Schottkyho dioda – jak funguje?

Schottkyho dioda je speciální typ diody s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi. Pro inženýry elektroniky je vynikajícím nástrojem, který lze použít k sestavení složitých obvodů. Pro běžného člověka, který se o elektroniku nezajímá, je však Schottkyho dioda neznámou součástkou, která se nevědomky používá každý den. Příkladem mohou být oblíbené pulzní nabíječky, které se často používají k napájení televizorů, nebo napájecí zdroje pro LCD počítačové monitory.

Co je to dioda? Jak funguje?

Dioda je známá elektronická součástka, která je pro ty, kteří se o elektroniku nezajímají hlouběji, nejčastěji spojována se světelnou diodou neboli LED. Stojí za to vědět, že se jedná pouze o jeden z mnoha typů diod, které plní velmi důležité funkce v mnoha elektronických zařízeních, jež denně používám. Jak dioda funguje? Abychom mohli odpovědět na tuto otázku, je třeba nejprve poznamenat, že d ioda je elektronická součástka se dvěma elektrodami – anodou a katodou. (často se proto označuje jako dvouelektrodová nebo dvoukoncová). Jedná se o součástku, která vede elektrický proud asymetricky: jde o to, že proud teče “lépe” jedním ze dvou směrů a hůře druhým.

Dioda – princip činnosti

Vedení proudu pouze jedním směrem (v tzv. vodivém směru) je obvykle podstatou činnosti diody. Druhý směr by měl být diodou co nejvíce blokován (i když ve skutečnosti existuje nevýhoda těchto součástek, kterou je jev tzv. svodového proudu – zpětného proudu). Schottkyho dioda je tedy dioda, která vede proud v jednom směru.

Jak dioda vypadá, můžete vidět na obrázku níže.

Schottkyho diody – použití diod

Díky těmto fyzikálním vlastnostem lze diody úspěšně používat v mnoha praktických zařízeních, jako jsou rádiové přijímače nebo usměrňovače (zařízení sloužící k usměrnění střídavého napětí – například k nabíjení autobaterie proudem z domácí zásuvky). Diody jsou konstruovány z materiálů s různými vlastnostmi – použití různých typů materiálů a volba parametrů generování p-n přechodu ovlivňují konečné výkonové charakteristiky diody. V závislosti na fyzikálních vlastnostech diod je lze použít k různým účelům. Například diody LED vykazují elektroluminiscenční vlastnosti, takže je lze použít jako zdroj světla. Zenerovy diody při určitém napětí ve zpětném směru vykazují náhlý nárůst svého zpětného proudu – používají se v zařízeních, která plní funkce stabilizace napětí. Existuje také velmi unikátní typ diody – takzvaná Schottkyho dioda.

Schottkyho dioda

P-n přechod v diodách

Přechod je spojení dvou polovodičových nebo kovových krystalů tak, že spolu tvoří těsný kontakt. P-n přechod je typ přechodové vrstvy umístěné mezi polovodičem typu p (kladný) a polovodičem typu n (záporný). Pokud je v p-oblasti větší koncentrace děr než elektronů (v důsledku přítomnosti akceptorového dopantu), svědčí to o děrové vodivosti. Vyšší koncentrace elektronů svědčí o elektronové vodivosti, což je způsobeno přítomností donorského dopování v oblasti typu n. V závislosti na případu mohou být majoritními nosiči elektrony v oblasti typu n nebo díry v oblasti typu p. 

Jedinečnost Schottkyho diody – m-s přechod

Schottkyho dioda je mezi takovými prvky jedinečným případem – jedná se o polovodičovou diodu, která má místo přechodu p-n přechod kov-polovodič (takové prvky se často označují symbolem m-s). Přechody m-s jsou nejčastěji vytvořeny ve formě předem vytvořeného polovodičového a kovového povlaku. Proudově-napěťové charakteristiky takových přechodů se dělí na lineární (odporové povahy) a nelineární. M-s přechody s nelineární charakteristikou jsou usměrňovací přechody, tj. takové, jaké se používají v Schottkyho diodách. Ve vodičích s p-n přechodem vzniká proud tekoucí ve směru vedení pohybem minoritních nosičů, tedy zcela jinak než ve Schottkyho diodě, kde proud vzniká pohybem majoritních nosičů. Pokud je použit polovodič typu n, elektrony proudící do kovu se stávají většinovými nosiči.

Schottkyho dioda vs. jiné typy diod

Schottkyho dioda se vyznačuje velmi nízkou kapacitou přechodu, což má za následek velmi nízkou dobu přepínání. Tyto vlastnosti vybízejí ke srovnání s čepelovou diodou, která má podobné vlastnosti. Nicméně Schottkyho dioda je mnohem méně nespolehlivá (také mechanicky – odolná proti nárazům), má menší rozptyl hodnot parametrů, výrazně nižší zpětný proud, nižší odpor ve směru vedení, ale vyšší parazitní kapacitu. U vrstevnaté diody se při vedení v p-n přechodu hromadí poměrně velký náboj, což diody s takovými vlastnostmi vylučuje mimo jiné z vhodnosti pro úlohy, kde mají například zvládat vysoké frekvence. Schottkyho dioda má velmi malou setrvačnost právě proto, že náboj, který se hromadí v přechodu kov-polovodič, je malý – díky tomu je velmi vhodná pro spínání a velmi vysoké frekvenční rozsahy. To je jedna z nejdůležitějších vlastností, díky níž jsou Schottkyho diody užitečné mimo jiné jako součástky pulzních nabíječů (které se dnes používají mimo jiné k napájení televizorů) nebo směšovačů (elektronických obvodů, které mají ze dvou proměnných signálů vytvořit třetí, s frekvencí, která je kombinací signálů ze vstupu).

Shrnutí

Schottkyho dioda je polovodičová dioda, která má místo přechodu p-n přechod m-s (kov-vodič). Díky tomuto uspořádání má prvek usměrňovací vlastnosti (proud může téct pouze jedním směrem). Standardní doba spínání trvá přibližně 100 pikosekund – tak malá hodnota je způsobena velmi nízkou kapacitou přechodu (dioda má velmi nízkou úroveň setrvačnosti). To je vynikající výkon pro obvody pracující na velmi vysokých frekvencích.

Proč je dioda tak užitečná? Úbytek napětí

Schottkyho diody se vyznačují řadou pozitivních vlastností – patří mezi ně velmi nízké maximální zpětné napětí, které zřídkakdy přesahuje hranici 100 V. Stojí za to vědět, že křemíkové diody se v současné době v průmyslu masově používají – přitom pro srovnání Schottkyho diody mají přibližně dvojnásobný úbytek napětí ve vodivém směru – jeho hodnota je asi 0,3 V.

Vlastnosti Schottkyho diody a její použití

Schottkyho dioda obsahuje vrstvu kovu a vrstvu polovodiče, kterým je obvykle křemík. Díky svým vlastnostem je ideální pro mnoho aplikací v elektronice – jako součástka k ochraně citlivých elektronických obvodů a jako usměrňovač používaný u signálů s velmi vysokou frekvencí. V těchto aplikacích funguje mnohem lépe než tradiční křemíková dioda – liší se především nižším úbytkem napětí a mnohem vyšší frekvencí signálů, které dokáže úspěšně zpracovat. Její provozní vlastnosti vedly k tomu, že je často označována jako dioda s horkým nosičem nebo bariérová dioda. Nízké vodivé napětí začíná přibližně od 150 mV až do 500 mV, přičemž nejnižší hodnota u křemíkových diod je nejméně 600 mV. Takzvaný bariérový přechod (často označovaný jako Schottkyho bariéra), popsaný dříve, vzniká spojením polovodiče s kovem. Polovodič je nejčastěji křemík, zatímco kov je nejčastěji vybrán z platiny, wolframu, molybdenu nebo chromu. Volba souboru materiálů, které budou fungovat jako anoda (typ kovu) a katoda (typ polovodiče), určuje, jaké hodnoty vodivostního napětí Schottkyho dioda dosáhne.

Odolnost proti proražení a odvodu tepla

Vakuové nanášení představuje velmi dobrou “příležitost”, jak nanést kovovou vrstvu na polovodičový substrát tím nejlepším možným způsobem. Anoda se stává kovovou stranou, zatímco katoda je polovodič. Kov funguje především jako odporový kontakt pro anodu – je to pouze tenká vrstva nanesená na křemík. Toto uspořádání odhaluje určitou nevýhodu, která je patrná ve srovnání s tradičními křemíkovými diodami. Prvky s takto tenkými vodiči se často stávají “slabými články” a činí celou diodu mnohem méně odolnou proti průrazu. Kromě toho stojí za zmínku, že Schottkyho dioda si vede mnohem hůře při vyzařování tepla z obvodu ve srovnání se svým proporcionálním protějškem s p-n přechodem. Důvodem těchto vlastností je použití kovu, který je neustále v přímém kontaktu se Schottkyho přechodem.

Setrvačnost a doba regenerace

Schottkyho dioda je polovodičová elektronická součástka, jejíž jednou z nejdůležitějších a nejcharakterističtějších vlastností, která ji odlišuje od klasické přechodové diody, je to, že jejími většinovými nosiči jsou elektrony. Je to proto, že v polovodiči typu N (v katodě – obvykle křemíku) je jich mnohem více než v anodě, takže působí jako nosiče proudu. Kovová vrstva je elektricky zcela inertní. Všechny tyto vlastnosti přispívají k mnohem menší setrvačnosti Schottkyho diody než u tradičních diod. Posledním důvodem je, že na přechodu není žádná takzvaná ochuzená oblast, což se přímo promítá do velmi zkrácené doby regenerace. Ta je potřebná k přechodu ze stavu, kdy dioda vede, do stavu, kdy má dioda bariérovou funkci (například chrání obvod před nesprávným napájením, které by při průtoku proudu opačným směrem poškodilo instalované citlivé elektronické součástky). Rozdíl mezi tradičními diodami s p-n přechodem je značný, protože v nejlepším případě bude takzvaná p-n dioda potřebovat několik set nanosekund a může se stát, že i několik tisíc nanosekund, zatímco Schottkyho dioda spotřebuje na regeneraci od desetin části až po maximálně několik desítek nanosekund.

Jak vypadá symbol Schottkyho diody? Symboly diod

Většina lidí snadno rozpozná symbol diody. Na schématech elektronických obvodů lze často vidět čáru symbolizující vodič jako černý rovnoramenný trojúhelník, jehož výška probíhající od vrcholu mezi stejnými rameny k základně se shoduje s vodičem. Symbol má ještě přímku přibližující se základně trojúhelníku – je s ní také rovnoběžná, ale umístěná přesně na vrcholu trojúhelníku, který se rovněž shoduje s vodičem. Obvykle se umísťuje tak, že osoba, která čte schéma, má anodu vyznačenou vlevo (od základny trojúhelníku) a katodu vpravo (od místa, kde se vrchol trojúhelníku spojuje s vodičem). Celé to vypadá jako černá šipka umístěná na čáře. Pro některé lidi je běžnější symbol LED – vypadá úplně stejně jako výše popsaný základní symbol LED, ale nad “horním ramenem” má nakreslené dvě šipky, které označují vyzařování světla.

Schottkyho dioda – označení

Schottkyho dioda se také příliš neliší od standardního označení diody. Na úsečce, která je rovnoběžná se základnou trojúhelníku a tečná k vrcholu trojúhelníku, se v jeho horní části nachází další lom – velmi krátce spojené úsečky (první vede doprava, druhá dolů). Na jeho druhém konci jsou také, které jsou uspořádány symetricky vzhledem k bodu, kde se drát a úsečka protínají – celek tedy vypadá jako černý trojúhelník a velmi vysoké písmeno “S”.

Kdo vynalezl Schottkyho diodu?

Tvůrcem Schottkyho diody byl samozřejmě William Schottky. Je to známý německý vědec, který žil v letech 1886-1976 v západním Německu. Přispěl k mnoha epochálním objevům, které dnes nepřímo využívá prakticky každý. Ve svých 26 letech získal doktorát a obhájil disertační práci na téma speciální teorie relativity. Studoval u profesora Maxe Plancka – autora mnoha prací z oblasti fyziky, který byl jedním ze zakladatelů teorie kvant a v roce 1918 získal Nobelovu cenu za fyziku. Společně s Erwinem Gerlachem vyvinul William Schottky zařízení, které se dodnes používá v profesionálních zvukových studiích – tzv. páskový mikrofon. Jedním z jeho nejvýznamnějších úspěchů byl také objev děr ve valenčním pásu polovodiče. Schottky také zdokonalil elektronky, provedl velmi důležitý teoretický výzkum tepelného a rázového šumu v elektronových zařízeních, navrhl difuzní teorii průtoku proudu m-s přechodem a položil základy Schottkyho diody.

Kde se Schottkyho dioda používá?

Vysoký výkon Schottkyho diody při zpracování velmi vysokofrekvenčních signálů znamená, že vynikne jako prvek proti přepětí umístěný před vstupem do citlivého obvodu. Její velmi krátká doba regenerace z ní rovněž činí velmi užitečný prvek pro použití v měničích nebo zvyšovacích měničích. Díky nízkému napětí a velmi krátké době regenerace je účinnost zdroje mnohem vyšší – může dosahovat hodnot až 90 % účinnosti. Je třeba připomenout, že tento typ diody se používá pro proudové frekvence nepřesahující 100 GHz. Schottkyho diody jsou velmi často praktickou alternativou, kterou lze použít místo germaniových diod – zejména tehdy, je-li požadováno co nejnižší prahové napětí (což je v tomto případě přibližně 0,4 V). Díky nízkému úbytku napětí se jedná o vynikající součástku pro připojení redundantních napájecích zdrojů – skvělé mimo jiné pro měniče. Při provozu je důležité dávat pozor na teploty, které se v obvodu vyskytují, protože mezi 25 a 100 stupni Celsia se může hodnota tzv. zpětného proudu dokonce zdvojnásobit.

Jak zkontrolovat účinnost Schottkyho diody?

Může nastat situace, kdy zařízení vybavené takovými elektronickými součástkami přestane fungovat a je podezření, že na vině je právě Schottkyho dioda. Může se jednat například o napájení monitoru nebo televizoru. V takovém okamžiku je důležité zkontrolovat, zda součástka funguje správně. Je však užitečné vědět, jak to správně provést. Pokus o testování bariérové diody stejným způsobem jako u normální diody nepřinese požadované výsledky. Jde o to, že výsledky stejných testů u některých typů diod jsou pro ně diskvalifikující, zatímco u jiných znamenají správnou funkci. Velmi často se v elektronických zařízeních tohoto druhu (napájecí zdroje pro monitory nebo televizory) používají součástky, ve kterých je umístěno více diod, i když zvenčí vypadají jako jedna součástka. Velmi často jsou v jednom pouzdře uzavřeny diody dvě, jak je patrné z datového listu, kde bude pravděpodobně nakresleno i schéma celé součástky (tzv. dokument data sheet). První činností osoby, která se úkolu ujímá, by měla být podrobná analýza toho, co je zkoumaný prvek zač – zda se určitě jedná o Schottkyho diodu, jak je konstruována a jaké je přesně vývodové zapojení. Poté by měla být na základě poznatků nalezených například ve spolehlivých zdrojích na internetu vypracována série testů, které určí aktuální stav diody. K tomu bude jistě nutné použít multimetr s ohmmetrem.