ショットキーダイオード–特性、パラメータ、およびアプリケーション

ダイオードは、電子回路設計で一般的に使用される基本コンポーネントの1つであり、整流器、クリッパー、クランパー、およびその他の多くの一般的に使用される回路で一般的に見られます。これは、アノードからカソード（+から-）の形で一方向にのみ電流が流れることを可能にし、逆方向、つまりカソードからアノードへの電流の流れを遮断する2端子半導体デバイスです。その背後にある理由はそれが約を持っているということです。順方向の抵抗はゼロ、逆方向の抵抗は無限大。ダイオードには多くの種類があり、それぞれに固有の特性と用途があります。ツェナーダイオードとその動作についてはすでに学習しました。この記事では、ショットキーダイオードと呼ばれる別の興味深いタイプのダイオードと、それを回路設計で使用する方法について学習します。

ショットキーダイオード（ドイツの物理学者Walter H. Schottkyにちなんで名付けられました）は別のタイプの半導体ダイオードですが、ショットキーダイオードは、PN接合の代わりに金属-半導体接合を備えており、容量を減らし、ショットキーダイオードのスイッチング速度を上げます。他のダイオードとは異なります。ショットキーダイオードには、表面バリアダイオード、ショットキーバリアダイオード、ホットキャリア、またはホットエレクトロンダイオードなどの他の名前もあります。

ショットキーダイオード記号

ショットキーダイオードの記号は一般的なダイオード記号に基づいていますが、直線ではなく、以下に示すようにダイオードの負の端にSのような構造があります。この回路図記号は、回路図を読むときにショットキーダイオードを他のダイオードと区別するために簡単に使用できます。記事全体を通して、理解を深めるためにショットキーダイオードと通常のダイオードを比較します。

部品の外観から見ても、ショットキーダイオードは一般的なダイオードに似ており、部品番号を読まないと違いがわからないことがよくあります。しかし、ほとんどの場合、ショットキーダイオードは通常のダイオードよりも少しかさばるように見えますが、常にそうである必要はありません。Aショットキーダイオードピンアウト画像を以下に示します。

ショットキーダイオードが特別な理由は何ですか？

前に説明したように、ショットキーダイオードは一般的なダイオードと非常によく似た外観と性能を備えていますが、ショットキーダイオードの独自の特性は、その非常に低い電圧降下と高いスイッチング速度です。これをよりよく理解するために、ショットキーダイオードと汎用ダイオードを同一の回路に接続して、その性能を確認してみましょう。

上の画像では、ショットキーダイオード用と一般的なPN接合ダイオード用の2つの回路があります。これらの回路は、両方のダイオードの電圧降下を区別するために使用されます。したがって、左側の回路はショットキーダイオード用で、右側の回路は一般的なPN接合ダイオード用です。両方のダイオードは5Vで給電されます。両方のダイオードから電流が流れると、ショットキーダイオードの電圧降下は0.3ボルトで、負荷に4.7ボルトが残ります。一方、一般的なPN接合ダイオードの電圧降下は0.7ボルトで、負荷に4.3ボルトが残ります。そのため、ショットキーダイオードの電圧降下は従来のPN接合ダイオードよりも低くなっています。電圧降下を除いて、ショットキーダイオードには、ショットキーダイオードのような典型的なPN接合ダイオードにいくつかの他の利点もあります。一般的なPN接合ダイオードよりも高速なスイッチングレート、少ないノイズ、優れた性能。

ショットキーダイオードのデメリット

ショットキーダイオードの電圧降下が非常に低く、スイッチング速度が高く、パフォーマンスが向上している場合、なぜ汎用PN接合ダイオードが必要なのですか？すべての回路設計にショットキーダイオードを使用しないのはなぜですか？

確かに、ショットキーダイオードはPN接合ダイオードよりも優れており、PN接合ダイオードよりもゆっくりと好まれます。ショットキーダイオードの2つの大きな欠点は、一般的なダイオードと比較して、その低逆ブレークダウン電圧と高逆リーク電流です。このため、高電圧スイッチングアプリケーションには適していません。また、ショットキーダイオードは、通常の整流ダイオードよりも比較的高価です。

ショットキーダイオードと整流ダイオード

PNダイオードとショットキーダイオードの簡単な比較を以下の表に示します。

PN接合ダイオード	ショットキーダイオード
PN接合ダイオードはバイポーラデバイスであり、少数電荷キャリアと多数電荷キャリアの両方によって電流伝導が発生することを意味します。	PN接合ダイオードとは異なり、ショットキーダイオードはユニポーラデバイスであるため、電流伝導は多数の電荷キャリアのみによって発生します。
PN接合ダイオードには半導体接合があります。	一方、ショットキーダイオードには金属-半導体接合があります。
PN接合ダイオードは電圧降下が大きい。	ショットキーダイオードの電圧降下はわずかです。
州の損失が高い。	低オン状態の損失。
スイッチング速度が遅い。	速いスイッチング速度。
高ターンオン電圧（0.7ボルト）	低ターンオン電圧（0.2ボルト）
高い逆遮断電圧	低い逆ブロッキング電圧
低逆電流	高逆電流

ショットキーダイオードの構造

ショットキーダイオードは、下の画像に示すように、金属-半導体接合を使用して構成されています。ショットキーダイオードは、接合部の片側に金属化合物があり、反対側にドープされたシリコンがあるため、ショットキーダイオードには空乏層がありません。この特性により、ショットキーダイオードは、バイポーラデバイスである一般的なPN接合ダイオードとは異なり、ユニポーラデバイスとして知られています。

ショットキーダイオードの基本構造を上の画像に示します。画像でわかるように、ショットキーダイオードの片側には、白金からタングステン、モリブデン、金などの範囲の金属化合物があり、反対側にはN型半導体があります。金属化合物とN型半導体を組み合わせると、金属-半導体接合が形成されます。この接合部はショットキーバリアとして知られています。ショットキーバリアの幅は、接合形成に使用される金属および半導体材料のタイプによって異なります。

ショットキーバリアは、バイアスのない状態、順方向にバイアスされた状態、または逆方向にバイアスされた状態で動作が異なります。順バイアス状態電池の正端子は、金属に接続され、負端子はn型半導体に接続され、ショットキーダイオードは、電流の流れを可能にします。ただし、逆バイアス状態では、バッテリーの正端子がn型半導体に接続され、負端子が金属に接続されている場合、ショットキーダイオードが電流の流れを遮断します。ただし、逆バイアス電圧が特定のレベルを超えて増加すると、バリアが破られ、電流が逆方向に流れ始め、ショットキーダイオードに接続されているコンポーネントが損傷する可能性があります。

ショットキーダイオードVIの特性

ダイオードを選択する際に考慮すべき重要な特性の1つは、順方向電圧（V）対順方向電流（I）のグラフです。最も人気のあるショットキーダイオード1N5817、1N5818、および1N5819のVIグラフを以下に示します。

ショットキーダイオードのVI特性は、一般的なPN接合ダイオードと非常によく似ています。一般的なPN接合ダイオードよりも電圧降下が小さいため、ショットキーダイオードの消費電圧は一般的なダイオードよりも少なくなります。上のグラフから、1N517は他の2つと比較して順方向電圧降下が最小であることがわかります。また、ダイオードを流れる電流が増加すると、電圧降下が増加することもわかります。最大電流30Aの1N517の場合でも、その両端の電圧降下は2Vに達する可能性があります。したがって、これらのダイオードは通常、低電流アプリケーションで使用されます。

ショットキーダイオードを選択する際に考慮すべきパラメータ

すべての設計エンジニアは、アプリケーションのニーズに応じて適切なショットキーダイオードを選択する必要があります。ための整流設計、高電圧、低/中電流、および低周波定格ダイオード必要であろう。以下のためにデザインを切り替え、ダイオードの周波数の評価は高くなければなりません。

覚えておくべきダイオードの一般的で重要なパラメータを以下に示します。

順方向電圧降下：順方向バイアスダイオードをオンにするために降下する電圧は、順方向電圧降下です。ダイオードによって異なります。ショットキーダイオードの場合、通常、ターンオン電圧は約0.2Vであると想定されます。

逆方向ブレークダウン電圧：ダイオードがブレークダウンして逆方向に導通し始める特定の量の逆方向バイアス電圧は、逆方向ブレークダウン電圧と呼ばれます。ショットキーダイオードの逆方向降伏電圧は約50ボルトです。

逆回復時間：ダイオードを順方向導通または「オン」状態から逆方向「オフ」状態に切り替えるのにかかる時間です。一般的なPN接合ダイオードとショットキーダイオードの最も重要な違いは、逆回復時間です。典型的なPN接合ダイオードでは、逆回復時間は数マイクロ秒から100ナノ秒まで変化する可能性があります。ショットキーダイオードには接合部に空乏領域がないため、ショットキーダイオードには回復時間がありません。

逆リーク電流：半導体デバイスから逆バイアスで伝導される電流が逆リーク電流です。ショットキーダイオードでは、温度を上げると逆リーク電流が大幅に増加します。

ショットキーダイオードの応用

ショットキーダイオードは、その独自の特性により、エレクトロニクス業界で多くの用途があります。いくつかのアプリケーションは次のとおりです。

1.電圧クランプ/クリッピング回路

クリッパー回路とクランパー回路は、波形整形アプリケーションで一般的に使用されます。電圧降下特性が低いため、ショットキーダイオードはクランプダイオードとして役立ちます。

2.逆電流および放電保護

ご存知のように、ショットキーダイオードは逆方向の電流を遮断するため、ブロッキングダイオードとも呼ばれます。放電保護として使用できます。たとえば、緊急懐中電灯では、スーパーキャパシタとDCモーターの間にショットキーダイオードを使用して、スーパーキャパシタがDCモーターを介して放電するのを防ぎます。

3.サンプルアンドホールド回路

順方向にバイアスされたショットキーダイオードには少数の電荷キャリアがないため、通常のPN接合ダイオードよりも高速に切り替えることができます。そのため、ショットキーダイオードが使用されています。これは、サンプルからホールドステップへの遷移時間が短く、出力でのサンプルがより正確になるためです。

4.電力整流器

ショットキーダイオードは電流密度が高く、順方向電圧降下が小さいため、一般的なPN接合ダイオードよりも無駄な電力が少ないため、ショットキーダイオードは電力整流器に適しています。

さらに、リンクをたどると、多くの回路でのダイオードの実用的な実装を見つけることができます。