آموزش الکترونیکآموزش ها

دیود شاتکی چیست ؟ (مشخصات و کاربرد دیود شاتکی)

دیود یکی از اجزایی اساسی است، که معمولاً در طراحی مدار های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد و معمولاً می توان آن را در یکسوسازها، مدار های برشی، گیره ها و بسیاری از مدارهای متداول دیگر یافت. این یک دستگاه نیمه رسانا، دو پایانه است که به جریان جاری فقط در یک جهت، که به صورت آند به کاتد (+ به – ) است اجازه می دهد و جریان جاری را در جهت معکوس، یعنی کاتد به آند، مسدود می کند. دلیل آن، داشتن تقریبی است. مقاومت صفر در جهت جلو، در حالی که مقاومت بی نهایت در جهت معکوس. انواع مختلفی از دیود ها وجود دارد که هرکدام خاصیت و کاربردهای منحصر به فردی دارند. ما قبلاً در مورد دیود های زنر و نحوه کار آن یاد گرفته ایم، در این مقاله با یک نوع دیود جالب دیگر به نام دیود شاتکی و نحوه استفاده از آن در طراحی مدار آشنا می شویم.

پیشنهاد میکنم مقاله “دیود زنر چیست” را نیز بخوانید.

دیود شاتکی (به نام فیزیکدان آلمانی Walter H. Schottky نامگذاری شده است) نوع دیگری از دیود نیمه رسانا است، اما به جای داشتن اتصال PN، دیود شاتکی دارای یک اتصال نیمه رسانا فلزی است که باعث کاهش ظرفیت و افزایش سرعت سوئیچ دیود شاتکی می شود و این باعث می شود که از دیود های دیگر متفاوت باشد. دیود شاتکی نام های دیگری مانند دیود مانع سطح، دیود مانع شاتکی، حامل گرم یا دیود الکترون داغ نیز دارد.

نماد دیود شاتکی

نماد دیود شاتکی بر اساس نماد دیود عمومی است، اما به جای داشتن یک خط مستقیم، آن یک ساختار S مانند در انتهای منفی دیود دارد که در زیر نشان داده شده است. این نماد شماتیک به راحتی می تواند در هنگام خواندن نمودار، دیود شاتکی را از دیود های دیگر مدار تشخیص دهد. در طول مقاله ما برای درک بهتر، دیود شاتی را با دیود معمولی مقایسه خواهیم کرد.

نماد دیود شاتکی

حتی با ظاهر فیزیکی مولفه، یک دیود شاتکی شبیه دیود عمومی به نظر می رسد و در بعضی مواقع تشخیص تفاوت آن، بدون خواندن شماره قطعه روی آن دشوار است. اما در بیشتر مواقع، دیود شاتکی کمی بزرگتر از دیود های معمولی به نظر می رسد، اما همیشه اینجور نیست. تصویر یک پین اوت دیود شاتکی در زیر نشان داده شده است.

تصویر واقعی دیود شاتکی

مزیت دیود شاتکی

همانطور که قبلاً بحث شد، یک دیود شاتکی بسیار شبیه به دیود عمومی به نظر می رسد و عملکرد آن نیز به دیود عمومی شبیه است، اما ویژگی منحصر به فرد دیود شاتکی، افت ولتاژ بسیار پایین و سرعت بالای سوئیچینگ آن است. برای درک بهتر این موضوع، اجازه دهید یک دیود شاتکی و یک دیود عمومی را به یک مدار مشابه متصل کنیم و عملکرد آن را بررسی کنیم.

مزیت دیود شاتکی

در تصاویر بالا، ما دو مدار برای دیود شاتکی و دیگری از دیود اتصال PN معمولی داریم. از این مدار ها برای جدا سازی افت ولتاژ در هر دو دیود استفاده خواهد شد. بنابراین مدار چپ برای دیود شاتکی است و مدار راست برای یک دیود اتصال PN معمولی. هر دو دیود مجهز به 5 ولت هستند. وقتی جریان از هر دو دیود عبور می کند، دیود شاتکی تنها 0.3 افت ولتاژ ولت دارد و 4.7 ولت را برای بار باقی می گذارد، از طرف دیگر، دیود اتصال PN معمولی، 0.7 افت ولتاژ ولت دارد و 4.3 ولت برای بار باقی می گذارد. بنابراین دیود شاتکی نسبت به دیود اتصال PN معمولی افت ولتاژ کمتری دارد. به جز افت ولتاژ، دیود شاتکی همچنین دارای مزایای دیگری نسبت به یک دیود اتصال PN معمولی است به طور مثال: دیود شاتکی دارای سرعت سوئیچینگ سریع تر، سر و صدای کمتر و عملکرد بهتری نسبت به یک دیود اتصال PN معمولی دارد.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

معایب دیود شاتکی

اگر دیود شاتکی افت ولتاژ بسیار پایین و سرعت سوئیچینگ بالایی دارد که عملکرد بهتری دارد، چرا ما حتی به دیود های اتصال P N عمومی نیز نیاز داریم؟ چرا ما به راحتی از دیود شاتکی برای همه طراحی مدارها استفاده نمی کنیم؟

درست است که دیود های شاتکی بهتر از دیود های اتصال P N هستند و به آرامی بیشتر از دیود های اتصال P N ترجیح داده می شوند، اما دو مشکل اساسی برای دیود شاتکی وجود دارد که آن فروپاشی ولتاژ معکوس پایین و جریان نشتی معکوس بالا در مقایسه با دیود عمومی است. این امر باعث می شود تا برای کاربردهای سوئیچینگ فشار قوی مناسب نباشد. همچنین دیود های شاتکی نسبت به دیود های یکسوساز معمولی، گران ترند.

دیود شاتکی یا دیود یکسو ساز ؟

یک مقایسه کوتاه بین دیود PN و دیود شاتکی در جدول زیر آورده شده است:

دیود اتصال  PN دیود شاتکی
PN- Junction Diode Schottky Diode
دیود اتصال PN یک دستگاه دو قطبی است، به این معنی که هدایت جریان به دلیل حامل های شارژ کمینه و بیشینه اتفاق می افتد. بر خلاف دیود اتصال PN، دیود شاتکی یک دستگاه تک قطبی است، به این معنی که هدایت جریان فقط به دلیل حامل های شارژ بیشینه اتفاق می افتد.
دیود اتصال PN دارای یک اتصال نیمه رسانا – نیمه رسانا است. در حالی که دیود شاتکی دارای اتصال نیمه رسانا فلزی است.
دیود اتصال PN افت ولتاژ زیادی دارد. دیود شاتکی افت ولتاژ کمی دارد.
تلفات حالت On زیاد تلفات حالت On کم
سرعت سوئیچینگ کم سرعت سوئیچینگ زیاد
ولتاژ روشن زیاد (0.7 ولت) ولتاژ روشن کم (0.2 ولت)
ولتاژ مسدود کننده معکوس بالا ولتاژ مسدود کننده معکوس پایین
جریان معکوس کم جریان معکوس بالا

ساختار دیود شاتکی

دیود های شاتکی با استفاده از یک اتصال نیمه رسانا فلزی ساخته شده اند که در تصویر زیر نشان داده شده است. دیود های شاتکی دارای یک ترکیب فلزی در یک طرف محل اتصال و سیلیکون ناخاص شده در طرف دیگر هستند، بنابراین، دیود شاتکی لایه تخلیه ندارد. به دلیل این خاصیت، دیود های شاتکی برخلاف دیود های اتصالی PN معمولی که دستگاه های دو قطبی هستند، به عنوان دستگاه های تک قطبی شناخته می شوند.

ساختار دیود شاتکی

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

ساختار اصلی دیود شاتکی در تصویر بالا نشان داده شده است. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید، دیود شاتکی دارای یک ترکیب فلزی در یک طرف است، که می تواند از پلاتین تا تنگستن، مولیبدن، طلا و غیره و یک نیمه رسانا نوع N در طرف دیگر باشد. وقتی ترکیب فلزی و نیمه رسانا نوع N ترکیب شوند، یک اتصال نیمه رسانا فلزی ایجاد می کنند. این محل اتصال، به عنوان مانع شاتکی شناخته می شود. عرض مانع شاتکی به نوع مواد فلزی و نیمه رسانا بستگی دارد که در تشکیل اتصالات استفاده می شود.

مانع شاتکی به صورت متفاوتی در حالت آنبایاس، بایاس رو به جلو یا بایاس معکوس عمل می کند. در حالت بایاس رو به جلو هنگامی که پایانه مثبت باتری به فلز متصل است و پایانه منفی به نیمه رسانا نوع n متصل است، دیود شاتکی جریان را مسدود می کند. با این حال، اگر ولتاژ بایاس معکوس، بیش از یک سطح خاص افزایش یابد، مانع را می شکند و جریان در جهت معکوس شروع به جاری شدن می کند، و این می تواند به اجزای متصل به دیود شاتکی آسیب برساند.

خصوصیات دیود شاتکی  V-I

یکی از ویژگی های مهمی که باید در هنگام انتخاب دیود در نظر گرفته شود، نمودار ولتاژ رو به جلو (V) در مقابل جریان رو به جلو (I) است. نمودار VI محبوب ترین دیود های شاتکی  1N5817، 1N5818 و 1N5819  در زیر نشان داده شده است.

خصوصیات دیود شاتکی  V-I

مشخصات V I دیود شاتکی بسیار شبیه به دیود اتصال PN معمولی است. داشتن افت ولتاژ پایین نسبت به یک دیود اتصال PN معمولی، باعث می شود که دیود شاتکی ولتاژ کمتری نسبت به یک دیود معمولی مصرف کند. از نمودار فوق می بینید که 1N517  در مقایسه با دو مورد دیگر، کمترین افت ولتاژ رو به جلو را دارد، همچنین می توان گفت که ولتاژ، با افزایش جریان از طریق دیود، افزایش می یابد. حتی برای 1N517  در جریان حداکثر 30A ، افت ولتاژ در آن می تواند به 2 ولت برسد. از این رو این دیود ها معمولاً در کاربردهای کم جریان استفاده می شوند.

پارامتر های مهم در انتخاب دیود شاتکی

هر مهندس طراح، باید دیود شاتکی مناسب را با توجه به نیاز برنامه خود انتخاب کند. برای طراحی های یکسو کننده، دیود های ولتاژ بالا، جریان کم / متوسط ​​و فرکانس پایین مورد نیاز است. برای طرح های سوئیچینگ، درجه فرکانس دیود باید زیاد باشد.

برخی از پارامترهای مهم و رایجی که باید برای یک دیود در خاطر داشته باشید، در زیر ذکر شده است:

  • افت ولتاژ رو به جلو: ولتاژ افت کرده برای روشن کردن دیود بایاس رو به جلو، افت ولتاژ است. آن با توجه به دیود های مختلف متفاوت است. برای دیود شاتکی معمولاً ولتاژ روشن حدود 0.2 ولت فرض می شود.
  • ولتاژ شکست معکوس: مقدار خاصی از ولتاژ بایاس معکوس که پس از آن که دیود خراب شده و شروع به هدایت در جهت معکوس می کند، ولتاژ شکست معکوس نامیده می شود. ولتاژ شکست معکوس برای یک دیود شاتکی حدود 50 ولت است.
  • زمان ریکاوری معکوس: زمانی است که دیود از حالت هدایت رو به جلو یا حالت “ON” به حالت “OFF” معکوس تغییر می کند. مهمترین تفاوت بین دیود اتصال PN معمولی و دیود شاتکی، زمان ریکاوری معکوس است. در یک دیود اتصال PN معمولی، زمان ریکاوری معکوس می تواند از چندین میکروثانیه تا 100 نانو ثانیه متفاوت باشد. دیود های شاتکی زمان ریکاوری ندارند، زیرا دیود شاتکی در محل اتصال منطقه تخلیه ندارد.
  • جریان نشتی معکوس: جریانی که از دستگاه نیمه رسانا در بایاس معکوس هدایت می شود، جریان نشت معکوس است. در دیود شاتکی، افزایش دما به طور قابل توجهی جریان نشت معکوس را افزایش می دهد.

همچنین پیشنهاد میکنم مقاله آموزش برش دیودی را نیز بخوانید.

کاربرد دیود شاتکی

دیود های شاتکی به دلیل خاصیت منحصر به فردشان کاربردهای زیادی در صنعت الکترونیک دارند. برخی از کاربرد ها به شرح زیر است:

مدار محدود کننده/برشی ولتاژ

مدارهای برشی و مدارهای محدود کننده، معمولاً در کاربردهای شکل گیری موج استفاده می شوند. داشتن خاصیت افت ولتاژ پایین، دیود شاتکی را به عنوان یک دیود محدود کننده مفید تبدیل می کند.

محافظت جریان معکوس و تخلیه

همانطور که می دانیم دیود شاتکی دیود مسدود کننده نیز نامیده می شود، زیرا جریان جاری را در جهت معکوس مسدود می کند. از آن می توان به عنوان محافظ در برابر تخلیه استفاده کرد. به عنوان مثال، در نور فلاش اضطراری، از دیود شاتکی بین ابرخازن و موتور DC استفاده می شود تا از تخلیه خازن از طریق موتور DC جلوگیری کند.

مدار نمونه بردار و نگه دار

دیود شاتکی با بایاس رو به جلو، هیچ حامل شارژ کمینه ای ندارد و به همین دلیل، آنها می توانند سریعتر از دیود های اتصال PN معمولی سوئیچ کنند. بنابراین دیود های شاتکی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا زمان انتقال کمتری از مرحله نمونه برداری به مرحله نگهداری دارند و این منجر به نمونه برداری دقیق تری در خروجی می شود.

یکسو کننده برق

دیود های شاتکی، چگالی جریان بالایی دارند و افت ولتاژ پایین باعث می شود که انرژی کمتری نسبت به یک دیود اتصال PN معمولی تلف شود و این باعث می شود که دیود های شاتکی برای یکسوسازی های برق مناسب تر باشند.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *