Diodo Schottky El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente.
Símbolo del diodo Schottky Funcionamiento A frecuencias frecuencias bajas un diodo diodo normal puede puede conmutar conmutar fácilmente fácilmente cuando cuando la polarización polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy bajo, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales. Así se dice dice que el diodo diodo Schottky Schottky es un un dispositivo dispositivo semiconductor semiconductor "portador "portador mayoritario". mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. Características La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad. A diferencia diferencia de los diodos diodos convencion convencionales ales de silicio, silicio, que tienen tienen una tensión umbral — valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce — de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido.
La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de frecuencia (inverters) para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por los transistores IGBT del chopper, lo cual conduciría a su rápido deterioro. Cuando el motor se comporta como generador, la corriente circula hacia el bus de continua a través de los diodos y no es absorbida por los IGBTs. El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia. Parámetros y formulas La corriente a través de una unión de metal-semiconductor se debe principalmente a portadores mayoritarios. Tres mecanismos claramente diferentes existen: difusión de portadores del semiconductor en el metal, la emisión termoiónica de portadores a través de la barrera de Schottky y la mecánica cuántica-túnel a través de la barrera. La teoría de la difusión supone que la fuerza de accionamiento se distribuye en toda la longitud de la capa de agotamiento. La teoría de la emisión termoiónica por otro lado postula que los únicos portadores energéticos, aquellos, que tiene una energía igual a o mayor que la energía de banda de conducción en la interfase metal-semiconductor, contribuyen al flujo de corriente. Mecánica cuántica túnel a través de la barrera de toma en cuenta la naturaleza ondulatoria de los electrones, lo que les permite penetrar a través de barreras delgadas. En un cruce determinado, una combinación de los tres mecanismos podrían existir. Sin embargo, por lo general se encuentra que un solo mecanismo actual domina. El análisis revela que la difusión y las corrientes de emisión termoiónica se puede escribir de la siguiente forma:
(3.4.1)
Esto indica que la expresión actual es el producto de la carga electrónica, q, la velocidad a, v, y la densidad de portadores disponibles en el semiconductor situado junto a la interfaz. La velocidad es igual a la movilidad multiplica por el campo en la interfaz para la corriente de difusión y la velocidad Richardson (ver sección 3.4.2 ) para la emisión termoiónica actual. El término menos uno asegura que la corriente es cero si no se aplica
voltaje como en equilibrio térmico cualquier movimiento de los portadores es equilibrada por un movimiento de los portadores en la dirección opuesta. La corriente túnel es de una forma similar, a saber:
(3.4.2) donde v es la velocidad de Richardson y n es la densidad de portadores en el semiconductor. El término de probabilidad de efecto túnel, Q, se añade desde la corriente total depende del flujo portador de llegar a la barrera de túnel multiplicado con la probabilidad, Q, que túnel a través de la barrera. R
3.4.1. La difusión actual Este análisis supone que la capa de agotamiento es grande en comparación con el recorrido libre medio, de modo que los conceptos de la deriva y difusión son válidos. La densidad de corriente resultante es igual a:
(3.4.3) La corriente por lo tanto depende exponencialmente de la tensión aplicada, una V, y la altura de la barrera, B f. El prefactor puede ser más fácilmente comprendido si se la vuelve a escribir como una función del campo eléctrico en la interfase metal-semiconductor,
max:
(3.4.4) Rendimiento: (3.4.5) de modo que el prefactor es igual a la corriente de deriva en la interfase metalsemiconductor, que para el cero de la tensión aplicada equilibra exactamente la corriente de difusión. 3.4.2 emisión termoiónica La teoría de la emisión termoiónica de electrones, se supone que con una energía mayor que la parte superior de la barrera, cruzará la barrera siempre que moverse hacia la barrera. La forma real de la barrera de la presente se ignoran. La corriente se puede expresar como:
(3.4.6)
Donde Schottky.
es la constante de Richardson y f B es la altura de la barrera de
La expresión para la corriente debido a la emisión termoiónica también puede ser escrito como una función de la velocidad media con la que los electrones en el enfoque de interfaz de la barrera. Esta velocidad se conoce como la velocidad Richardson dada por:
(3.4.7)
De modo que la densidad de corriente se convierte en:
(3.4.8) Construcción
Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor, según lo indicado en la figura N°2. El metal se deposita generalmente en un tipo de material N, debido a la movilidad más grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo.
En una deposición de aluminio Al (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la ensambladura.
Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo de diodo está alrededor de los 100V.
APLICACIONES - En fuentes de baja tensión en la cuales las caídas en los rectificadores son significativas. - Circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía. - Variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades. - El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de lógica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia. DESVENTAJAS Las dos principales desventajas del diodo Schottky son:
- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha). Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador . Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la
cantidad de corriente que tiene que conducir en sentido directo es bastante grande. - El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR). El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande. Ejemplos: Serie de diodos rectificadores de Si "1N4001-1N4007" Diotec Electronic Corp. es uno de los fabricantes de la " Series 1N4001-1N4007 1Amp General Purpose Silicon Diodes ". Son 7 diodos (1N4001/2/3/4/5/6/7) que pueden funcionar entre -65 y 175 oC, poseen una I oMax = 5 μA y V RMax = 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000 V respectivamente. Vienen con encapsulado "DO-41" de plástico (4.1 mm de largo, 2.6 mm de diámetro) y con una masa de 0.34 g.
Diodo S c h o t t k y "1N60" International Semiconductors, Inc. y Central Semiconductors fabrican un " 1N60 Germanium Glass Diode " hecho con Ge ( Gold Bonded Technology ), que puede funcionar entre -55 y 70 oC, y posee una corriente inversa máxima de I oMax = 40 μA y V RMax ≈ 20 V. Viene en el encapsulado "DO-7" de vidrio (menos de 8mm de largo, casi 3mm de diámetro) y con una masa de 0.2g. Este componente también existe en silicio. Weitron y Formosa MicroSemi Co., LTD. fabrican un " 1N60 Schottky Barrier Diode " o "Small Signal Schottky Diode " (Silicon Epitaxial Planar ), que puede funcionar entre -65 y 95 oC aproximadamente, y posee una I oMax = 0.1 μA y V RMax ≈ 40 V. Viene en el encapsulado "DO -35" de vidrio (menos de 5mm de largo, 2mm de diámetro) y con una masa de 0.13g. Temperatura de operación El diodo Schottky se centra en la reducción de las altas corrientes de fuga que resultan con temperaturas cercanas a 100°C. A través del diseño, actualmente es posible encontrar disponibles unidades mejoradas que tienen rangos de operación que van de -65 a +150°C A temperatura ambiente, Is se encuentra en el rango de los microamperios para unidades de baja potencia y en el rango de los miliamperios para dispositivos de alta potencia, aunque es comúnmente mayor el rango encontrado cuando se utilizan dispositivos de unión p-n con los limites de corriente.
DIODO PIN Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia un semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Las regiones de tipo p y tipo n son típicamente fuertemente dopado ya que se utilizan para contactos óhmicos.
Capas de un diodo PIN La región intrínseca de ancho está en contraste con una simple diodo PN. La región intrínseca de ancho hace que el diodo PIN un rectificador inferior (una función típica de un diodo), pero hace que el diodo PIN adecuado para los atenuadores, interruptores rápidos, fotodetectores, y aplicaciones de alta potencia de tensión de electrónica.
Símbolo del diodo PIN
El diodo PIN es un diodo que presenta una región P y otra n fuertemente dopadas, separadas por una región de material que es casi intrínseco. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes y como fotodetector. Su símbolo se presenta en la imagen.
Funcionamiento Diodos PIN se utilizan como resistencias controladas por corriente en RF y frecuencias de microondas, con resistencias que pueden ir desde una fracción de un ohm cuando se polariza directamente, o sobre, a más de 10 kW cuando polarización inversa, o apagado. A diferencia de las típicas diodos de unión pn, diodos PIN tienen una capa adicional de material semiconductor altamente resistiva intrínseca (la I en PIN) intercalada entre el material de P y N (Figura 1).
Figura 1. Diodo PIN.
Cuando un diodo PIN está polarizado directamente, de los orificios desde el material P y electrones del material N se inyectan en la región I. Los cargos no pueden recombinarse instantáneamente; la cantidad finita de tiempo requerido para que se recombinan se
denomina tiempo de vida. Esto provoca una carga neta almacenada en la región I, la reducción de su resistencia a un valor designado como R S, la eficacia en la resistencia del diodo (Figura 2a). Cuando una tensión en sentido inverso o cero sesgo se aplica, el diodo aparece como una gran resistencia, R P, en paralelo con una capacitancia, C T (Figura 2b). Mediante la variación de la geometría del diodo, es posible adaptar los diodos PIN para tener una variedad de combinaciones de R S T y C para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de circuitos diferentes y gamas de frecuencias.
Figura 2. Circuitos de diodos PIN equivalentes. a) ON, I B I A S >> 0. b) OFF, V B I A S V ≤ 0.
Formulas: La carga almacenada en un diodo PIN se puede aproximar por la ecuación 1. (1)
donde: Q S = carga almacenada τ = diodo tiempo de vida I SS = corriente de estado estable Para activar el diodo de encendido o apagado, la carga almacenada se debe inyectar o quitar. La tarea del conductor es inyectar o quitar esta carga almacenada con gran rapidez. En los casos en que el tiempo de conmutación es menor que el tiempo de vida del diodo, la corriente máxima (I P) requerida para efectuar el cambio rápido se puede aproximar por la ecuación 2. (2)
donde: t = tiempo necesario cambiar I SS = la corriente en estado estacionario proporcionada por el controlador que establece el diodo PIN en la resistencia, R S τ = portador de toda la vida El controlador de inyección o extracción de corriente, o en punta de corriente, i, puede ser expresada por la Ecuación 3.
(3)
donde: C = capacitancia de los condensadores del controlador de salida, o clavar las tapas v = tensión a través de los condensadores de salida dv / dt = tasa de tiempo de cambio de voltaje a través de los condensadores
Características Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz. Para estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V. Un diodo PIN obedece a la ecuación del diodo estándar para señales de baja frecuencia. A frecuencias más altas, el diodo se parece a una casi perfecta (muy lineal, incluso para señales grandes) resistencia. Hay una gran cantidad de carga almacenada en la región intrínseca. A bajas frecuencias, la carga se puede quitar y el diodo se apaga. A frecuencias más altas, no hay tiempo suficiente para retirar la acusación, por lo que el diodo nunca se apaga. El diodo PIN tiene un pobre tiempo de recuperación inversa. La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la polarización de corriente de corriente a través del diodo. Un diodo PIN, convenientemente sesgada, por lo tanto, actúa como una resistencia variable. Esta resistencia de alta frecuencia puede variar en un amplio intervalo (de 0,1 ohm a 10 kW en algunos casos; el rango útil es más pequeño, aunque). La región intrínseca de ancho también significa que el diodo tendrá una capacitancia baja cuando polarización inversa. En un diodo PIN, la región de agotamiento existe casi completamente dentro de la región intrínseca. Esta región de agotamiento es mucho más grande que en un diodo PN, y casi constante de tamaño, independiente de la polarización inversa aplicada al diodo. Esto aumenta el volumen en el que pares electrón-hueco pueden ser generados por un fotón incidente. Algunos fotodector dispositivos, tales como fotodiodos PIN y fototransistores (en el que la unión base-colector es un diodo PIN), utilice una unión pin en su construcción. El diodo diseño tiene algunas ventajas y desventajas de diseño. El aumento de las dimensiones de la región intrínseca (y su carga almacenada) permite que el diodo para parecerse a una resistencia a frecuencias más bajas. Se afecta negativamente el tiempo necesario para apagar el diodo y su capacidad en paralelo. Diodos PIN será adaptado para un uso particular.
Aplicaciones Diodos PIN son útiles como conmutadores de RF, atenuadores, y fotodetectores. RF y microondas interruptores
Un diodo PIN RF Switch Microondas.
Bajo el sesgo de cero o inversa, un diodo PIN tiene una baja c apacitancia. La baja capacitancia no pasará mucho de una señal de RF. En virtud de una polarización directa de 1 mA, un diodo PIN típico tendrá una resistencia RF de aproximadamente 1 ohm, lo que es un buen conductor de RF. Por consiguiente, el diodo PIN hace que un conmutador de RF buena. Aunque los relés de RF se pueden utilizar como interruptores, cambian muy lentamente (en el orden de 10 milisegundos). Un interruptor de diodo PIN puede cambiar mucho más rápidamente (por ejemplo, 1 microsegundo). La capacitancia de un diodo PIN fuera discreta podría ser 1 pF. En 320 MHz, la reactancia de 1 pF es de unos 500 ohmios. En un sistema de 50 ohmios, la atenuación estado off sería de alrededor de 20 dB, lo cual puede no ser suficiente atenuación. En las aplicaciones que necesitan un mayor aislamiento, conmutadores se conectan en cascada para mejo rar el aislamiento. En cascada de tres de los interruptores anteriores daría 60 dB de atenuación. Interruptores de diodo PIN se utilizan no sólo para la selecc ión de la señal, pero también se utilizan para la selección de componentes. Por ej emplo, algunos osciladores de bajo ruido de fase utilizar diodos PIN para variar inductores de conmutación. RF y microondas atenuadores variables
Un diodo PIN RF Atenuador de Microondas.
Al cambiar la corriente de polarización a través de un diodo PIN, es posible cambiar rápidamente la resistencia a la RF. A altas frecuencias, el diodo PIN aparece como una resistencia cuyo valor es una función inversa de la corriente de avance. Por consiguiente, el diodo PIN se puede utilizar en algunos diseños variables atenuador como moduladores de amplitud o circuitos de salida de nivelación. Diodos PIN pueden ser utilizados, por ejemplo, como el puente y las resistencias en derivación en un atenuador de puente-T.
Limitadores Diodos PIN se utiliza a veces como dispositivos de protección de entrada para sondas de alta frecuencia de prueba. Si la señal de entrada está dentro del alcance, e l diodo PIN tiene poco impacto como una pequeña capacitancia. Si la señal es grande, entonces el diodo PIN comienza a conducir y se convierte en una re sistencia que desvía la mayor parte de la se ñal a tierra. Fotodetectores y célula fotovoltaica El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-ichi Nishizawa y sus colegas en 1950. Fotodiodos PIN se utiliza en fibra óptica de las tarjetas de red y switches. Como un fotodetector, el diodo PIN está polarizado inversamente. En polarización inversa, el diodo no conduce normalmente (salvo una pequeña corriente de oscuridad o fugas yo s). U n fotón de entrar en la región intrínseca libera un portador. El campo de polarización inversa barre el portador fuera de la región y crea una corriente. Algunos detec tores pueden utilizar multiplicación por alud . El PIN célula fotovoltaica trabaja en el mismo mecanismo. En este caso, la ventaja de utilizar una estructura PIN sobre la unión de semiconductor convencional es la respuesta de longitud de onda más larga de la primera. En el caso de la irradiación de longitud de onda larga, los fotones de penetrar profundamente en la célula. Pero sólo los pares electrón-hueco generados en y cer ca de la región de agotamiento contribuir a la generación actual. La región de agotamiento de una estructura de pasador se extiende a través de la región intrínseca, profundamente en el dispositivo. Esta anchura más amplia permite agotamiento electrón-hueco generación de par profundamente dentro del dispositivo. Esto aumenta la eficiencia cuántica de la célula. Por lo general, de silicio amorfo de película delgada células utilizan estructuras PIN. Por otro lado, CdTe células utilizan estructura NIP, una variación de la estructura P IN. En una estructura NIP, una capa de CdTe intrínseca está intercalado por n-dopado CdS y ZnTe p-dopado. Los fotones inciden en la capa n-dopada a diferencia de un diodo PIN. Un fotodiodo PIN también puede detectar los rayos X y fotones de rayos gamma.
PIN-Diode Bias Interface Conexión del controlador de interruptor de circuito de control para un diodo PIN de manera que puede girar diodos encendido y apagado mediante la aplicación de una polarización directa o inversa es una tarea difícil. El circuito de polarización típicamente utiliza un filtro de paso bajo entre el circuito de RF y el controlador de conmutación. La
Figura 5 muestra un solo polo doble tiro (SPDT) RF y su circuito de polarización. Cuando se implementa correctamente, filtros L1/C2 L3/C4 y permitir que las señales de control que se aplica a la patilla diodos D1-D4 con una mínima interacción con la señal de RF, que se conmuta de RF a puerto 1 o puerto 2. Estos elementos permiten que las señales de frecuencia relativamente más bajos de control para pasar a través de los diodos PIN pero mantener la señal de alta frecuencia se escape de la trayectoria de la señal RF. Pérdida errante de energía de RF no deseada significa la pérdida de inserción superior del interruptor. Los condensadores C1, C3, C5 y bloquear la polarización de corriente que es aplicada a los diodos de la invasión de los circuitos de la ruta de la señal RF. Inductor L2, en la vía de retorno de corriente continua al suelo, permite dc y de baja frecuencia del controlador de interruptor de señales de pase con facilidad, pero presenta una alta impedancia en frecuencias de microondas y RF, reducir la pérdida de la señal de RF.
Ejemplo de diodos SFH203 o BPW43 son baratos los diodos PIN para fines generales en 5 mm caja de plástico transparente con ancho de banda superior a 100 MHz. Se utilizan en sistemas de telecomunicaciones y otras aplicaciones de circuitos.