El diodo Schottky (llamado así en honor al físico alemán Walter H. Schottky ), también conocido como diodo de barrera Schottky o diodo portador caliente , es un diodo semiconductor formado por la unión de un semiconductor con un metal . Tiene una baja caída de tensión directa y una acción de conmutación muy rápida. Los detectores de bigotes de gato utilizados en los primeros días de la tecnología inalámbrica y los rectificadores metálicos utilizados en las primeras aplicaciones de energía pueden considerarse diodos Schottky primitivos.
Cuando se aplica suficiente voltaje directo, fluye una corriente en dirección directa. Un diodo p-n de silicio tiene un voltaje directo típico de 600 a 700 mV, mientras que el voltaje directo de Schottky es de 150 a 450 mV. Este requisito de voltaje directo más bajo permite velocidades de conmutación más altas y una mejor eficiencia del sistema.
Se forma una unión metal-semiconductor entre un metal y un semiconductor, creando una barrera Schottky (en lugar de una unión semiconductor-semiconductor como en los diodos convencionales). Los metales típicos utilizados son molibdeno, platino, cromo o tungsteno y ciertos siliciuros (p. ej., siliciuro de paladio y siliciuro de platino ), mientras que el semiconductor normalmente sería silicio de tipo n. [1] El lado metálico actúa como ánodo y el semiconductor tipo n actúa como cátodo del diodo; lo que significa que la corriente convencional puede fluir desde el lado del metal al lado del semiconductor, pero no en la dirección opuesta. Esta barrera Schottky da como resultado una conmutación muy rápida y una baja caída de tensión directa.
La elección de la combinación de metal y semiconductor determina la tensión directa del diodo. Tanto los semiconductores de tipo n como los de tipo p pueden desarrollar barreras Schottky. Sin embargo, el tipo p normalmente tiene un voltaje directo mucho más bajo. Como la corriente de fuga inversa aumenta dramáticamente al disminuir el voltaje directo, no puede ser demasiado baja, por lo que el rango generalmente empleado es de aproximadamente 0,15 a 0,45 V, y los semiconductores tipo p se emplean sólo en raras ocasiones. El siliciuro de titanio y otros siliciuros refractarios, que pueden soportar las temperaturas necesarias para el recocido de fuente/drenaje en procesos CMOS, generalmente tienen un voltaje directo demasiado bajo para ser útiles, por lo que los procesos que utilizan estos siliciuros generalmente no ofrecen diodos Schottky. [ se necesita aclaración ]
Con un mayor dopado del semiconductor, la anchura de la zona de empobrecimiento disminuye. Por debajo de una determinada anchura, los portadores de carga pueden atravesar la región de agotamiento. En niveles de dopaje muy elevados, la unión ya no se comporta como un rectificador y se convierte en un contacto óhmico. Esto se puede utilizar para la formación simultánea de contactos óhmicos y diodos, ya que se formará un diodo entre el siliciuro y la región de tipo n ligeramente dopada, y se formará un contacto óhmico entre el siliciuro y la región de tipo n o p fuertemente dopada. . Las regiones tipo p ligeramente dopadas plantean un problema, ya que el contacto resultante tiene una resistencia demasiado alta para un buen contacto óhmico, pero un voltaje directo demasiado bajo y una fuga inversa demasiado alta para formar un buen diodo.
Como los bordes del contacto Schottky son bastante afilados, se produce un alto gradiente de campo eléctrico a su alrededor, lo que limita el tamaño que puede ser el umbral de tensión de ruptura inversa. Se utilizan varias estrategias, desde anillos de protección hasta superposiciones de metalización para ampliar el gradiente del campo. Los anillos de protección consumen una valiosa área de matriz y se utilizan principalmente para diodos más grandes de alto voltaje, mientras que la metalización superpuesta se emplea principalmente con diodos más pequeños de bajo voltaje.
Los diodos Schottky se utilizan a menudo como abrazaderas de antisaturación en los transistores Schottky . Los diodos Schottky hechos de siliciuro de paladio (PdSi) [ se necesita aclaración ] son excelentes debido a su voltaje directo más bajo (que debe ser menor que el voltaje directo de la unión base-colector). El coeficiente de temperatura de Schottky es menor que el coeficiente de la unión B-C, lo que limita el uso de PdSi a temperaturas más altas.
Para los diodos Schottky de potencia, las resistencias parásitas de la capa n+ enterrada y la capa epitaxial tipo n se vuelven importantes. La resistencia de la capa epitaxial es más importante que la de un transistor, ya que la corriente debe atravesar todo su espesor. Sin embargo, sirve como resistencia de lastre distribuida en toda el área de la unión y, en condiciones habituales, evita la fuga térmica localizada.
En comparación con los diodos de potencia p–n, los diodos Schottky son menos resistentes. La unión está en contacto directo con la metalización térmicamente sensible; Por lo tanto, un diodo Schottky puede disipar menos energía que un homólogo p-n de tamaño equivalente con una unión enterrada profundamente antes de fallar (especialmente durante la ruptura inversa). La ventaja relativa del voltaje directo más bajo de los diodos Schottky disminuye a corrientes directas más altas, donde la caída de voltaje está dominada por la resistencia en serie. [2]
La diferencia más importante entre el diodo p – n y el diodo Schottky es el tiempo de recuperación inversa (t rr ) cuando el diodo cambia del estado conductor al no conductor. En el diodo ap-n, el tiempo de recuperación inversa puede ser del orden de varios microsegundos a menos de 100 ns para diodos rápidos, y está limitado principalmente por la capacitancia de difusión causada por los portadores minoritarios acumulados en la región de difusión durante el estado de conducción. [3] Los diodos Schottky son significativamente más rápidos ya que son dispositivos unipolares y su velocidad solo está limitada por la capacitancia de la unión. El tiempo de conmutación es de ~100 ps para los diodos de pequeña señal y de hasta decenas de nanosegundos para diodos de potencia especiales de alta capacidad. Con la conmutación de unión p-n, también hay una corriente de recuperación inversa, que en los semiconductores de alta potencia genera un aumento del ruido EMI . Con los diodos Schottky, la conmutación es esencialmente "instantánea" con sólo una ligera carga capacitiva, lo que es mucho menos preocupante.
Este cambio "instantáneo" no siempre es así. En particular, en dispositivos Schottky de mayor voltaje, la estructura del anillo de protección necesaria para controlar la geometría del campo de ruptura crea un diodo p-n parásito con los atributos de tiempo de recuperación habituales. Mientras este diodo de anillo de guarda no esté polarizado directamente, solo agrega capacitancia. Sin embargo, si la unión Schottky se activa con suficiente fuerza, el voltaje directo eventualmente polarizará ambos diodos hacia adelante y el t rr real se verá muy afectado.
A menudo se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor de " portador mayoritario ". Esto significa que si el cuerpo semiconductor es de tipo n dopado , sólo los portadores de tipo n ( electrones móviles ) desempeñan un papel importante en el funcionamiento normal del dispositivo. Los portadores mayoritarios se inyectan rápidamente en la banda de conducción del contacto metálico del otro lado del diodo para convertirse en electrones en movimiento libre . Por lo tanto, no está involucrada una recombinación aleatoria lenta de portadores de tipo n y p, de modo que este diodo puede cesar la conducción más rápido que un diodo rectificador p-n ordinario . Esta propiedad, a su vez, permite un área de dispositivo más pequeña, lo que también permite una transición más rápida. Esta es otra razón por la que los diodos Schottky son útiles en convertidores de potencia de modo conmutado : la alta velocidad del diodo significa que el circuito puede operar en frecuencias en el rango de 200 kHz a 2 MHz, lo que permite el uso de pequeños inductores y condensadores con mayor eficiencia. de lo que sería posible con otros tipos de diodos. Los diodos Schottky de área pequeña son el corazón de los detectores y mezcladores de RF , que suelen funcionar a frecuencias de hasta 50 GHz.
Las limitaciones más evidentes de los diodos Schottky son sus clasificaciones de voltaje inverso relativamente bajas y su corriente de fuga inversa relativamente alta . Para los diodos Schottky de silicio-metal, el voltaje inverso suele ser de 50 V o menos. Se encuentran disponibles algunos diseños de voltaje más alto (200 V se considera un voltaje inverso alto). La corriente de fuga inversa, dado que aumenta con la temperatura, genera un problema de inestabilidad térmica . Esto a menudo limita el voltaje inverso útil muy por debajo de la clasificación real.
Si bien se pueden lograr voltajes inversos más altos, presentarían un voltaje directo más alto, comparable a otros tipos de diodos estándar. Estos diodos Schottky no tendrían ninguna ventaja [4] a menos que se requiera una gran velocidad de conmutación.
Los diodos Schottky construidos con carburo de silicio tienen una corriente de fuga inversa mucho menor que los diodos Schottky de silicio , así como un voltaje directo más alto (aproximadamente 1,4 a 1,8 V a 25 °C) y un voltaje inverso. A partir de 2011, [actualizar]los fabricantes los ofrecieron en variantes de hasta 1700 V de tensión inversa. [5]
El carburo de silicio tiene una alta conductividad térmica y la temperatura tiene poca influencia en sus características térmicas y de conmutación. Con un embalaje especial, los diodos Schottky de carburo de silicio pueden funcionar a temperaturas de unión superiores a 500 K (aproximadamente 200 °C), lo que permite un enfriamiento radiativo pasivo en aplicaciones aeroespaciales . [5]
Mientras que los diodos de silicio estándar tienen una caída de voltaje directo de aproximadamente 0,7 V y los diodos de germanio de 0,3 V, la caída de voltaje de los diodos Schottky con polarizaciones directas de alrededor de 1 mA está en el rango de 0,15 V a 0,46 V (ver 1N5817 [6] y 1N5711). [7] ), lo que los hace útiles en aplicaciones de fijación de voltaje y prevención de la saturación de transistores . Esto se debe a la mayor densidad de corriente en el diodo Schottky.
Debido a la baja caída de voltaje directo de un diodo Schottky, se desperdicia menos energía en forma de calor, lo que los convierte en la opción más eficiente para aplicaciones sensibles a la eficiencia. Por ejemplo, se utilizan en sistemas fotovoltaicos (PV ) autónomos ("fuera de la red" ) para evitar que las baterías se descarguen a través de los paneles solares durante la noche, llamados "diodos de bloqueo". También se utilizan en sistemas conectados a la red con varias cadenas conectadas en paralelo, para evitar que la corriente inversa fluya desde cadenas adyacentes a través de cadenas sombreadas si los "diodos de derivación" han fallado.
Los diodos Schottky también se utilizan como rectificadores en fuentes de alimentación de modo conmutado . El bajo voltaje directo y el rápido tiempo de recuperación conducen a una mayor eficiencia.
También se pueden utilizar en circuitos de suministro de energía " O " en productos que tienen tanto una batería interna como una entrada de adaptador de red , o similar. Sin embargo, la alta corriente de fuga inversa presenta un problema en este caso, ya que cualquier circuito de detección de voltaje de alta impedancia (por ejemplo, monitorear el voltaje de la batería o detectar si hay un adaptador de red presente) verá el voltaje de la otra fuente de energía a través del diodo. fuga.
Los diodos Schottky se pueden utilizar en circuitos de muestra y retención basados en puentes de diodos . En comparación con los puentes de diodos habituales basados en uniones p-n , los diodos Schottky pueden ofrecer ventajas. Un diodo Schottky con polarización directa no tiene almacenamiento de carga de portador minoritario. Esto les permite cambiar más rápidamente que los diodos normales, lo que resulta en un menor tiempo de transición desde el paso de muestra al paso de retención. La ausencia de almacenamiento de carga de portador minoritario también resulta en un paso de retención o error de muestreo más bajo, lo que resulta en una muestra más precisa en la salida. [8]
Debido a su eficiente control del campo eléctrico, los diodos Schottky se pueden utilizar para cargar o descargar con precisión electrones individuales en nanoestructuras semiconductoras como pozos cuánticos o puntos cuánticos. [9]
Los diodos Schottky que se encuentran comúnmente incluyen los rectificadores de la serie 1N58xx , como las piezas de orificio pasante 1N581x (1 A ) y 1N582x (3 A), [6] [11] y los rectificadores de superficie SS1x (1 A) y SS3x (3 A). montar piezas. [10] [12] Los rectificadores Schottky están disponibles en numerosos estilos de paquetes de montaje en superficie . [13] [14]
Los diodos Schottky de señal pequeña, como los 1N5711, [7] 1N6263, [15] 1SS106, [16] 1SS108, [17] y las series BAT41–43, 45–49 [18], se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia como detectores, mezcladores y elementos no lineales, y han reemplazado a los diodos de germanio. [19] También son adecuados para la protección contra descargas electrostáticas (ESD) de dispositivos sensibles como dispositivos semiconductores III-V , diodos láser y, en menor medida, líneas expuestas de circuitos CMOS .
Las uniones Schottky metal-semiconductor se presentan en los sucesores de la familia de dispositivos lógicos 7400 TTL , las series 74S, 74LS y 74ALS, donde se emplean como abrazaderas Baker en paralelo con las uniones colector-base de los transistores bipolares para evitar su saturación. , reduciendo así en gran medida sus retrasos en los desvíos.
Cuando se desea una menor disipación de potencia, se puede utilizar en su lugar un MOSFET y un circuito de control, en un modo de funcionamiento conocido como rectificación activa .
Un superdiodo , que consta de un diodo pn o diodo Schottky y un amplificador operacional , proporciona una característica de diodo casi perfecta debido al efecto de retroalimentación negativa, aunque su uso está restringido a frecuencias que el amplificador operacional utilizado puede manejar.
La electrohumectación se puede observar cuando se forma un diodo Schottky usando una gota de metal líquido, por ejemplo, mercurio , en contacto con un semiconductor, por ejemplo, silicio . Dependiendo del tipo de dopaje y la densidad del semiconductor, la dispersión de las gotas depende de la magnitud y el signo del voltaje aplicado a la gota de mercurio. [20] Este efecto se ha denominado "electrohumectación Schottky". [21]
Los rectificadores Schottky rara vez exceden los 100 voltios en su voltaje inverso máximo de trabajo, ya que los dispositivos moderadamente por encima de este nivel nominal darán como resultado voltajes directos iguales o mayores que los rectificadores de unión pn equivalentes.
