Os diodos de barreira Schottky são diodos semicondutores projetados com tensão direta mínima e velocidades de comutação rápidas que podem ser tão baixas quanto 10 ns. São fabricados em faixas de corrente de 500 mA a 5 amperes e até 40 V. Devido a essas características, tornam-se especificamente adequados em aplicações de baixa tensão e alta frequência, como em SMPS, e também como diodos de roda livre eficientes.
O símbolo do dispositivo é mostrado na imagem a seguir:
Construção interna
Os diodos Schottky são construídos de forma diferente em comparação com os diodos de junção pn tradicionais. Em vez de uma junção pn, eles são construídos usando um junção semicondutora de metal como mostrado abaixo.
A seção de semicondutores é construída principalmente com silício tipo n, e também com vários materiais diferentes, como platina, tungstênio, molibdênio, cromo etc. velocidade de comutação, queda de tensão direta mais baixa etc.
Como funciona
Nos diodos Schottky, os elétrons tornam-se os portadores majoritários no material semicondutor, enquanto no metal exibem portadores minoritários extremamente pequenos (buracos). Quando os dois materiais estão ligados, os elétrons presentes no semicondutor de silício começam a fluir rapidamente em direção ao metal conectado, resultando em uma transferência massiva de portadores majoritários. Devido à sua maior energia cinética do que o metal, eles são geralmente chamados de “portadores quentes”.
Nos diodos de junção pn normais, os portadores minoritários são injetados em diferentes polaridades adjacentes. Enquanto nos diodos Schottky, os elétrons são injetados em regiões com polaridade idêntica.
O influxo maciço de elétrons em direção ao metal causa grande perda de transportadores para o material de silício na área próxima à superfície de junção, que se assemelha à região de depleção da junção pn de outros diodos. Os portadores adicionais no metal criam uma “parede negativa” no metal entre o metal e o semicondutor que bloqueia a entrada de corrente. Ou seja, os elétrons carregados negativamente no semicondutor de silício dentro dos diodos Schottky facilitam uma região livre de portadores junto com uma parede negativa na superfície do metal.
Referindo-se à figura mostrada abaixo, a aplicação de corrente de polarização direta no primeiro quadrante causa uma redução na energia da barreira negativa devido à atração positiva dos elétrons nesta área. Isso leva ao fluxo de retorno de elétrons em grandes quantidades através da fronteira. A magnitude desses elétrons depende da magnitude do potencial aplicado para a polarização.
Diferença entre diodos normais e diodos Schottky
Comparado aos diodos de junção pn normais, a junção de barreira nos diodos Schottky é menor, tanto nas regiões de polarização direta quanto reversa.
Isso permite que os diodos Schottky tenham uma condução de corrente muito melhorada para o mesmo nível de potencial de polarização, nas regiões de polarização direta e reversa. Esta parece ser uma boa característica na região de polarização direta, embora ruim para a região de polarização reversa.
A definição das características gerais de um diodo semicondutor para as regiões de polarização direta e reversa é representada pela equação:
euD = euS (ekVd/Tk -1)
onde Is = corrente de saturação reversa
k = 11.600/ η com η = 1 para material de germânio e η = 2 para material de silício
A mesma equação descreve o aumento exponencial da corrente nos diodos Schottky na figura a seguir, porém o fator η é determinado pelo tipo de construção do diodo.
Na região de polarização reversa, a corrente É é principalmente devido a esses elétrons de metal que viajam para o material semicondutor.
Características de temperatura
Para os diodos Schottky, um dos principais aspectos que tem sido continuamente pesquisado é como minimizar suas correntes de fuga substanciais em altas temperaturas acima de 100°C.
Isso levou à produção de dispositivos melhores e aprimorados que podem funcionar de forma eficiente mesmo em temperaturas extremas entre – 65 a +150°C.
Em temperaturas ambiente típicas, esse vazamento pode estar na faixa de microamperes para diodos Schottky de baixa potência e na faixa de miliamperes para dispositivos de alta potência.
No entanto, esses números são maiores quando comparados com diodos pn normais com as mesmas especificações de potência. Além disso, a classificação PIV para diodos Schottky pode ser muito menor do que nossos diodos tradicionais.
Por exemplo, normalmente um dispositivo de 50 A pode ter uma classificação PIV de 50 V, enquanto isso pode ser de até 150 V para um diodo normal de 50 A. Dito isto, avanços recentes permitiram diodos Schottky com classificações PIV acima de 100 V nos valores de amperagem semelhantes.
Torna-se bastante claro a partir da representação gráfica acima que os diodos Schottky são atribuídos com um conjunto quase ideal de características, ainda melhor do que um diodo de cristal (diodo de contato de ponto). A queda direta de um diodo de contato pontual é tipicamente menor do que um diodo de junção pn normal.
O TP ou a queda de tensão direta do diodo Schottky em grande parte é determinada pelo metal interno. Acontece que há um trade-off entre o efeito da temperatura e o nível de VT. Se um desses parâmetros aumenta o outro também aumenta degradando o nível de eficiência do dispositivo. Além disso, o VT também depende da faixa de corrente, valores mais baixos permitidos garantem valores mais baixos de VT. A queda direta de VT pode ser essencialmente zerada para uma dada unidade de baixo nível, em uma avaliação aproximada. Para faixas de corrente médias e altas, os valores de queda direta podem estar em torno de 0,2 V, e isso parece ser um valor representativo fino.
No momento, a faixa máxima de corrente tolerável do diodo Schottky disponível é de cerca de 75 amperes, embora até 100 amperes também possam estar no horizonte em breve.
Aplicação do diodo Schottky
A principal área de aplicação dos diodos Schottky é em fontes chaveadas ou SMPS, que se destinam a trabalhar com frequências acima de 20 kHz.
Normalmente, um diodo Schottky de 50 amperes à temperatura ambiente pode ser classificado com uma tensão direta de 0,6 V e um tempo de recuperação de 10 ns, projetado especificamente para uma aplicação SMPS. Por outro lado, um diodo de junção pn comum pode apresentar uma queda direta de 1,1 V e um tomo de recuperação de cerca de 30 a 50 ns, na mesma especificação de corrente.
Você pode achar que a diferença de tensão direta acima é bem pequena, no entanto, se olharmos para o nível de dissipação de energia entre os dois: P(portador quente) = 0,6 x 50 = 30 watts e P(pn) = 1,1 x 50 = 55 watts, que é uma diferença bastante mensurável, que pode prejudicar criticamente a eficiência do SMPS.
Embora, na região de polarização reversa, a dissipação em um diodo Schottky possa ser um pouco maior, ainda assim a dissipação de polarização direta e reversa da rede será muito melhor do que um diodo de junção pn.
Tempo de recuperação reversa
No diodo semicondutor pn comum, o tempo de recuperação reversa (trr) é alto por conta dos portadores minoritários injetados.
Nos diodos Schottky devido a portadores minoritários extremamente baixos, o tempo de recuperação reversa é substancialmente baixo. É por isso que os diodos Schottky são capazes de funcionar tão efetivamente mesmo em frequências de 20 GHz, que exigem que os dispositivos comutem em uma velocidade extremamente rápida.
Para frequências mais altas do que isso, um diodo de contato pontual ou um diodo de cristal ainda é empregado, devido à sua área de junção muito pequena ou área de junção pontual.
Circuito equivalente de diodos Schottky
A próxima figura mostra o circuito equivalente de um diodo Schottky com valores típicos. O símbolo adjacente é o símbolo padrão do dispositivo.
A indutância Lp e a capacitância Cp são os valores especificados na própria embalagem, rB constitui a resistência em série composta pela resistência de contato e a resistência de massa.
Os valores para a resistência rd e capacitância Cj são conforme os cálculos discutidos nos parágrafos anteriores.
Tabela de especificações do diodo Schottky
A tabela abaixo fornece uma lista de retificadores de portadora quente fabricados pela Motorola Semiconductor Products juntamente com suas especificações e detalhes de pinagem.
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FONTE
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