معرفی دیود شاتکی ساختار و اصول کاری آن - بخش دوم

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: بخش اول مقاله را می‌توانید در معرفی دیود شاتکی و ساختار و اصول کاری- بخش اول مشاهده نمایید.

دیود شاتکی چگونه کار می کند؟

دیود شاتکی بدون بایاس

هنگامی که فلز به نیمه هادی نوع n متصل می‌شود، الکترون‌های نوار رسانایی (الکترون‌های آزاد) در نیمه هادی نوع n از نیمه هادی نوع n به فلز دیگر برای ایجاد حالت تعادل حرکت می‌کنند.

ما می‌دانیم که وقتی یک اتم خنثی یک الکترون را از دست می‌دهد، به یون مثبت تبدیل می‌شود، به طور مشابه وقتی یک اتم خنثی یک الکترون اضافی به دست آورد، تبدیل به یون منفی می‌شود.

الکترون‌های نوار رسانایی یا الکترون‌های آزاد که از محل پیوند عبور می‌کنند، الکترون‌های اضافی را برای اتم‌های فلز فراهم می‌کنند. در نتیجه، اتم‌های محل پیوند فلز، الکترون‌های اضافی می‌گیرند و اتم‌های محل پیوند طرف n الکترون‌های خود را از دست می‌دهند.

اتم‌هایی که در پیوند طرف n الکترون را از دست می‌دهند به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند در حالی که اتم‌هایی که الکترون‌های اضافی را در اتصال فلز به دست می‌آورند به یون‌های منفی تبدیل می‌شوند. بنابراین، یون‌های مثبت در محل اتصال n سمت و یون‌های منفی در اتصال فلز ایجاد می‌شوند. این یون‌های مثبت و منفی چیزی جز منطقه تخلیه نیستند.

از آنجایی که این فلز دریایی از الکترون‌های آزاد دارد، عرضی که این الکترون‌ها روی فلز حرکت می‌کنند در مقایسه با عرض داخل نیمه‌رسانای نوع n ناچیز است؛ بنابراین پتانسیل داخلی یا ولتاژ داخلی اصولاً در داخل نیمه هادی نوع n وجود دارد. ولتاژ داخلی مانعی است که توسط الکترون‌های نوار رسانایی نیمه هادی نوع n هنگام حرکت به داخل فلز مشاهده می‌شود.

برای غلبه بر این مانع، الکترون‌های آزاد به انرژی بیشتر از ولتاژ داخلی نیاز دارند. در دیود شاتکی بدون بایاس، فقط تعداد کمی الکترون از نیمه هادی نوع n به فلز جریان می‌یابد. ولتاژ داخلی از جریان بیشتر الکترون از نوار رسانایی نیمه هادی به فلز جلوگیری می‌کند.

انتقال الکترون‌های آزاد از نیمه هادی نوع n به فلز منجر به خم شدن باند انرژی در نزدیکی تماس می‌شود.

دیود شاتکی بایاس مستقیم

اگر ترمینال مثبت باتری به فلز و ترمینال منفی باتری به نیمه هادی نوع n متصل باشد، دیود شاتکی بایاس مستقیم گفته می‌شود.

هنگامی که یک ولتاژ بایاس مستقیم به دیود شاتکی اعمال می‌شود، تعداد زیادی الکترون آزاد در نیمه هادی و فلز نوع n تولید می‌شود. با این حال، الکترون‌های آزاد در نیمه هادی نوع n و فلز نمی‌توانند از محل پیوند عبور کنند مگر اینکه ولتاژ اعمال شده بیشتر از ۰.۲ ولت باشد.

اگر ولتاژ اعمال شده بیشتر از ۰.۲ ولت باشد، الکترون‌های آزاد انرژی کافی به دست می‌آورند و بر ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه غلبه می‌کنند. در نتیجه جریان الکتریکی از طریق دیود شاتکی شروع به جریان می‌کند.

اگر ولتاژ اعمال شده به طور مداوم افزایش یابد، منطقه تخلیه بسیار نازک شده و در نهایت ناپدید می‌شود.

دیود شاتکی بایاس معکوس

اگر ترمینال منفی باتری به فلز و قطب مثبت باتری به نیمه هادی نوع n متصل باشد، دیود شاتکی بایاس معکوس گفته می‌شود.

هنگامی که یک ولتاژ بایاس معکوس به دیود شاتکی اعمال می‌شود، عرض تخلیه افزایش می‌یابد. در نتیجه جریان الکتریکی از جریان می‌افتد. با این حال، یک جریان نشتی کوچک به دلیل الکترون‌های برانگیخته حرارتی در فلز جریان می‌یابد.

اگر ولتاژ بایاس معکوس به طور مداوم افزایش یابد، جریان الکتریکی به دلیل وجود مانع ضعیف به تدریج افزایش می‌یابد.

اگر ولتاژ بایاس معکوس تا حد زیادی افزایش یابد، افزایش ناگهانی جریان الکتریکی رخ می‌دهد. این افزایش ناگهانی جریان الکتریکی باعث از بین رفتن منطقه تخلیه می‌شود که ممکن است برای همیشه به دستگاه آسیب برساند.

ویژگی‌های V-I دیود شاتکی

مشخصات V-I (ولتاژ-جریان) دیود شاتکی در شکل زیر نشان داده شده است. خط عمودی در شکل زیر نشان دهنده عبور جریان در دیود شاتکی و خط افقی نشان دهنده ولتاژ اعمال شده در دیود شاتکی است.

ویژگی‌های V-I دیود شاتکی تقریباً مشابه دیود پیوند P-N است. با این حال، افت ولتاژ مستقیم دیود شاتکی در مقایسه با دیود پیوند P-N بسیار کم است.

افت ولتاژ مستقیم دیود شاتکی ۰.۲ تا ۰.۳ ولت است در حالی که افت ولتاژ مستقیم دیود پیوند سیلیکونی P-N مقدار ۰.۶ تا ۰.۷ ولت است.

اگر ولتاژ بایاس رو به جلو بیشتر از ۰.۲ یا ۰.۳ ولت باشد، جریان الکتریکی از طریق دیود شاتکی شروع به جریان می‌کند.

در دیود شاتکی، جریان اشباع معکوس در ولتاژ بسیار کم در مقایسه با دیود سیلیکونی رخ می‌دهد.

تفاوت بین دیود شاتکی و دیود اتصال P-N

تفاوت اصلی بین دیود شاتکی و دیود اتصال p-n به شرح زیر است:

• در دیود شاتکی، الکترون‌های آزاد بیشتر جریان الکتریکی را حمل می‌کنند. حفره‌ها جریان الکتریکی ناچیزی دارند؛ بنابراین دیود شاتکی یک وسیله تک قطبی است. در دیود پیوند P-N، هم الکترون‌های آزاد و هم حفره‌ها جریان الکتریکی دارند؛ بنابراین دیود پیوند P-N یک وسیله دوقطبی است.
• ولتاژ شکست معکوس یک دیود شاتکی در مقایسه با دیود پیوند p-n بسیار کوچک است.
• در دیود شاتکی، منطقه تخلیه وجود ندارد یا ناچیز است، در حالی که در دیود پیوند p-n منطقه تخلیه وجود دارد.
• ولتاژ روشن شدن دیود شاتکی در مقایسه با دیود پیوند p-n بسیار پایین است.
• در دیود شاتکی، الکترون‌ها حامل بیشنه در فلز و نیمه هادی هستند. در دیود پیوندی P-N، الکترون‌ها حامل بیشینه در ناحیه n و حفره‌ها حامل بیشینه در ناحیه p هستند.

مزایای دیود شاتکی

• ظرفیت اتصال کم

‌می‌دانیم که ظرفیت توانایی ذخیره بار الکتریکی است. در یک دیود پیوند P-N، ناحیه تخلیه شامل بار‌های ذخیره شده است؛ بنابراین یک ظرفیت وجود دارد. این ظرفیت در محل پیوند دیود وجود دارد؛ بنابراین به عنوان ظرفیت پیوند شناخته می‌شود.

در دیود شاتکی، بار‌های ذخیره شده یا منطقه تخلیه ناچیز است؛ بنابراین یک دیود شاتکی ظرفیت بسیار کمی دارد.

• زمان بازیابی معکوس سریع

مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک دیود از حالت ON به حالت OFF تغییر کند، زمان بازیابی معکوس نامیده می‌شود.

برای تغییر حالت روشن (رسانا) به حالت خاموش (غیر رسانا)، بار‌های ذخیره شده در ناحیه تخلیه باید ابتدا تخلیه یا حذف شوند قبل از اینکه سوئیچ دیود به حالت خاموش (غیر رسانا) باشد.

دیود پیوند P-N بلافاصله از حالت ON به حالت OFF تغییر نمی‌کند، زیرا تخلیه یا حذف بار‌های ذخیره شده در منطقه تخلیه مدتی طول می‌کشد. با این حال، در دیود شاتکی، منطقه تخلیه ناچیز است؛ بنابراین دیود شاتکی بلافاصله از حالت ON به حالت OFF تغییر می‌کند.

• چگالی جریان بالا

می‌دانیم که ناحیه تخلیه در دیود شاتکی ناچیز است؛ بنابراین اعمال ولتاژ کم برای تولید جریان زیاد کافی است.

• افت ولتاژ مستقیم یا ولتاژ روشن شدن کم

ولتاژ روشن برای دیود شاتکی در مقایسه با دیود پیوند P-N بسیار کوچک است. ولتاژ روشن برای دیود شاتکی ۰.۲ تا ۰.۳ ولت است در حالی که برای دیود اتصال P-N مقدار ۰.۶ تا ۰.۷ ولت است؛ بنابراین اعمال یک ولتاژ کم برای تولید جریان الکتریکی در دیود شاتکی کافی است.

• بازدهی بالا
• دیود‌های شاتکی در فرکانس‌های بالا کار می‌کنند.
• دیود شاتکی صدای ناخواسته کمتری نسبت به دیود پیوند P-N تولید می‌کند.

معایب دیود شاتکی

• جریان اشباع معکوس بزرگ

دیود شاتکی نسبت به دیود پیوند p-n جریان اشباع معکوس زیادی تولید می‌کند.

کاربرد‌های دیود‌های شاتکی

• دیود‌های شاتکی به عنوان یکسو کننده‌های همه منظوره استفاده می‌شوند.
• دیود‌های شاتکی در کاربرد‌های فرکانس رادیویی (RF) استفاده می‌شوند.
• دیود‌های شاتکی به طور گسترده در منابع تغذیه استفاده می‌شود.
• دیود‌های شاتکی برای تشخیص سیگنال‌ها استفاده می‌شود.
• از دیود‌های شاتکی در مدار‌های منطقی استفاده می‌شود.