Diodo Schottky
El diodo Schottky (llamado así por el físico alemán Walter H. Schottky), también conocido como diodo de barrera Schottky o diodo portador en caliente, es un diodo semiconductor formado por la unión de un semiconductor con un metal. Tiene una baja caída de tensión directa y una acción de conmutación muy rápida. Los detectores de bigotes de gato utilizados en los primeros días de los rectificadores metálicos e inalámbricos utilizados en las primeras aplicaciones de energía pueden considerarse diodos Schottky primitivos.
Cuando se aplica suficiente voltaje directo, fluye una corriente en la dirección directa. Un diodo p-n de silicio tiene un voltaje directo típico de 600 a 700 mV, mientras que el voltaje directo de Schottky es de 150 a 450 mV. Este requisito de voltaje directo más bajo permite velocidades de conmutación más altas y una mejor eficiencia del sistema.
Historia
Walter H. Schottky (1886–1976) en 1914, descubrió una irregularidad en la emisión de termiones en un tubo de vacío, ahora conocida como efecto Schottky.
Construcción
Se forma una unión metal-semiconductor entre un metal y un semiconductor, creando una barrera de Schottky (en lugar de una unión semiconductor-semiconductor como en los diodos convencionales). Los metales típicos utilizados son molibdeno, platino, cromo o tungsteno, y ciertos siliciuros (por ejemplo, siliciuro de paladio y siliciuro de platino), mientras que el semiconductor normalmente sería silicio de tipo n. El lado metálico actúa como ánodo y el semiconductor de tipo n actúa como cátodo del diodo; lo que significa que la corriente convencional puede fluir desde el lado del metal al lado del semiconductor, pero no en la dirección opuesta. Esta barrera de Schottky da como resultado una conmutación muy rápida y una baja caída de tensión directa.
La elección de la combinación del metal y el semiconductor determina el voltaje directo del diodo. Los semiconductores de tipo n y p pueden desarrollar barreras de Schottky. Sin embargo, el tipo p normalmente tiene un voltaje directo mucho más bajo. Dado que la corriente de fuga inversa aumenta drásticamente al reducir el voltaje directo, no puede ser demasiado baja, por lo que el rango generalmente empleado es de aproximadamente 0,15 a 0,45 V, y los semiconductores de tipo p se emplean solo en raras ocasiones. El siliciuro de titanio y otros siliciuros refractarios, que son capaces de soportar las temperaturas necesarias para el recocido fuente/drenaje en los procesos CMOS, suelen tener un voltaje directo demasiado bajo para ser útiles, por lo que los procesos que utilizan estos siliciuros normalmente no ofrecen diodos Schottky.
Con un mayor dopaje del semiconductor, el ancho de la región de empobrecimiento cae. Por debajo de un cierto ancho, los portadores de carga pueden hacer un túnel a través de la región de agotamiento. A niveles de dopaje muy altos, la unión deja de comportarse como un rectificador y se convierte en un contacto óhmico. Esto se puede utilizar para la formación simultánea de contactos óhmicos y diodos, ya que se formará un diodo entre el siliciuro y la región de tipo n ligeramente dopada, y se formará un contacto óhmico entre el siliciuro y la región de tipo n o p fuertemente dopada.. Las regiones de tipo p ligeramente dopadas plantean un problema, ya que el contacto resultante tiene una resistencia demasiado alta para un buen contacto óhmico, pero un voltaje directo demasiado bajo y una fuga inversa demasiado alta para hacer un buen diodo.
Como los bordes del contacto Schottky son bastante afilados, se produce un alto gradiente de campo eléctrico a su alrededor, lo que limita el tamaño del umbral de tensión de ruptura inversa. Se utilizan varias estrategias, desde anillos de protección hasta superposiciones de metalización para distribuir el gradiente de campo. Los anillos de protección consumen un área valiosa del troquel y se usan principalmente para diodos de alto voltaje más grandes, mientras que la metalización superpuesta se emplea principalmente con diodos de bajo voltaje más pequeños.
Los diodos Schottky se utilizan a menudo como abrazaderas de antisaturación en los transistores Schottky. Los diodos Schottky fabricados con siliciuro de paladio (PdSi) son excelentes debido a su menor voltaje directo (que tiene que ser menor que el voltaje directo de la unión base-colector). El coeficiente de temperatura de Schottky es más bajo que el coeficiente de la unión B-C, lo que limita el uso de PdSi a temperaturas más altas.
Para los diodos Schottky de potencia, las resistencias parásitas de la capa n+ enterrada y la capa tipo n epitaxial se vuelven importantes. La resistencia de la capa epitaxial es más importante que la de un transistor, ya que la corriente debe atravesar todo su espesor. Sin embargo, sirve como una resistencia de lastre distribuida en toda el área de la unión y, en condiciones normales, evita la fuga térmica localizada.
En comparación con los diodos p–n de potencia, los diodos Schottky son menos resistentes. La unión está en contacto directo con la metalización térmicamente sensible; por lo tanto, un diodo Schottky puede disipar menos energía que una contraparte p-n de tamaño equivalente con una unión enterrada profundamente antes de fallar (especialmente durante la ruptura inversa). La ventaja relativa del voltaje directo más bajo de los diodos Schottky disminuye con corrientes directas más altas, donde la caída de voltaje está dominada por la resistencia en serie.
Tiempo de recuperación inversa
La diferencia más importante entre el diodo p–n y el diodo Schottky es el tiempo de recuperación inversa (trr) cuando el diodo cambia del estado conductor al no conductor. En un diodo p-n, el tiempo de recuperación inversa puede ser del orden de varios microsegundos a menos de 100 ns para diodos rápidos, y está limitado principalmente por la capacitancia de difusión causada por los portadores minoritarios acumulados en la región de difusión durante el estado de conducción. Los diodos Schottky son significativamente más rápidos ya que son dispositivos unipolares y su velocidad solo está limitada por la capacitancia de la unión. El tiempo de conmutación es de ~100 ps para los diodos de señal pequeña y hasta decenas de nanosegundos para los diodos de potencia especiales de alta capacidad. Con la conmutación de unión p-n, también hay una corriente de recuperación inversa, que en los semiconductores de alta potencia genera un mayor ruido EMI. Con los diodos Schottky, la conmutación es esencialmente "instantánea" con solo una ligera carga capacitiva, que es mucho menos preocupante.
Este "instantáneo" el cambio no es siempre el caso. En los dispositivos Schottky de mayor voltaje, en particular, la estructura del anillo de protección necesaria para controlar la geometría del campo de ruptura crea un diodo p-n parásito con los atributos habituales de tiempo de recuperación. Siempre que este diodo de anillo de protección no tenga polarización directa, solo agrega capacitancia. Sin embargo, si la unión Schottky se maneja lo suficientemente fuerte, el voltaje directo eventualmente sesgará ambos diodos hacia adelante y el trr real será en gran medida impactado
A menudo se dice que el diodo Schottky es un "portador mayoritario" dispositivo semiconductor. Esto significa que si el cuerpo semiconductor es de tipo n dopado, solo los portadores de tipo n (electrones móviles) juegan un papel importante en el funcionamiento normal del dispositivo. Los portadores mayoritarios se inyectan rápidamente en la banda de conducción del contacto metálico del otro lado del diodo para convertirse en electrones de libre movimiento. Por lo tanto, no está involucrada una recombinación aleatoria lenta de portadores de tipo n y p, por lo que este diodo puede cesar la conducción más rápido que un diodo rectificador p-n ordinario. Esta propiedad, a su vez, permite un área de dispositivo más pequeña, lo que también permite una transición más rápida. Esta es otra razón por la que los diodos Schottky son útiles en los convertidores de potencia de modo conmutado: la alta velocidad del diodo significa que el circuito puede operar a frecuencias en el rango de 200 kHz a 2 MHz, lo que permite el uso de pequeños inductores y capacitores con mayor eficiencia. de lo que sería posible con otros tipos de diodos. Los diodos Schottky de área pequeña son el corazón de los detectores y mezcladores de RF, que a menudo funcionan a frecuencias de hasta 50 GHz.
Limitaciones
Las limitaciones más evidentes de los diodos Schottky son sus clasificaciones de voltaje inverso relativamente bajas y su corriente de fuga inversa relativamente alta. Para los diodos Schottky de metal de silicio, el voltaje inverso suele ser de 50 V o menos. Hay disponibles algunos diseños de voltaje más alto (200 V se considera un voltaje inverso alto). La corriente de fuga inversa, dado que aumenta con la temperatura, genera un problema de inestabilidad térmica. Esto a menudo limita el voltaje inverso útil muy por debajo de la clasificación real.
Si bien se pueden lograr voltajes inversos más altos, presentarían un voltaje directo más alto, comparable a otros tipos de diodos estándar. Dichos diodos Schottky no tendrían ninguna ventaja a menos que se requiera una gran velocidad de conmutación.
Diodo Schottky de carburo de silicio
Los diodos Schottky construidos con carburo de silicio tienen una corriente de fuga inversa mucho más baja que los diodos Schottky de silicio, así como un voltaje directo más alto (alrededor de 1,4–1,8 V a 25 °C) y un voltaje inverso. A partir de 2011 estaban disponibles de los fabricantes en variantes de hasta 1700 V de tensión inversa.
El carburo de silicio tiene una alta conductividad térmica y la temperatura tiene poca influencia en sus características térmicas y de conmutación. Con un empaque especial, los diodos Schottky de carburo de silicio pueden operar a temperaturas de unión de más de 500 K (alrededor de 200 °C), lo que permite el enfriamiento radiativo pasivo en aplicaciones aeroespaciales.
Aplicaciones
Tensión de sujeción
Mientras que los diodos de silicio estándar tienen una caída de tensión directa de aproximadamente 0,7 V y los diodos de germanio de 0,3 V, los diodos Schottky' La caída de voltaje en polarizaciones directas de alrededor de 1 mA está en el rango de 0,15 V a 0,46 V (consulte 1N5817 y 1N5711), lo que los hace útiles en aplicaciones de fijación de voltaje y prevención de la saturación de transistores. Esto se debe a la mayor densidad de corriente en el diodo Schottky.
Protección contra corriente inversa y descarga
Debido a la baja caída de voltaje directo de un diodo Schottky, se desperdicia menos energía en forma de calor, lo que los convierte en la opción más eficiente para aplicaciones sensibles a la eficiencia. Por ejemplo, se utilizan en sistemas fotovoltaicos (PV) autónomos ("fuera de la red") para evitar que las baterías se descarguen a través de los paneles solares durante la noche, llamados "diodos de bloqueo". También se utilizan en sistemas conectados a la red con múltiples cadenas conectadas en paralelo, para evitar que la corriente inversa fluya desde cadenas adyacentes a través de cadenas sombreadas si los "diodos de derivación" ha fallado.
Fuentes de alimentación conmutadas
Los diodos Schottky también se utilizan como rectificadores en fuentes de alimentación conmutadas. El voltaje directo bajo y el tiempo de recuperación rápido conducen a una mayor eficiencia.
También se pueden utilizar en circuitos de alimentación "OR"ing en productos que tienen una batería interna y una entrada de adaptador de red, o similar. Sin embargo, la alta corriente de fuga inversa presenta un problema en este caso, ya que cualquier circuito de detección de voltaje de alta impedancia (por ejemplo, monitorear el voltaje de la batería o detectar si hay un adaptador de corriente) verá el voltaje de la otra fuente de alimentación a través del diodo. fuga.
Circuitos de muestreo y retención
Los diodos Schottky se pueden utilizar en circuitos de muestreo y retención basados en puentes de diodos. En comparación con los puentes de diodos basados en uniones p-n regulares, los diodos Schottky pueden ofrecer ventajas. Un diodo Schottky con polarización directa no tiene ningún almacenamiento de carga de portador minoritario. Esto les permite cambiar más rápidamente que los diodos regulares, lo que resulta en un menor tiempo de transición desde la muestra hasta el paso de retención. La ausencia de almacenamiento de carga de portadores minoritarios también da como resultado un paso de espera más bajo o un error de muestreo, lo que da como resultado una muestra más precisa en la salida.
Control de carga
Debido a su control eficiente del campo eléctrico, los diodos Schottky se pueden usar para cargar o descargar con precisión electrones individuales en nanoestructuras de semiconductores, como pozos cuánticos o puntos cuánticos.
Designación
Paquete DO-214AC (SMA)
(versión de montaje superficial de 1N5819)
Los diodos Schottky que se encuentran comúnmente incluyen los rectificadores de la serie 1N58xx, como las piezas de orificio pasante 1N581x (1 A) y 1N582x (3 A), y las piezas de montaje en superficie SS1x (1 A) y SS3x (3 A). Los rectificadores Schottky están disponibles en numerosos estilos de paquetes de montaje en superficie.
Los diodos Schottky de pequeña señal, como 1N5711, 1N6263, 1SS106, 1SS108 y las series BAT41–43, 45–49, se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia como detectores, mezcladores y elementos no lineales, y han reemplazado a los diodos de germanio.. También son adecuados para la protección contra descargas electrostáticas (ESD) de dispositivos sensibles como dispositivos semiconductores III-V, diodos láser y, en menor medida, líneas expuestas de circuitos CMOS.
Las uniones de semiconductores de metal Schottky se presentan en los sucesores de la familia de dispositivos lógicos 7400 TTL, las series 74S, 74LS y 74ALS, donde se emplean como abrazaderas Baker en paralelo con las uniones colector-base de los transistores bipolares para evitar su saturación, reduciendo así en gran medida sus retrasos en los apagados.
Alternativas
Cuando se desea una menor disipación de energía, se puede usar un MOSFET y un circuito de control en un modo de operación conocido como rectificación activa.
Un superdiodo que consiste en un diodo pn o diodo Schottky y un amplificador operacional proporciona una característica de diodo casi perfecta debido al efecto de la retroalimentación negativa, aunque su uso está restringido a las frecuencias que puede manejar el amplificador operacional utilizado.
Electrohumectación
La electrohumectación se puede observar cuando se forma un diodo Schottky utilizando una gota de metal líquido, p. mercurio, en contacto con un semiconductor, p. silicio. Según el tipo de dopaje y la densidad del semiconductor, la dispersión de las gotas depende de la magnitud y el signo del voltaje aplicado a la gota de mercurio. Este efecto se ha denominado "electrohumectación de Schottky".