يُعتبر ديود شوتكي عنصراً ذا وصلة معدن – نصفَ ناقل، ويُطلق عليه أسماء أخرى مثل ديود العَزل Barrier diode وديودات الجهد المنخفض low voltage diodes.
فقدان الاستطاعة لديه أقلّ مقارنة بالدّيود العاديّ ذي الوصلة PN ، وأوّل من اكتشفه هو العالم والتر شوتكي Walter.H.Schottky.
تتشكّل الوصلة PN في الدّيود العادي ّبشكل عامّ من التحام شريحة p-type مع شريحة n-type ، أمّا في ديود شوتكي تُستخدم مواد مثل الألمنيوم أو البلاتين عوضاً عن الشّريحة p-type النّصف ناقلة.
بنية ديود شوتكي.
الرّمز الكهربائيّ لديود شوتكي.
مبدأ عمل ديود شوتكي:
تُعتبر سرعة التّبديل switching rate وهبوط الجهد الأمامي من أهم البارامترات الفيزيائيّة لديود شوتكي، فهو وصلة من معدن – نصف ناقل – لا يمكنه تخزين الشّحنات في وصلته، وسبب ذلك هو غياب المنطقة المجرّدة depletion layer.
ينتج عن مرور التّيار في الدّيود عادةً هبوط للجهد على أطرافه، تتراوح قيمته في ديود شوتكي بين 0.15v و0.45v مقارنة مع 0.6 و1.7 فولت للدّيود العاديّ، حيث يحقّق هبوط الجهد المنخفض فعاليّة وخرجاً أفضلَ.
عند تصنيع الدّيود تمثّل الشّريحة N المهبط أمّا الشّريحة المعدنيّة فتمثّل المصعد.
لدى تطبيق الجهد على الدّيود يمرّ التّيار بالاتّجاه الأماميّ له، وتكون خسارة الجهد أصغريّة على أطراف الدّيود أثناء مرور التيّار، حيث تدعى هذه الخسارة بهبوط الجهد Voltage drop .
بنية ديود شوتكي:
يتكوّن ديود شوتكي من معدن ونصف ِناقل يشكّلان معاً وصلة أحاديّة الجانب، ويستعمل في صنعه بعض المعادن مثل الذّهب والفضّة والمُولِبْدينُوم molybdenum والتّنغستين tungsten والبلاتين platinum ، أمّا الشّريحة النّصف النّاقلة من النّوع N تصنع من الجاليوم Gallium، أو السّيلكون Silicon الذي يستعمل مع التّردّدات المنخفضة.
يتعلّق ديود شوتكي بشكل مباشر بانخفاض درجة الحرارة، حيث في أنصاف النّواقل نوع N يتغيّر تركيز الإشابة بتغيّر درجة الحرارة، وتتشكّل منطقة مجرّدة بين الوصلة نصف ناقل – معدن والتّي تُعرف بحاجز شوتكي Schottky barrier.
شكل يوضّح حاجز شوتكي.
يُعرف حاجز شوتكي بالحاجز الكموني, وهناك نوعان من حواجز شوتكي هما : المقوّم، وغير المقومّ، حيث يتشكّل النّوع الأوّل عندما يتّصل معدنٌ مع نصفِ ناقل مشابٍ إشابةً طفيفة، ويتشكّل النّوع الثّاني عندما يلتقي المعدن مع نصف النّاقل المشاب إشابة كبيرة، وبازدياد الإشابة يزداد عرض المنطقة المجرّدة، في الوقت ذاته، بنقصان عرض هذه المنطقة، تنتقل حاملات الشّحنة عبر نفق لتصل للمنطقة المجرّدة.
لا يسلك الديود سلوكاً مقوّما بل يصبح تلامسا أومياً ohmic contact (وصلة ذات مقاومة منخفضة تولِّد تيارا تحريضيا من المعدن لنصف الناقل)عندما تزداد نسبة الإشابة.
يكون المستوى الطاقيّ للإلكترونات المتراكمة بالشّريحة النّصف الناّقل في الحالة التّوازنيّة (عدم التّحييز) أقلّ من الإلكترونات المتواجدة في منطقة المعدن، ولهذا السّبب لاتستطيع التّدفق عبر حاجز شوتكي.
في حالة التحييز الأمامي، يتلّقى الإلكترون الموجود في المنطقة N طاقة أكبر ليعبر الحاجز ويدخل إلى منطقة المعدن، ولهذا السّبب تدعى هذه الإلكترونات hot carrier (يُشير هذا المصطلح إلى الإلكترونات أو الثّقوب التّي تملك طاقة كامنة كبيرة ناتجة عن تسريعها في حقل كهربائيّ), ولهذا يدعى الدّيود hot carrier Diode.
يمكن مكافئة ديود شوتكي كهربائياًّ بالدّارة الموضّحة بالشّكل:
الدّارة المكافئة لديود شوتكي كهربائياً.
يمكن اختزال الدّارة بالشّكل التّالي، وتُستخدم هذه الدّارة التّقريبيّة في العديد من التطبيقات
.
الدّارة المختزلة كهربائياً لديود شوتكي.
خواص ديود شوتكي:
- يعمل كعنصر أحاديّ القطب نظراً لعدم تدفّق تيّار من المعدن لنصف النّاقل نوع N، في حين أنّ متصل PN (الدّيود العادي) ثنائيّ القطبيّة.
- لا يحتوي المعدن أيّة ثقوب، ولا يخزّن أيّ شحنات، ولهذا السّبب يمتلك ديود شوتكي أفضليّة التّبديل السّريع بضجيج قليل نسبياً.
- لديه حاجز كمونيّ صغير مقارنة مع الدّيودات العاديّة.
عمل ديود شوتكي:
- ديود شوتكي في الحالة التوازنيّة (الغير محيز):
تنتقل الإلكترونات الحرّة الموجودة في شريحة نصف النّاقل نوع N إلى المعدن أثناء التحام المعدن ونصف النّاقل نوعN ، وهذه الحالة تُدعى بالحالة التّوازنيّة.
عندما تتحرّك الإلكترونات الحرّة عبر الوصلة تولِّد إلكتروناً إضافيّاً للذرّات الموجودة.
ديود شوتكي في حالة عدم التّحييز.
ونتيجة لهذا ستتلقّى الذرّات في المعدن إلكتروناً إضافياًّ وتصبح ذات شحنة سالبة، وتفقد الذرّات الواقعة في القسم السّالب إلكتروناتٍ وتصبح ذات شحنة موجبة، وبذلك تنتُج شحنات موجبة في الجوار السّالب لمتّصل المعدن، وأخرى سالبة في الجوار الموجِب له، وتتشكّل المنطقة المجرّدة عند اجتماع هذه الشّحنات الموجبة والسّالبة.
يتدفّق عدد أقل ّمن الإلكترونات من نصف النّاقل للمعدن، ويتوقّف أيّ تدفق آخر للتيّار بسبب جهد المنطقة المجردة.
- ديود شوتكي في حالة الانحياز الأماميّ:
عنما نصل القطب الموجِب للبطاريّة مع القسم المعدنيّ، والقطب السّالب مع الشريحة النّصف ناقلة نحصل على الانحياز الأماميّ.
عند تطبيق جهد التّحييز الأماميّ على الدّيود، تتشكّل المزيد من الإلكترونات في المعدن والموصِل.
التّحييز الأماميّ لديود شوتكي.
عند تطبيق جهدٍ أكبرَ من 0.2v، تصبح المنطقة المجرّدة ضيقة وتختفي ويمرّ تيّار كهربائيّ عبر الدّيود.
- ديود شوتكي في حالة الانحياز العكسيّ:
يُحيّز ديود شوتكي عكسياً في نصف النّاقل نوعN لدى وصل قطب البطاريّة السّالب مع المعدن وطرفها الموجب مع الموصِل نوع N، وفي الوقت نفسه بتطبيق جهد التّحييز العكسيّ سيزداد عرض المنطقة المجرّدة.
التّحييز العكسيّ لديود شوتكي.
لذلك سيتوقّف مرور التيّار في شريحة المعدن وسيزداد عدد الإلكترونات المهيّجة، وكنتيجة لهذا سيمرّ تيّار تسريب ذو قيمة صغيرة، وبزيادة أكبر لجهد التّحييز العكسي سيزداد التيّار نتيجة لضعف الحاجز.
يزداد التيّار الكهربائيّ بشكل مفاجئ لدى حدوث زيادة غير طبيعيّة في جهد التّحييز ممّا يسبب تعطّل العنصر عند انهيار المنطقة المجرّدة.
منحني خواص V-I لديود حاجز شوتكي:
يبيّن الشّكل أدناه منحني خواص جهد-تيار V-I لديود شوتكي، يدلّ المحور العمودي عن التيّار ويمثّل المحور الأفقيّ الجهد المطبّق عبر ديود شوتكي، كما يتشابه منحني خواص V-I لديود شوتكي مع الدّيود العاديّ.
منحني خواص ديود شوتكي.
بالرّغم من هذا فإنّ هبوط الجهد في ديود شوتكي قليل جداً بمقارنته مع الدّيود العاديّ.
يتناسب هبوط الجهد الأمامي مع تركيز الإشابة لنصف النّاقل نوعN ، ويكون منحني خواصV-I لديود شوتكي أكثر انحداراً نتيجة للتّركيز العالي لحاملات التيّار.
تطبيقات ديود شوتكي:
يُستخدم ديود شوتكي في العديد من تطبيقات الإلكترونيّات الصناعيّة في دارات التّقويم بسبب خواصه.
كما يستخدم في تطبيقات تثبيت الجهد لمنع وصول الترانستور للإشباع، ويستخدم في العناصر الرّقميّة من النّمط TTL لأنّ هذه العناصر تتطلّب سرعة تبديل (فتح وإغلاق) عالية.
تُعتبر ديودات شوتكي مكوّناً هامّاً في أجهزة الحاسب الرّقميّة، نظراً لاعتماد أداء الحاسب على سرعة تبديل الدّيودات.
