دیود سد سطحی (Surface Barrier Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود سد سطحی (Surface Barrier Diode) :
دیود سد سطحی (Surface Barrier Diode) یک نوع دیود است که در آن سد پتانسیل (Potential Barrier) در سطح مشترک بین فلز و نیمه هادی (Metal-Semiconductor Interface) تشکیل می شود. این دیودها در واقع نوعی از دیودهای شاتکی (Schottky Diodes) هستند که تأکید بر ساختار سطحی آنها دارد. نام "سد سطحی" به این واقعیت اشاره دارد که مانع یکسوسازی در سطح (Surface) و نه در عمق (Bulk) نیمه هادی قرار دارد.
ساختار دیود سد سطحی شامل یک لایه فلزی نازک (مانند طلا، پلاتین، یا مولیبدن) است که بر روی یک زیرلایه نیمه هادی با دوپینگ سبک (Lightly Doped) قرار می گیرد. بر خلاف دیودهای پیوندی که در آنها ناحیه P با نفوذ ناخالصی ایجاد می شود، در این دیودها، اتصال فلز-نیمه هادی مستقیما ایجاد می کند.
مکانیزم یکسوسازی در دیود سد سطحی بر اساس تونل زنی و انتشار گرمایونی (Thermionic Emission) الکترون ها از روی سد پتانسیل است. ارتفاع سد (Barrier Height) توسط انتخاب فلز و نوع نیمه هادی تعیین می شود. این ارتفاع سد بر ولتاژ آستانه و جریان نشتی دیود تأثیر می گذارد.
مزایای دیود سد سطحی نسبت به دیودهای پیوندی معمولی عبارتند از: افت ولتاژ مستقیم پایین تر (معمولا ۰.۳-۰.۵ ولت)، سرعت سوئیچینگ بسیار بالا (چون حامل های اقلیت در کار نیستند و فقط حامل های اکثریت نقش دارند)، و نویز کمتر. این ویژگی ها آنها را برای کاربردهای فرکانس بالا و یکسوسازی ولتاژ پایین ایده آل می سازد.
پارامترهای مهم دیود سد سطحی مشابه دیود شاتکی است: افت ولتاژ مستقیم (V_F)، جریان نشتی معکوس (I_R) که معمولا بیشتر از دیودهای پیوندی است، ظرفیت خازنی (C_j)، و فرکانس کاری بالا. ولتاژ معکوس این دیودها معمولا محدود است (کمتر از ۱۰۰ ولت برای انواع سیلیکونی).
کاربرد اصلی دیود سد سطحی در یکسوسازی ولتاژهای پایین و فرکانس بالا است. در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) با خروجی ولتاژ پایین (مانند ۳.۳ ولت و ۵ ولت)، استفاده از این دیودها به دلیل افت ولتاژ کم، بازده را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. همچنین در مدارات آشکارساز فرکانس بالا (RF Detectors) و میکسرها (Mixers) کاربرد دارند.
دیودهای سد سطحی همچنین در مدارات حفاظت در برابر قطبیت معکوس (Reverse Polarity Protection) با افت ولتاژ کم استفاده می شوند. به دلیل افت ولتاژ پایین، تلفات توان در این کاربرد کاهش می یابد. این ویژگی در مدارات با باتری و ولتاژ پایین اهمیت دارد.
یکی از محدودیت های دیود سد سطحی، جریان نشتی معکوس نسبتا بالای آنهاست. این جریان نشتی با افزایش دما به شدت افزایش می یابد و می تواند باعث ایجاد پدیده گریز حرارتی (Thermal Runaway) شود. بنابراین، در کاربردهای با جریان بالا و دمای بالا، باید به مدیریت حرارتی توجه ویژه ای داشت.
محدودیت دیگر، ولتاژ معکوس نسبتا پایین آنهاست. برای غلبه بر این محدودیت، دیودهای سد سطحی با ساختارهای پیشرفته (مانند ساختارهای با حلقه محافظ - Guard Ring) ساخته می شوند تا ولتاژ معکوس را افزایش دهند. همچنین دیودهای شاتکی SiC با ولتاژ بالا (تا ۱۲۰۰ ولت) نیز توسعه یافته اند.
از نظر تاریخی، دیودهای سد سطحی در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ برای کاربردهای مایکروویو توسعه یافتند. آنها به عنوان میکسر و آشکارساز در گیرنده های رادار و مخابراتی استفاده می شدند. امروزه، دیودهای شاتکی مدرن جایگزین آنها شده اند، اما مفهوم سد سطحی همچنان در این دیودها وجود دارد.
در نهایت، دیود سد سطحی (که عملا همان دیود شاتکی است) یک قطعه کلیدی در الکترونیک مدرن است. ترکیب سرعت بالا و افت ولتاژ پایین، آن را برای کاربردهای فرکانس بالا و ولتاژ پایین ضروری ساخته است. با پیشرفت در مواد نیمه هادی (مانند SiC و GaN)، دیودهای سد سطحی با قابلیت ولتاژ بالا نیز در حال گسترش هستند.
