По сравнению с обычными полупроводниковыми выпрямительными диодами, диоды Шоттки, названные по имени немецкого физика, не имеют характерного p-n-перехода. Барьер, придающий устройству одностороннюю проводимость, образован контактом металла с полупроводником. При этом основные носители заряда не обладают инерционностью, из-за чего у диодов этого типа малое время восстановления. У ультрабыстрых экземпляров диодов Шоттки время восстановления всего 26 – 120 нс. А падение напряжения при небольшом потенциале смещения от 0,2 В до 0,9 В.
Особенности диодов Шоттки
Высокоскоростные параметры и малое падение напряжение на переходе – это основные отличия диодов Шоттки. Однако не стоит полагаться на то, что если полупроводник относится к этому типу, значит обязательно он будет иметь малое падение напряжения и время восстановления. При замене этих устройств обязательно надо проверять характеристики по даташиту. А лучший вариант — использовать компонент с точно такой же маркировкой. Потому что вариантов диодов этой категории очень много.
Малое падение напряжения на прямом p-n-переходе есть и у германиевых полупроводников, нижний предел может составлять менее 0,2 В. Однако по такой структуре реализовать мощный диод с малым потреблением мощности и низкой ёмкостью перехода крайне сложно. К тому же германий плохо проводит тепло, а увеличение площади теплоотвода резко уменьшает граничную частоту. А вот у диодов Шоттки средней мощности, с током до 1 А, ёмкость находится пределах от 8 пФ до 150 пФ, максимум до 200 пФ.
У многих диодов Шоттки падение напряжения лежит в диапазоне то 0,5 В до 0,7 В, а при увеличении разности потенциала и тока через устройство это значение повышается до 0,9В и даже может быть больше 1В. Чем меньше этот параметр, тем слабее мощность, выделяющаяся на устройстве, которая рассеивается на нём.
Очень экономичный диод шоттки с маркировкой 80CNT020, например, имеет минимальное падение напряжения 210…290 мВ при токе 40…80 А, подобные устройства используются в контроллерах заряда высокотоковых литиевых аккумуляторов.
Ещё одна важная характеристика диодов Шоттки – максимальное обратное напряжение, которое нельзя превышать даже при ограниченном токе и кратковременным импульсом. Если диод с p-n-переходом после электрических пробоев восстанавливается, то с барьером Шоттки – нет. Даже если импульс превышения потенциала был очень коротким и маломощным, так что не смог сжечь прибор, всё равно последствия будут необратимы.
Повышение тока утечки, отличающееся больше чем на половину от заявленных характеристик, при заданной температуре, приведёт в итоге к сбоям в работе схемы и последующему неминуемому выходу изделия из строя. И хорошо, если только его одного.
Поэтому некоторые производители в один корпус ставят 2 диода: один основной – металл-полупроводник, другой защитный – стабилитрон с p-n-переходом. Есть сдвоенные диоды Шоттки — 2 прибора в одном корпусе с общим катодом или анодом и тремя выводами, как транзисторы. Такая конструкция позволяет им работать в одном температурном режиме. Кроме этого такие сборки удобно использовать в импульсных блоках питания как для их параллельного соединения, так и в схемах выпряления со средней точкой.
Проверка диодов Шоттки
Выходят из строя диоды этого класса, в основном, от пробоя обратным напряжением, после чего они имеют низкое сопротивление в обе стороны. Также при длительном превышении прямого тока, который вызывает перегрев перехода, происходит сплавление полупроводниковой подложки с металлическим контактом. Так что исправный диод Шоттки «звонится» как обычный диод, только ток утечки у них может быть намного больше. Это как раз и необходимо учитывать при проверке, предварительно выпаяв устройство из схемы.
Полупроводниковые диоды этого класса имеют обратный ток утечки от единиц микроампер до миллиампер. Тогда как у диодов со стандартным p-n-переходом диапазон – от наноампер и до единиц, максимум десятков микроампер. Ещё ток утечки очень сильно зависит от температуры и мало привязан к обратному напряжению до определённой величины.
Превышение обратного тока выше установленного предела у диодов Шоттки, для конкретной марки изделия, при заданном значении температуры, свидетельствует о повреждении эпитаксиальной плёнки в структуре устройства. Поэтому необходимо знать заявленный в характеристиках параметр для проверяемого компонента. То, что для одной серии диодов – нормально, для других – это неисправность, которая непременно проявится полным выходом изделия из строя и, возможно, с нехорошими последствиями.
Например, у диодов 1N5817 - 1N5819 обратный ток утечки при температуре 25ºС составляет 1 мА, а при 100ºС уже 10 мА. Для диодов 1N5820-1N5822 — 0,5 и 10 мА при температуре 25ºС и 100ºС соответственно. Поэтому, если из последних диодов при комнатной температуре утечка составляет 1 мА, то это признак их неисправности, которая при больших скачках напряжения будет проявляться результативнее.
Практические советы при ремонте и конструировании схем
У некоторых smd-диодов разница в токах утечки имеется, в основном, на верхних пределах температурного диапазона. Например, у диодов Шоттки, предназначенных для поверхностного монтажа, при температуре 125ºC, у компонентов SS32 – SS34 ток утечки — 20 мА, а у SS35 – SS39 и SS310 — 10 мА. Но при температуре 25ºС — это значение составляет 0,5 мА. Это надо знать при конструировании или замене деталей. Особенно, если smd-элементы, маломощные приборы, также интегральные компоненты, находятся в последовательной цепи и имеют небольшие пределы максимальных токов.
Возьмём самый простой пример, адаптер питания имеет на выходе выпрямителя диод Шоттки STPS130A или с буквенным индексом U. Обратный ток у него находится в пределах 1,5–10 мА при температуре в 125ºС, прямой до 1 А. Если его заменить на SK12 с похожими параметрами, то устройство будет работать практически без изменений. Однако в жаркую пору, если полупроводник находится в закрытом корпусе, под постоянной нагрузкой и даже с импульсной перегрузкой, хоть и в допустимых пределах, но всё равно — он будет греться.
Нагрев приведёт к увеличению тока утечки, что в свою очередь к разрядке сглаживающего конденсатора, во время отрицательного полупериода напряжения, увеличивая на него нагрузку через диод. Это может спровоцировать лавинообразное увеличение тока и выход выпрямителя, также сглаживающего конденсатора из строя. Поэтому заряжать дорогостоящие гаджеты, например, наушники или смарт-часы блоком питания после такого ремонта уже не рекомендуется. Если изделия предполагается эксплуатировать в экстремальных условиях, то используют компонент с характеристиками, имеющие запас надёжности. А не так, как некоторые китайские фирмы, которые указывают в характеристиках максимально возможные предельные параметры.