Діод Шоттки (названий на честь німецького фізика Baльтера Шоттки) - напівпровідниковий діод з малим падінням напруги при прямому включенні. Діоди Шоттки використовують перехід метал-напівпровідник в якості бар'єру Шоттки (замість pn переходу, як у звичайних діодів). Допустима зворотне напруга промислово випускаються діодів Шоттки обмежено 250 В (MBR40250 і аналоги), на практиці більшість діодів Шоттки застосовується в низьковольтних цепях при зворотному напрузі порядку одиниць та кількох десятків Вольт.

Гідності діодів Шоттки

У той час як звичайні кремнієві діоди мають пряме падіння напруги близько 0.6 - 0.7 В, застосування діодів Шоттки дозволяє знизити це значення до 0.2 - 0.4 В. Настільки мале пряме падіння напруги притаманне тільки диодом Шоттки з максимальним зворотною напругою порядку десятків вольт. При великих зворотних напругах, пряме падіння стає зрівняним з аналогічним параметром кремнієвих діодів, що обмежує застосування діодів Шоттки низьковольтні ланцюгами. Наприклад, для силового діод Шоттки 30Q150 з максимально можливим зворотною напругою (150 В) при прямому струмі 15 А падіння напруга нормується на рівні від 0.75 В (T = 125 ° C) до 1.07 В (T = -55 ° C).

Бар'єр Шоттки також має меншу електричну ємність переходу, що дозволяє помітно підвищити робочу частоту діод. Ця властивість використовується в інтегральних мікросхемах, де диодом Шоттки шунтіруются переходи транзисторів логічних елементів. У силовій електроніці мала ємність переходу (тобто короткий час відновлення) дозволяє будувати випрямлювачі, що працюють на частотах у сотні кГц і вище. Наприклад, діод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимізований під високочастотні випрямленіе, нормувати для роботи при dV / dt до 1000 В / мс.Б.

Завдяки кращим тимчасовим характеристикам і малим місткостями переходу, випрямлячі на діодів Шоттки відрізняються від традиційних діодних випрямлячів зниженим рівнем перешкод, що робить їх найбільш зручною для застосування в імпульсних блоках харчування аналогової та цифрової апаратури.

Недоліки діодів Шоттки

По-перше, при короткочасному перевищенні максимального зворотного напруги, діод Шоттки необоротно виходить з ладу, на відміну від кремнієвих діодів, які переходять в режим зворотного пробою, і за умови непревишенія розсіює на діод максимальної потужності, після падіння напруги діод повністю відновлює свої властивості.

По-друге, діоди Шоттки характеризуються підвищеними (щодо звичайних кремнієвих діодів) зворотними струмами, зростаючими з підвищенням температури кристала. Для вищезгаданого 30Q150 зворотний струм при максимальному зворотному напрузі змінюється від 0.12 мА при +25 ° C до 6.0 мА при +125 ° C. У низьковольтних діодів в корпусах ТО-220 зворотний струм може перевищувати величину в сотні мілліампер (MBR4015 - до 600 мА при +125 ° C). При незадовільних умовах теплоотвода позитивна зворотній зв'язок по теплу в діод Шоттки призводить до його катастрофічного перегріву.

Вольт-амперная характеристика бар'єру Шоттки (рис.1) має яскраво виражений несиметричний вигляд. В області прямих зміщень ток експонентний зростає із збільшенням доданої напруги. В області зворотних зсувів струм від напруги не залежить. В обох випадках, при прямому і зворотному зміщення, струм в бар'єр Шоттки обумовлений основними носіями заряду - електронах. З цієї причини діоди на основі бар'єру Шоттки є швидкодіючим приладами, оскільки в них відсутні рекомбінаціонние та дифузійні процеси. Несиметричної вольт-амперной характеристики бар'єру Шоттки є типовою для бар'єрних структур. Залежність струму від напруги в таких структурах обумовлена зміною числа носіїв, які беруть участь у процесах зарядопереноса. Роль зовнішнього напруги полягає в зміні числа електронів, що переходять з однієї частини бар'єрної структури в іншу.

Діоди Шоттки в блоках харчування

В системних блоках харчування, діоди Шоттки використовуються для випрямленія струму каналів +3.3 В і 5 В, а, як відомо, величина вихідних струмів цих каналів складає десятки Ампер, що призводить до необхідності дуже серйозно ставитися до питань швидкодії випрямлячів і зниження їх енергетичних втрат. Рішення цих питань здатне значно збільшити ККД джерел живлення та підвищити надійність роботи силових транзисторів первинної частини блоку живлення.

Отже, для зменшення динамічних комутаційних втрат та усунення режиму короткого замикання при перемиканні, в самих сільноточних каналах (+3.3 В і 5 В), де ці втрати найбільш значні, як випрямних елементів використовуються діоди Шоттки. Застосування діодів Шоттки в цих каналах обумовлено такими міркуваннями:
1) Діод Шоттки є практично безинерціонним приладом з дуже малим часом відновлення зворотного опору, що призводить до зменшення зворотного вторинного струму і до зменшення кидка струму через колектори силових транзисторів первинної частини в момент перемикання діод. Це в значній мірі знижує навантаження на силові транзистори, і, як результат, збільшує надійність блоку живлення.
2) Пряме падіння напруги на діод шоки також дуже мало, що за величиною струму 15-30 А забезпечує значний виграш у ККД.

Так як в сучасних блоках харчування дуже потужним стає й канал напруги 12 В, то застосування діодів Шоттки в цьому каналі також дало б значний енергетичний ефект, однак їх застосування в каналі +12 В недоцільно. Це пов'язано з тим, що при зворотному напрузі понад 50В (а в каналі +12 В зворотне напруга може досягати величини і 60В) діоди Шоттки починають погано перемикатися (занадто довго і при цьому виникають значні зворотні струми витоку), що призводить до втрати всіх переваг їх застосування. Тому в каналі +12 В використовуються швидкодіючі кремнієві імпульсні діоди. Хоча зараз випускаються промисловістю діоди Шоттки і з великим зворотною напругою, але їх використання в блоках харчування вважається недоцільним з різних причин, у тому числі й економічного плану. Але в будь-яких правила є виключення, тому в окремих блоках харчування можна зустріти діодний зборки Шоттки і в каналах +12 В.

У сучасних системних блоках живлення комп'ютерів діоди Шоттки являють собою, як правило, діодний зборки з двох діодів (діодний полум), що однозначно підвищує технологічність і компактність блоків харчування, а також покращує умови охолодження діодів. Використання окремих діодів (рис.2), а не діодних зборок, є зараз показником низькоякісної блоку живлення.

Діодний зборки випускається, в основному, у трьох типах корпусів (рис.3):
- TO-220 (менш потужні збірки з робочими струмами до 20 А, інколи до 25-30А);
- TO-247 (більш потужні збірки з робочими струмами 30 - 40 А);
- TO-3P (потужні складання).

Взаємозамінність діодних сборок визначається, виходячи з їхніх характеристик. Природно, що при неможливості використовувати діодний зборку з абсолютно такими ж характеристиками, краще проводити заміну на прилад з великими значеннями струму і напруги. В іншому випадку гарантувати стабільну роботу блоку живлення буде неможливо. Відомі випадки, коли виробники застосовують у своїх блоках харчування діодний зборки зі значним запасом потужності (хоча частіше доводиться спостерігати ситуацію, як раз, зворотний), і при ремонті можна встановити прилад з меншими значеннями струму або напруги. Однак при такій заміні необхідно самим ретельним чином проаналізувати характеристики блоку живлення і його навантаження, і вся відповідальність за наслідки такої доробки, природно, лягає на плечі фахівця, що виробляє ремонт.

Прояв несправностей діодів Шоттки

Як уже зазначалося, несправність діодів Шоттки є однією з основних проблем сучасних блоків харчування. Так за яким же попередніми ознаками можна приблизно визначити їх несправність? Таких ознак декілька.

По-перше, при пробою і витік вторинних випрямних діодів, як правило, спрацьовує захист, і блок живлення не запускається. Це може проявлятися по-різному:
1) При включенні блоку живлення вентилятор «смикається», тобто здійснює декілька обертів і зупиняється; після цього вихідні напруги повністю відсутні, тобто джерело живлення блокується.
2) Після включення блока живлення вентилятор «смикається» постійно, на виходах блоку харчування можна спостерігати пульсації напруги, тобто захист спрацьовує періодично, але блок живлення при цьому повністю не блокується.
3) Ознакою несправності діодів Шоттки є надзвичайно сильний розігрів вторинного радіатора, на якому вони встановлені.
4) Ознакою витоку діодів Шоттки може бути мимоволі вимкнення блоку живлення, а значить і комп'ютера, при збільшенні навантаження (наприклад, при запуску програм, що забезпечують 100% завантаження процесора), а також неможливість запустити комп'ютер після «апгрейда», хоча потужність блоку живлення є достатньою.

Крім того, необхідно усвідомлювати, що в блоках харчування з поганою і непродуманої схемотехніка, витоку випрямних діодів призводять до перевантажень первинної ланцюга і до сплесків струму через силові транзистори, що може стати причиною їх відмови. Таким чином, професійний підхід до ремонту блоків живлення, диктує обов'язкову перевірку вторинних випрямних діодів при кожній заміні силових транзисторів-ключів первинної частини блоку живлення.

Діагностика діодів Шоттки

Перевірка і точна діагностика діодів Шоттки, на практиці, є досить непростою справою, оскільки багато чого тут визначається типом використовуваного вимірювального приладу і досвідом подібних вимірів, хоча визначити звичайний пробій одного або двох діодів діодного зборки Шоттки не складає особливих труднощів. Для цього необхідно випаять діодний складання і перевірити тестером так, як це робиться для звичайних діодів. При подібної діагностиці тестер необхідно встановити в режим перевірки діодів. Несправний діод в обох напрямках покаже однакове опір (як правило, дуже мале, тобто покаже коротке замикання), що і вказує на його непридатність для подальшого використання. Однак явні пробою діодних зборок в практиці зустрічаються дуже рідко.

В основному ж, доводиться мати справу з витоками (причому найчастіше з тепловими витоками) діодів Шоттки. А ось витоку, виявити таким способом неможливо. «Витікають» діод при перевірках тестером в режимі «діод» є в переважній більшості випадків повністю справним. Гарантовану точність діагностики, на наш погляд, дозволяє дати тільки такий метод, як заміна діод на завідомо справний аналогічний прилад.

Але все-таки, виявити «підозрілий» діод можна спробувати за допомогою методики, що полягає у вимірюванні опору його зворотного переходу. Для цього будемо користуватися не режимом перевірки діодів, а звичайним омметром. Увага! При використанні цієї методики слід пам'ятати, що різні тестери можуть давати відрізняються свідчення, що пояснюється відмінністю самих тестерів.

Отже, встановлюємо межа вимірювань на значення [20К] і вимірюємо зворотне опір діод. Як показує практика, справні діоди на цьому межі вимірювань повинні показувати нескінченно великий опір. Якщо ж при вимірі виявляється якийсь, як правило, невелика опір (2-10 КОМ), то такий діод можна вважати «дуже підозрілою» і його краще замінити, або хоча б перевірити методом заміни. Якщо ж проводити перевірку на межі вимірювань [200К], то навіть справні діоди можуть показувати в зворотному напрямку дуже невелику опір (одиниці і десятки кОм), тому і рекомендується використовувати межа [20К]. Природно, що на великих межах вимірювань (2 МОМ, 20 МОм і т.д.) навіть абсолютно справний діод виявляється повністю відкритим, тому що його pn переходу додається занадто висока (для діодів Шоттки) зворотне напруга. На межі [200К] можна проводити перевірку порівняльним методом, тобто брати гарантовано-справний діод, вимірювати його зворотне опір і порівнювати з опором перевіряється діод. Значні відмінності в цих вимірах будуть вказувати на необхідність заміни діодного зборки.

Іноді трапляються ситуації, коли виходить з ладу тільки один з діодів збірки. У цьому випадку несправність також легко виявляється методом порівняння зворотного опору двох діодів однієї збірки. Діоди однієї збірки повинні мати однакову опір.

Запропоновану методику можна доповнити ще й перевіркою на термічну стійкість. Суть цієї перевірки полягає в наступному. У той момент часу, коли перевіряється опір зворотного переходу на межі вимірювань [20K] (див. попередній абзац), необхідно торкнутися розігрітому паяльником контактів діодного зборки, забезпечуючи тим самим прогрів її кристалу. Несправна діодний збірка практично миттєво починає «плисти», тобто її зворотне опір починає дуже швидко зменшуватися, в той час як справно діодний зборка досить довго утримує зворотне опір на нескінченно великому значенні. Ця перевірка дуже важлива, тому що при роботі діодний збірка сильно нагрівається (не дарма ж її розміщують на радіаторі) і внаслідок нагрівання змінює свої характеристики. Розглянута методика забезпечує перевірку стійкості характеристик діодів Шоттки до температурних коливань, адже збільшення температури корпусу до 100 або 125 ° C збільшує значення зворотного струму витоку в сто

Ось так можна спробувати перевірити діод Шоттки, однак запропонованими методиками не варто зловживати, тобто не слід проводити перевірки на надто великій межі вимірювань опору і занадто сильно розігрівати діод, т.к. теоретично, все це може призвести до пошкодження діод.

Крім того, із-за можливості відмови діодів Шоттки під дією температури, необхідно суворо дотримуватися всі рекомендовані умови пайки (температурний режим і час пайки). Хоча треба віддати належне виробникам діодів, так як багато хто з них домоглися того, що монтаж збірок можна здійснювати при високій температурі 250  C протягом 10 секунд.