משתמש:Saar 85/דיודת "שוטקי"

דיודה שוטקי (על שמו של הפיזיקאי הגרמני וולטר ה. שוטקי) ידועה גם בשם דיודה מוליכת חום. היא דיודה מוליכה למחצה עם נפילת מתח נמוכה ופעולת מיתוג מהירה מאוד. בימים הראשונים השתמשו בגלאי"Cat's-Whisker" אשר שימשו כמיישרים אלחוטיים ומתכתיים, ביישומי אנרגיה מוקדמים, ויכולים להיחשב כדיודות שוטקי פרימיטיביות. כאשר זורם זרם דרך הדיודה, יש ירידת מתח קטנה על פני מסופי הדיודה. בדיודה סיליקון רגילה ירידת המתח היא בין 0.6-0.7 וולט, ואילו ירידת המתח בדיודת שוטקי היא בין כ 0.15-0.45 וולט. ירידה מתח נמוכה זו, יכולה לספק מהירות מיתוג גבוהה יותר, ויעילות מערכת טובה יותר.

מבנה הדיודה

צומת "מתכות - מוליכים למחצה" נוצר בין מתכת ומוליכים למחצה, ויוצר מכשול שוטקי (במקום צומת "מוליכים למחצה - מוליכים למחצה" כמו בדיודות קונבנציונליות). מתכות אופייניות בשימוש הן: מוליבדן , פלטינה , כרום או טונגסטן. המוליכים למחצה הם בדרך כלל סיליקון מסוג n. צד המתכת פועל כמו האנודה והמוליך למחצה מסוג n פועל כקתודה. מכשול שוטקי הוא התוצאה של מיתוג מהיר מאוד וירידה נמוכה במתח קדמי. בחירת השילוב של מתכת ומוליכים למחצה קובעת את המתח הקדמי של דיודה. גם סוג n וגם סוג p של מוליכים למחצה, יכולים לפתח מחסומי שוטקי. לסוג p בדרך כלל יש מתח קדמי נמוך בהרבה. כאשר זליגת הזרם האחורי עולה באופן דרמטי עם הפחתת המתח הקדמי, המתח לא יכול להיות נמוך מדי. טווח השימוש הוא בדרך כלל הוא כ 0.5V-0.7V, ובמוליכים למחצה מסוג p משתמשים רק לעתים רחוקות. לטיטניום-סיליקון וסוגים נוספים של סיליקון חסין, אשר מסוגלים לעמוד בטמפרטורות הדרושות לחישול מקור / ניקוז בתהליכי CMOS, בדרך כלל יש מתח קדמי נמוך מדי כדי להיות שימושיים. בדרך כלל לא משתמשים בחומרים אלה ליצירת דיודה שוטקי. עם עלייה ברמת הסימום של המוליכים למחצה, רוחב אזור הדלדול יורד . מתחת לרוחב מסוים, נושאי המטען יכולים לחדור דרך אזור הדלדול. ברמות סימום גבוהות מאוד, הצומת לא מתנהג יותר כמיישר, והופך להיות מגע אומי (Ω). יכולים להשתמש בזה ליצירה בו זמנית של מגעים אומים ודיודות, למשל דיודות שעשויות מסיליקון ועם אזור שסומם בסממים מסוג n, ומגעים אומים בין סיליקון ואזור שסומם בסממים מסוג p או n. אזורים אשר מסוממים בסממים מסוג P עשויים להוות בעיה מכיוון שלמגעים יש התנגדות גבוהה מידי למגע אומי טוב, מתח קדמי נמוך מידי ויותר מידי זליגה אחורית, כדי להיות דיודות טובות. כשהקצוות של דיודה שוטקי חדים מספיק, שיפוע גבוה של שדה מגנטי מתרחש סביבן, אשר מגביל את נפילת המתח ההפוך. משתמשים באסטרטגיות שונות מטבעות שמירה ועד חפיפה של מטאליזציה כדי לפזר את מדרון השדה. טבעות השמירה צורכות אזור מת בעל ערך, ומשומשות בעיקר לדיודות בעלות מתח גבוה.

זמן "החלמה" אחורי

ההבדל החשוב ביותר בין דיודת P-N לדיודה שוטקי הוא זמן ה"החלמה" האחורי, כאשר דיודה מחליפה בין מוליכות למצב של אי-מוליכות. בדיודות P-N זמן ההחלמה האחורי יכול להימשך כמה מאות של ננו-שניות, ופחות מ100 ננו-שניות בדיודות מהירות, לדיודות שוטקי אין בכלל זמן החלמה אחורי, מכיוון שאין להם ממה "להחלים". זמן המיתוג הוא 100 פיקו-שניות לדיודות עם אות-קטן, ועד לכמה עשרות ננו-שניות לדיודות כוח מיוחדות עם קיבולת גבוהה. עם צומת מיתוג מסוג P-N יש גם זרם "החלמה", אשר במוליכים למחצה עם הספק גבוה מביע לעליה בפני השטח של הרעש האלקטרומגנטי. בדיודות שוטקי המיתוג הוא למעשה מידי טעינה קיבולית קלה, אשר הרבה פחות מדאיג.

הגבלות

ההגבלות הברורות ביותר של דיודה שוטקי הם קצבי מתח אחורי נמוכים יחסית לדיודה מסיליקון-מתכת, שהם 50 וולט ופחות, ויחסית זליגה גבוהה של זרם אחורי. קיימים עיצובים של מתח גבוה נוספים – 200 וולט נחשב כמתח אחורי גבוה. מכיוון שזרם זליגה אחורי גדל עם עלייה בטמפרטורה מוביל לבעיה של אי יציבות טרמית. זה בדרך כלל מגביל המתח האחורי המועיל להרבה מתחת הקצב הממשי. בזמן שמתחים אחוריים גבוהים ניתנים להשגה, הם מלווים על ידי נפילות מתח קדמי, בהשוואה לסוגים אחרים. לדיודה שוטקי אין יתרון, אלה אם נדרשת מהירות גבוהה מאוד של מיתוג. דיודה שוטקי מסיליקון פחמני לדיודות שוטקי הבנויות מסיליקון פחמני יש זרם זליגה אחורי נמוך בהרבה מדיודות שוטקי מסיליקון, ומתח אחורי גבוה יותר. נכון לשנת 2011 הם היו זמינים מיצרנים שונים בגרסאות עד 1700 וולט. לסיליקון פחמני יש מוליכות טרמית גבוהה, ולטמפרטורה יש קצת השפעה על תכונות המיתוג והתכונות הטרמיות שלו. עם אריזה מיוחדת מסיליקון פחמני, דיודות שוטקי יכולות לפעול בטמפרטורות צומת של יותר מ500 מעלות קלווין (בערך 230 מעלות סלציוס), אשר מאפשרות קירור קרינה פסיבי בשימושים של תעופה וחלל.

שימושים

הידוק מתח בזמן שלדיודות סיליקון סטנדרטיות יש ירידת מתח קדמי בערך של 0.6 וולט ובדיודות גרמניום 0.2 וולט, ירידת מתח בדיודת שוטקי בנטייה בערך של 1 מילי-אמפר, היא בטווח של 0.15 וולט עד 0.46 וולט, אשר עושה אותם שימושיות בשימושים של מתח הידוק ומניעה של רווית הטרנזיסטור. זה הודות לצפיפות הזרם הגבוהה בדיודת שוטקי.

זרם אחורי והגנה מפני פריקה מכיוון שלדיודות שוטקי יש נפילת מתח קדמי נמוכה, פחות אנרגיה מבוזבזת כחום, וזה עושה אותם לבחירה היעילה ביותר ליישומים הרגישים לנצילות. לדוגמא משתמשים בהם למערכות Photovoltaic (מערכת סולרית שהופכת את קרינת השמש לזרם ישר) עצמאיות, כדי למנוע מבטריות לפרוק דרך הפנלים הסולריים בלילה. דיודות אלה נקראות "דיודות חסימה (Blocking Diodes). במערכות חיבור-רשת עם מיתרים אשר מחוברים במקביל, כדי למנוע זרם אחורי לזרום ממיתר סמוך דרך מיתרים מוצלים אם "דיודות המעקף" נכשלו.

חלופות

כאשר דרוש פחות פיזור כוח, אפשר להשתמש בטרנזיסטור MOSFET ובמעגל בקרה במקום, במצב פעולה הידוע כ"תיקון פעיל (rectification Active)". ב"סופר-דיודה" המורכת מדיודה PN או דיודה שוטקי ומגבר-מבצעי מספקת כמעט תכונות דיודה מושלמות הודות לאפקט של משוב שלילי, למרות שהשימוש שלה מוגבל לתדירויות ששימושי המגבר יכולים לטפל.