El diodo Schottky (denominado así por el físico alemán Walter H. Schottky ), también conocido como diodo de barrera Schottky o diodo de portador caliente , es un diodo semiconductor formado por la unión de un semiconductor con un metal . Tiene una caída de tensión directa baja 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 de metal utilizados en las primeras aplicaciones de energía pueden considerarse diodos Schottky primitivos.
Cuando se aplica suficiente voltaje directo, fluye una corriente en la 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.
Una unión metal-semiconductor se forma 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 (por ejemplo, siliciuro de paladio y siliciuro de platino ), mientras que el semiconductor normalmente sería silicio de tipo n. [1] El lado del metal actúa como ánodo y el semiconductor de 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 el voltaje directo 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 drásticamente al reducir el voltaje directo, no puede ser demasiado baja, por lo que el rango empleado habitualmente es de aproximadamente 0,15–0,45 V, y los semiconductores de tipo p se emplean solo 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, normalmente tienen un voltaje directo demasiado bajo para ser útiles, por lo que los procesos que utilizan estos siliciuros normalmente no ofrecen diodos Schottky. [ aclaración necesaria ]
Con un mayor dopaje del semiconductor, el ancho de la región de agotamiento disminuye. Por debajo de un cierto ancho, los portadores de carga pueden atravesar la región de agotamiento mediante un túnel. Con niveles de dopaje muy altos, 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 de tipo p ligeramente dopadas plantean un problema, ya que el contacto resultante tiene una resistencia demasiado alta para un buen contacto óhmico, pero una tensión directa demasiado baja 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 alrededor de ellos, lo que limita el tamaño del umbral de voltaje de ruptura inversa. Se utilizan varias estrategias, desde anillos de protección hasta superposiciones de metalización para distribuir el gradiente de campo. Los anillos de protección consumen un área valiosa de la matriz y se utilizan principalmente para diodos de mayor voltaje y mayor tamaño, mientras que la metalización superpuesta se emplea principalmente con diodos de menor voltaje y menor tamaño.
Los diodos Schottky se utilizan a menudo como pinzas de antisaturación en transistores Schottky . Los diodos Schottky fabricados a partir de siliciuro de paladio (PdSi) [ aclaración necesaria ] son excelentes debido a su menor voltaje directo (que tiene que ser menor que el voltaje directo de la unión base-colector). El coeficiente de temperatura Schottky es menor que el coeficiente de la unión B–C, lo que limita el uso de PdSi a temperaturas más altas.
En el caso de los diodos Schottky de potencia, las resistencias parásitas de la capa n+ enterrada y de la capa epitaxial de tipo n cobran importancia. La resistencia de la capa epitaxial es más importante que en el caso de un transistor, ya que la corriente debe atravesar todo su espesor. Sin embargo, sirve como resistencia de lastre distribuida sobre toda la superficie de la unión y, en condiciones normales, evita el descontrol térmico localizado.
En comparación con los diodos de potencia p–n, los diodos Schottky son menos robustos. La unión está en contacto directo con la metalización, sensible al calor; por lo tanto, un diodo Schottky puede disipar menos potencia que un diodo equivalente p–n con una unión enterrada profundamente antes de fallar (especialmente durante la ruptura inversa). La ventaja relativa de la menor tensión directa de los diodos Schottky se ve disminuida en corrientes directas más altas, donde la caída de tensión 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 un diodo p–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 portadores minoritarios acumulados en la región de difusión durante el estado conductor. [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 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 semiconductores de alta potencia genera un mayor ruido EMI . Con los diodos Schottky, la conmutación es esencialmente "instantánea" con solo una ligera carga capacitiva, lo que es mucho menos preocupante.
Esta conmutación "instantánea" no siempre es así. En particular, en los dispositivos Schottky de mayor voltaje, la estructura de 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 protección no esté polarizado en directa, solo agrega capacitancia. Sin embargo, si la unión Schottky se activa con suficiente fuerza, el voltaje directo eventualmente polarizará ambos diodos en directa y la t rr real se verá muy afectada.
A menudo se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor de " portadores mayoritarios ". Esto significa que si el cuerpo semiconductor es de tipo n dopado , solo los portadores de tipo n ( electrones móviles ) desempeñan un papel significativo 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 que se mueven libremente . Por lo tanto, no interviene ninguna recombinación aleatoria lenta de los portadores de tipo n y p, de modo que este diodo puede dejar de conducir más rápido que un diodo rectificador p–n ordinario. Esta propiedad, a su vez, permite un área de dispositivo más pequeña, lo que también hace que la transición sea más rápida. Esta es otra razón por la que los diodos Schottky son útiles en los convertidores de potencia de modo conmutado : la alta velocidad del diodo significa que el circuito puede funcionar a frecuencias en el rango de 200 kHz a 2 MHz, lo que permite el uso de pequeños inductores y condensadores con mayor eficiencia de la 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 a menudo operan a frecuencias de hasta 50 GHz.
Las limitaciones más evidentes de los diodos Schottky son sus valores nominales de voltaje inverso relativamente bajos y su corriente de fuga inversa relativamente alta . Para los diodos Schottky de silicio-metal, el voltaje inverso es típicamente de 50 V o menos. Hay algunos diseños de voltaje más alto disponibles (200 V se considera un voltaje inverso alto). La corriente de fuga inversa, dado que aumenta con la temperatura, conduce a un problema de inestabilidad térmica . Esto a menudo limita el voltaje inverso útil a un valor muy por debajo del valor nominal real.
Si bien se pueden lograr voltajes inversos más altos, presentarían un voltaje directo más alto, comparable a otros tipos de diodos estándar. Dichos diodos Schottky no tendrían ninguna ventaja [4] a menos que se requiera una gran velocidad de conmutación.
Los diodos Schottky fabricados a partir de carburo de silicio tienen una corriente de fuga inversa mucho menor que los diodos Schottky de silicio , así como una tensión directa más alta (aproximadamente 1,4–1,8 V a 25 °C) y una tensión inversa más alta. A partir de 2011, [actualizar]los fabricantes los comercializaron 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 encapsulado especial, los diodos Schottky de carburo de silicio pueden funcionar a temperaturas de unión de más de 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 tensión directa de aproximadamente 0,7 V y los diodos de germanio de 0,3 V, la caída de tensión de los diodos Schottky en polarizaciones directas de alrededor de 1 mA está en el rango de 0,15 V a 0,46 V (consulte 1N5817 [6] y 1N5711 [7] ), lo que los hace útiles en aplicaciones de fijación de tensión y prevención de saturación de transistores . Esto se debe a la mayor densidad de corriente en el diodo Schottky.
La baja caída de tensión directa del diodo Schottky es buena para aplicaciones energéticamente eficientes, porque se desperdicia poca energía en forma de calor. Esto los hace útiles como diodos de bloqueo en sistemas fotovoltaicos (PV) autónomos ("fuera de la red") que evitan que las baterías se descarguen a través de los paneles solares durante la noche. También se utilizan en sistemas conectados a la red con múltiples 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 conmutadas . La baja tensión directa y el rápido tiempo de recuperación aumentan la eficiencia.
También se pueden utilizar en circuitos de " OR " de suministro de energía en productos que tienen una batería interna y 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, que controle el voltaje de la batería o detecte si hay un adaptador de red presente) verá el voltaje de la otra fuente de energía a través de la fuga del diodo.
Los diodos Schottky se pueden utilizar en circuitos de muestreo y retención basados en puentes de diodos . En comparación con los puentes de diodos basados en uniones p-n habituales , los diodos Schottky pueden ofrecer ventajas. Un diodo Schottky con polarización directa no tiene ningún almacenamiento de carga de portador minoritario. Esto les permite cambiar más rápidamente que los diodos normales, lo que da como resultado un menor tiempo de transición desde el paso de muestreo hasta el de retención. La ausencia de almacenamiento de carga de portador minoritario también da como resultado un menor paso de muestreo o error de muestreo, lo que da como resultado 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 de semiconductores como pozos cuánticos o puntos cuánticos. [9]
Los diodos Schottky más comunes incluyen los rectificadores de la serie 1N58xx , como las piezas de orificio pasante 1N581x (1 A ) y 1N582x (3 A), [6] [11] y las piezas de montaje en superficie SS1x (1 A) y SS3x (3 A). [10] [12] Los rectificadores Schottky están disponibles en numerosos estilos de paquetes de montaje en superficie . [13] [14]
Los diodos Schottky de pequeña señal, como el 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 metal-semiconductor Schottky se encuentran 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 de apagado.
Cuando se desea una menor disipación de potencia, se puede utilizar un MOSFET y un circuito de control, en un modo de operación conocido como rectificación activa .
Un superdiodo , que consiste en 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 utilizando una gota de metal líquido, por ejemplo, mercurio , en contacto con un semiconductor, por ejemplo, silicio . Según el tipo de dopaje y la densidad en el semiconductor, la propagación de la gota 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 superan los 100 voltios en su voltaje inverso pico 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.
