два вида можно диагностировать самостоятельно в домашних условиях с помощью обычного мультиметра, то третья неисправность в домашних условиях практически не поддается диагностике.

Для надежного определения выхода из строя диода его необходимо выпаять из схемы, иначе шунтирование через другие элементы схемы будет искажать полученные показания. При пробое элемент ведет себя как обычный проводник. При замере его сопротивления в обоих направлениях измерительный прибор будет составлять «0». При обрыве деталь вообще не пропускает электрический ток в любом направлении. Его сопротивление равно бесконечности в каждом направлении.

Косвенным признаком утечки в элементе является его нестабильная работа. Иногда может срабатывать встроенная защита в блоке питания компьютера, монитора и т. д.

Мультиметром определить утечку невозможно, так как она возникает при работе элемента, а замеры необходимо производить при его отключении от схемы.

Диоды Шоттки или более точно - диоды с барьером Шоттки - это полупроводниковые приборы, выполненные на базе контакта металл-полупроводник, в то время как в обычных диодах используется полупроводниковый p-n-переход.

Диод Шоттки обязан своим названием и появлением в электронике немецкому физику изобретателю Вальтеру Шоттки, который в 1938 году, изучая только что открытый барьерный эффект, подтвердил выдвинутую ранее теорию, согласно которой хоть эмиссии электронов из металла и препятствует потенциальный барьер, но по мере увеличения прикладываемого внешнего электрического поля этот барьер будет снижаться. Вальтер Шоттки открыл этот эффект, который затем и назвали эффектом Шоттки, в честь ученого.

Исследуя контакт металла и полупроводника можно видеть, что если вблизи поверхности полупроводника имеется область обедненная основными носителями заряда, то в области контакта этого полупроводника с металлом со стороны полупроводника образуется область пространственного заряда ионизированных акцепторов и доноров, при этом реализуется блокирующий контакт - тот самый барьер Шоттки. В каких условиях возникает этот барьер? Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела определяет уравнение Ричардсона:

Создадим условия, когда при контакте полупроводника, например n-типа, с металлом термодинамическая работа выхода электронов из металла была бы больше, чем термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника. В таких условиях, в соответствии с уравнением Ричардсона, ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника окажется больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

В начальный момент времени, при контакте названных материалов, ток от полупроводника в металл превысит обратный ток (из металла в полупроводник), в результате чего в приповерхностных областях как полупроводника, так и металла - станут накапливаться объемные заряды - положительные в полупроводнике и отрицательные - в металле. В контактной области возникнет электрическое поле, образованное этими зарядами, и будет иметь место изгиб энергетических зон.

Под действием поля термодинамическая работа выхода для полупроводника возрастет, и возрастание будет происходить до тех пор, пока в контактной области не уравняются термодинамические работы выхода, и соответствующие им токи термоэлектронной эмиссии применительно к поверхности.

Картина перехода к равновесному состоянию с формированием потенциального барьера для полупроводника p-типа и металла аналогична рассмотренному примеру с полупроводником n-типа и металла. Роль внешнего напряжения - регулировка высоты потенциального барьера и напряженности электрического поля в области пространственного заряда полупроводника.

На рисунке выше представлены зонные диаграммы различных этапов формирования барьера Шоттки. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φк = ФМе - Фп/п.

Очевидно, вольт-амперная характеристика для барьера Шоттки получается несимметричной. В прямом направлении ток растет по экспоненте вместе с ростом прикладываемого напряжения. В обратном направлении ток не зависит от напряжения. В обоих случаях ток обусловлен электронами в качестве основных носителей заряда.

Диоды Шоттки поэтому отличаются быстродействием, ведь в них исключены диффузные и рекомбинационные процессы, требующие дополнительного времени. С изменением числа носителей и связана зависимость тока от напряжения, ибо в процессе переноса заряда участвуют эти носители. Внешнее напряжение меняет число электронов, способных перейти с одной стороны барьера Шоттки на другую его сторону.

Вследствие технологии изготовления и на основе описанного принципа действия, - диоды Шоттки имеют малое падение напряжения в прямом направлении, значительно меньшее чем у традиционных p-n-диодов.

Здесь даже малый начальный ток через контактную область приводит к выделению тепла, которое затем способствует появлению дополнительных носителей тока. При этом отсутствует инжекция неосновных носителей заряда.

У диодов Шоттки поэтому отсутствует диффузная емкость, поскольку нет неосновных носителей, и как следствие - быстродействие достаточно высокое по сравнению с полупроводниковыми диодами. Получается подобие резкого несимметричного p-n-перехода.

Таким образом, прежде всего диоды Шоттки - это СВЧ-диоды различного назначения: детекторные, смесительные, лавинно-пролетные, параметрические, импульсные, умножительные. Диоды Шоттки можно применять в качестве приемников излучения, тензодатчиков, детекторов ядерного излучения, модуляторов света, и наконец - выпрямителей высокочастотного тока.

Обозначение диода Шоттки на схемах

Диоды Шоттки сегодня

На сегодняшний день диоды Шоттки распространены весьма широко в электронных устройствах. На схемах они изображаются по иному, чем обычные диоды. Часто можно встретить сдвоенные выпрямительные диоды Шоттки, выполненные в трехвыводном корпусе свойственном силовым ключам. Такие сдвоенные конструкции содержат внутри два диода Шоттки, объединенные катодами или анодами, чаще - катодами.

Диоды в сборке имеют очень близкие параметры, поскольку каждая такая сборка изготавливается единым технологическим циклом, и в итоге их рабочий температурный режим одинаков, соответственно выше и надежность. Прямое падение напряжения 0,2 - 0,4 вольта наряду с высоким быстродействием (единицы наносекунд) - несомненные преимущества диодов Шоттки перед p-n-собратьями.

Особенность барьера Шоттки в диодах, применительно к малому падению напряжения, проявляется при приложенных напряжениях до 60 вольт, хотя быстродействие остается непоколебимым. Сегодня диоды Шоттки типа 25CTQ045 (на напряжение до 45 вольт, на ток до 30 ампер для каждого из пары диодов в сборке) можно встретить во многих импульсных источниках питания, где они служат в качестве силовых выпрямителей для токов частотой до нескольких сотен килогерц.

Нельзя не затронуть тему недостатков диодов Шоттки, они конечно есть, и их два. Во-первых, кратковременное превышение критического напряжения мгновенно выведет диод из строя. Во-вторых, температура сильно влияет на максимальный обратный ток. При очень высокой температуре перехода диод просто пробьет даже при работе под номинальным напряжением.

Ни один радиолюбитель не обходится без диодов Шоттки в своей практике. Здесь можно отметить наиболее популярные диоды: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Эти диоды есть как в выводном исполнении, так и в SMD. Главное, за что радиолюбители их так ценят - высокое быстродействие и малое падение напряжения на переходе - максимум 0,55 вольт - при невысокой цене данных компонентов.

Редкая печатная плата обходится без диодов Шоттки в том или ином назначении. Где-то диод Шоттки служит в качестве маломощного выпрямителя для цепи обратной связи, где-то - в качестве стабилизатора напряжения на уровне 0,3 - 0,4 вольт, а где-то является детектором.

В приведенной таблице вы можете видеть параметры наиболее распространенных сегодня маломощных диодов Шоттки.