ショットキーダイオード - デバイス、種類、特性、用途
ショットキー ダイオード、より正確にはショットキー バリア ダイオードは、金属と半導体の接触に基づいて作られた半導体デバイスですが、従来のダイオードは半導体 pn 接合を使用します。
ショットキー ダイオードの名前とエレクトロニクスにおけるその出現は、ドイツの物理学者ウォルター ショットキーに由来します。彼は 1938 年に新たに発見されたバリア効果を研究し、金属からの電子の放出さえもポテンシャル バリアによって妨げられるという以前の理論を確認しました。しかし、外部電場が印加されると、この障壁は減少します。ウォルター・ショットキーがこの効果を発見しました。この効果は、当時科学者に敬意を表してショットキー効果と呼ばれていました。
物理的な側面
金属と半導体の間の接触を調べると、半導体の表面近くにほとんどの電荷キャリアが空乏化した領域がある場合、この半導体と半導体の側面の金属との接触領域にあることがわかります。 、イオン化したアクセプタとドナーから電荷が空間ゾーンに形成され、ブロッキング接触が発生します - ショットキー障壁自体... この障壁はどのような条件下で発生しますか?固体の表面からの熱電子放射電流は、リチャードソンの方程式によって決定されます。
半導体、たとえば n 型が金属と接触しているときに、金属からの電子の熱力学的仕事関数が半導体からの電子の熱力学的仕事関数よりも大きくなる条件を作成してみましょう。このような条件下では、リチャードソンの方程式によれば、半導体表面からの熱電子放射電流は、金属表面からの熱電子放射電流よりも大きくなります。
これらの材料が接触した最初の瞬間には、半導体から金属への電流が（金属から半導体への）逆電流を超えます。その結果、半導体と金属の両方の表面近くの領域で電流が流れます。金属の場合、空間電荷が蓄積され始めます（半導体では正、金属では負）。接触領域では、これらの電荷によって形成される電場が発生し、エネルギーバンドの曲がりが発生します。
場の作用により、半導体の熱力学的仕事関数は増加し、熱力学的仕事関数と表面に加えられる対応する熱電子放射電流が接触領域で等しくなるまで増加が続きます。
p 型半導体と金属のポテンシャル障壁の形成による平衡状態への遷移の図は、n 型半導体と金属で考えられた例と似ています。外部電圧の役割は、半導体の空間電荷領域のポテンシャル障壁の高さと電界の強さを調整することです。
上の図は、ショットキー バリア形成のさまざまな段階の面積図を示しています。接触ゾーンの平衡条件下では、熱放出電流が等化され、場の効果によりポテンシャル障壁が現れ、その高さは熱力学的仕事関数の差に等しい: φk = FMe — Фп / п。
明らかに、ショットキー障壁の電流電圧特性は非対称であることがわかります。順方向では、電流は印加電圧とともに指数関数的に増加します。逆の方向では、電流は電圧に依存せず、どちらの場合も、電流は主な電荷キャリアとしての電子によって駆動されます。
したがって、ショットキー ダイオードは、追加の時間を必要とする拡散および再結合プロセスを排除するため、その速度によって区別されます。電流の電圧依存性はキャリア数の変化に関係します。これは、これらのキャリアが電荷転送プロセスに関与しているためです。外部電圧により、ショットキー障壁の一方の側からもう一方の側に通過できる電子の数が変化します。
製造技術と説明した動作原理に基づいて、ショットキー ダイオードの順方向電圧降下は低く、従来の p-n ダイオードよりもはるかに小さくなります。
ここでは、接触領域を通る小さな初期電流でも熱が放出され、追加の電流キャリアの発生に寄与します。この場合、少数電荷キャリアの注入はありません。
したがって、ショットキー ダイオードには少数キャリアがないため拡散容量がなく、その結果、半導体ダイオードと比較して速度が非常に高速になります。それは、鋭い非対称 p-n 接合に似ていることがわかります。
したがって、まず第一に、ショットキー ダイオードは、検出器、混合、アバランシェ トランジット、パラメトリック、パルス、乗算など、さまざまな目的に使用されるマイクロ波ダイオードです。ショットキー ダイオードは、放射線検出器、ひずみゲージ、核放射線検出器、光変調器、そして最終的には高周波整流器として使用できます。
図上のショットキー ダイオードの指定
今日のダイオードショットキー
現在、ショットキー ダイオードは電子機器に広く使用されています。図では、従来のダイオードとは異なって描かれています。電源スイッチに典型的な 3 ピンのハウジングで作られたデュアル ショットキー整流器がよく見られます。このような二重構造には、内部に 2 つのショットキー ダイオードが含まれており、カソードよりもカソードまたはアノードで結合されることが多くなります。
このような各ノードは 1 つの技術サイクルで製造されるため、アセンブリ内のダイオードは非常に類似したパラメータを持ち、その結果、動作温度も同じになり、信頼性が高くなります。 0.2 ～ 0.4 ボルトの持続的な電圧降下と高速 (ナノ秒単位) は、pn ダイオードに比べてショットキー ダイオードの疑いのない利点です。
ダイオードのショットキー障壁の特性は、低い電圧降下に関連して、最大 60 ボルトの印加電圧で現れますが、速度は一定のままです。現在、25CTQ045 タイプのショットキー ダイオード (アセンブリ内のダイオードの各ペアで最大 45 ボルトの電圧、最大 30 アンペアの電流に対応) が多くのスイッチング電源で使用されており、最大数電流の整流器として機能します。百キロヘルツ。
ショットキーダイオードの欠点について触れないことは不可能ですが、もちろん、それらは2つあります。まず、臨界電圧を短期間超過すると、ダイオードが直ちに無効になります。第二に、温度は最大逆電流に大きな影響を与えます。ジャンクション温度が非常に高い場合、定格電圧で動作している場合でもダイオードは単純に破損します。
アマチュア無線家は、練習においてショットキーダイオードなしで行うことはできません。最も一般的なダイオードは、1N5817、1N5818、1N5819、1N5822、SK12、SK13、SK14 です。これらのダイオードは、出力バージョンと SMD バージョンの両方で使用できます。アマチュア無線家がこの製品を高く評価している主な点は、これらのコンポーネントの低コストでありながら、高速性と接合電圧降下が最大 0.55 ボルトであることです。
まれな PCB では、何らかの目的でショットキー ダイオードが使用されません。ショットキーダイオードは、どこかでフィードバック回路の低電力整流器として機能し、どこかで - 0.3〜0.4ボルトのレベルの電圧安定器として機能し、どこかで検出器として機能します。
以下の表に、現在最も一般的な低電力ショットキー ダイオードのパラメータを示します。