دیود شاتکی چیست — معرفی ساختار و کاربرد — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، با چند دسته از دیودها، از جمله دیود پیوند PN، دیود زنر و LED آشنا شدیم. در این آموزش، نوع دیگری از دیودها را به نام دیود شاتکی معرفی می‌کنیم.

«دیود شاتکی» (Schottky Diode)‌ نوعی دیود است که پیوند آن از فلز - نیمه‌رسانا تشکیل شده است. این دیود که دیود حامل داغ (Hot Carrier Diode) و دیود ولتاژ پایین (Low Voltage Diode) نیز نامیده می‌شود، سرعت سوئیچینگ بسیار بالا و افت ولتاژ کمی دارد. در دیودهای عادی، افت ولتاژ دو سر دیود بین $$0.6$$ تا $$1.7$$ ولت است، در حالی که در یک دیود شاتکی، افت ولتاژ معمولاً در محدوده $$0.15$$ تا $$0.4$$ ولت قرار دارد. این افت ولتاژ‌ پایین‌تر، سبب سرعت سوئیچینگ بالاتر و در نتیجه، بازده بهتر دیود می‌شود.

دیود شاتکی به افتخار فیزیکدان آلمانی، والتر شاتکی (Walter H. Schottky) نام‌گذاری شده است.

همان‌طور که می‌دانیم، دیودهای معمولی، از اتصال دو پیوند نیمه‌هادی نوع N و نیمه‌هادی نوع P تشکیل می‌شوند که یک پیوند PN را تشکیل می‌دهد. اما در دیود شاتکی، از فلزهایی مانند آلومینیوم یا پلاتین به جای نیمه‌هادی نوع P استفاده می‌شود.

شکل زیر، نماد مداری یک دیود شاتکی را نشان می‌دهد.

همان‌طور که گفتیم، مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی دیودهای شاتکی، سرعت سوئیچینگ بالا و افت ولتاژ کم آن‌ها است. پیوند فلز - نیمه‌های دیود شاتکی، ظرفیت ذخیره بار را ندارد. دلیل این امر، نبود لایه تهی یا تخلیه است.

معمولاً افت ولتاژ بین دو پایه دیود زمانی وجود دارد که جریان از آن بگذرد. افت ولتاژ دیود شاتکی معمولاً بین $$0.15$$ تا $$0.45$$ ولت است. این مقدار برای دیودهای عادی، پیوند PN، بین $$0.6$$ تا $$1.7$$ ولت است. برای داشتن بازده بهتر در خروجی، افت ولتاژ باید کم باشد.

وقتی ولتاژ به دیود اعمال شود، جریان در جهت مستقیم از آن می‌گذرد. با عبور این جریان از دیود، یک افت ولتاژ مینیمم در دو سر دیود به وجود می‌آید.

ساختار دیود شاتکی چگونه است؟

همان‌طور که قبلاً گفتیم، یک دیود شاتکی، از ترکیب نیمه‌هادی و فلز ساخته می‌شود. تعداد کمی از فلزها، مانند طلا، نقره، مولیبدن، تنگستن، آلومینیوم و پلاتین در ساختار این نوع دیودها در کنار نیمه‌هادی نوع N به کار می‌روند. نیمه‌هادی دیود شاتکی، معمولاً از گالیوم ساخته شده است. البته از سیلیکون نیز برای کاربردهای فرکانس پایین استفاده می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

دیود شاتکی به افت دما وابستگی مستقیم دارد. در نیمه‌هادی نوع N، کاهش و افزایش دمای غلظت ناخالصی رخ می‌دهد. همان‌گونه که از شکل زیر مشخص است، بین پیوند نیمه‌رسانا - فلز، یک تُنُک‌لایه یا ناحیه تهی تشکیل می‌شود که سد شاتکی (Schottky Barrier) نام دارد.

سد شاتکی، به عنوان سد انرژی پتانسیل نیز شناخته می‌شود. دو نوع سد شاتکی یکسو کننده و غیر یکسو کننده وجود دارد. وقتی یک فلز و نیمه‌هادی با ناخالصی کم به یکدیگر متصل شوند، سد شاتکی ایجاد می‌شود. اگر یک فلز را به نیمه‌هادی با ناخالصی زیاد متصل کنیم، سد غیر یکسو کننده تشکیل می‌شود. وقتی ناخالصی نیمه‌رسانا افزایش یابد، پهنای لایه تخلیه یا تنک‌لایه بیشتر می‌شود. همچنین، اگر پهنای لایه تخلیه کم شود، حامل‌های بار از تونل حرکت کرده و به ناحیه تخلیه می‌رسند. وقتی ناخالصی زیاد شود، پیوند به عنوان یکسو کننده عمل نخواهد کرد و مانند یک رسانای اهمی خواهد بود.

در شرایط بدون بایاس، الکترون‌ها در سمت نیمه‌هادی جمع می‌شوند و سطح انرژی پایین‌تری از الکترون‌های قسمت فلزی دارند. به همین دلیل، نمی‌توانند در سد شاتکی جریان یابند. در شرایط بایاس مستقیم، الکترونی که در بخش نیمه‌هادی نوع N قرار دارد، انرژی بیشتری برای عبور از سد پیوند و ورود به فلز دریافت می‌کند. از این رو، الکترون‌ها، حامل داغ (Hot Carrier) نیز نامیده می‌شوند. بنابراین، دیود را نیز دیود حامل داغ می‌نامند.

مدار معادل الکتریکی یک دیود شاتکی با مقادیر نامی‌ اجزای آن، به صورت زیر است.

مدار معادل شکل بالا را می‌توان به صورت زیر تقریب زد و کاهش داد. این مدل در بسیاری از تحلیل‌ها به کار می‌رود.

ویژگی‌های خاص دیود شاتکی چیست؟

برخی از ویژگی‌های خاص دیود شاتکی، به صورت زیر است:

• در دیود شاتکی، به دلیل آنکه جریان از فلز به نیمه‌هادی نوع N گذر نمی‌کند، دیود مانند یک قطعه تک‌قطبی عمل می‌کند.
• فلز، هیچ حفره‌ای ندارد و باری را ذخیره نمی‌کند. به همین دلیل، دیود شاتکی خاصیت سوئیچینگ سریع با نویز کم را دارد.
• دیود شاتکی، پتانسیل سد کمتری نسبت به دیود PN دارد.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

بایاس دیود شاتکی

در این بخش، سه حالت کاری بدون بایاس، بایاس مستقیم و بایاس معکوس دیود شاتکی را بیان می‌کنیم.

دیود شاتکی بدون بایاس

وقتی نیمه‌هادی نوع N را با فلز پیوند دهیم، الکترون‌های آزادی که در ناحیه نیمه‌هادی نوع N‌ قرار دارند، به سمت فلز حرکت می‌کنند. این اتفاق، منجر به قرار گرفتن در حالت تعادل خواهد شد. وقتی الکترون‌های آزاد از پیوند می‌گذرند، یک الکترون اضافه را برای اتم‌های فلز مهیا می‌کنند.

به همین دلیل، اتم موجود در فلز یک الکترون اضافه دریافت می‌کند. اتم‌ها در بخش منفی پیوند، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند. در پیوند فلزی، اتم‌ها الکترون‌ها را جذب کرده و به یون‌های منفی تبدیل می‌شوند.

بنابراین، یون‌های مثبت در سمت منفی و یون‌های منفی در سمت مثبت پیوند فلزی وجود دارند. ناحیه تخلیه وقتی تشکیل می‌شود که این اتم‌های مثبت و منفی، به یکدیگر برسند. در دیود شاتکی بدون بایاس، فقط تعداد کمی از الکترون‌ها از نیمه‌هادی به سمت فلز جریان می‌یابند.

بایاس مستقیم دیود شاتکی

وقتی ترمینال مثبت منبع را به فلز و ترمینال منفی آن را به نیمه‌های نوع N وصل کنیم، می‌گوییم دیود بایاس مستقیم شده است. در بایاس مستقیم، الکترون‌های بیشتری در فلز و رسانا شکل می‌گیرند.

وقتی ولتاژی بزرگتر از $$0.2$$ ولت اعمال شود، الکترون‌های آزاد نمی‌توانند از سد پیوند بگذرند. به همین دلیل، جریان از دیود می‌گذرد. وقتی اندازه ولتاژ‌ افزایش یابد، ناحیه تهی نازک و محو می‌شود.

بایاس معکوس دیود شاتکی

اگر ترمینال منفی باتری یا منبع به فلز و ترمینال مثبت به نیمه‌هادی وصل شود، دیود بایاس معکوس می‌شود. اگر بایاس معکوس را به دیود اعمال کنیم، پهنای ناحیه تهی افزایش می‌یابد.

بنابراین، در این حالت، جریان متوقف می‌شود و در صفحه فلزی، تعداد الکترون‌های برانگیخته بیشتری وجود دارد. به همین دلیل، مقدار کمی جریان نشتی وجود خواهد داشت. وقتی ولتاژ بایاس معکوس دیود زیاد شود، جریان نیز به دلیل سد ضعیف افزایش می‌یابد. وقتی یک افزایش غیرعادی در در ولتاژ‌ بایاس معکوس رخ دهد، جریان الکتریکی به صورت ناگهانی افزایش خواهد یافت و وقتی ناحیه تهی بشکند، قطعه آسیب می‌بیند.

مشخصه V-I دیود سد شاتکی

مشخصه ولتاژ - جریان دیود شاتکی، در شکل زیر نشان داده شده است.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش دوم در فرادرس

کلیک کنید

در نمودار شکل زیر، محور افقی، ولتاژ اعمالی به دیود و محور عمودی، جریان گذرنده از آن را نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینیم، این مشخصه، تقریباً شبیه مشخصه دیود پیوند PN است.

با این اوصاف، افت ولتاژ بایاس مستقیم دیود شاتکی در مقایسه با دیود پیوند PN بسیار کم است. سد ولتاژ بایاس مستقیم، از سیلیکون ساخته شده است. اندازه افت ولتاژ مستقیم، متناسب با غلظت ناخالصی نیمه‌هادی نوع N‌ است. به دلیل ناخالصی بالای حامل‌های جریان، مشخصه V-I دیود شاتکی، نسبت به دیود پیوند PN تیزتر است.

دیود شاتکی چه کاربردهایی دارد؟

دیودهای شاتکی به دلیل ویژگی‌هایی که دارند، در صنعت الکترونیک برای بسیاری از کاربردهای یکسوسازی دیودی به کار می‌روند. این دیودها در کاربردهای جهش (Clamping) برای جلوگیری از اشباع ترانزیستور نیز استفاده می‌شوند. دیود شاتکی، با عنوان TTL شاتکی در دستگاه‌های دیجیتال نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا این دستگاه‌ها به سوئیچینگ سریع نیاز دارند. دیود شاتکی، قطعه مهمی در کامپیوترهای دیجیتال است.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• تقویت کننده امیتر مشترک (Common Emitter Amplifier) – مفاهیم پایه

^^