쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드(Schottky Diode)는 순방향 전압 강하가 낮고 스위칭 속도가 매우 빠른 금속 반도체 다이오드의 일종이다.

쇼트 키 다이오드는 다른 접합 다이오드와 마찬가지로 다양한 파형 형성, 스위칭 및 정류 애플리케이션에 사용할 수 있는 또 다른 유형의 반도체 다이오드입니다. 주요 장점은 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하가 기존 실리콘 pn 접합 다이오드의 0.7V보다 훨씬 낮다는 것입니다.

쇼트키 다이오드는 주로 저전력 및 빠른 스위칭 속도로 인해 정류, 신호 조절 및 스위칭부터 TTL 및 CMOS 로직 게이트에 이르기까지 유용한 응용 분야가 많습니다. TTL 쇼트키 논리 게이트는 논리 게이트 회로 코드 어딘가에 나타나는 문자 LS로 식별됩니다(예: 74LS00).

PN 접합 다이오드는 p형과 n형 반도체 재료를 결합하여 형성되므로 정류 장치로 사용할 수 있습니다. 순방향 바이어스를 사용하면 공핍 영역이 크게 줄어들어 전류가 흐르게 됩니다. 역방향 바이어스 시 공핍 영역이 증가하여 전류 흐름을 차단합니다.

순방향 또는 역방향 바이어스를 위해 외부 전압을 사용하여 pn 접합을 바이어스하는 동작은 각각 접합 장벽의 저항을 감소시키거나 증가시킵니다. 따라서 일반적인 pn 접합 다이오드의 전압-전류 관계(특성 곡선)는 접합 저항 값의 영향을 받습니다. pn 접합 다이오드는 비선형 장치이므로 DC 저항은 바이어싱 전압과 전류에 따라 달라집니다.

 

순방향 바이어스 시 외부 바이어스 전압이 전류가 급격히 증가하는 "무릎 전압"에 도달할 때까지 접합을 통한 전도가 시작되지 않으며 실리콘 다이오드의 경우 순방향 전도가 발생하는 데 필요한 전압은 그림과 같이 약 0.65~0.7V입니다.

PN 접합 다이오드 IV 특성

실제 실리콘 접합 다이오드의 경우 이 무릎 전압은 제조 과정에서 도핑된 방식과 장치가 소형 신호 다이오드인지 아니면 훨씬 더 큰 정류 다이오드인지에 따라 0.6~0.9V 사이가 될 수 있습니다. 그러나 표준 게르마늄 다이오드 의 무릎 전압은 약 0.3V로 훨씬 낮으므로 소신호 애플리케이션에 더 적합합니다.

그러나 쇼트키 배리어 다이오드 (Schottky Barrier Diode) 또는 간단히 "쇼트키 다이오드(Schottky Diode)" 라고 하는 작은 무릎 전압과 빠른 스위칭 속도를 갖는 또 다른 유형의 정류 다이오드가 있습니다 . 쇼트키 다이오드는 기존 pn 접합 다이오드와 동일한 여러 응용 분야에서 사용할 수 있으며 특히 디지털 로직, 재생 에너지 및 태양광 패널 응용 분야에서 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

쇼트키 다이오드

P형 재료와 N형 재료로 구성된 기존 pn 접합 다이오드와 달리 쇼트키 다이오드는 N형 반도체에 금속 전극을 결합하여 구성됩니다. 쇼트키 다이오드는 접합의 한 면에는 금속 화합물을 사용하고 다른 면에는 도핑된 실리콘을 사용하여 구성되므로 공핍층이 없으며 바이폴라 장치인 일반적인 pn 접합 다이오드와 달리 유니폴라 장치로 분류됩니다.

쇼트키 다이오드 구성에 사용되는 가장 일반적인 접촉 금속은 전도성이 높은 실리콘 및 금속 화합물인 "실리사이드"입니다. 이 규화물 금속-실리콘 접점은 합리적으로 낮은 옴 저항 값을 갖고 있어 더 많은 전류가 흐르도록 하여 전도 시 약 Vf<0.4V 의 더 작은 순방향 전압 강하를 생성합니다 . 다양한 금속 화합물은 일반적으로 0.3~0.5V 사이의 다양한 순방향 전압 강하를 생성합니다.

쇼트키 다이오드 구성 및 기호

 

위는 약하게 도핑된 n형 실리콘 반도체가 금속 전극과 결합되어 "금속-반도체 접합"을 생성하는 쇼트키 다이오드의 단순화된 구조와 기호를 보여줍니다.

이 금속-반도체 접합 의 폭과 이에 따른 전기적 특성 은 구성에 사용되는 금속 화합물 및 반도체 재료의 유형에 따라 크게 달라지지만 순방향 바이어스 시 전자는 n형 재료에서 금속 전극으로 이동합니다. 전류가 흐르도록 허용합니다. 따라서 쇼트키 다이오드를 통과하는 전류는 다수 캐리어의 드리프트의 결과입니다.

p형 반도체 재료가 없고 따라서 소수 캐리어(정공)도 없기 때문에 역방향 바이어스 시 기존 pn 접합 다이오드와 마찬가지로 다이오드 전도가 매우 빠르게 중지되고 전류 흐름을 차단하는 것으로 변경됩니다. 따라서 쇼트키 다이오드의 경우 바이어스 변화에 매우 빠르게 반응하여 정류 다이오드의 특성을 보여줍니다.

앞에서 설명한 것처럼 쇼트키 다이오드가 "ON"으로 바뀌고 전도를 시작하는 무릎 전압은 다음 IV 특성에서 볼 수 있듯이 pn 접합 등가물보다 훨씬 낮은 전압 레벨에 있습니다.

쇼트키 다이오드 IV-특성

 

보시다시피, 금속 반도체 쇼트키 다이오드 IV 특성의 일반적인 모양은 ms 접합 다이오드가 전도되기 시작하는 코너 또는 무릎 전압이 훨씬 낮다는 점을 제외하면 표준 pn 접합 다이오드의 특성과 매우 유사합니다. 약 0.4V.

이 낮은 값으로 인해 실리콘 쇼트키 다이오드의 순방향 전류는 사용된 금속 전극에 따라 일반적인 pn 접합 다이오드의 순방향 전류보다 몇 배 더 클 수 있습니다. 옴의 법칙에 따르면 전력은 볼트 곱하기 암페어(P = V*I)이므로 주어진 다이오드 전류 I D 에 대한 순방향 전압 강하가 작을 수록 접합부에서 열 형태로 순방향 전력 손실이 더 낮아집니다.

 

이러한 낮은 전력 손실로 인해 쇼트키 다이오드는 표준 pn 접합 다이오드의 순방향 전압( V F ) 강하가 과도한 가열 효과를 생성하는 태양광 발전 패널과 같은 저전압 및 고전류 응용 분야에서 좋은 선택이 됩니다 .

그러나 쇼트키 다이오드의 역방향 누설 전류( IR ) 는 일반적으로 pn 접합 다이오드보다 훨씬 크다는 점에 유의해야 합니다 .

그러나 IV 특성 곡선이 보다 선형적인 비정류 특성을 나타내는 경우 이는 옴 접촉 입니다 . 옴 접점은 일반적으로 반도체 웨이퍼와 칩을 외부 연결 핀 또는 시스템 회로와 연결하는 데 사용됩니다. 예를 들어 일반적인 논리 게이트의 반도체 웨이퍼를 플라스틱 DIL(Dual-In-Line) 패키지의 핀에 연결합니다.

또한 쇼트키 다이오드는 금속-반도체 접합으로 제작되기 때문에 유사한 전압 및 전류 사양을 갖는 표준 pn 접합 실리콘 다이오드보다 약간 더 비싼 경향이 있습니다. 예를 들어, 1.0암페어 1N58xx 쇼트키 시리즈를 범용 1N400x 시리즈와 비교합니다.

논리 게이트의 쇼트키 다이오드

쇼트키 다이오드는 또한 디지털 회로에서 많은 용도로 사용되며 더 높은 주파수 응답, 감소된 스위칭 시간 및 낮은 전력 소비로 인해 쇼트키 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL) 디지털 논리 게이트 및 회로에 광범위하게 사용됩니다. 고속 스위칭이 필요한 경우 쇼트키 기반 TTL이 확실한 선택입니다.

쇼트키 TTL에는 속도와 전력 소비가 다른 다양한 버전이 있습니다. 구성에 쇼트키 다이오드를 사용하는 세 가지 주요 TTL 로직 시리즈는 다음과 같습니다.

• 쇼트키 다이오드 클램핑 TTL(S 시리즈)  - 쇼트키 "S" 시리즈 TTL(74SXX)은 원래의 다이오드-트랜지스터 DTL 및 트랜지스터-트랜지스터 74 시리즈 TTL 논리 게이트 및 회로의 향상된 버전입니다. 쇼트키 다이오드는 스위칭 트랜지스터의 베이스-콜렉터 접합부에 배치되어 포화를 방지하고 전파 지연을 생성하여 더 빠른 작동을 가능하게 합니다.
• 저전력 쇼트키(LS 시리즈)  – 74LSXX 시리즈 TTL의 트랜지스터 스위칭 속도, 안정성 및 전력 소모는 이전 74SXX 시리즈보다 우수합니다. 더 높은 스위칭 속도뿐만 아니라 저전력 Schottky TTL 제품군은 더 적은 전력을 소비하므로 74LSXX TTL 시리즈는 많은 애플리케이션에 적합한 선택입니다.
• 고급 저전력 쇼트키(ALS 시리즈)  - 다이오드의 ms 접합을 제조하는 데 사용되는 재료가 추가로 개선되었다는 것은 74LSXX 시리즈가 74ALSXX 및 74LS 시리즈에 비해 전파 지연 시간이 감소하고 전력 손실이 훨씬 낮다는 것을 의미합니다. 그러나 표준 TTL보다 내부적으로 더 새로운 기술과 내부 설계가 더 복잡하기 때문에 ALS 시리즈는 약간 더 비쌉니다.

쇼트키 클램핑 트랜지스터

이전의 모든 쇼트키 TTL 게이트 및 회로는 쇼트키 클램핑 트랜지스터를 사용하여 포화 상태로 심하게 구동되는 것을 방지합니다.

표시된 것처럼 쇼트키 클램핑 트랜지스터는 기본적으로 베이스-컬렉터 접합에 병렬로 연결된 쇼트키 다이오드가 있는 표준 바이폴라 접합 트랜지스터입니다.

트랜지스터가 특성 곡선의 활성 영역에서 정상적으로 작동하면 베이스-컬렉터 접합이 역방향 바이어스되므로 다이오드도 역방향 바이어스되어 트랜지스터가 일반 npn 트랜지스터로 작동할 수 있습니다. 그러나 트랜지스터가 포화되기 시작하면 쇼트키 다이오드는 순방향 바이어스가 되고 콜렉터-베이스 접합을 0.4V 니 값으로 고정하여 초과 베이스 전류가 다이오드를 통해 분류될 때 트랜지스터가 포화되지 않도록 유지합니다.

트랜지스터를 스위칭하는 논리 회로가 포화되는 것을 방지하면 전파 지연 시간이 크게 감소하므로 쇼트키 TTL 회로는 플립플롭, 발진기 및 메모리 칩에 사용하기에 이상적입니다.

쇼트키 다이오드 요약

쇼트키 배리어 다이오드 라고도 알려진 쇼트키 다이오드는 금속 전극과 n형 반도체가 다이오드 ms 접합을 형성하는 고체 반도체 다이오드로서 기존 pn 접합 다이오드에 비해 두 가지 주요 이점을 제공한다는 것을 여기서 확인했습니다. , 더 빠른 스위칭 속도 및 낮은 순방향 바이어스 전압.

금속-반도체 또는 ms 접합은 동일한 순방향 전류 값에 대해 표준 실리콘 기반 pn 접합 다이오드에서 볼 수 있는 0.6~0.9V 값에 비해 일반적으로 0.3~0.4V의 훨씬 낮은 무릎 전압을 제공합니다.

구성에 사용되는 금속 및 반도체 재료의 변화는 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 다이오드가 0.2V만큼 적은 순방향 전압 강하로 "ON" 상태로 전환될 수 있음을 의미합니다. 쇼트키 다이오드는 많이 사용되지 않는 게르마늄 다이오드를 대체합니다. 낮은 무릎 전압이 필요한 애플리케이션.

쇼트키 다이오드는 재생 에너지 및 태양광 패널 애플리케이션에 사용하기 위한 저전압, 고전류 애플리케이션에서 선호되는 정류 장치로 빠르게 자리잡고 있습니다.

그러나 pn 접합 등가물과 비교할 때 쇼트키 다이오드 역방향 누설 전류는 더 크고 역방향 항복 전압은 약 50V로 더 낮습니다.

더 낮은 턴온 전압, 더 빠른 스위칭 시간 및 감소된 전력 소비로 인해 쇼트키 다이오드는 74LSXX TTL 논리 게이트 시리즈가 가장 일반적으로 사용되는 많은 집적 회로 응용 분야에서 매우 유용합니다.

금속-반도체 접합부는 고농도로 도핑된(따라서 저항이 낮은) 반도체 영역에 금속 전극을 증착하여 다이오드를 정류할 뿐만 아니라 "옴 접점"으로 작동하도록 만들 수도 있습니다. 옴 접점은 전류를 양방향으로 동일하게 전도하므로 반도체 웨이퍼와 회로를 외부 단자에 연결할 수 있습니다.