Diodos Schottky: funcionamiento, características, aplicación

Diodos Schottky: funcionamiento, características, aplicación

Los diodos de barrera Schottky son diodos semiconductores diseñados con voltaje directo mínimo y velocidades de conmutación rápidas que pueden ser tan bajas como 10 ns. Estos se fabrican en rangos de corriente de 500 mA a 5 amperios y hasta 40 V. Debido a estas características, se vuelven especialmente adecuados en aplicaciones de baja tensión y alta frecuencia como en SMPS, y también como diodos de rueda libre eficientes.

El símbolo del dispositivo se muestra en la siguiente imagen:

Cortesía: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_diode



Construcción interna

Los diodos Schottky se construyen de manera diferente en comparación con los diodos de unión p-n tradicionales. En lugar de una unión p-n, se construyen utilizando un unión de semiconductores de metal Como se muestra abajo.

Estructura interna del diodo Schottky

La sección de semiconductores se construye principalmente con silicio de tipo n, y también con un montón de materiales diferentes como platino, tungsteno, molibdeno, cromo, etc. El diodo puede tener un conjunto diferente de características según el material que se use, lo que les permite mejorar velocidad de conmutación, menor caída de tensión directa, etc.

Cómo funciona

En los diodos Schottky, los electrones se convierten en el portador mayoritario en el material semiconductor, mientras que en el metal exhibe portadores minoritarios extremadamente pequeños (huecos). Cuando los dos materiales están enlazados, los electrones presentes en el semiconductor de silicio comienzan a fluir rápidamente hacia el metal conectado, lo que resulta en una transferencia masiva de portadores mayoritarios. Debido a su mayor energía cinética que el metal, en general se les llama 'portadores calientes'.

Los diodos de unión p-n normales, los portadores minoritarios se inyectan a través de diferentes polaridades adyacentes. Mientras que en los diodos Schottky, los electrones se inyectan en regiones con idéntica polaridad.

La afluencia masiva de electrones hacia el metal causa una gran pérdida de portadores del material de silicio en el área cercana a la superficie de unión, que se asemeja a la región de agotamiento de la unión p-n de otros diodos. Los portadores adicionales en el metal crean una 'pared negativa' en el metal entre el metal y el semiconductor que bloquea la entrada de corriente. Lo que significa que los electrones cargados negativamente en el semiconductor de silicio dentro de los diodos Schottky facilitan una región libre de portadores junto con una pared negativa en la superficie del metal.

Con referencia a la figura que se muestra a continuación, la aplicación de corriente de polarización directa en el primer cuadrante provoca una reducción en la energía de la barrera negativa debido a la atracción positiva de los electrones en esta área. Esto conduce al flujo de retorno de electrones en grandes cantidades a través del límite. La magnitud de estos electrones depende de la magnitud del potencial aplicado para la polarización.

Diferencia entre diodos normales y diodos Schottky

En comparación con los diodos de unión p-n normales, la unión de barrera en los diodos Schottky es menor, tanto en las regiones de polarización directa como inversa.

Esto permite que los diodos Schottky tengan una conducción de corriente mucho mejor para el mismo nivel de potencial de polarización, en las regiones de polarización directa e inversa. Esta parece ser una buena característica en la región de polarización directa, aunque mala para la región de polarización inversa.

La definición de las características generales de un diodo semiconductor para las regiones de polarización directa e inversa está representada por la ecuación:

I D = Yo S ( es kVd / Tk -1)

donde Is = corriente de saturación inversa
k = 11,600 / η con η = 1 para material de germanio y η = 2 para material de silicio

La misma ecuación describe el aumento exponencial de la corriente en los diodos Schottky en la siguiente figura, sin embargo, el factor η está determinado por el tipo de construcción del diodo.

Comparación de las características de los diodos de unión p-n y portadora caliente

En la región de polarización inversa, la corriente Es se debe principalmente a los electrones metálicos que viajan hacia el material semiconductor.

Caracteristicas de temperatura

Para los diodos Schottky, uno de los aspectos principales que se ha investigado continuamente es cómo minimizar sus importantes corrientes de fuga a altas temperaturas por encima de los 100 ° C.

Esto ha llevado a la producción de dispositivos mejores y mejorados que pueden funcionar de manera eficiente incluso a temperaturas extremas entre -65 y + 150 ° C.

A temperaturas ambiente típicas, esta fuga puede estar en el rango de microamperios para diodos Schottky de baja potencia y en el rango de miliamperios para los dispositivos de alta potencia.

Sin embargo, estas cifras son mayores en comparación con los diodos p-n normales con las mismas especificaciones de potencia. También el Clasificación PIV para un diodo Schottky puede ser mucho menor que nuestros diodos tradicionales.

Por ejemplo, normalmente un dispositivo de 50 amperios puede tener una clasificación PIV de 50 V, mientras que esto puede ser de hasta 150 V para un diodo normal de 50 amperios. Dicho esto, los avances recientes han habilitado diodos Schottky con clasificaciones PIV de más de 100 V con valores de amperaje similares.

Queda bastante claro a partir de la representación gráfica anterior que a los diodos Schottky se les atribuye un conjunto de características casi ideal, incluso mejor que un diodo de cristal (diodo de contacto puntual). La caída hacia adelante de un diodo de contacto puntual es típicamente más baja que la de un diodo de unión p-n normal.

El VT o la caída de tensión directa del diodo Schottky está determinada en gran medida por el metal del interior. Resulta que existe una compensación entre el efecto de la temperatura y el nivel de VT. Si uno de estos parámetros aumenta, el otro también aumenta degradando el nivel de eficiencia del dispositivo. Además, el VT también depende del rango actual, los valores más bajos permitidos aseguran valores más bajos de VT. La caída directa de VT puede reducirse esencialmente a cero para determinadas unidades de bajo nivel, en una evaluación aproximada. Para rangos de corriente medios y altos, los valores de caída directa podrían estar alrededor de 0.2 V, y esto parece ser un buen valor representativo.

Por el momento, el rango de corriente máximo tolerable del diodo Schottky disponible es de alrededor de 75 amperios, aunque pronto también pueden estar en el horizonte hasta 100 amperios.

Aplicación del diodo Schottky

El área de aplicación principal de los diodos Schottky es la conmutación de fuentes de alimentación o SMPS, que están diseñadas para funcionar con frecuencias superiores a 20 kHz.

Por lo general, un diodo Schottky de 50 amperios a temperatura ambiente puede tener un voltaje directo de 0,6 V y un tiempo de recuperación de 10 ns, diseñado específicamente para una aplicación SMPS. Por otro lado, un diodo de unión p-n ordinario puede exhibir una caída directa de 1.1 V y un volumen de recuperación de alrededor de 30 a 50 ns, con la misma especificación de corriente.

Puede encontrar que la diferencia de voltaje directo anterior es bastante pequeña, sin embargo, si observamos el nivel de disipación de potencia entre los dos: P (portadora caliente) = 0,6 x 50 = 30 vatios y P (pn) = 1,1 x 50 = 55 vatios, que es una diferencia bastante medible, que puede dañar críticamente la eficiencia del SMPS.

Aunque, en la región de polarización inversa, la disipación en un diodo Schottky puede ser ligeramente mayor, la disipación neta de polarización directa e inversa será mucho mejor que la de un diodo de unión p-n.

Tiempo de recuperación inverso

En un diodo semiconductor p-n ordinario, el tiempo de recuperación inverso (trr) es alto debido a los portadores minoritarios inyectados.

En diodos Schottky debido a portadores minoritarios extremadamente bajos, el tiempo de recuperación inversa es sustancialmente bajo. Esta es la razón por la que los diodos Schottky pueden funcionar con tanta eficacia incluso a frecuencias de 20 GHz, lo que requiere que los dispositivos cambien a una velocidad extremadamente rápida.

Para frecuencias más altas que esto, todavía se emplea un diodo de contacto puntual o un diodo de cristal, debido a su área de unión o área de unión puntual muy pequeña.

Circuito equivalente de diodos Schottky

La siguiente figura muestra el circuito equivalente de un diodo Schottky con valores típicos. El símbolo contiguo es el símbolo estándar del dispositivo.

Circuito equivalente de diodos Schottky

La inductancia Lp y la capacitancia Cp son los valores especificados en el propio paquete, rB constituye la resistencia en serie compuesta por la resistencia de contacto y la resistencia a granel.

Los valores para la resistencia rd y la capacitancia Cj son los cálculos discutidos en los párrafos anteriores.

Tabla de especificaciones del diodo Schottky

El cuadro siguiente nos proporciona una lista de rectificadores de portadora en caliente fabricados por Motorola Semiconductor Products junto con sus especificaciones y detalles de distribución de pines.




Anterior: Rectificación de diodos: media onda, onda completa, PIV Siguiente artículo: Circuito de luz de obstrucción LED