शोट्की डायोड
 Various Schottky-barrier diodes: Small-signal RF devices (left), medium- and high-power Schottky rectifying diodes (middle and right) | |
| प्रकार | Passive |
|---|---|
| आविष्कार किया | Walter H. Schottky |
| Pin configuration | anode and cathode |
| Electronic symbol | |
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शोट्की डायोड (जर्मन भौतिक विज्ञानी वाल्टर एच शोट्की के नाम पर), जिसे शोट्की बाधा डायोड या हॉट-कैरियर डायोड के रूप में भी जाना जाता है, एक अर्धचालक डायोड है जो एक धातु के साथ अर्धचालक के जंक्शन से बनता है। इसमें कम अग्रिम वोल्टेज पतन और बहुत तेज स्विचन कार्य है। प्रारम्भिक बिजली अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले वायरलेस और मेटल रेक्टिफायर के प्रारम्भिक दिनों में उपयोग किए जाने वाले कैट-व्हिस्कर डिटेक्टरों को आदिम शोट्की डायोड माना जा सकता है।
जब पर्याप्त अग्रिम वोल्टेज लागू किया जाता है, तो आगे की दिशा में एक धारा प्रवाहित होती है। एक सिलिकॉन पी-एन डायोड में 600-700 एमवी का एक विशिष्ट अग्रिम वोल्टेज होता है, जबकि शोट्की का अग्रिम वोल्टेज 150-450 एमवी होता है। यह निम्न अग्रिम वोल्टेज आवश्यकता उच्च स्विचिंग गति और बेहतर प्रणाली दक्षता की अनुमति देता है।
इतिहास
वाल्टर एच. शोट्की (1886-1976) ने 1914 में, एक वैक्यूम ट्यूब में थर्मियन के उत्सर्जन में एक अनियमितता की खोज की, जिसे अब शोट्की प्रभाव के रूप में जाना जाता है।[clarification needed]
निर्माण
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धातु और अर्धचालक के बीच एक धातु-अर्धचालक जंक्शन बनता है, जो एक शोट्की बाधा (पारंपरिक डायोड के रूप में अर्धचालक-अर्धचालक जंक्शन के बजाय) बनाता है। उपयोग की जाने वाली विशिष्ट धातुएं मोलिब्डेनम, प्लैटिनम, क्रोमियम या टंगस्टन, और कुछ सिलिकाइड्स (जैसे, पैलेडियम सिलसाइड और प्लैटिनम सिलिकाइड) हैं, जबकि अर्धचालक प्रायः n-टाइप सिलिकॉन होगा।[1] धातु पक्ष एनोड के रूप में कार्य करता है, और एन-प्रकार अर्धचालक डायोड के कैथोड के रूप में कार्य करता है अर्थात पारंपरिक धारा धातु की ओर से अर्धचालक की ओर प्रवाहित हो सकती है, लेकिन विपरीत दिशा में नहीं। यह शोट्की बाधा बहुत तेजी से स्विचिंग और निम्न अग्रिम वोल्टेज पतन दोनों में परिणाम देता है।
धातु और अर्धचालक के संयोजन का चुनाव डायोड के अग्रिम वोल्टेज को निर्धारित करता है। दोनों n- और p- प्रकार के अर्धचालक शोट्की बाधाओं को विकसित कर सकते हैं। हालांकि, p- प्रकार में प्रायः बहुत कम अग्रिम वोल्टेज होता है। जैसा कि उत्क्रम विद्युत अग्रिम वोल्टेज को कम करने के साथ नाटकीय रूप से बढ़ता है, यह बहुत कम नहीं हो सकता है, इसलिए प्रायः नियोजित रेंज लगभग 0.5-0.7 वी (V) है, और p- प्रकार अर्धचालक केवल शायद ही कभी नियोजित होते हैं। टाइटेनियम सिलसाइड और अन्य अपवर्तक सिलिसाइड, जो सीएमओएस (CMOS) प्रक्रियाओं में स्रोत/नाली की एनीलिंग के लिए आवश्यक तापमान का सामना करने में सक्षम हैं, प्रायः उपयोगी होने के लिए बहुत कम अग्रिम वोल्टेज होता है, इसलिए इन सिलिकाइड्स का उपयोग करने वाली प्रक्रियाएं प्रायः शोट्की डायोड की पेशकश नहीं करती हैं।[clarification needed]
अर्धचालक के बढ़ते डोपिंग के साथ, ह्रास क्षेत्र की चौड़ाई कम हो जाती है। एक निश्चित चौड़ाई के नीचे, आवेश वाहक अवक्षय क्षेत्र के माध्यम से सुरंग बना सकते हैं। बहुत उच्च डोपिंग स्तरों पर, जंक्शन अब एक दिष्टकारी के रूप में व्यवहार नहीं करता है और एक ओमिक संपर्क बन जाता है। इसका उपयोग ओमिक संपर्कों और डायोड के एक साथ गठन के लिए किया जा सकता है, क्योंकि एक डायोड सिलसाइड और हल्के से डोप किए गए n- प्रकार क्षेत्र के बीच बनेगा, और एक ओमिक संपर्क सिलिसाइड और भारी डोप किए गए n- या p-प्रकार क्षेत्र के बीच बनेगा। हल्के से डोप किए गए p-प्रकार के क्षेत्र एक समस्या पैदा करते हैं, क्योंकि परिणामी संपर्क में एक अच्छे ओमिक संपर्क के लिए बहुत अधिक प्रतिरोध होता है, लेकिन एक अच्छा डायोड बनाने के लिए बहुत कम अग्रिम वोल्टेज और बहुत अधिक रिवर्स रिसाव होता है।
चूंकि शोट्की संपर्क के किनारे काफी तेज हैं, उनके चारों ओर एक उच्च विद्युत क्षेत्र ढाल होता है, जो सीमित करता है कि रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज थ्रेशोल्ड कितना बड़ा हो सकता है। विभिन्न रणनीतियों का उपयोग किया जाता है, गार्ड रिंग से लेकर धातुकरण के अधिव्यापन तक क्षेत्र ढाल को फैलाने के लिए। गार्ड के छल्ले मूल्यवान डाई क्षेत्र का उपभोग करते हैं और मुख्य रूप से बड़े उच्च-वोल्टेज डायोड के लिए उपयोग किए जाते हैं, जबकि अतिव्यापी धातुकरण मुख्य रूप से छोटे निम्न-वोल्टेज डायोड के साथ नियोजित होता है।
शोट्की डायोड को प्रायः शोट्की ट्रांजिस्टर में एंटीसेचुरेशन क्लैम्प के रूप में उपयोग किया जाता है। पैलेडियम सिलसाइड (PdSi) [स्पष्टीकरण की आवश्यकता] से बने शोट्की डायोड अपने निम्न अग्रिम वोल्टेज (जो बेस-कलेक्टर जंक्शन के अग्रिम वोल्टेज से कम होना चाहिए) के कारण उत्कृष्ट हैं। शोट्की तापमान गुणांक B-C जंक्शन के गुणांक से कम है, जो उच्च तापमान पर PdSi के उपयोग को सीमित करता है।
शक्ति शोट्की डायोड के लिए, दबे हुए n+ परत के परजीवी प्रतिरोध और एपिटैक्सियल n-प्रकार की परत महत्वपूर्ण हो जाती है। एपिटैक्सियल परत का प्रतिरोध एक ट्रांजिस्टर की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण है, क्योंकि करंट को इसकी पूरी मोटाई को पार करना चाहिए। हालांकि, यह जंक्शन के पूरे क्षेत्र में एक वितरित बैलेस्टिंग रेसिस्टर के रूप में कार्य करता है और सामान्य परिस्थितियों में, स्थानीयकृत तापीय अपवाह को रोकता है।
पावर p-n पावर डायोड की तुलना में, शोट्की डायोड कम ऊबड़-खाबड़ होते हैं। जंक्शन ऊष्मीयतः संवेदनशील धातुकरण के सीधे संपर्क में है। एक शोट्की डायोड विफल होने से पहले (विशेषकर रिवर्स ब्रेकडाउन के दौरान) गहरे दफन जंक्शन के साथ समकक्ष आकार के p-n समकक्ष की तुलना में कम बिजली को समाप्त कर सकता है। शोट्की डायोड के निम्न अग्रिम वोल्टेज का सापेक्ष लाभ उच्च आगे की धाराओं में कम हो जाता है, जहां वोल्टेज पतन श्रृंखला प्रतिरोध का प्रभुत्व होता है।[2]
रिवर्स रिकवरी समय
p-n डायोड और शोट्की डायोड के बीच सबसे महत्वपूर्ण अंतर रिवर्स रिकवरी टाइम (trr) है जब डायोड कंडक्टिंग से नॉन-कंडक्टिंग अवस्था में स्विच करता है। p-n डायोड में, तेजी से डायोड के लिए रिवर्स रिकवरी समय कई माइक्रोसेकंड के क्रम में 100 एनएस (ns) से कम हो सकता है, और यह मुख्य रूप से संचालन अवस्था के दौरान प्रसार क्षेत्र में जमा अल्पसंख्यक वाहकों के कारण प्रसार क्षमता द्वारा सीमित है।[3] शोट्की डायोड काफी तेज हैं क्योंकि वे एकध्रुवीय उपकरण हैं और उनकी गति केवल जंक्शन समाई द्वारा सीमित है। छोटे सिग्नल डायोड के लिए स्विचिंग समय ~ 100 पीएस (ps) है, और विशेष उच्च क्षमता वाले पावर डायोड के लिए दसियों नैनोसेकंड तक है। p-n-जंक्शन स्विचिंग के साथ, एक रिवर्स रिकवरी विद्युत भी होता है, जो उच्च शक्ति वाले अर्धचालकों में ईएमआई (EMI) शोर बढ़ाता है। शोट्की डायोड के साथ, स्विचिंग अनिवार्य रूप से "तात्कालिक" है जिसमें केवल थोड़ी सी कैपेसिटिव लोडिंग होती है, जो कि चिंता का विषय नहीं है।
यह "तात्कालिक" स्विचिंग हमेशा मामला नहीं होता है। उच्च वोल्टेज शोट्की उपकरणों में, विशेष रूप से, ब्रेकडाउन क्षेत्र ज्यामिति को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक गार्ड रिंग संरचना सामान्य पुनर्प्राप्ति समय विशेषताओं के साथ एक परजीवी p-n डायोड बनाती है। जब तक यह गार्ड रिंग डायोड अग्रिम अभिनति नहीं है, तब तक यह केवल कैपेसिटेंस जोड़ता है। यदि शोट्की जंक्शन को पर्याप्त रूप से संचालित किया जाता है, तो अग्रिम वोल्टेज अंततः दोनों डायोड को आगे बढ़ा देगा और वास्तविक trr बहुत प्रभावित होगा।
प्रायः यह कहा जाता है कि शोट्की डायोड एक "बहुमत वाहक" अर्धचालक उपकरण है। इसका मतलब यह है कि यदि अर्धचालक निकाय डोप किया हुआ n-प्रकार है, तो उपकरण के सामान्य संचालन में केवल n-प्रकार वाहक (गतिशील इलेक्ट्रॉन) महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। मुक्त गतिमान इलेक्ट्रॉन बनने के लिए बहुसंख्यक वाहकों को डायोड के दूसरी ओर धातु संपर्क के चालन बैंड में जल्दी से अंतःक्षिप्त किया जाता है। इसलिए, n और p-प्रकार के वाहकों का कोई धीमा यादृच्छिक पुनर्संयोजन सम्मिलित नहीं है, ताकि यह डायोड एक सामान्य p-n दिष्टकारी डायोड की तुलना में तेजी से चालन को रोक सके। यह गुण, बदले में, एक छोटे उपकरण क्षेत्र की अनुमति देता है, जो एक तेज़ संक्रमण के लिए भी बनाता है। यह एक और कारण है कि शोट्की डायोड स्विच-मोड पावर संपरिवर्तित्र (कन्वर्टर्स) में उपयोगी होते हैं डायोड की उच्च गति का मतलब है कि सर्किट 200 kHz से 2 MHz की सीमा में आवृत्तियों पर काम कर सकता है, जिससे अन्य डायोड प्रकारों की तुलना में अधिक दक्षता वाले छोटे प्रेरकों और संधारित्र के उपयोग की अनुमति मिलती है। छोटे क्षेत्र के शोट्की डायोड आरएफ (RF) संसूचकों और मिश्रण का दिल होते हैं, जो प्रायः 50 GHz तक की आवृत्तियों पर काम करते हैं।
सीमाएँ
शोट्की डायोड की सबसे स्पष्ट सीमाएँ उनकी अपेक्षाकृत निम्न रिवर्स वोल्टेज रेटिंग और उनकी अपेक्षाकृत उच्च रिवर्स लीकेज विद्युत हैं। सिलिकॉन-धातु शोट्की डायोड के लिए, रिवर्स वोल्टेज प्रायः 50 V या उससे कम होता है। कुछ उच्च-वोल्टेज डिज़ाइन उपलब्ध (200 V को एक उच्च रिवर्स वोल्टेज माना जाता है) हैं। रिवर्स लीकेज विद्युत, क्योंकि यह तापमान के साथ बढ़ता है, तापीय अस्थिरता की समस्या पैदा करता है। यह प्रायः उपयोगी रिवर्स वोल्टेज को वास्तविक रेटिंग से काफी नीचे तक सीमित कर देता है।
जबकि उच्च रिवर्स वोल्टेज प्राप्त करने योग्य हैं, वे अन्य प्रकार के मानक डायोड की तुलना में एक उच्च अग्रिम वोल्टेज पेश करेंगे। इस तरह के शोट्की डायोड का कोई फायदा नहीं होगा [4] जब तक कि बड़ी स्विचिंग गति की आवश्यकता न हो।
सिलिकॉन कार्बाइड शोट्की डायोड
सिलिकॉन कार्बाइड से निर्मित शोट्की डायोड में सिलिकॉन शोट्की डायोड की तुलना में बहुत कम रिवर्स लीकेज विद्युत होता है, साथ ही उच्च अग्रिम वोल्टेज (25 ° C पर लगभग 1.4-1.8 V) और रिवर्स वोल्टेज होता है। 2011 तक वे निर्माताओं से रिवर्स वोल्टेज के 1700 V तक के प्रकार में उपलब्ध थे।[4]
सिलिकॉन कार्बाइड में उच्च तापीय चालकता होती है, और इसके स्विचिंग और तापीय विशेषताओं पर तापमान का बहुत कम प्रभाव पड़ता है। विशेष पैकेजिंग के साथ, सिलिकॉन कार्बाइड शोट्की डायोड 500 K (लगभग 200 °C) से अधिक के जंक्शन तापमान पर काम कर सकता है, जो एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में निष्क्रिय विकिरण शीतलन की अनुमति देता है।[4]
अनुप्रयोग
वोल्टेज क्लैम्पिंग
जबकि मानक सिलिकॉन डायोड में लगभग 0.7 V और जर्मेनियम डायोड 0.3 V का एक आगे वोल्टेज पतन होता है, शोट्की डायोड का वोल्टेज ड्रॉप लगभग 1 mA के अग्रिम अभिनति पर 0.15 V से 0.46 V (1N5817[5] और 1N5711 देखें) की सीमा में होता है।[6] जो उन्हें वोल्टेज क्लैम्पिंग अनुप्रयोगों और ट्रांजिस्टर संतृप्ति की रोकथाम में उपयोगी बनाता है। यह शोट्की डायोड में उच्च धारा घनत्व के कारण है।
रिवर्स विद्युत और निर्वहन संरक्षण
शोट्की डायोड के निम्न अग्रिम वोल्टेज पतन के कारण, कम ऊर्जा ऊष्मा के रूप में बर्बाद हो जाती है, जिससे वे दक्षता के प्रति संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए सबसे कुशल विकल्प बन जाते हैं। उदाहरण के लिए, उनका उपयोग स्टैंड-अलोन ("ऑफ-ग्रिड") फोटोवोल्टिक (पीवी) प्रणाली में रात में सौर पैनलों के माध्यम से बैटरी को निर्वहन होने से रोकने के लिए किया जाता है, जिसे "ब्लॉकिंग डायोड" कहा जाता है। समानांतर में जुड़े कई तारों के साथ ग्रिड से जुड़े प्रणाली में भी उनका उपयोग किया जाता है, ताकि "बाईपास डायोड" विफल होने पर छायांकित तारों के माध्यम से आसन्न तारों से बहने वाली रिवर्स धारा को रोका जा सके।
स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति
शोट्की डायोड का उपयोग स्विच्ड-मोड बिजली आपूर्ति में संशोधक के रूप में भी किया जाता है। निम्न अग्रिम वोल्टेज और तेजी से रिकवरी समय से दक्षता में वृद्धि होती है।
उनका उपयोग उन उत्पादों में बिजली आपूर्ति "या" सर्किट में भी किया जा सकता है जिनमें आंतरिक बैटरी और मुख्य एडाप्टर इनपुट, या समान दोनों होते हैं। हालाँकि, उच्च रिवर्स लीकेज विद्युत इस मामले में एक समस्या प्रस्तुत करता है, क्योंकि कोई भी उच्च-प्रतिबाधा वोल्टेज सेंसिंग सर्किट (जैसे, बैटरी वोल्टेज की निगरानी करना या यह पता लगाना कि क्या कोई मेन एडेप्टर मौजूद है) डायोड रिसाव के माध्यम से अन्य शक्ति स्रोत से वोल्टेज को देखेगा।
नमूना और होल्ड सर्किट
शोट्की डायोड का उपयोग डायोड-ब्रिज आधारित सैंपल और होल्ड सर्किट में किया जा सकता है। जब नियमित p-n जंक्शन आधारित डायोड ब्रिज से तुलना की जाती है, तो शोट्की डायोड लाभ प्रदान कर सकते हैं। एक अग्र अभिनति शोट्की डायोड में कोई अल्पसंख्यक वाहक चार्ज भंडारण नहीं होता है। यह उन्हें नियमित डायोड की तुलना में अधिक तेज़ी से स्विच करने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप नमूने से होल्ड चरण में संक्रमण का समय कम होता है। अल्पसंख्यक वाहक चार्ज भंडारण की अनुपस्थिति के परिणामस्वरूप निम्न होल्ड स्टेप या सैंपलिंग त्रुटि भी होती है, जिसके परिणामस्वरूप आउटपुट पर अधिक सटीक नमूना होता है।[7]
आवेश नियंत्रण
अपने कुशल विद्युत क्षेत्र नियंत्रण के कारण, शोट्की डायोड का उपयोग अर्धचालक नैनोस्ट्रक्चर जैसे क्वांटम कुओं या क्वांटम डॉट्स में एकल इलेक्ट्रॉनों को सटीक रूप से लोड या अनलोड करने के लिए किया जा सकता है।[8]
पदनाम
सामान्यतः सामने आने वाले स्कूटी डायोड में 1N58xx श्रृंखला संशोधक सम्मिलित हैं, जैसे कि 1N581x (1 A) और 1N582x (3 A) होल भागों के माध्यम से,[5][10] और SS1x (1 A) और SS3x (3 A) सतह-माउंट भागों।[9][11] शोट्की संशोधक कई सतह-माउंट पैकेज शैलियों में उपलब्ध हैं।[12][13]
1N5711,[6]1N6263,[14]1SS106,[15]1SS108,[16] और BAT41-43, 45-49 श्रृंखला[17] जैसे छोटे-संकेत वाले स्कूटी डायोड का व्यापक रूप से उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है जैसे कि संसूचक, मिक्सर और नॉनलाइनियर तत्व, और जर्मेनियम डायोड को हटा दिया है।[18] वे संवेदनशील उपकरणों जैसे III-V-अर्धचालक उपकरण, लेजर डायोड और कुछ हद तक, CMOS सर्किटरी की उजागर लाइनों के इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ESD) संरक्षण के लिए भी उपयुक्त हैं।
शोट्की धातु-अर्धचालक जंक्शनों को तर्क उपकरणों के 7400 TTL परिवार, 74S, 74LS और 74ALS श्रृंखला के उत्तराधिकारियों में चित्रित किया गया है, जहां वे द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के कलेक्टर-बेस जंक्शनों के समानांतर में बेकर क्लैंप के रूप में कार्यरत हैं ताकि उनकी संतृप्ति को रोका जा सके। जिससे उनके टर्न-ऑफ विलंब को काफी कम किया जा सकता है।
विकल्प
जब कम बिजली अपव्यय वांछित होता है, तो सक्रिय सुधार के रूप में जाने वाले ऑपरेशन मोड में इसके बजाय एक एमओएसएफईटी (MOSFET) और नियंत्रण सर्किट का उपयोग किया जा सकता है।
pn-डायोड या शोट्की डायोड और एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर से युक्त एक सुपर डायोड ऋणात्मक प्रतिक्रिया के प्रभाव के कारण लगभग पूर्ण डायोड विशेषता प्रदान करता है, हालांकि इसका उपयोग आवृत्तियों तक सीमित है जिसका उपयोग परिचालन एम्पलीफायर संभाल सकता है।
इलेक्ट्रोवेटिंग
इलेक्ट्रोवेटिंग तब देखी जा सकती है जब तरल धातु की एक छोटी बूंद का उपयोग करके एक शोट्की डायोड बनाया जाता है, उदाहरण- पारा, अर्धचालक के संपर्क में, उदाहरण- सिलिकॉन। अर्धचालक में डोपिंग प्रकार और घनत्व के आधार पर, छोटी बूंद का प्रसार पारा छोटी बूंद पर लागू वोल्टेज के परिमाण और संकेत पर निर्भर करता है।[19] इस प्रभाव को 'शोट्की इलेक्ट्रोवेटिंग' कहा गया है।[20]
यह भी देखें
- शोट्की बैरियर।
- शोट्की प्रभाव (शोट्की उत्सर्जन)।
- हेटरोस्ट्रक्चर बैरियर वैक्टर डायोड।
- सक्रिय सुधार।
- बेकर क्लैंप और शोट्की ट्रांजिस्टर।
- 1N58xx शोट्की डायोड।
- इलेक्ट्रोवेटिंग।
संदर्भ
- ↑ ‘’Laughton, M. A. (2003). "17. Power Semiconductor Devices". Electrical engineer's reference book. Newnes. pp. 25–27. ISBN 978-0-7506-4637-6. Retrieved 2011-05-16.
- ↑ Hastings, Alan (2005). The Art of Analog Layout (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-146410-8.
- ↑ Pierret, Robert F. (1996). Semiconductor Device Fundamentals. Addison-Wesley. ISBN 978-0-131-78459-8.
- ↑ 4.0 4.1 "Schottky Diodes: the Old Ones Are Good, the New Ones Are Better". Power Electronics.
- ↑ 5.0 5.1 "1N5817 Datasheets (PDF)". Datasheetcatalog.com. Retrieved 2013-01-14.
- ↑ 6.0 6.1 "1N5711 Datasheets (PDF)". Datasheetcatalog.com. Retrieved 2013-01-14.
- ↑ Johns, David A. and Martin, Ken. Analog Integrated Circuit Design (1997), Wiley. Page 351. ISBN 0-471-14448-7
- ↑ Couto, O. D. D.; Puebla, J.; Chekhovich, E. A.; Luxmoore, I. J.; Elliott, C. J.; Babazadeh, N.; Skolnick, M. S.; Tartakovskii, A. I.; Krysa, A. B. (2011-09-01). "Charge control in InP/(Ga,In)P single quantum dots embedded in Schottky diodes". Physical Review B. American Physical Society (APS). 84 (12): 125301. arXiv:1107.2522. doi:10.1103/physrevb.84.125301. ISSN 1098-0121.
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बाहरी संबंध
