194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Диоды Шотки

Эффект Шотки возникает при контакте металла с полупроводниковым материалом. В самых старых диодах (точечных) использовалось металлическое остриё. В металле при его соприкосновении с полупроводником образуется область пространственного заряда, что позволяет току течь в одном направлении, но не пропускает его в другом. Диоды Шотки являются развитием этой технологии. Современные диоды Шотки имеют структуру, изображённую на Рис. 7.4.

Структура современного диода ШоткиРис. 7.4. Структура современного диода Шотки

Выпрямительный переход создаётся слоем металла (обычно золота, платины, алюминия или палладия), нанесённого на поверхность слаболегированного полупроводника. Применяемый металл и уровень легирования влияют на характеристики выпрямления. Свойство выпрямления возникает вследствие разности энергетических уровней материалов. Тыльная сторона полупроводника легируется сильнее, а контакт с обратной стороны называется омическим, так как энергетические уровни материалов очень близки, и область контакта по своим свойствам напоминает резистор. Ток течёт через диод Шотки вследствие того, что под воздействием прямого напряжения смещения p-n-перехода электроны в металле преодолевают потенциальный барьер. Поэтому диоды Шотки называются также диодами с «горячими» носителями заряда.

Ток в полупроводниковом материале представляет собой поток электронов. Электроны — основные носители заряда, и скорость протекания тока выше, чем в p-материале плоскостного диода. Поэтому диоды Шотки — самые быстродействующие из всех диодов. Поскольку в области перехода отсутствуют неосновные носители заряда, диод запирается сразу же, как только прикладываемое напряжение снижается до нуля. Однако процесс заряда ёмкости перехода вызывает протекание обратного тока. Эта ёмкость весьма мала, поэтому и обратный ток имеет чрезвычайно низкую величину. Диоды Шотки характеризуются практически нулевым временем прямого и обратного восстановления, потому что их проводимость не зависит от неосновных носителей заряда.

Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шотки очень мало, обычно порядка 0.2…0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя. Диод с повышенной предельно допустимой температурой имеет большее прямое падение напряжения, которое уменьшается с понижением температуры перехода. Этот отрицательный температурный коэффициент по току1 позволяет снизить рассеивание мощности, но усложняет параллельное включение диодов.

Главный недостаток диодов Шотки — большой обратный ток утечки. Он имеет экспоненциальную зависимость от температуры и возрастает при повышении температуры и обратного напряжения. Максимальный ток утечки определяется технологией производства диодов. Чем выше декларируемые номинальное обратное напряжение диода и максимальная температура перехода, тем меньше утечка.

Производители диодов Шотки постоянно повышают максимально допустимое обратное напряжение этих приборов. Десять лет назад диоды Шотки можно было использовать только в преобразователях с выходным напряжением 5 или 12 В. В настоящее время их производят по арсенид-галлиевой и карбид-кремниевой технологиям с более высоким номинальным напряжением. Максимальное обратное напряжение кремниевых диодов Шотки — порядка 150 В, что делает их пригодными для универсальных первичных источников питания с напряжением 48 В в телекоммуникационных системах. Пиковое обратное напряжение арсенид-галлиевых диодов достигает 300 В, что позволяет использовать их при выходном напряжении 100 В. Прямое падение напряжения для арсенид-галлиевых диодов Шотки составляет обычно 0.8 В. Как правило, с этим не возникает проблем, так как ток в высоковольтных источниках питания обычно намного меньше, чем в низковольтных.

До недавнего времени в повышающих преобразователях применялись только высоковольтные ультрабыстрые или FRED-диоды. Значительное время прямого и обратного восстановления этих диодов ограничивало их применение частотами 100…300 кГц. Максимальное обратное напряжение карбид-кремниевых диодов Шотки, производимых фирмами Advanced Power Technologies, Infineon и Cree, достигает 1200 В. Производители предполагают, что следующие поколения карбид-кремниевых диодов будут выдерживать напряжения до 2000 В. Типовое прямое падение напряжения у карбид-кремниевых диодов составляет: 1.5 В — для 600-вольтовых диодов и 3.0 В — для 1200-вольтовых диодов, поэтому рассеивание мощности на них выше, чем на диодах FRED, при одном и том же уровне тока. Значительная доля потерь FRED является следствием эффекта обратного восстановления, тогда как в карбид-кремниевых диодах Шотки на первом месте стоят потери из-за снижения проводимости при высоких температурах. Тем не менее карбид-кремниевые диоды способны выдерживать значительно более высокие температуры, чем кремниевые диоды, при одном и том же размере кристалла. Прямое напряжение имеет положительный температурный коэффициент, поэтому можно запараллеливать карбид-кремниевые диоды с целью повышения предельно допустимого тока. Ещё одно преимущество карбид-кремниевых диодов заключается в том, что обратный ток утечки имеет гораздо меньшую зависимость от температуры, чем у кремниевых или арсенид-галлиевых диодов.

Поскольку в диодах Шотки практически отсутствует эффект прямого или обратного восстановления, применение карбид-кремниевых диодов позволяет цепям коррекции коэффициента мощности работать на частотах свыше 500 кГц. Это позволяет намного уменьшить габариты дросселей и повысить производительность. Упрощается также фильтрация электромагнитных помех, так как компоненты фильтра могут быть гораздо меньше при одинаковой степени ослабления помех.

1 При неизменном прямом падении напряжения на диоде ток через него уменьшается с ростом температуры вследствие снижения подвижности основных носителей и вызванного этим увеличения сопротивления перехода.

194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206