Многие великие ученые исследовали свойства p-n перехода. Как вы уже догадались, это обычный диод, который можно увидеть в любой электронной схеме. На момент его изобретения это был элемент, который произвел настоящую революцию и изменил все представления о будущем электроники. Также без внимания не оставалась и технология его изготовления. Появился диод Зеннера и Ганна. Еще был изобретен диод Шоттки,
обладающий интересными свойствами. Его использование в электронике не было таким сенсационным, как у его знаменитых “собратьев”. Особые свойства этого элемента ранее применялись в узкоспециализированных схемах и не находили широкого применения. Тем интереснее, что в последнее время диод Шоттки начал использоваться как основной элемент в импульсных источниках питания. Он работает практически во всех электронных бытовых приборох: телевизорах, магнитофонах, персональных компьютерах, ноутбуках и т.д.
Особые свойства прибора проявляются в низком падении напряжения на р-n переходе. Оно не превышает 0,4 Вольта. То есть по этому параметру он максимально приближен к идеальному элементу, который используется в расчетах. Правда, при напряжении более 50 вольт эти свойства пропадают. Но тем не менее, диод Шоттки стал широко использоваться в схемах с Питание таких схем не превышало 15 Вольт постоянного напряжения, что позволяло в полной мере воспользоваться свойствами этого прибора. Он мог стоять в цепи обратной связи в качестве ограничительного элемента или участвовать в работе регуляторов.
Кроме такого немаловажного свойства, как на p-n переходе, диод Шоттки обладает небольшой емкостью. Это позволяет ему работать в высокочастотных схемах. Практически “идеальные” свойства этого элемента не искажают сигнал высокой частоты. Именно поэтому его стали ставить в импульсные блоки питания, устройства связи и регуляторы.
Но кроме положительных качеств необходимо отметить и недостатки. Диоды Шоттки очень чувствительны даже к кратковременному превышению обратного напряжения от допустимого значения. Это приводит к выходу элемента из строя. В отличие от своих кремниевых “собратьев” он не восстанавливается. Тепловой пробой приводит либо к появлениям токов утечки, либо к “превращению” прибора в проводник.
Первая неисправность приведет к нестабильной работе всего электронного устройства. Ее достаточно сложно найти и устранить. Что касается теплового пробоя, то, например, в это приведет к срабатыванию защиты от После замены неисправного элемента блок питания будет нормально работать.
Современная промышленность выпускает достаточно мощные диоды Шоттки. Импульсный ток в таких приборах может достигать 1,2 кА. Постоянный рабочий ток в некоторых типах доходит до 120 А. Такие приборы обладают широким токовым диапазоном и неплохими эксплуатационными характеристиками. Они с успехом применяются в бытовых приборах и промышленной электронике.
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.
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.
К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект можно добавить ещё один. Это диод Шоттки. Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания p-n перехода.
Также как и другие именитые собратья, диод Шоттки нашёл применение в современной электронике. Стабилитрон (диод Зеннера) применяется повсеместно в устройствах электропитания и стабилизации в огромных количествах. Его не менее известный собрат (диод Ганна) способный генерировать гигагерцовые частоты используется как миниатюрный аналог клистрона или магнетрона.
Он расположен в фокусе всех параболических антенн и играет роль первого гетеродина и преобразователя частоты в системах спутникового телевидения, радиотелескопов и системах приёма телеметрической информации космических систем.
Но вернёмся к диоду Шоттки. На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.
Как видим, изображение диода Шоттки несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.
Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки.
Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов этих диодов объединены. Поэтому сдвоенный диод, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сдвоенные диоды Шоттки с общим катодом.
Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку диоды размещены в едином корпусе, то при работе они находятся в одном температурном режиме. Это увеличивает надёжность работы элемента.
У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) и очень высокое быстродействие.
К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем повышении напряжения диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для этих диодов обычно не превышает 250 вольт.
Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier ) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!
Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого диода указывают в спецификации.
К недостаткам этих диодов Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода и на большом обратном токе возникает тепловой пробой.
К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать диоды Шоттки в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.
В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x. Это диоды 1N5817, 1N5818, 1N5819. Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (I F(AV) ) – 1 ампер и обратное напряжение (V RRM ) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (V F ) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop ) у диодов Шоттки очень мало.
Также достаточно известным диодом Шоттки является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.
Также на печатных платах можно встретить диоды Шоттки серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Диоды для SMD монтажа имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это диоды SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36
, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.
Применение диодов Шоттки в источниках питания.
Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторов напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения + 3,3 вольта и + 5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды Шоттки. Чаще используются сдвоенные диоды с общим катодом. Именно применение сдвоенных диодов может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.
Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У диода может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.
В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают. То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой диодов: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.
Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.
Проверка диодов Шоттки мультиметром.
Проверить диод Шоттки можно с помощью мультиметра. Методика проверки такая же, как и при проверке обычного диода. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить «текущий» диод. Прежде всего, сборку или диод необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления, неисправный диод покажет в обе стороны бесконечно малое сопротивление, то есть короткое замыкание.
Сложнее проверить диод с подозрением на « утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод» то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра обратное сопротивление диода. На пределе «20 кОм» обратное сопротивление диода определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам +3,3V и +5,0V.
Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Они ещё применяются в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что эти не слишком востребованные на Земле приборы питают электроэнергией космические аппараты.
Диод Шоттки еще одна разновидность типичного полупроводникового диода, его отличительная особенность это малое падение напряжения при прямом включении. Название свое он получил в честь немецкого физика изобретателя Вальтера Шоттки. В этих диодах в роли потенциального барьера применяется переход металл-полупроводник, а не p-n переход. Допустимое обратное напряжение диодов Шоттки обычно около 1200 вольт, например CSD05120 и его аналоги, на практике они используются в низковольтных цепях при обратном напряжении до нескольких десятков вольт.
На принципиальных схемах они обозначается почти как диод, мотри рисунок выше, но с небольшими графическими отличиями, кроме того достаточно часто попадаются сдвоенные диоды-шоттки.
Сдвоенный диод Шоттки – это два отдельных элемента собранных в одном общем корпусе причем выводы катодов или анодов этих компонентов объединены. Поэтому сдвоенный диод, обычно трех выводной. В импульсных и компьютерных блоках питания можно достаточно часто увидеть сдвоенные диоды Шоттки с общим катодом.
Так как оба диода размещены в едином корпусе и собраны при одинаковом технологическом процессе, то их технические параметры почти идентичны. При подобном размещение в одном корпусе, во время работе они будут находится в одном температурном режиме, а это один из главный факторов увеличения надежность работы устройства в целом.
Достоинства
Падение напряжения на диоде при прямом включении всего 0,2-0,4 вольт, в то время, как на типовых кремниевых диодах, этот параметр составляет 0,6-0,7 вольта. Такое низкое падение напряжения на полупроводнике, при прямом включении, свойственно только диодам Шоттки с обратным напряжением максимум десятки вольт, но в случае повышения уровня приложенного напряжения, падение напряжения на диоде Шоттки уже сопоставимо с кремниевым диодом, что достаточно сильно ограничивает использование диодов Шоттки в современной электронике.
Теоретически любой диод Шоттки может обладает малой емкостью барьера. Отсутствие в явном виде классического p-n перехода позволяет существенно увеличить рабочую частоту прибора. Этот параметр нашел широкое применение в производстве интегральных микросхем, где диодами Шоттки шунтируют переходы транзисторов, используемых в роле логических элементов. В силовой электронике важен другой параметр диодов Шоттки, а именно, низкое время восстановления дает возможность использовать силовые выпрямители на частоты от сотни кГц и выше. Например, радиокомпонент MBR4015 (на 15 В и 40 А), используется для выпрямления ВЧ напряжения, а его время восстановления всего 10 кВ/мкс.
Благодаря указанным выше положительным свойствам, выпрямители построенные на диодах Шоттки отличаются от выпрямителей на стандартных диодах более низким уровнем помех, поэтому их применяют в аналоговых вторичных блоках питания.
Минусы
В случае краткосрочного превышении допустимого уровня обратного напряжения диод Шоттки выходит из строя, в отличие от типовых кремниевых диодов, которые просто перейдут в режим обратимого пробоя, при условии, что рассеиваемая мощность кристалла не выше допустимых значений, а после снижения напряжения диод полностью восстанавливает свои характеристики.
Диодам Шоттки свойственны более высокие значения обратных токов, увеличивающиеся с ростом температуры кристалла и в случае неудовлетворительных условий работы теплоотвода при работе с высокими токами приводят к тепловому пробою радиокомпонента.
Диоды Шоттки, как я уже отметил выше, активно используются в компьютерных блоках питания и импульсных стабилизаторах напряжения. Они используются в низковольтных и сильноточных частях схемы компьютерных ИБП на + 3,3 вольта и + 5,0 вольт. Чаще всего применяются сдвоенные диоды с общим катодом. Именно использование сдвоенных диодов считаться признаком высококачественного .
Сгоревший диод Шоттки одна из наиболее типовых неисправностей при . У диода может быть два нерабочих состояния: электрический пробой и утечка на корпус. При любом из этих состояний ИБП блокируется благодаря встроенной схеме защиты.
В случае электрического пробоя все вторичные напряжения в блоке питания отсутствуют. Во случае утечки вентилятор компьютерного БП может «подёргиваться» и на выходе могут появляются пульсации выходного напряжения, периодически пропадающие. То есть модуль защиты периодически срабатывает, но полной блокировки не происходит. Диоды Шоттки 100% сгорели, если радиатор, на котором они закреплены, очень теплый или сильно пованивает горелым от них.
Следует сказать пару слов о том, что при ремонте ИБП после замены диодов, особенно с подозрением на утечку на корпус, следует прозвонить все силовые транзисторы работающие в ключевом режиме. А также в случае замены ключевых транзисторов проверка диодов является обязательной и строго необходимой.
Методика проверки диода Шоттки такая же, как и стандартного типового диода. Но и тут есть небольшие отличия. Очень трудно проверить диод этого типа уже впаянный в схему. Поэтому, сборку или отдельный элемент необходимо сначала демонтировать из схемы для проверки. Достаточно просто можно определить полностью пробитый элемент. На всех пределах измерения сопротивления, мультиметр отобразит в обе стороны бесконечно низкое сопротивление или короткое замыкание.
Сложнее проверить с подозрением на утечку. Если проводить проверку типичным мультиметром, например DT-830 в режиме «диода» то мы увидим исправный компонент. Однако если сделать измерение в режиме омметра, то обратное сопротивление на пределе «20 кОм» определяется как бесконечно огромное (1). Если же элемент показывает какое-то сопротивление, например 5 кОм, то этот диод лучше считать подозрительный и заменить на точно работоспособный. Иногда лучше сразу заменить диодов Шоттки по шинам +3,3V и +5,0V в компьютерном ИБП.
Их иногда используют в приемники альфа и бета излучения (дозиметрах), фиксаторах нейтронного излучения, а кроме того на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей которые питают электроэнергией космические аппараты бороздящие просторы нашей необъятной вселенной.