Что такое диод Шоттки- подробное описание полупроводника

Чем заменить SiC-диоды Шоттки — Силовая электроника

Резкое увеличение энергопотребления послужило толчком к развитию силовой преобразовательной техники, а также отечественной элементной базы — MOSFET, IGBT, FRED и др. По высоковольтным ДМОП и низковольтным Trench MOSFET усилиями ОАО «Ангстрем» Россия достигла зарубежного уровня, но по Trench NPT FS IGBT, а также по IGCT, UFRED, нитрид-галлиевым и карбид-кремниевым технологиям мы лишь с тоской следим за достижениями западных компаний.

Несмотря на заметные успехи ряда фирм (ЗАО «Группа «Кремний», ФГУП «НПП «Пульсар», ОАО «ВЗПП-Сборка», ЗАО «ВЗПП-Микрон» и др.) по созданию отечественных кремниевых UFRED, проблемы с их качеством и серийным выпуском остаются. Причины в свойствах исходного материала, технологических и электрофизических параметрах готовых структур UFRED, радиационных способах регулирования динамических свойств и сильно выраженной зависимости быстродействия от температурного фактора при эксплуатации.

В настоящее время на мировом рынке появилась целая гамма высокотемпературных ультрабыстро-восстанавливающихся диодов (ultrafast recovery diodes) на основе GaN- и SiC-материалов, которые имеют рабочие температуры -60… + 200 °С, и рынок данных приборов стремительно прогрессирует. Тормозящими факторами являются их стоимость, технологические сложности реализации чипов на больших площадях (до 100-200 кв. мм) и др.

Рассмотрим, насколько реальна возможность быстро и эффективно улучшить характеристики кремниевых диодов, приблизить их к 4H-SiС-диодам Шоттки и JBS-диодам или превзойти их.

Компания CLIFTON AS из Эстонии (на территории России и СНГ есть ее эксклюзивный дистрибьютор — компания «Интон», г. Ульяновск) разработала и начала промышленный выпуск серии мощных ультрабыстрых высокотемпературных GaAs p-i-n-диодов с параметрами:

  • VRRM = 200-1200 В;
  • IF = 1-200 A;
  • VF = 1,4-2,3 В;
  • trr1 = 15-40 нс (jF = 10 A/см 2 , di/dt = 200 A/мкс, VR = 100 B);
  • trr2 = 30-80 нс (jF = 200A/ см 2 , di/dt =200A/мкс, VR = 200 B);
  • Tj max — до 300 °С.

На рынке силовой ЭКБ это самые высокотемпературные диоды, рабочая температура которых в металлоке-рамических корпусах типа SMD-1, SMD-2, SHD-6 (КТ-94, КТ-95, КТ-105), КТ-106, КТ-43 достигает 250-260 °С. Высокую надёжность работы на этих температурах показали опытные сборки GaAs p-i-n-диодов в ОАО «ОКБ «Искра» (г. Ульяновск).

Научно-технической базой, платформой для разработки и выпуска новых GaAs p-i-n-диодов послужили исследования, разработки и труды советских ученых и инженеров в конце 70-х — начале 80-х годов в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (г. Санкт-Петербург) и НИИ Таллиннского электротехнического института им. М. И. Калинина и др.

Арсенид галлия по сравнению с другими широкозонными полупроводниками — недорогой материал, широко используемый на российских предприятиях при выпуске СВЧ-приборов. В силовой электронике несколькими западными фирмами (IXYS, TT Electronics-Semelab и др.) выпускаются только GaAs-диоды Шоттки c рабочими напряжениями до 300 В и токами до 50-80 А на структурах прямого эпитакси-ального выращивания из газовой фазы.

Технология CLIFTON использует методы эпитак-сиального выращивания слоев из жидкой фазы (LPE). В настоящее время разработана базовая технология изготовления GaAs р + -р-г-n-n + -структур на подложках диаметром два дюйма; чипы новых UFRED GaAs p-i-n-диодов значительно дешевле SiC-чипов, с позиций однородности и качества структуры данная технология также предпочтительнее.

Высокие пробивные напряжения достигаются заданным профилем легирования эпитаксиальных слоев (слаболегированной базы и высокоомного катода) и технологически сформированной шириной i-области. Структурное совершенство кристалла, обеспечивающее высокий уровень лавинообразования, достигается выращиванием слаболегированной базовой p-i-n-области в одном LPE процессе, когда высоковольтный p-i-n-переход формируется за счет перекомпенсации акцепторных примесей термо-донорными, образующимися в процессе управляемого (регулируемого) охлаждения. Контролируемая концентрация рекомбинационных центров в эпитаксиальных слоях диодной структуры позволяет достичь исключительно низких значений trr и Qrr. Проводимые в настоящее время исследования по радиационной обработке GaAs p-i-n-структур могут позволить GaAs p- i- n-диодам практически сравняться с SiC-диодами по быстродействию, при этом у GaAs p-i-n-диодов сохраняется ряд преимуществ.

Читайте также:  Чем обезжирить кузов автомобиля своими руками

На рис. 1 приведена базовая структура кристалла GaAs p-i-n-диода.

Профили распределения примесей в структуре показаны на рис. 2.

Промежуточная p-область создана для увеличения коэффициента мягкости S = tf/ts за счет более равномерного распределения электронно-дырочной плазмы в высоко-омной катодной зоне и снижения ее градиента (профиля) неосновных носителей вблизи инжекционного перехода. Данная конструкция решает еще одну задачу, какой является динамическая устойчивость (несмотря на мягкий режим коммутации). При режиме обратного восстановления, из-за неравномерности электронно-дырочной плазмы, в силу неизбежных факторов, таких как толщина эпитаксиального слоя и время жизни неосновных носителей, через диод протекает «хвост» тока, когда в то же время приложено максимальное постоянное напряжение. Если IGBT- или MOSFET-ключ переключается резко, на диоде будут расти обратный и хвостовой ток, резкий перепад напряжения UКЭ и UСИ приведет к большой скорости нарастания напряжения dU/dt при очень высоком dI/dt. Эта проблема заметно снижена данной конструкцией кристалла GaAs p-i-n-диода, что отражено на рис. 3. Минимальное значение энергии вторичного пробоя GaAs p-i-n-диодов в корпусах ТО-220 (15 А, 600 В) составляет 20 мДж (на рис. 3 это 20.6 mJ), максимальное — достигает 60 мДж, что говорит о высокой динамической устойчивости диодов CLIFTON.

Что такое высокая рабочая температура GaAs p-i-n-диода (CLIFTON)?

  • независимость времени восстановления trr от температуры;
  • независимость и отсутствие роста Qrr от температуры;
  • независимость обратного пикового тока от температуры;
  • независимость коэффициента «мягкости» от температуры;
  • управляемость зависимости прямого падения UF от температуры (положительная или отрицательная), чего нет и не может быть у SiC-диода Шоттки.

Жесткая «мягкость» кремниевых UFRED и мягкая «мягкость» GaAs p-i-n-диодов с ростом температуры показаны на рис. 4. Лучшей антирекламы для Si UFRED нет.

По своим динамическим характеристикам восстановления и сопутствующим энергетическим потерям GaAs p-i-n-диоды в диапазоне до 200 °С практически не уступают SiC-диодам Шоттки, выше этой температуры — превосходят их. (Попросту SiC-ДШ не работают при температуре выше 200 °С, они превращаются в терморезистор.)

Благодаря широкой i-области емкость диода значительно — в три раза (!) — меньше, чем у SiC-диода Шоттки и значительно в меньшей степени зависит от напряжения. А это — частоты. Предельная частота GaAs p-i-n-диодов почти на два порядка превосходит кремниевые диоды и, предположительно, в два раза (при T = 250 °C) превосходит частоту коммутации SiC-диодов Шоттки.

Энергия динамических потерь при T = 25 °C и T = 100 °C показана на рис. 5. Расчеты показывают возрастание потерь при переключении у SiC-диодов Шоттки при T >175 °C.

На рис. 6-8 показаны обратные и прямые вольт-амперные характеристики GaAs p-i-n-диодов в зависимости от температуры. Необходимо отметить возможность регулировки коэффициента температурной зависимости прямой ВАХ от отрицательного (рис. 7) до положительного (рис. 8) или стабилизации его, это важно при работе с MOSFET, IGBT или при использовании в выпрямительных блоках.

Сравнение нагрузочных характеристик быстродействующих диодов на основе различных материалов приводится на рис. 9 и в таблице 1, что показывает эффективность применения GaAs p-i-n-диодов в различных преобразовательных устройствах и возможность их успешной конкуренции по плотности преобразованной энергии на единицу объема.

Сравнительные характеристики новых GaAs-диодов и SiC-диодов Шоттки приведены в таблице 2.

Реальные характеристики готовых к выпуску GaAs p-i-n-диодов приведены в таблице 3.

Сравнительные динамические параметры FRED, UFRED Si-диодов и GaAs p-i-n-диодов показаны в таблицах 4, 5 и на соответствующих графиках зависимостей токовых характеристик от частоты, приведенных на рис. 10, 11.

Гибридизация (микросборка) данных диодов с чипами 2П829Б (полумостовая схема) показала устойчивость работы такого полумоста и моста на этой основе на частоте 250 кГц не хуже, чем схемотехнический и функциональный аналог APTC80H29SCT с SiC-диодами Шоттки. Во всяком случае, уже сейчас GaAs p-i-n-диоды — хорошее подспорье для создания новых высокоэффективных преобразователей электроэнергии (энергосберегающая программа ОАО «Российская электроника»).

Читайте также:  Как выбрать и купить УАЗ Патриот с пробегом

Необходимо отметить, что конструкция кристалла в сочетании металлизацией анодной и катодной областей по типу золото/золото позволяет выполнять монтаж кристаллов в DirectFET- или ThinKey-корпусах с достижением частот коммутации (преобразования) до 2 МГц и выше во всем рабочем диапазоне температур, а также с хорошей возможностью прямого монтажа в гибридных мощных модулях, микросборках ВИП.

Новые возможности LPE-технологии — это не только GaAs p-i-n-диодные структуры. Появляется возможность создания в течение ближайшего времени аналога IGBT-ключа на токи до 150 А, напряжение 1200 В с частотой коммутации до 300 кГц, то есть выше, чем у кремниевых IGBT, на полпорядка, с потерями энергии при переключении значительно более низкими, чем у кремниевых приборов. Конструкция данного ключа будет приведена в публикации в следующем номере журнала «СЭ».

В течение года планируются следующие разработки на основе GaAs р + -р-i-n-n + -структур:

    1. Мощный GaAs p-i-n-диод с параметрами 1200 В; 1000 А; 2,0 В; 1 МГц, 200 °С.
    2. Высоковольтный столб. Параметры: 6,512 кВ; 1-100 А; 50-200 нс; 200 °С.
    3. В поле зрения — проработка следующих направлений: динисторы (до 300 кГц), управляемые тиристоры (до 300 кГц), эффективные фотоприемники, радиоизотопные источники питания, JFET, p-n-p-транзисторы до 400 В, >1,5 ГГц, термодатчики, детекторы гамма-нейтронного излучения и др.

У России появляется возможность вспомнить свое славное прошлое и достаточно быстро и эффективно развить данное перспективное инновационное направление в области энергосбережения. Аналогов приборов, приведенных в данной статье или планируемых к разработке, не существует.

Изложенные конструктивные, технологические, технические решения настоящей статьи являются интеллектуальной собственностью авторов статьи, фирм CLIFTON AS (г. Тарту, Эстония); «Интелсоб», «ИНТОН» (г. Ульяновск).

Как проверить диод Шоттки мультиметром?

Дата: 13.10.2015 // 0 Комментариев

Диоды Шоттки благодаря своему быстродействию зачастую используются в импульсных стабилизаторах , а также в выпрямителях блоках питания ПК . Проверка на исправность диода Шоттки ничем особо не отличается от проверки самого обычного диода , она проводиться по единому принципу . Единственным моментом будет , который нужно учесть , что диоды Шоттки , используемые в хороших и качественных блоках питания зачастую встречаются сдвоенными в общий корпус и имеют общий катод . И так , сегодня мы расскажем вам , как проверить диод Шоттки мультиметром и выявить все его дефекты ?

Как проверить диод Шоттки мультиметром ?

Для наглядности мы , проведем небольшую проверку диода Шоттки SBL3045PT . Этот диод от блока питания ПК , рассчитан производителем до 45 В , 30 А . ( т . е . по 15 А на каждый диод ).

При использовании сдвоенных подобных диодов в выпрямителях необходимо учитывать этот момент , что производитель часто указывает ток на сборку целиком , а не на каждый диод в сборке .

Схематическая проверка сдвоенного диода Шоттки с общим катодом изображена ниже . Мы видим , что поочередно необходимо проверить каждый из двух диодов .

Наглядно продемонстрируем как проверить диод Шоттки мультиметром?


Важно ! При проверке диода можно и важно найти дефекты не только обрыв или пробой . Необходимо пытаться учитывать такой неприятный дефект , как небольшая « утечка ».

Если мы производили проверку мультиметром с режимом « диод », и выявили вполне рабочий элемент , но у нас есть подозрение подобную на утечку , тогда необходимо попробовать измерять обратное сопротивление диода , предварительно включив на мультиметре режим омметра . На диапазоне « 20 кОм » мультиметр должен показывать обратное сопротивление диода как бесконечно большое . Но если тестер показывает даже небольшое сопротивление , например , около 2 — 3 кОм , тогда к такому диоду необходимо относиться с большим подозрением и лучше сразу заменить новым .

Одним из самых больших недостатков у диодов Шоттки является то , что они моментально выходят из строя при превышении допустимого напряжения . Учитывая все моменты при самостоятельном ремонте импульсных блоков питания , в случае обнаружения дефектных диодов и после их замены , сразу же необходимо проверять на исправность все силовые транзисторы .

Читайте также:  Как выставить зажигание на мотоблоке регулировка, Нева МБ-1, 2, установка, бесконтактное, ДМ1К, зазо

Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

Что это такое

Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.
Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В. Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.

Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:

  • полупроводник;
  • стеклянная пассивация;
  • металл;
  • защитное кольцо.

При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.

Отличие от других полупроводников

Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.

Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:

  • арсенида галлия;
  • кремния;
  • золота;
  • вольфрама;
  • карбида кремния;
  • палладия;
  • платины.

От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний — по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Сфера применения

Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.

Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).

Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.

С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.

Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное — понимать специфику его работы и использовать его корректно.

Ссылка на основную публикацию
Что такое гидроблок в АКПП и как его отремонтировать
Что такое гидроблок АКПП-автоМастер Гидромодуль, клапанная плита управления или гидроблок – это один из самых ответственных узлов, который входит в...
Что показывает плотность дизельного топлива и что это такое Видео; АвтоНоватор
Плотность дизельного топлива в зависимости от температуры Начать следует с того, что плотность дизельного топлива, как и любой другой жидкости,...
Что посмотреть в горах Апшеронского района
Расстояние от Пятигорска О Тебе, Кавказ, суровый царь земли… К нашему всеобщему счастью и сожалению недругов наша страна имеет огромные...
Что такое Глиссер Выход на глиссирование лодки пвх
Глиссирование - что это такое, выход на глиссирование, скорость, режим, видео Такой максимально экономичный режим передвижения плавательных средств, как глиссирование,...
Adblock detector