دیود سد شاتکی (Schottky Barrier Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود سد شاتکی (Schottky Barrier Diode) :
دیود سد شاتکی (Schottky Barrier Diode) که با نام دیود شاتکی (Schottky Diode) نیز شناخته می شود، یک دیود نیمه هادی است که بر اساس اتصال فلز-نیمه هادی (Metal-Semiconductor Junction) کار می کند. این دیود به افتخار فیزیکدان آلمانی والتر شاتکی (Walter H. Schottky) نامگذاری شده است. دیود شاتکی رایج ترین و مهم ترین نوع دیود مبتنی بر اتصال فلز-نیمه هادی است.
ساختار دیود شاتکی شامل یک لایه فلزی (مانند طلا، پلاتین، مولیبدن، یا کروم) است که بر روی یک لایه نیمه هادی با دوپینگ سبک (معمولا نوع N) قرار می گیرد. در محل اتصال، یک سد پتانسیل (Schottky Barrier) تشکیل می شود که به الکترون ها اجازه عبور آسان از فلز به نیمه هادی را می دهد، اما عبور در جهت مخالف را محدود می کند. این سد برخلاف دیود معمولی، مبتنی بر حامل های اکثریت است.
مکانیزم هدایت در دیود شاتکی توسط انتشار گرمایونی (Thermionic Emission) الکترون ها از روی سد پتانسیل کنترل می شود. رابطه جریان-ولتاژ مشابه دیود PN است، اما با یک تفاوت کلیدی: در اینجا خبری از تزریق حامل های اقلیت (Minority Carriers) نیست. این باعث می شود دیود شاتکی بسیار سریع تر از دیودهای معمولی باشد.
مزایای دیود شاتکی نسبت به دیود پیوندی PN عبارتند از: افت ولتاژ مستقیم پایین تر (۰.۱۵ تا ۰.۴۵ ولت در مقابل ۰.۷ ولت)، زمان بازیابی معکوس بسیار کوتاه (چند صد پیکوثانیه در مقابل میکروثانیه برای دیودهای معمولی)، و نویز کمتر. این مزایا دیود شاتکی را برای کاربردهای فرکانس بالا و ولتاژ پایین ایده آل می سازد.
معایب دیود شاتکی شامل جریان نشتی معکوس (Reverse Leakage Current) نسبتا بالا (چندین برابر دیود PN) و حساسیت بیشتر به دما است. با افزایش دما، جریان نشتی به شدت افزایش می یابد. همچنین ولتاژ معکوس دیودهای شاتکی سیلیکونی معمولا محدود است (کمتر از ۱۰۰ ولت برای اکثر انواع).
پارامترهای مهم دیود شاتکی عبارتند از: افت ولتاژ مستقیم (V_F) در جریان نامی، جریان نشتی معکوس (I_R)، حداکثر ولتاژ معکوس (V_RRM)، ظرفیت خازنی (C_j) (که بر سرعت تأثیر می گذارد)، و حداکثر جریان مستقیم (I_F). انتخاب دیود شاتکی مناسب مستلزم مصالحه بین افت ولتاژ و جریان نشتی است.
کاربرد اصلی دیود شاتکی در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) به عنوان یکسوساز خروجی (Output Rectifier) است. افت ولتاژ پایین باعث افزایش بازده (به ویژه در ولتاژهای خروجی پایین) و سرعت بالا باعث کاهش تلفات سوئیچینگ می شود. دیودهای شاتکی در مبدل های باک (Buck Converters) و فلای بک (Flyback Converters) بسیار رایج هستند.
کاربرد دیگر در مدارات منطقی سریع (مانند TTL شاتکی) و مدارات نمونه بردار و نگهدارنده (Sample and Hold) با سرعت بالا است. همچنین در آشکارسازهای RF و میکسرها (Mixers) در فرکانس های تا چند گیگاهرتز، دیود شاتکی به دلیل سرعت بالا و نویز کم، گزینه ایده آلی است.
در حفاظت در برابر قطبیت معکوس (Reverse Polarity Protection) با افت ولتاژ پایین، دیود شاتکی انتخاب مناسبی است. به عنوان مثال، در مدارات با باتری و ولتاژ پایین (مانند ۳.۳ ولت)، استفاده از دیود شاتکی به جای دیود سیلیکونی می تواند چند درصد بازده را افزایش دهد.
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. افت ولتاژ پایین در این کاربرد باعث کاهش تلفات توان می شود.
برای کاربردهای ولتاژ بالا، دیودهای شاتکی مبتنی بر کاربید سیلیکون (SiC Schottky Diodes) توسعه یافته اند. این دیودها می توانند ولتاژهای معکوس تا ۱۲۰۰ ولت و بالاتر را با افت ولتاژ نسبتا کم و جریان نشتی پایین تحمل کنند. آنها در منابع تغذیه با توان بالا و اینورترهای خورشیدی کاربرد دارند.
در نهایت، دیود سد شاتکی یک قطعه حیاتی در الکترونیک مدرن است. ترکیب منحصر به فرد سرعت بالا و افت ولتاژ پایین، آن را برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله منابع تغذیه، مخابرات، و مدارات دیجیتال پرسرعت ضروری ساخته است. با ظهور مواد جدید مانند SiC، دامنه کاربرد دیود شاتکی به ولتاژهای بالا نیز گسترش یافته است.
