دیود شاتکی (Schottky Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود شاتکی (Schottky Diode) :
دیود شاتکی (Schottky Diode) که با نام دیود سد شاتکی (Schottky Barrier Diode) نیز شناخته می شود، نوع خاصی از دیود است که بر اساس اتصال فلز-نیمه هادی (Metal-Semiconductor Junction) به جای اتصال نیمه هادی-نیمه هادی (PN Junction) ساخته می شود. این ساختار منحصر به فرد باعث می شود که دیود شاتکی ویژگی های الکتریکی متفاوت و برتری نسبت به دیودهای معمولی داشته باشد، از جمله افت ولتاژ مستقیم پایین تر و سرعت سوئیچینگ بسیار بالا.
در ساختار دیود شاتکی، یک لایه فلزی (معمولا طلا، نقره، پلاتین یا آلومینیوم) بر روی یک نیمه هادی نوع N قرار می گیرد. در محل اتصال، یک سد پتانسیل (Schottky Barrier) تشکیل می شود که رفتار یکسوسازی مشابه دیود PN دارد، اما مکانیزم فیزیکی آن متفاوت است. در اینجا به جای نواحی تهی با حامل های اقلیت، رسانش توسط حامل های اکثریت (الکترون ها در نیمه هادی نوع N) انجام می شود. به همین دلیل، دیود شاتکی یک قطعه Unipolar محسوب می شود.
مهم ترین مزیت دیود شاتکی، افت ولتاژ مستقیم پایین آن است. در حالی که دیود سیلیکونی معمولی حدود ۰.۷ ولت افت ولتاژ دارد، دیود شاتکی بسته به فلز مورد استفاده و جریان، افت ولتاژی در محدوده ۰.۱۵ تا ۰.۴۵ ولت دارد. این ویژگی باعث کاهش تلفات توان و افزایش بازده در مدارات تغذیه، به ویژه در ولتاژهای پایین (مانند ۳.۳ ولت و ۱.۸ ولت) می شود.
مزیت بسیار مهم دیگر، سرعت سوئیچینگ فوق العاده بالای دیود شاتکی است. از آنجایی که در این دیود پدیده ذخیره سازی حامل های اقلیت (Minority Carrier Storage) وجود ندارد (چون فقط حامل های اکثریت در رسانش شرکت دارند)، زمان بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time) آن بسیار کوتاه و در حد چند صد پیکوثانیه است. این ویژگی دیود شاتکی را برای کاربردهای فرکانس بالا و سوئیچینگ سریع ایده آل می سازد.
دیودهای شاتکی در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) به عنوان یکسوساز خروجی بسیار پرکاربرد هستند. افت ولتاژ پایین باعث افزایش بازده (به ویژه در ولتاژهای خروجی پایین) و سرعت بالا باعث کاهش تلفات سوئیچینگ و امکان کار در فرکانس های بالاتر (کوچک تر شدن ترانسفورماتور و خازن ها) می شود. همچنین در مبدل های DC-DC با فرکانس بالا (مانند مبدل های باک و بوست) از دیود شاتکی به عنوان دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) استفاده می شود.
از دیگر کاربردهای دیود شاتکی می توان به مدارات منطقی سریع (مانند TTL شاتکی)، مدارات نمونه بردار و نگهدارنده با سرعت بالا، آشکارسازهای پیک فرکانس بالا، میکسرهای RF و مدارات حفاظت در برابر قطبیت معکوس با افت ولتاژ پایین اشاره کرد. در سلول های خورشیدی، گاهی از دیودهای شاتکی به عنوان دیود بای پس (Bypass Diode) استفاده می شود تا افت توان ناشی از سایه افتادگی کاهش یابد.
یکی از معایب دیود شاتکی، جریان نشتی معکوس (Reverse Leakage Current) نسبتا بالای آن است. این جریان نشتی با افزایش دما به شدت افزایش می یابد و می تواند باعث گرم شدن دیود و در نهایت ایجاد پدیده گریز حرارتی (Thermal Runaway) شود. بنابراین در طراحی با دیود شاتکی، باید به مدیریت حرارتی توجه ویژه ای داشت و از کارکرد در دماهای بالا خودداری کرد.
محدودیت دیگر دیود شاتکی، ولتاژ معکوس نسبتا پایین آن است. دیودهای شاتکی سیلیکونی معمولا برای ولتاژهای معکوس کمتر از ۱۰۰ ولت ساخته می شوند (گرچه نمونه هایی تا ۲۰۰ ولت نیز وجود دارد). برای ولتاژهای بالاتر، افت ولتاژ مستقیم افزایش یافته و جریان نشتی زیاد می شود که مزایای اصلی دیود شاتکی را کاهش می دهد. برای رفع این محدودیت، دیودهای شاتکی بر پایه کاربید سیلیکون (SiC Schottky) ساخته شده اند که می توانند ولتاژهای بالای ۶۰۰ ولت را با افت ولتاژ کم و جریان نشتی پایین تحمل کنند.
ساختار دیود شاتکی می تواند به صورت اتصال نقطه ای (Point Contact) برای کاربردهای فرکانس بسیار بالا یا به صورت پلانار (Planar) برای کاربردهای توان باشد. در نوع پلانار، برای بهبود قابلیت تحمل ولتاژ و کاهش جریان نشتی، از حلقه های محافظ (Guard Rings) در اطراف اتصال فلز-نیمه هادی استفاده می شود. این حلقه ها میدان الکتریکی را در لبه ها کاهش داده و از شکست زودرس جلوگیری می کنند.
پارامترهای مهم در انتخاب دیود شاتکی عبارتند از: حداکثر ولتاژ معکوس تکراری (V_RRM)، حداکثر جریان مستقیم متوسط (I_F(AV))، افت ولتاژ مستقیم در جریان نامی (V_F)، جریان نشتی معکوس (I_R)، ظرفیت خازنی اتصال (C_j) و محدوده دمای کاری. در کاربردهای فرکانس بالا، ظرفیت خازنی پایین اهمیت دارد. در کاربردهای توان، مقاومت حرارتی (R_thJA) نیز باید مد نظر قرار گیرد.
از نمونه های معروف دیود شاتکی می توان به سری ۱N5817 تا ۱N5819 (دیودهای شاتکی ۱ آمپری با ولتاژ معکوس ۲۰ تا ۴۰ ولت در بسته DO-41)، سری SS12 تا SS110 (دیودهای شاتکی ۱ آمپری SMD)، و سری ۱N5820 تا ۱N5825 (دیودهای شاتکی ۳ تا ۵ آمپری) اشاره کرد. همچنین دیودهای شاتکی قدرتی در بسته های TO-220 و TO-247 با جریان چند ده آمپر و ولتاژ چند صد ولت (از نوع SiC) نیز موجود هستند.
در نهایت، دیود شاتکی به دلیل ترکیب منحصر به فرد سرعت بالا و افت ولتاژ پایین، یک قطعه کلیدی در الکترونیک مدرن، به ویژه در منابع تغذیه با بازده بالا و مدارات فرکانس بالا محسوب می شود. با ظهور دیودهای شاتکی کاربید سیلیکون (SiC) و گالیوم نیتراید (GaN)، دامنه کاربرد این دیودها به حوزه ولتاژها و توان های بالاتر نیز گسترش یافته است و انتظار می رود در آینده نقش پررنگ تری در صنعت الکترونیک قدرت ایفا کنند.
