دیود شاتکی – ویژگی‌ها، پارامترها و کاربردها

در این مقاله دیود شاتکی و ویژگی‌ها، پارامترها و کاربردهای آن را به زبان ساده توضیح می‌دهیم. دیودها یکی از اجزای اصلی مدارهای الکترونیکی بوده و در کاربردهای یکسوسازها، برش‌دهنده‌ها(clippers) و جابجاکننده‌ها(clampers) استفاده می‌شوند. دیودها عناصری دو پایه از جنس نیمه‌هادی هستند که جریان الکتریکی را فقط در یک سمت (از آند(+) به کاتد(-)) هدایت کرده و در جهت معکوس یعنی از کاتد به آند عبور نمی‌دهند. دلیل این امر این است که در جهت هدایت مستقیم، مقاومت نزدیک به صفر بوده و در جهت معکوس مقاومت به بی نهایت میل می‌کند. انواع مختلفی از دیودها در بازار وجود دارد که هر کدام ویژگی‌ها و به تبع کاربردهای خاص خود را دارند. ما قبلا درباره‌ی دیود زنر و دیگر دیودها و نحوه‌ی کار آن‌ها مطالبی را فراگرفته‌ایم. در این مقاله دیود جذاب دیگری موسوم به دیود شاتکی و موارد کاربرد آن در مدارهای الکتریکی را بررسی خواهیم کرد.

دیود شاتکی (که به نام فیزیکدان آلمانی اچ. شاتکی نام‌گذاری شده است) یکی از انواع دیودهای نیمه‌هادی می‌باشد با این تفاوت که به جای پیوند P-N، از پیوند فلز–نیمه هادی در ساخت آن استفاده شده است. با این کار خازن دیود کوچکتر شده و سرعت کلیدزنی افزایش می‌یابد. سرعت کلیدزنی بالا یکی از مهم‌ترین نقاطی تمایز این دیود با دیگر دیودهای نیمه‌هادی می‌باشد. دیود شاتکی را با اسامی دیگری همچون دیود مانع سطح، دیود سد شاتکی، دیود حامل داغ و دیود الکترون داغ نیز می‌شناسند.

نماد دیود شاتکی

نماد دیود شاتکی شبیه به نماد عمومی دیودهاست با این تفاوت که به جای خط صاف، از خطی شبیه s در سر منفی آن (کاتد) استفاده شده است. نماد مربوط به این دیود در شکل زیر به نمایش درآمده است. با بهره‌گیری از این نماد شماتیکی، در یک طرح مداری دیود شاتکی از سایر دیودها به راحتی قابل تشخیص می‌باشد. برای درک هر چه بیشتر دیود شاتکی، در ادامه مقاله، آن را با دیود معمولی مقایسه می‌نماییم.

ظاهر فیزیکی دیود شاتکی بسیار شبیه به دیودهای معمولی است به طوری که در برخی موارد بدون خواندن عدد روی آن قابل تشخیص نمی‌باشد. البته بیشتر اوقات دیودهای شاتکی نسبت به دیودهای معمولی بزرگتر می باشند اما این مورد همواره صادق نیست. یک دیود شاتکی در شکل زیر قابل مشاهده می‌باشد. شکل ظاهری پایه‌‌ها یا pin out دیود شاتکی در شکل زیر نمایش داده شده است.

کدام ویژگی دیود شاتکی را از سایر دیودها متمایز می‌کند؟

همان‌طور که در قسمت‌های پیشین ذکر شد، دیود شاتکی به لحاظ ظاهر و عملکرد بسیار شبیه به دیودهای معمولی می‌باشد اما ویژگی منحصر به فرد این دیود افت ولتاژ پایین و سرعت کلیدزنی بسیار بالای آن است. برای مقایسه و فهم بیشتر این موضوع،دیود شاتکی و دیود معمولی را در یک مدار یکسان قرار داده و عملکرد آن‌ها را بررسی می‌نماییم.

در شکل بالا ما دو مدار داریم که در یکی از آنها از دیود شاتکی (مدار سمت چپ) و در دیگری از دیود معمولی با پیوند P-N (سمت راست) استفاده شده و هر دو دیود به منبع ولتاژ ۵ ولتی متصل شده‌اند. هنگام برقراری جریان الکتریکی در مدار سمت چپ، افت ولتاژ دیود شاتکی ۰.۳ ولت بوده و در نتیجه ۴.۷ ولت دو سر بار می‌افتد. همچنین در مدار سمت راست افت ولتاژ دیود معمولی ۰.۷ ولت بوده و ۴.۳ ولت نصیب بار می‌گردد. همان طور که مشاهده می‌شود، دیود شاتکی در مقایسه با دیود معمولی با پیوند P-N افت ولتاز کمتری دارد. از دیگر مزایای دیود شاتکی نسبت به دیودهای معمولی می‌توان به نرخ کلیدزنی بالاتر، نویز کمتر و بازدهی بهتر اشاره نمود.

معایب دیود شاتکی

در بخش قبل گفتیم که این دیود افت ولتاژ کمتر، سرعت کلیدزنی بالاتر و در نتیجه کارایی بیشتری دارد. پس چرا در مدارهای مختلف عموما از دیود معمولی با پیوند P-N استفاده می‌شود؟

برای پاسخ به این سوال لازم به ذکر است که دیود شاتکی در موارد مذکور از دیودهای معمولی بهتر بوده و استفاده از آن رواج بیشتری پیدا می‌کند با این وجود دو مانع بزرگ برای استفاده از این نوع دیودها وجود دارد. اول ولتاژ شکست معکوس کوچکتر و دوم جریان نشتی معکوس بیشتر. به همین دلیل این دیود برای کاربردهای کلیدزنی در ولتاژ بالا مناسب نیست. ضمنا دیودهای شاتکی در مقایسه با دیودهای معمولی مرسوم گران‌تر می‌باشند.

دیودهای شاتکی در مقایسه با دیودهای معمولی

در جدول زیر مقایسه‌ی مختصری بین دیودهای شاتکی و دیودهای معمولی با اتصال P-N ارائه داده شده است.

دیود معمولی با پیوند P-N	دیود شاتکی
دیود معمولی با پیوند P-N یک عنصر دو قطبی است به این معنی که جریان در دو جهت متناسب با حامل‌های بار اقلیت و اکثریت هدایت می‌شود.	برعکس دیود معمولی با پیوند P-N، دیود شاتکی یک عنصر تک قطبی است به این معنی که جریان متناسب با حامل بار اکثریت، تنها در یک جهت هدایت می‌شود.
دیود معمولی با پیوند P-N دارای یک پیوند نیمه هادی–نیمه هادی است.	دیود شاتکی دارای یک پیوند فلز–نیمه هادی است.
دیود معمولی با پیوند P-N دارای افت ولتاژ بالایی است.	افت ولتاژ دیود شاتکی کم است.
تلفات این نوع دیود در زمان روشن بودن بالاست.	تلفات این نوع دیود در زمان روشن بودن کم است.
سرعت کلیدزنی این نوع دیود کم می‌باشد.	سرعت کلیدزنی این نوع دیود زیاد می‌باشد.
ولتاژ لازم برای روشن شدن ۰.۷ ولت است.	ولتاژ لازم برای روشن شدن ۰.۲ ولت است.
ولتاژ شکست معکوس بالا می‌باشد.	ولتاژ شکست معکوس پایین می‌باشد.
جریان نشتی معکوس کم است.	جریان نشتی معکوس زیاد است.

ساختار دیود شاتکی

همان‌طور که در شکل زیر نمایش داده شده است، دیودهای شاتکی از پیوند فلز با نیمه‌هادی ساخته شده اند به این معنی که یک جزء فلزی در یک طرف و یک جزء سلیکونی در سمت دیگر دارند. لذا دیودهای شاتکی دارای ناحیه تخلیه نبوده و به همین دلیل برخلاف دیودهای معمولی که به عناصر دو قطبی معروفند، به عنوان عناصر تک قطبی شناخته می‌شوند.

ساختار پایه‌ی این دیود در شکل بالا به نمایش درآمده است. لازم به ذکر است که برای قسمت فلزی می‌توان از پلاتین، تنگستن، طلا و مولیبدن و … استفاده نمود. با اتصال جزء فلزی و نیمه هادی، یک اتصال فلز–نیمه‌هادی به وجود می‌آید که به آن سد شاتکی نیز گفته می‌شود. پهنای سد شاتکی به نوع فلز و نوع نیمه‌هادی استفاده شده در دیود وابسته است.

سد شاتکی در حالت بایاس نشده، بایاس مستقیم و بایاس معکوس رفتار متفاوتی دارد. در حالت بایاس مستقیم، زمانی که پایه‌ی مثبت باتری به فلز و پایه‌ی منفی آن به نیمه‌هادی نوع n متصل شود، جریان در دیود شاتکی برقرار می‌شود. اما در حالت بایاس معکوس، زمانی که پایه‌ی مثبت باتری به نیمه هادی نوع n و پایه‌ی منفی به فلز متصل شود، دیود شاتکی مانع عبور جریان می‌شود. با این وجود اگر ولتاژ بایاس معکوس از سطح مشخصی بیشتر شود سد شاتکی شکسته و جریان در جهت معکوس برقرار شده و احتمال آسیب رسیدن به سایر اجزای مدار افزایش می‌یابد.

مشخصه‌ی ولتاژ–جریان (V-I) دیود شاتکی

یکی از مهمترین نمودارهایی که در انتخاب دیود بایستی در نظر گرفته شود،نمودار ولتاژ مستقیم (V) در ازای جریان مستقیم (I) می باشد. نمودارV-I مربوط به سه دیود 1N5817 ,1N5818 ,1N5819 در شکل زیر به نمایش درآمده است.

مشخصه‌ی V-I این دیود بسیار شبیه به دیود معمولی با پیوند P-N است. دارا بودن افت ولتاژ کمتر نسبت به دیود معمولی، این امکان را به دیود شاتکی می‌دهد که با صرف ولتاژ کمتری نسبت به دیود عادی به درستی کار کند. در نمودار بالا مشاهده می‌ شود که دیود 1N5817افت ولتاژ مستقیم کمتری نسبت به دو دیود دیگر دارد. همچنین با افزایش جریان مستقیم، افت ولتاژ دیود نیز افزایش می‌یابد. برای دیود 1N517 در جریان بیشینه‌ی ۳۰ آمپر، افت ولتاژ به بیش از ۲ ولت می‌رسد.به همین دلیل دیودهای از نوع شاتکی عموما در کاربردهای با جریان پایین استفاده می‌شوند.

انتخاب یک دیود شاتکی مناسب

ملاک‌هایی که در انتخاب یک دیود شاتکی بایستی در نظر بگیرید.هر مهندس طراح مدار،بایستی دیود شاتکی را مطابق با نیاز خود انتخاب نماید. در مدارهای یکسوساز، ولتاژ بالا، جریان متوسط یا کم و نرخ فرکانس پایین می‌باشد. در کاربردهای کلیدزنی، نرخ فرکانس بالاست. لذا در انتخاب نوع دیود بایستی دقت نمود. برخی از پارامترهای مهم و مشترک دیود ها عبارتند از:

افت ولتاژ مستقیم:

ولتاژ لازم برای روشن نمودن دیود در بایاس مستقیم را افت ولتاژ مستقیم دیود می‌نامند که مقدار آن متناسب با دیودهای مختلف متفاوت است. این ولتاژ برای دیودهای شاتکی حدود ۰.۲ ولت در نظر گرفته می‌شود.

ولتاژ شکست معکوس:

مقدار مشخصی از ولتاژ‌بایاس معکوس بعد از شکست دیود و شوع هدایت در جهت معکوس را ولتاز شکست دیود می‌نامند. مقدار این ولتاژ برای دیودهای شاتکی حدود ۵۰ ولت در نظر گرفته می‌شود.

زمان بازیابی دیود:

به زمانی که طول میکشد تا دیود از حالت هدایت مستقیم یا حالت روشن بودن (ON) به هدایت معکوس یا خاموش بودن (Off) تغییر حالت بدهد، زمان بازیابی دیود گفته می‌شود. مهمترین تفاوت بین یک دیود معمولی با پیوند P-N در زمان بازیابی آن ها می باشد. در دیود معمولی زمان بازیابی از چند میکرو ثانیه تا ۱۰۰ نانو ثانیه متغیر است اما دیودهای شاتکی زمان بازیابی ندارند چون ناحیه ی تخلیه در اتصال فلز –نیمه هادی وجود ندارد.

جریان نشتی معکوس:

جریان عبوری از یک عنصر نیمه هادی در بایاس معکوس، جریان نشتی معکوس نامیده می‌شود. در دیودهای شاتکی با افزایش دما جریان نشتی معکوس به طور قابل ملاحظه ای افزایش می‌یابد.

کاربردهای دیود شاتکی

این دیود به دلیل دارا بودن ویژگی های خاص، در صنعت الکترونیک کاربردهای فراوانی دارند که در ادامه به برخی از آنها خواهیم پرداخت.

1. مدارهای مهارکننده و جابجا کننده

مدارهای مهارکننده و جابجا کننده عموما در کاربردهای شکل دهی به موج استفاده می‌شود. دیودهای شاتکی یا داشتن افت ولتاژ کم برای استفاده به عنوان دیودهای مهارکننده مناسب می‌باشد.

2. محافظت از جزیان معکوس یا دشارژ شدن

همان طور که میدانیم دیود شاتکی جریان را فقط از یک سمت عبور می‌دهد از این رو به آن دیود مانع نیز گفته می شود لذا از این دیود در ساخت انواع محافظ ها استفاده می‌شود. به عنوان نمونه در چراغ های فلش اضطراری، یک دیود شاتکی بین ابرخازن و موتور DC قرار میگیرد تا از دشارژ شدن سوپر خازن در موتور Dc جلوگیری نماید.

3. مدارات نمونه برداری (Sample-and-hold circuits)

دیود شاتکی در بایاس مستقیم هیچ حامل بار اقلیتی ندارد به همین دلیل نسبت به دیودهای معمولی با پیوند P-N سرعت تغییر حالت بالاتری دارد. بنابرین استفاده از آن در این کاربرد مناسب است زیرا دیود شاتکی زمان گذر کمتری از نمونه گیری تا نگهداری داشته و در نتیجه دقت آن را افزایش می‌دهد.

4. یکسوساز توان (قدرت)

دیودهای شاتکی چگالی جریان بالا و افت ولتاژ‌ پایینی نسبت به دیودهای معمولی با پیوند P-N دارند لذا اتلاف توان شان هم کمتر است.در نتیجه برای استفاده در یکسوسازهای توان بسیار مناسب می باشند.

در ادامه توصیه می‌کنیم مقاله دیودهای اپتوالکترونیکی(فوتودیودها،سلول خورشیدی،دیود نورافشان و دیود لیزری) را نیز مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>