دیود شاتکی (Schottky Diode) که به افتخار فیزیکدان آلمانی، والتر اچ. شاتکی (Walter H. Schottky) نامگذاری شده و با نام‌های دیود مانع شاتکی یا دیود حامل داغ نیز شناخته می شود، یکی از دیودهای فلز ـ نیمه هادی می‌باشد که دارای افت ولتاژ بایاس مستقیم فوق‌العاده کم و سرعت سوییچینگ فوق‌العاده زیاد است .
از کاربرد‌های دیود شاتکی می‌توان به تغییر شکل موج، سوییچینگ و یکسوسازی اشاره کرد. دیگر دیودها نیز همین کاربردها را دارند اما مزیت دیود شاتکی بر آن‌ها این است که افت ولتاژ خیلی کمتری نسبت به دیودهای معمولی پیوند PN دارند .
همچنین از دیودهای شاتکی برای گیت های منطقی CMOS و TTL استفاده می‌شود چرا که توان تلفاتی فوق‌العاده کمی دارند و سرعت سوییچینگ آن‌ها فوق‌العاده بالاست. گیت‌های منطقی TTL شاتکی از طریق علامت LS روی محفظه بیرونی‌شان مشخص خواهند شد. به عنوان مثال : 74LS00
دیودهای اتصال PN به وسیله‌ی اتصال دو نیمه‌رسانای نوع N و نوع P به یکدیگر به وجود می‌آیند و می‌توانند به عناون یک المان یک‌سو کننده به کار بروند در گذشته ذکر شد که این نوع دیودها در حالت بایاس مستقیم ضخامت ناحیه تهی (Depletion Region) خود را تا حد زیادی کاهش می‌دهند و به این صورت به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهند اما در حالت بایاس معکوس ضخامت ناحیه تهی افزایش می‌یابد و به همین دلیل جریان نمی‌تواند از دیود عبور کند .
عمل بایاس معکوس و مستقیم پیوند PN از طریق یک ولتاژ خارجی به ترتیب مقاومت ناحیه پیوند PN را افزایش یا کاهش خواهد داد بنابراین رابطه ولتاژ ـ جریان ( منحنی مشخصه ) یک دیود معمولی پیوند PN تابعی از میزان مقاومت پیوند است فراموش نکنید که دیود یک المان غیرخطی است بنابراین میزان مقاومت آن در حالت بایاس DC تابعی از ولتاژ بایاس و جریان عبوری از آن است .
در حالت بایاس مستقیم، هدایت از ناحیه اتصال تنها در زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ بایاس خارجی به ولتاژ تحریک (Knee Voltage) برسد. پس از آن مقدار جریان به طرز قابل ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت. برای دیودهای معمولی ولتاژ تحریک بین ۰/۶۵ تا ۰/۷ ولت می‌باشد.
نمودار مشخصه ولتاژ – جریان دیود معمولی اتصال PN
البته در برخی مواقع ممکن است ولتاژ تحریک تا ۰/۹ ولت نیز افزایش پیدا کند که این مقوله بستگی به نحوه اجرای فرایند دوپینگ در ساخت دیود دارد. همچنین اندازه‌ی دیود نیز نقش موثری در تعیین مقدار ولتاژ تحریک آن دارد به هر حال ولتاژ تحریک برای یک دیود ژرمانیوم استاندارد ۰/۳ ولت می‌باشد که آن را برای استفاده به عنوان دیود سیگنال بسیار مناسب می‌کند.
اما نوع دیگری از دیود یکسوساز وجود دارد که ولتاژ تحریک بسیار پایین و سرعت سوییچینگ فوق‌العاده بالایی دارد که به آن دیود سد شاتکی گفته می‌شود. دیود شاتکی می‌تواند در خیلی مواقع به جای دیود معمولی استفاده شود اما کاربرد اصلی آن در مدار منطقی و پنل های خورشیدی است .
دیود شاتکی
بر خلاف دیود معمولی که از یک نیمه‌رسانای نوع P و یک نیمه‌رسانای نوع N تشکیل شده، دیودهای شاتکی با استفاده از یک الکترود فلزی ساخته شده‌اند که به یک نیمه رسانای نوع N متصل شده و به دلیل اینکه در ساخت آن‌ها به جای نیمه‌هادی نوع P از ترکیب فلزی استفاده شده دارای ناحیه تهی نخواهند بود و المان‌هایی تک قطبی هستند اما دیود اتصال PN معمولی المانی دوقطبی می‌باشد .
یکی از پر کاربرد‌ترین فلزات که در تولید دیود شاتکی سیلیسید (Silicide) است. سیلیسید یکی از ترکیبات سیلیکون است که رسانایی فوق‌العاده بالایی دارد. در‌واقع کانتکت سیلیسید ( که از جنس فلز ــ سیلیکون است ) مقاومت بسیار پایینی دارد و اجازه می‌دهد جریان بیشتری از دیود عبور کند همچنین افت ولتاژ کمتری را در حالت بایاس مستقیم ایجاد می‌کند (VF<0.4 v).
از ترکیبات متفاوتی برای به دست آوردن افت ولتاژ‌های مشخص استفاده می‌شود که می‌تواند میزان افت ولتاژ را بین ۰/۳ تا ۰/۵ ولت تغییر دهد .
ساختار و نماد دیود شاتکی
تصویر بالا ساختار ساده شده دیود شاتکی و سمبل آن در مدار را نشان می‌دهد. در این حالت یک نیمه هادی سیلیکونی که در فرایند دوپینگ به آن به میزان کافی ناخالصی نوع N اضافه نشده به یک الکترود فلزی متصل می‌شود تا پیوند فلز – نیمه رسانا را به وجود بیاورد .
پهنا و خصایص الکتریکی این پیوند فلز ـ نیمه رسانا، تا حد زیادی بستگی به نوع فلز و نیمه رسانایی دارد که در ساخت آن به کار رفته است. در حالت بایاس مستقیم الکترون‌ها از نیمه رسانای نوع N به سمت الکترود فلزی حرکت می‌کنند و به این ترتیب جریان در دیود برقرار می‌شود. جریان در دیود شاتکی ناشی از حرکت حامل های اکثریت است .
از آنجایی که هیچ نیمه رسانای نوع P در طراحی دیود شاتکی وجود ندارد و حامل های اقلیت ( حفره ها ) در آن وجود ندارند در حالت بایاس معکوس، هدایت دیود به سرعت متوقف می‌شود. در واقع دیود شاتکی در پاسخ به تغییرات جهت جریان فوق‌العاده سریع می‌باشد .
همانطور که در گذشته ذکر شد ولتاژ تحریک دیود شاتکی که در آن دیود جریان را از خود عبور می‌دهد ،خیلی پایین‌تر از دیود پیوند PN مشابه است. در شکل زیر نمودار مشخصه جریان ـ ولتاژ دیود شاتکی نشان داده شده :
نمودار مشخصه جریان ـ ولتاژ دیود شاتکی
همانطور که می‌بینید شکل کلی نمودار خیلی شبیه به منحنی مشخصه جریان ـ ولتاژ یک دیود معمولی است و تنها تفاوت موجود نقطه ولتاژ تحریک می‌باشد که بر اساس نمودار، پیوند فلز ـ نیمه‌هادی دیود شاتکی در ولتاژی نزدیک به ۰/۴ ولت هدایت را آغاز خواهد کرد .
به خاطر همین ویژگی جریان مستقیم یک دیود سیلیکونی شاتکی می‌تواند خیلی بیشتر از یک دیود معمولی باشد ( میزان جریان عبوری وابسته به نوع الکترود فلزی است که در آن به کار رفته است ). فراموش نکنید بر اساس قانون اهم، توان مساوی است با ولتاژ ضرب در جریان (P=V*I، بنابراین افت ولتاژ کمتر باعث می‌شود که توان کمتری در دیود تلف شود و در نتیجه قطعه به میزان کمتری داغ شود .
توان تلفاتی کمتر دیودهای شاتکی این المان را تبدیل به انتخاب مناسبی برای مدارهای با ولتاژ پایین و جریان بالا ( مانند پنل های خورشیدی فتوولتاییک) خواهد کرد. در این‌گونه مدارها افت ولتاژ بایاس مستقیم VF در پیوند PN دیود معمولی گرما و اتلاف انرژي فراوانی را به همراه خواهد داشت .
اما یکی از معایب دیود شاتکی نسبت به دیود معمولی این است که جریان نشتی معکوس ( Reverse Leakage Current یا Ir ) فوق‌العاده زیادی دارد .
به هر حال این نکته را باید در نظر داشت که اگر منحنی مشخصه جریان ـ ولتاژ حالت خطی غیر یک‌سو کننده داشته باشد، یک اتصال اهمی (Ohmic Contact) وجود دارد. عموما اتصال ویفرهای نیمه رسانا به یکدیگر ، اتصال تراشه‌ها با پین‌های اتصال خارجی یا ترکیب مدارات یک سیستم ، از نوع اتصال اهمی است یکی دیگر از نمونه‌های اتصال اهمی ، اتصال یک ویفر نیمه رسانا به پین هایی که از محافظ آن بیرون می‌آیند و در دو ردیف (Dual In Line Package یا DIL ) قرار می‌گیرند می‌باشد .
در ضمن به دلیل اینکه دیود شاتکی با پیوند فلزی ـ نیمه رسانا تولید می‌شود کمی گران قیمت‌تر از دیودهای معمولی با مشخصه های ولتاژ و جریان یکسان است. به عنوان مثال می‌توانید قیمت دیودهای شاتکی یک آمپر سری 1N58xx را با دیودهای معمولی سری 1N400xx مقایسه کنید .
دیودهای شاتکی در گیت‌های منطقی
دیودهای شاتکی در ساخت مدارهای دیجیتال نیز کاربرد زیادی دارند به عنوان مثال از آن‌ها به وفور برای ساخت گیت‌های منطقی ترانزیستور ـ ترانزیستور شاتکی استفاده می‌شود چرا که سریع‌تر به تغییر فرکانس پاسخ می‌دهند، دفعات سوییچ کمتری دارند و تلفات توان در آن‌ها کمتر می‌باشد ( زمانی که به سرعت بالا در سوییچینگ نیاز است TTL شاتکی بر دیگر انتخاب ها ارجحیت دارد ) .
انواع مختلفی از TTL های شاتکی وجود دارد که سرعت‌های متفاوت و میزان تلفات توان متفاوتی دارند. سه TTL اصلی که در آن از دیود شاتکی استفاده می‌شود عبارتند از :
- Schottky Diode Clamped TTL (سری S ) :
این سری از دیود ها با شماره 74Sxxروی جلد محافظ شان مشخص می‌شوند که یک نمونه بهینه شده از ترانزیستور ــ ترازیستورهای سری ۷۴ در گیت های منطقی TTL هستند. دیودهای شاتکی در قسمت پیوند بیس ـ کلکتور ترانزیستورهای سوییچینگ قرار می‌گیرند تا از به اشباع رفتن ترانزیستورها و ایجاد تأخیر در آن‌ها جلوگیری کنند تا مدار بتواند سرعت بیشتری داشته باشد .
- دیود شاتکی توان پایین (Low Power Schottky) ( سری LS )
سرعت سوچینگ بالا، پایداری و میزان پایین افت توان در سری TTL(74LSxx) این دیود را بهینه‌تر از سری 74Sxx کرده. این سری از دیودها توان مصرفی فوق‌العاده پایینی دارند که آن‌ها را تبدیل به انتخاب مناسبی برای خیلی از مدارات کرده است .
- دیود شاتکی توان پایین پیشرفته (Advanced Low-Power Schottky ) ( سری ALS)
هر چند که بالا رفتن کیفیت مواد به کار رفته در ساخت پیوند فلز ـ نیمه رسانای دیودهای سری 74Sxx باعث شده که تأخیر و تلفات توان کمتری نسبت به سری های 74ALSxx و 74Sxx داشته باشند، سری 74ALSxx طراحی پیچیده‌تری دارد و متعاقباً کمی گران‌تر از دو سری پیشین است .
ترانزیستور شاتکی
تمام گیت‌های TTL از یک ترازیستور شاتکی استفاده می‌کنند تا از رفتن به حالت اشباع جلوگیری شود .
همانطور که عنوان شد یک ترانزیستور شاتکی تقریباً همان ترانزیستور پیوندی دو قطبی است با این تفاوت که در آن یک دیود شاتکی به صورت موازی به پیوند بیس ــ کلکتور متصل شده .
هنگامی که ترانزیستور در ناحیه فعال قرار دارد پیوند بیس ـ کلکتور بایاس معکوس شده بنابراین دیود شاتکی نیز به صورت معکوس بایاس می‌شود و به ترانزیستور اجازه می‌دهد که همانند یک ترانزیستور NPN معمولی فعالیت کند و هنگامی که ترانزیستور به حالت اشباع می‌رود دیود شاتکی بایاس مستقیم خواهد شد و ولتاژ کلکتور ـ بیس را به ۰/۴ ولت که ولتاژ تحریک خودش است می‌رساند در چنین شرایطی ترانزیستور از گیر کردن در حالت اشباع محفوظ می‌ماند چرا که جریان اضافی بیس از دیود عبور خواهد کرد .
جلوگیری از رفتن ترانزیستورهای سوییچینگ مدار منطقی به حالت اشباع تأخیر آن‌ها را تا حد قابل ملاحظه ای کاهش می‌دهد و مدار های شاتکی TTL را انتخاب مناسبی برای فلیپ فلاپ ها (Flip-Flops) ، اسیلاتور ها و آی سی های حافظه می‌کند .
خلاصه
- در این مقاله آموختیم دیود شاتکی که به آن دیود سد شاتکی نیز می‌گویند یک دیود نیمه رسانای حالت جامد می‌باشد که در آن یک الکترود فلزی و یک نیمه رسانای نوع N پیوند دیودی را به وجود می‌آورد این دیودها دو مزیت بزرگ نسبت به دیودهای معمولی دارند اول اینکه سرعت سوییچینگ آن‌ها بالاتر است و دوماً به ولتاژ بایاس مستقیم فوق‌العاده کمی نیاز دارند .
- پیوند فلز ـ نیمه رسانا باعث کاهش ولتاژ تحریک ( ۰/۳ تا ۰/۴ ولت ) در این دیودها شده در حالیکه در دیودهای معمولی PN این ولتاژ بین ۰/۶ تا ۰/۹ ولت است .
- برای ساخت دیودهای شاتکی از فلزات و نیمه رساناهای مختلفی استفاده می‌شود همچنین فرایندهای ساخت نیز متفاوت است هم‌اکنون دیودهای شاتکی سیلیکون کربید (SiC) با ولتاژ بایاس مستقیمی به مقدار ۰/۲ ولت ، جریان را هدایت خواهند کرد و دیود شاتکی به تدریج جای دیود ژرمانیوم را در خیلی از مدارها که در آن به ولتاژ تحریک پایینی نیاز است خواهد گرفت .
- همچنین در مدارهای یکسوساز با ولتاژ پایین و جریان بالا ( مانند پنل های خورشیدی ) استفاده از دیودهای شاتکی ارجحیت دارد .
- یکی از مضرات دیود شاتکی نسبت به دیودهای معمولی مشابه آن این است که جریان نشتی معکوس بالایی دارد و ولتاژ شکست معکوس آن نیز فوق‌العاده کمتر ( نزدیک به ۵۰ ولت ) است .
- ولتاژ تحریک پایین ، زمان سوییچینگ و تلفات توان کمتر ، دیود شاتکی را انتخاب مناسبی برای استفاده در مدارات مجتمع می‌کند به عنوان مثال در سری 74LSxx گیت های منطقی از دیود شاتکی استفاده شده که کاربری فوق‌العاده زیادی دارد .
- گاهی اوقات پیوندهای فلز ـ نیمه رسانا، اتصالات اهمی را به وجود می‌آورند در‌واقع اگر یک جسم فلزی به ناحیه های فوق‌العاده غنی شده نیمه رسانا که مقاومت کمی دارند اتصال پیدا کنند اتصال اهمی به وجود می‌آید. در چنین شرایطی ضخامت ناحیه تهی فوق‌العاده کم می‌شود و جریان به راحتی می‌تواند از هر دو طرف عبور کند این حالت برای اتصال ویفرهای نیمه رسانا و مدارات مجتمع ( آی سی ها ) به پایه‌های خارجی شان مفید خواهد بود .
