Diodo Schottky

El diodo Schottky es otro tipo de diodo semiconductor que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones de rectificación, conmutación y conformación de ondas igual que cualquier otro diodo de unión. La principal ventaja es que la caída de voltaje directo de un diodo Schottky es sustancialmente menor que los 0,7 voltios del diodo de unión PN de silicio convencional.

Los diodos Schottky tienen muchas aplicaciones útiles, desde rectificación, acondicionamiento de señales y conmutación, hasta puertas lógicas TTL y CMOS debido principalmente a su baja potencia y velocidades de conmutación rápidas. Las puertas lógicas TTL Schottky se identifican por las letras LS que aparecen en algún lugar de su código de circuito de puerta lógica, por ejemplo, 74LS00.

Los diodos de unión PN se forman al unir un material semiconductor de tipo p y uno de tipo n, lo que permite que se use como un dispositivo rectificador, y hemos visto que cuando se polariza hacia adelante, la región de agotamiento se reduce en gran medida, lo que permite que la corriente fluya a través de ella. en la dirección de avance, y cuando está sesgado hacia atrás, la región de agotamiento aumenta bloqueando el flujo de corriente.

La acción de polarizar la unión PN usando un voltaje externo para polarizarla hacia adelante o hacia atrás, disminuye o aumenta respectivamente la resistencia de la barrera de unión. Por lo tanto, la relación voltaje-corriente (curva característica) de un diodo de unión pn típico está influenciada por el valor de resistencia de la unión. Recuerde que el diodo de unión PN es un dispositivo no lineal, por lo que su resistencia de CC variará tanto con el voltaje de polarización como con la corriente que lo atraviesa.

Cuando se polariza hacia adelante, la conducción a través de la unión no comienza hasta que el voltaje de polarización externo alcanza el «voltaje de rodilla», en el cual la corriente aumenta rápidamente y para los diodos de silicio, el voltaje requerido para que ocurra la conducción directa es de alrededor de 0,65 a 0,7 voltios, como se muestra:

Características del diodo de unión PN IV

Para los diodos de unión de silicio prácticos, este voltaje de rodilla puede estar entre 0,6 y 0,9 voltios, dependiendo de cómo se dopó durante la fabricación y si el dispositivo es un diodo de señal pequeño o un diodo rectificador mucho más grande. El voltaje de rodilla para un diodo de germanio estándar, sin embargo, es mucho más bajo, aproximadamente 0,3 voltios, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones de señales pequeñas.

Pero hay otro tipo de diodo rectificador que tiene un pequeño voltaje de rodilla, así como una velocidad de conmutación rápida llamada diodo de barrera Schottky, o simplemente «diodo Schottky». Los diodos Schottky se pueden utilizar en muchas de las mismas aplicaciones que los diodos de unión PN convencionales y tienen muchos usos diferentes, especialmente en aplicaciones de lógica digital, energía renovable y paneles solares.

El diodo Schottky

A diferencia de un diodo de unión PN convencional que se forma a partir de una pieza de material tipo P y una pieza de material tipo N, los diodos Schottky se construyen utilizando un electrodo metálico unido a un semiconductor tipo N. Dado que están construidos con un compuesto metálico en un lado de su unión y silicio dopado en el otro lado, el diodo Schottky no tiene una capa de agotamiento y se clasifican como dispositivos unipolares a diferencia de los diodos típicos de unión PN que son dispositivos bipolares.

El metal de contacto más común utilizado para la construcción de diodos Schottky es «Silicide», que es un compuesto de metal y silicio altamente conductivo. Este contacto de metal-silicio tiene un valor de resistencia óhmica razonablemente bajo que permite que fluya más corriente produciendo una caída de voltaje directo más pequeña de alrededor de Vƒ <0.4V cuando se conduce. Los diferentes compuestos metálicos producirán diferentes caídas de voltaje directo, generalmente entre 0,3 y 0,5 voltios.

Construcción y símbolo del diodo Schottky

Arriba se muestra la construcción simplificada y el símbolo de un diodo Schottky en el que un semiconductor de silicio de tipo N ligeramente dopado se une con un electrodo metálico para producir lo que se llama una “unión metal-semiconductor”.

El ancho, y por lo tanto las características eléctricas, de esta unión metal-semiconductor dependerá en gran medida del tipo de compuesto metálico y material semiconductor utilizado en su construcción, pero cuando se polarizan hacia adelante, los electrones se mueven del material tipo N al electrodo metálico permitiendo que la corriente fluya. Por lo tanto, la corriente a través del diodo Schottky es el resultado de la deriva de los portadores mayoritarios.

Dado que no hay material semiconductor de tipo P y, por lo tanto, no hay portadores minoritarios (orificios), cuando se polariza en sentido inverso, la conducción de los diodos se detiene muy rápidamente y cambia al flujo de corriente de bloqueo, como en un diodo de unión PN convencional. Por lo tanto, para un diodo Schottky hay una respuesta muy rápida a los cambios de polarización y demuestra las características de un diodo rectificador.

Como se discutió anteriormente, el voltaje de rodilla al que un diodo Schottky se enciende y comienza a conducir está a un nivel de voltaje mucho más bajo que su equivalente en la unión PN, como se muestra en las siguientes características.

Características del diodo Schottky IV

Como podemos ver, la forma general de las características del diodo Schottky IV de semiconductor metálico es muy similar a la de un diodo de unión pn estándar, excepto que el voltaje de esquina o rodilla al que el diodo de unión ms comienza a conducir es mucho menor en alrededor de 0,4 voltios.

Debido a este valor más bajo, la corriente directa de un diodo Schottky de silicio puede ser muchas veces mayor que la de un diodo de unión PN típico, dependiendo del electrodo metálico utilizado. Recuerde que la ley de Ohm nos dice que la potencia es igual a voltios por amperios, (P = V * I), por lo que una caída de voltaje directo más pequeña para una corriente de diodo dada, ID , producirá una disipación de potencia directa más baja en forma de calor a través de la unión.

Esta menor pérdida de energía hace que el diodo Schottky sea una buena opción en aplicaciones de bajo voltaje y alta corriente, como paneles solares fotovoltaicos, donde el voltaje directo VF cae a través de un diodo de unión PN estándar produciendo un efecto de calentamiento excesivo.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la corriente de fuga inversa, (IR) para un diodo Schottky es generalmente mucho mayor que para un diodo de unión PN.

Sin embargo, tenga en cuenta que si la curva de características IV muestra una característica no rectificadora más lineal, entonces es un contacto óhmico. Los contactos óhmicos se utilizan comúnmente para conectar obleas y chips semiconductores con pines de conexión externos o circuitos de un sistema. Por ejemplo, conectar la oblea semiconductora de una puerta lógica típica a los pines de su paquete de plástico dual-in-line (DIL).

También debido a que el diodo Schottky está fabricado con una unión de metal-semiconductor, tiende a ser un poco más caro que los diodos de silicio de unión PN estándar que tienen especificaciones de voltaje y corriente similares. Por ejemplo, la serie Schottky 1N58xx de 1,0 amperios en comparación con la serie 1N400x de uso general.

Diodos Schottky en puertas lógicas

El diodo Schottky también tiene muchos usos en circuitos digitales y se usa ampliamente en puertas y circuitos lógicos digitales de lógica transistor-transistor (TTL) Schottky debido a su respuesta de frecuencia más alta, tiempos de conmutación reducidos y menor consumo de energía. Cuando se requiere conmutación de alta velocidad, el TTL basado en Schottky es la opción obvia.

Hay diferentes versiones de Schottky TTL, todas con diferentes velocidades y consumo de energía. Las tres principales series lógicas TTL que utilizan el diodo Schottky en su construcción se dan como:

• Diodo sujetado Schottky TTL (serie S) serie – Schottky “S” TTL (74SXX): es una versión mejorada del transistor y diodo DTL original. – Puertas y circuitos lógicos TTL de la serie 74 del transistor. Los diodos Schottky se colocan a través de la unión base-colector de los transistores de conmutación para evitar que se saturen y creen retrasos de propagación, lo que permite un funcionamiento más rápido.
• Schottky de baja potencia (serie LS) : la velocidad de conmutación del transistor, la estabilidad y la disipación de potencia de la serie 74LSXX TTL es mejor que la anterior serie 74SXX. Además de una mayor velocidad de conmutación, la familia Schottky TTL de bajo consumo consume menos energía, lo que convierte a la serie 74LSXX TTL en una buena opción para muchas aplicaciones.
• Schottky avanzado de baja potencia (serie ALS) : las mejoras adicionales en los materiales utilizados para fabricar las uniones ms de los diodos significan que la serie 74LSXX tiene un tiempo de retardo de propagación reducido y una disipación de potencia mucho menor en comparación con las series 74ALSXX y 74LS. Sin embargo, al ser una tecnología más nueva y un diseño intrínsecamente más complejo internamente que el TTL estándar, la serie ALS es un poco más cara.

Transistor de sujeción Schottky

Todas las puertas y circuitos TTL de Schottky anteriores utilizan un transistor de sujeción Schottky para evitar que se saturen con fuerza.

Como se muestra, un transistor con abrazadera Schottky es básicamente un transistor de unión bipolar estándar con un diodo Schottky conectado en paralelo a través de su unión base-colector.

Cuando el transistor conduce normalmente en la región activa de sus curvas características, la unión base-colector tiene polarización inversa y, por lo tanto, el diodo tiene polarización inversa, lo que permite que el transistor funcione como un transistor PN normal. Sin embargo, cuando el transistor comienza a saturarse, el diodo Schottky se polariza hacia adelante y sujeta la unión colector-base a su valor de rodilla de 0,4 voltios, lo que mantiene al transistor fuera de saturación total ya que cualquier exceso de corriente base se deriva a través del diodo.

Evitar que los transistores de conmutación de circuitos lógicos se saturen reduce enormemente su tiempo de retardo de propagación, lo que hace que los circuitos TTL de Schottky sean ideales para usar en flip-flops, osciladores y chips de memoria.

Resumen del diodo Schottky

Aquí hemos visto que el diodo Schottky, también conocido como diodo de barrera Schottky, es un diodo semiconductor de estado sólido en el que un electrodo metálico y un semiconductor de tipo N forman la unión ms de los diodos, lo que le da dos ventajas principales sobre los diodos de unión PN tradicional. Una velocidad de conmutación más rápida y un voltaje de polarización directo bajo.

La unión de metal a semiconductor o ms proporciona un voltaje de rodilla mucho más bajo de típicamente 0.3 a 0.4 voltios en comparación con un valor de 0.6 a 0.9 voltios visto en un diodo de unión PN de base de silicio estándar para el mismo valor de corriente directa.

Las variaciones en los materiales metálicos y semiconductores utilizados para su construcción significan que los diodos Schottky de carburo de silicio (SiC) pueden encenderse con una caída de voltaje directo de tan solo 0,2 voltios, reemplazando el diodo Schottky al diodo de germanio menos utilizado en muchos casos de aplicaciones que requieren un voltaje de rodilla bajo.

Los diodos Schottky se están convirtiendo rápidamente en el dispositivo de rectificación preferido en aplicaciones de baja tensión y alta corriente para su uso en aplicaciones de energía renovable y paneles solares.

Sin embargo, en comparación con los equivalentes de unión PN, las corrientes de fuga inversa del diodo Schottky son mayores y su voltaje de ruptura inversa es más bajo, alrededor de 50 voltios.

Un voltaje de encendido más bajo, un tiempo de conmutación más rápido y un consumo de energía reducido hacen que el diodo Schottky sea extremadamente útil en muchas aplicaciones de circuitos integrados, siendo la serie 74LSXX TTL de puertas lógicas las más comunes.

Las uniones metal-semiconductor también pueden funcionar como «contactos óhmicos», así como diodos rectificadores depositando el electrodo metálico en regiones semiconductoras muy dopadas (y por lo tanto de baja resistividad). Los contactos óhmicos conducen la corriente por igual en ambas direcciones, lo que permite que las obleas semiconductoras y los circuitos se conecten a terminales externos.