Schottky Diyot Nedir?

Elektronik

Alman fizikçisi Walter H. Schottky tarafından sıcak taşıyıcı diyot olarak da bilinen Schottky diyot (Schottky diode) birleşimindeki elektronlar için potansiyel enerji bariyeri anlamına gelen, bir yarı iletken ile bir metal bileşkesi tarafından meydana getirilen yarı iletken diyot çeşitleri arasındadır. Tek yönde akımları ileten tek taraflı bir aygıttır (metalden yarı iletkene konvansiyonel akım akışı) ve diğerinde kısıtlayıcıdır.

Düşük bir ileri gerilim düşümü ve çok hızlı bir anahtarlama etkisine sahip olmasından dolayı Schottky diodu diğer diyotlardan ayırıcı bir özellik haline getirir. Schottky diyot (şotki diyot) ilk olarak doğrultucu bir devrede güç elemanı olarak kullanılmıştır. Erken enerji uygulamalarında kullanılan kablosuz ve metal redresörlerin ilk günlerinde kullanılan kedi bulaşık detektörleri ilkel Schottky diyotları olarak kabul edilebilir.

Schottky diyot tarihi: Kedi-bıyık dedektörü (bazen bir kristal dedektörü olarak da bilinir) bilinen en eski nokta temaslı Schottky diyodudur. Bir ham nokta kontak doğrultucu yapmak için yarı iletken bir kristale (genel olarak galenya) hafifçe dokunan ince bir telden meydana gelen bir elektronik bileşendir. J.C.Bose, G.W.Pickard tarafından 1906’da geliştirildi ve güç uygulamaları ve kablosuz ortamlarda kullanıldı.

Schottky Diyot’un Yapısı

Bir Schottky engel diyodu, metali orta derecede katkılı n tipi bir yarı iletken malzeme ile temasa getirerek oluşturulan bir metal yarı iletken birleşimidir. Güç elektroniğinde kullanılan en önemli malzemelerden olan güç diyotlarının çeşitlerinden birisi de Schottky diyottur.

Yapısında az bir oranda katkılandırılmış ( N tipi) silisyum (Si) ve bu yarı iletken malzemeye yüzey teması uygulayan bir metal (genellikle gümüş, altın veya platin) bulunmaktadır. Bu diyot yapımında P tipi madde kullanılmadığı için ileri yönde polarma altında valans bandı iletimi yalnız N tipi madde’de ve metal iletim bandı’nda meydana gelir. Bu Schottky bariyeri, hem çok hızlı anahtarlama hem de düşük forward voltaj düşüşüne neden olur. İletime geçme hızlarının yüksek olması bu sebepten dolayıdır.

Schottky Diyot

Diyotun yapısı farklı bir görünüşe sahip ve şekilde olduğu gibidir. Bu diyotlarda P-N birleşimi yerine, daha hızlı olması için N-Metal birleşimi kullanılmıştır. Schottky diyotlar da nokta temaslı diyotlar gibi yarı iletken kristalinin ve yarı metalin birleştirilmesi sonucu elde edilmiştir. Ancak Schottky diyotlar jonksiyon diyot tipindedir.

Çok hızlı olarak iletime geçen, iletimi kesen diyotlardır. Ayrıca Schottky diyotların iletime geçme gerilimleri çok düşüktür. Normal diyotlar, alçak frekanslarda, uçlarına uygulanan gerilimin yönü değiştiği zaman, bu değişime uygun olarak hemen iletken veya yalıtkan duruma geçerler. Ancak yüksek frekanslarda (10 MHz ve daha üstü), diyot uçlarına gelen gerilimin yönü değiştiği durumda diyot bir halden diğerine (iletim-yalıtım durumlarında) hemen geçemez.

Bu sebepten dolayı yüksek frekanslı devreler için hızlı davranan Schottky diyot imalatı yapılmıştır. Schottky diyotların, birleşim yüzeyi platin ile kaplanmış olup, birleşme yüzeyindeki yalıtkan tabakayı inceltmekte ve bu durumda diyotun iletim veya yalıtıma geçme hızı artmaktadır. Bu diyotların daha çok düşük gerilim yüksek akımlı dönüştürücü devrelerinde anahtar olarak ve normal güç devrelerinde koruma elemanı olarak kullanımları yaygındır.

Değme düzeyi (jonksiyon) direnci çok küçük olduğu için doğru yön beslemesinde (doğru polarmada) 0,25 V’ta bile kolaylıkla ve hızla iletime geçebilmektedirler. Ters yöne doğru akan azınlık taşıyıcıları çok az olduğu için ters yön akımı küçüktür. Bu sebeple de gürültü seviyeleri düşük ve verimleri yüksektir. Çalışma gerilimleri 100V civarında çalışma akımları ise 250-300A seviyelerine kadar çıkmaktadır.

Farklı iki ayrı gruptaki elemandan meydana gelmesi sebebiyle Schottky diyotların dirençleri (lineer) değildir. Dirençlerin düzgün olmamasından daha çok mikrodalga alıcılarında karıştırıcı olarak görev yaparlar.

Schottky Diyot Çalışma Prensibi

Çalışma prensipleri; normal diyotlar ile benzerlik gösterir. Güç kayıpları çok az, gerilim ve akım değerleri normal ve hızlı diyotlara göre daha düşüktür. Schottky diyotların dezavantajı olarak normal diyotlardan daha fazla ters yönde akım geçirdiği söylenebilir. Schottky diyotlarda N-Metal birleşimi kullanılması sayesinde çok düşük geçiş zamanı dolayısıyla da çok yüksek çalışma frekansı elde edilmekle beraber, N-Metal birleşiminin ters polarmada sızıntı akım seviyesinin oldukça yüksek olması en önemli dezavantajlarıdır.

Yeterli ileri voltaj uygulandığında, ileriye doğru bir akım akar. Çok hızlı olarak iletime geçen, iletimi kesen diyotlardır. Ayrıca Schottky diyotların iletime geçme gerilimleri çok düşüktür. Silikon diyotlarda üzerinden akım geçerken diyot üzerine düşen gerilim 600-700 mV arasında değişirken, Schottky diyotlarda ise bu gerilim değeri 150- 450 mV arasında değişir. Bundan dolayı çok daha hızlı bir anahtarlama sağlanır ve sistemin verimliliği de aynı oranda artar. Schottky diyotlar doğru polarmada 0.25 volt değeriyle bile iletime geçebilirler.

Normal diyotlar, alçak frekanslarda, uçlarına uygulanan gerilimin yönü değiştiği zaman, bu değişime uygun olarak hemen iletken veya yalıtkan duruma geçerler. Ancak yüksek frekanslarda (10 MHz ve daha üstü), diyot uçlarına gelen gerilimin yönü değiştiği durumda diyot bir halden diğerine (iletim-yalıtım durumlarında) hemen geçemez.

N tipi maddenin bünyesinde barındırdığı elektronların sahip oldukları enerji seviyeleri metale göre daha düşük seçilir. Bu yüzden diyodun iletime geçmesi için ileri yön gerilimine ihtiyaç vardır. Bu tasarım sayesinde ileri yön polarması diyot üzerinden kalktığı zaman, birleşim yüzeyinin yüksek seviyede şarj tutmasına engel olunur. Bu halde diyot çok hızlı bir şekilde iletim durumundan kesim durumuna geçebilir.

Normal diyotlardan farklı bir yapı olarak, metal – yarı iletken arasındaki bağlantıya Schottky bariyeri (Schottky barrier diode) denir. Metal kısım anot, yarı iletken kısım da katot gibi davranır. Schottky bariyeri sayesinde de hızlı anahtarlama sağlanır. Metal – yarı iletken bağlantısındaki kombinasyonun çeşidine göre diyodun ileri yön gerilim ihtiyaç seviyesi de değişmektedir. Ayrıca N tipi malzemenin ve metalin yapısının da tüm bu gerilimlere ve anahtarlama hızına doğrudan etkisi bulunmaktadır.

Schottky diode iç yapısı

Diyot çevresinde bir elektrik alan da meydana gelebiliyor. Bu elektrik alan ters bozulma voltajı için limitleri tespit ediyor. Koruma halkaları gibi elektrik alanı dağıtıcı birçok uygulama var. Ancak bu uygulamalar tamamen kullanılan sistemin ve özellikle devrenin yapısına bağlı olarak değişkenlik gösterebilmektedir.

Ters Düzelme Karakteristiği

Schottky diyot ve normal diyot arasındaki fark ters düzelme zamanı ve karakteristiğidir. İletim durumunda iken iletimi durdurulan diyotta ters düzelme zamanı 100 nano (n) saniye civarlarındadır. Schotty diyotta ise bu durum 100 piko saniye olarak ölçülebilir. Bu süre büyük güçler ile çalışan Schottky diyotlarda ise 10 nano saniye civarlarında ölçülmüştür. Schottky diyot, P-N bağlantısının verdiği yavaşlıktan kurtulmuş bu sayede kapasitif bir şekilde ve daha hızlı olarak ters düzelme eğrisini tamamlamış olur.

Elektronik dünyasında Schottky diyotlara yarı iletkenler için çoğunluk taşıyıcısı da denir. N tipi taşıyıcılar (mobil elektronlar) da önem taşırken, çoğunluk taşıyıcıları metal yüzeyi aştıktan sonra N tipi yarı iletken malzemeye ulaşırlar. Schottky diyot ile bu işlemler çok daha hızlı gerçekleşmektedir. Bu sayede bu tip diyotlar hızlı anahtarlama gerektiren sistemlerde devre elemanları olarak en sık yapılan tercihler arasında yerlerini alırlar.

Schottky Diyotların Uygulamaları ve Kullanım Alanları

Schottky diyotlar, bipolar transistör TTL tabanlı 74LS (düşük güç Schottky) ve 74S (Schottky) lojik devreler de kullanılır. BJT’nin sert doygunluğa girmesini önleyerek Schottky diyodu BJT’nin geçiş süresini doygunluktan kesime indirger.

Schottky diyot, yüksek anahtarlama hızına ihtiyaç duyan bilgisayar ve radyo frekans (RF) devrelerinde doğrultma amacıyla, modülatörler, demodülatörler, dedektörler ve mikrodalga sistemler gibi yüksek frekanslı sistemlerde, bataryalarının hızlı boşalmasını engellemek amacıyla güneş pillerinde, kurşun-asitli bataryalarda, bağımsız foto voltaik sistemlerde ve anahtar modlu güç kaynaklarında kullanılırlar. Yüksek miktarda akım yoğunluğu özelliğinden dolayı voltaj kelepçesi gibi uygulamalarda ve transistör‘ün saturasyona (doyum) uğramasını engellemek için Schottky diyot kullanılabilir.