معرفی دیود شاتکی ساختار و اصول کاری آن - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: دیود شاتکی (Schottky Diode) یک دیود پیوند فلزی-نیمه هادی است که افت ولتاژ کمتری نسبت به دیود پیوند P-N دارد و می‌تواند در کاربرد‌های سوئیچینگ با سرعت بالا استفاده شود.

دیود شاتکی چیست؟

در یک دیود معمولی پیوند p-n، یک نیمه هادی نوع p و یک نیمه هادی نوع n برای تشکیل پیوند p-n استفاده می‌شود. هنگامی که یک نیمه هادی نوع p به یک نیمه هادی نوع n متصل می‌شود، یک اتصال بین نیمه هادی نوع P و نوع N ایجاد می‌شود. این اتصال به نام اتصال P-N شناخته می‌شود.

در دیود شاتکی، فلزاتی مانند آلومینیوم یا پلاتین جایگزین نیمه هادی نوع P می‌شوند. دیود شاتکی به افتخار فیزیکدان آلمانی والتر اچ. شاتکی نامگذاری شده است.

دیود شاتکی به نام‌های دیود مانع شاتکی، دیود مانع سطحی، دستگاه حامل اکثریت، دیود الکترون داغ یا دیود حامل داغ نیز شناخته می‌شود. دیود‌های شاتکی به طور گسترده در کاربرد‌های فرکانس رادیویی (RF) استفاده می‌شود.

هنگامی که فلز آلومینیوم یا پلاتین به نیمه هادی نوع N متصل می‌شود، یک پیوند بین فلز و نیمه هادی نوع N ایجاد می‌شود. این پیوند به عنوان اتصال فلز-نیمه هادی یا پیوند M-S شناخته می‌شود. یک پیوند فلز-نیمه هادی که بین یک نیمه هادی فلزی و نوع n تشکیل می‌شود، یک مانع یا لایه تخلیه ایجاد می‌کند که به عنوان مانع شاتکی شناخته می‌شود.

دیود شاتکی می‌تواند بسیار سریعتر از دیود اتصال p-n روشن و خاموش شود. همچنین دیود شاتکی صدای ناخواسته کمتری نسبت به دیود اتصال p-n تولید می‌کند. این دو ویژگی دیود شاتکی آن را در مدار‌های برق سوئیچینگ با سرعت بالا بسیار مفید می‌کند.

دیود شاتکی می‌تواند بسیار سریعتر از دیود اتصال p-n روشن و خاموش شود. همچنین دیود شاتکی صدای ناخواسته کمتری نسبت به دیود اتصال p-n تولید می‌کند. این دو ویژگی دیود شاتکی آن را در مدار‌های برق سوئیچینگ با سرعت بالا بسیار مفید می‌کند.

هنگامی که ولتاژ کافی به دیود شاتکی اعمال می‌شود، جریان در جهت جلو شروع به جریان می‌کند. به دلیل این جریان، یک افت ولتاژ کوچک در پایانه‌های دیود شاتکی رخ می‌دهد. این کم شدن ولتاژ به عنوان افت ولتاژ (voltage drop) شناخته می‌شود.

در دیود سیلیکونی، ۰.۶ تا ۰.۷ ولت برای روشن کردن دیود تلف می‌شود، در حالی که در دیود شاتکی، ۰.۲ تا ۰.۳ ولت برای روشن کردن دیود تلف می‌شود؛ بنابراین دیود شاتکی برای روشن شدن ولتاژ کمتری مصرف می‌کند.

ولتاژ مورد نیاز برای روشن کردن دیود شاتکی مانند دیود ژرمانیوم است. اما دیود‌های ژرمانیوم به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا سرعت سوئیچینگ دیود‌های ژرمانیوم در مقایسه با دیود‌های شاتکی بسیار پایین است.

نماد دیود شاتکی

نماد دیود شاتکی در شکل زیر نشان داده شده است. در دیود شاتکی، فلز به عنوان آند و نیمه هادی نوع n به عنوان کاتد عمل می‌کند.

پیوند فلز-نیمه هادی (M-S)

اتصال نیمه هادی فلزی (M-S) نوعی اتصال است که بین یک فلز و یک نیمه هادی نوع n در هنگام اتصال فلز به نیمه هادی نوع n ایجاد می‌شود. اتصال فلز-نیمه هادی گاهی اوقات به عنوان اتصال M-S نیز شناخته می‌شود.

اتصال فلز-نیمه هادی می‌تواند غیر یکسو کننده یا یکسو کننده باشد. اتصال غیر یکسو کننده فلز نیمه هادی تماس اهمی نامیده می‌شود. اتصال فلز-نیمه هادی یکسو کننده تماس غیر اهمی نامیده می‌شود.

سد شاتکی چیست؟

سد شاتکی یک لایه تخلیه است که در محل اتصال یک نیمه هادی فلزی و نوع n ایجاد می‌شود. به عبارت ساده، سد شاتکی، مانع انرژی پتانسیلی است که در محل پیوند فلز-نیمه هادی تشکیل می‌شود. الکترون‌ها باید بر این مانع انرژی پتانسیل غلبه کنند تا در سراسر دیود جریان پیدا کنند.

پیوند یکسو کننده فلز-نیمه هادی یک سد شاتکی یکسو کننده را تشکیل می‌دهد. این مانع شاتکی اصلاح کننده برای ساخت دستگاهی به نام دیود شاتکی استفاده می‌شود. پیوند فلز-نیمه هادی غیر یکسو کننده یک مانع شاتکی غیر یکسو کننده را تشکیل می‌دهد.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های یک سد شاتکی، ارتفاع سد شاتکی است. مقدار ارتفاع این مانع به ترکیب نیمه هادی و فلز بستگی دارد.

ارتفاع سد شاتکی تماس اهمی (سد غیر یکسو کننده) بسیار کم است در حالی که ارتفاع مانع شاتکی تماس غیر اهمی (سد اصلاح کننده) زیاد است.

در سد شاتکی غیر اصلاح کننده، ارتفاع مانع به اندازه کافی زیاد نیست که منطقه تخلیه را تشکیل دهد؛ بنابراین منطقه تخلیه در دیود تماس اهمی ناچیز است یا وجود ندارد.

از سوی دیگر، در اصلاح سد شاتکی، ارتفاع مانع به اندازه‌ای زیاد است که یک ناحیه تخلیه را تشکیل دهد؛ بنابراین منطقه تخلیه در دیود تماس غیر اهمی وجود دارد.

پیوند فلز-نیمه هادی غیر یکسو کننده (تماس اهمی) مقاومت بسیار کمی در برابر جریان الکتریکی ارائه می‌دهد در حالی که پیوند فلز-نیمه هادی یکسو کننده مقاومت بالایی در برابر جریان الکتریکی در مقایسه با تماس اهمی ارائه می‌دهد.

سد شاتکی یکسو کننده زمانی تشکیل می‌شود که یک فلز در تماس با نیمه هادی ناخالصی کمی ایجاد شده باشد، در حالی که سد غیر یکسو کننده زمانی تشکیل می‌شود که یک فلز با نیمه هادی بسیار ناخالص ایجاد شده باشد.

پیوند اهمی دارای منحنی خطی جریان-ولتاژ (I-V) است در حالی که پیوند غیر اهمی دارای منحنی جریان-ولتاژ غیرخطی (I-V) است.

نمودار باند انرژی دیود شاتکی

نمودار باند انرژی نیمه هادی نوع N و فلز در شکل زیر نشان داده شده است.

سطح خلاء به عنوان سطح انرژی الکترون‌هایی که خارج از ماده هستند تعریف می‌شود. تابع کار به عنوان انرژی مورد نیاز برای حرکت یک الکترون از سطح فرمی (E_F) به سطح خلاء (E₀) تعریف می‌شود.

تابع کار یا انرژی استخراج الکترون (work function) برای فلز و نیمه هادی متفاوت است. انرژی استخراج الکترون یک فلز بیشتر از انرژی استخراج الکترون یک نیمه هادی است. بنابراین، الکترون‌های نیمه هادی نوع n نسبت به الکترون‌های فلز انرژی پتانسیل بالاتری دارند.

سطوح انرژی فلز و نیمه هادی متفاوت است. سطح فرمی در سمت نیمه هادی نوع N در بالای سمت فلزی قرار دارد.

‌می‌دانیم که الکترون‌های سطح انرژی بالاتر انرژی پتانسیل بیشتری نسبت به الکترون‌های سطح انرژی پایین‌تر دارند؛ بنابراین الکترون‌های نیمه هادی نوع N نسبت به الکترون‌های فلز انرژی پتانسیل بیشتری دارند.

نمودار باند انرژی نیمه هادی فلزی و نوع n پس از تماس در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگامی که فلز به نیمه هادی نوع n متصل می‌شود، وسیله‌ای به نام دیود شاتکی ایجاد می‌شود. ولتاژ داخلی (V_bi) برای دیود شاتکی در واقع تفاوت انرژی استخراج الکترون بین یک نیمه هادی فلزی با نوع n را نشان می‌دهد.