ショットキー ダイオードの構造、利点、現代のエレクトロニクスにおける用途

ショットキー ダイオードは、スイッチング速度が速く、順方向電圧降下が低いことで知られる特別なタイプのダイオードです。電力整流器から高周波回路に至るまで、現代のエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たしています。この記事では、その動作原理、構造、種類、用途、メリット、pn接合ダイオードとの違いについて説明します。

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図 1. ショットキー ダイオードとは何ですか?

ショットキーダイオードとは何ですか?

ショットキー ダイオードは、標準ダイオードに見られる従来の p-n 接合の代わりに金属-半導体接合を使用する特殊なタイプの半導体ダイオードです。ショットキーバリアダイオード (SBD) とも呼ばれます。通常のダイオードとは異なり、ショットキー ダイオードは高速スイッチングと低い順電圧降下向けに設計されているため、電力整流器、RF 検出器、スイッチング電源など、効率と速度が重要となる回路に最適です。

ショットキーダイオードの歴史

図 2. ショットキー ダイオードの進化

のコンセプトは、 ショットキー障壁は 1930 年代に導入され、 ただしショットキーダイオードのみ 1960年代に実現可能になった 半導体製造の進歩に伴い。初期の頃、これらのダイオードは応答時間が非常に速いため、主にマイクロ波および RF 回路で使用されていました。材料科学が進歩するにつれ、 シリコンベースのショットキーダイオード 手頃な価格で信頼性の高い製品となり、パワー エレクトロニクスでの使用への道が開かれました。今日、 などの先進的な素材 ガリウムヒ素 (GaAs) および炭化ケイ素 (SiC) 高温および高電圧アプリケーション向けの高性能ショットキー ダイオードを構築するために使用されます。

ショットキーダイオードの動作原理

図 3. ショットキー ダイオードの動作原理

ショットキー ダイオードの動作は、金属と半導体の間の接合部に形成されるショットキー バリアに基づいています。とき プラチナやモリブデンなどの金属 と接触する シリコンのようなn型半導体、電子は平衡に達するまで半導体から金属に移動します。この移動により、空乏領域とショットキー障壁と呼ばれるポテンシャル障壁が形成されます。順バイアス下では、半導体からの電子がこの障壁を容易に通過して金属に入り、非常に小さな電圧降下で電流が流れることができます。

とき ダイオードは逆バイアスになっており、 障壁の高さが増加し、ほとんどの電流がブロックされますが、真の p-n 接合がないため、少量の漏れ電流が残ります。伝導には多数キャリア（電子）のみが関与し、少数キャリア（正孔）は関与しないため、ショットキー ダイオードには電荷蓄積がなく、通常のダイオードよりもはるかに速いスイッチング速度が可能になります。

ショットキーダイオードの仕様

仕様	典型的な 値/範囲	説明
順電圧降下 (Vf)	0.15V～0.45V	標準シリコンよりもはるかに低い ダイオード (~0.7 V) により、より高い効率が可能になります。
逆方向漏れ電流 (Ir)	比較的高い	逆流時には微小電流が流れる 偏見;温度とともに増加します。
逆降伏電圧 (V)br)	20V～200V	ダイオードの最大逆電圧 壊れる前に我慢できる。
逆回復時間 (trr)	数ナノ秒	非常に高速なスイッチング 充電ストレージはありません。
最大順電流 (Ifmax)	デバイスに依存する	最大連続電流 ダイオードは安全に導通できます。
接合容量	低い	高周波と 高速スイッチング回路。

ショットキーダイオードの種類

図 4. 低障壁ショットキー ダイオード

• 低障壁ショットキーダイオード

低障壁ショットキー ダイオードは、次のように設計されています。 順方向電圧降下が非常に低い、通常は次の範囲にあります 0.15～0.3ボルト これにより、電力損失が大幅に削減され、回路全体の効率が向上します。ただし、これにはトレードオフが伴います。 逆漏れ電流が大きい特に高温では。これらのダイオードは一般的に次の用途で使用されます。 ロジックレベルコンバータ、電源管理回路、RF検出器、バッテリ駆動デバイス。

図 5. ハイバリアショットキーダイオード

• ハイバリアショットキーダイオード

ハイバリアショットキーダイオードは、次のように設計されています。 逆漏れ電流を低減します 低バリアタイプと比較して、提供性が向上 逆阻止能力 より高い電圧下でも安定性が向上します。彼らは、 順方向電圧降下がわずかに高い これは、漏れの減少と信頼性の向上とのトレードオフです。これらのダイオードは次の用途に最適です。 中～高電圧アプリケーション この場合、電圧降下を最小限に抑えることよりも、漏れを低く維持することが重要です。

図 6. シリコン (Si) ショットキー ダイオード

• 炭化ケイ素 (SiC) ショットキー ダイオード

これらのダイオードは、次のような機能があることで知られています。 高電圧、大電流、高温への対応に最適です。 パワーエレクトロニクス など インバータ、DC-DCコンバータ、モータドライブ。炭化ケイ素には、 ワイドバンドギャップこれにより、ダイオードはシリコンダイオードと比較してエネルギー損失が少なく、より高い電圧と温度で効率的に動作することができます。S

図 7. ガリウムヒ素 (GaAs) ショットキー ダイオード

• ガリウムヒ素 (GaAs) ショットキー ダイオード

高周波動作向けに設計されており、RF、マイクロ波、通信回路で一般的に使用されます。GaAsショットキーダイオードは多くの場合に使用されます。 ミキサー、検波器、発振器、周波数逓倍器 レーダーシステム、衛星通信、無線送信機用

ショットキーダイオードの構造と構造

図 10. ショットキー ダイオードの構造と構造

ショットキーダイオードとは、 p-n接合の代わりに金属-半導体接合を使用して構築されています 従来のダイオードに見られるものです。通常、白金、モリブデン、クロム、アルミニウム、タングステンなどの金属の薄層が、n 型半導体 (通常はシリコン) 上に堆積されます。この金属と半導体の界面はショットキー障壁を形成し、ダイオードの整流動作に関与します。

構造には以下が含まれます 3つの主要部分の金属層 として機能します 陽極 そして電子の流れを制御するショットキー障壁を提供します。 n型半導体層 それはとして機能します カソード;順バイアス中に電子がこの層から金属内に移動し、金属半導体コンタクトに空乏領域が形成されます。薄く、最小限の電荷蓄積で高速スイッチングが可能です。

p-n接合ダイオードとは異なり、 ショットキーダイオードにはp型材料はありません。 これは、伝導が多数キャリア（電子）を介してのみ発生することを意味します。これにより、順方向電圧降下が低くなり、スイッチング速度が速くなり、電力損失が低くなります。デバイスは通常、放熱のために金属ベースまたは基板に取り付けられ、アセンブリ全体が環境の影響から保護するためにカプセル化されます。

ショットキーダイオードの応用例

図 11. ショットキー ダイオードのアプリケーション

ショットキー ダイオードは、順方向電圧降下が低く、スイッチング速度が速く、効率が高いため、現代の電子機器で広く使用されています。以下に主なアプリケーションをわかりやすく説明します。

• 電力整流器

電源やコンバータに使用され、電圧損失と発熱を最小限に抑えて AC を DC に効率的に変換します。

• スイッチング回路

素早いスイッチングと短い回復時間が不可欠な高速デジタルおよびロジック回路に最適です。

• クランプおよび保護回路

電圧スパイクをクランプして敏感なコンポーネントを保護し、デジタルまたはRFシステムの損傷を防ぎます。

• RF およびマイクロ波回路

静電容量が低く応答が速いため、無線周波数、レーダー、通信システムで一般的です。

• 電圧クランプと波形整形

波形整形およびクリッピング回路で使用され、信号レベルを安全な制限内に維持します。

• 逆電流保護

バッテリー充電器や太陽光発電システムなどの回路での電流の逆流を防ぎます。

• 回路の電源論理和

大幅な電圧降下を発生させずに複数の電源を切り替えるために使用されます。

• ミキサーと検出器

RF 受信機やマイクロ波検出器に使用され、高速スイッチングにより正確な信号検出が可能になります。

ショットキーダイオードの利点

• 低い順電圧降下

一般的な順方向電圧降下はわずか約 0.2 ～ 0.3 ボルトであるため、特に低電圧アプリケーションにおいて電力損失が低減され、全体の効率が向上します。

• 高速スイッチング速度

少数キャリアからの電荷蓄積がないため、ショットキー ダイオードはナノ秒以内にオン/オフを切り替えることができ、高速回路に最適です。

• 高効率

低い順方向抵抗と最小限の電力損失により、特に電力整流器やスイッチングレギュレータのエネルギー効率が向上します。

• 低電力損失

ダイオード両端の電圧降下が減少することで発熱が最小限に抑えられ、ヒートシンクの小型化とコンパクトな設計が可能になります。

• 優れた熱性能

標準の p-n ダイオードと比較して、より高い周波数と温度で動作できます。

• シンプルな構造

金属と半導体の構造により製造が簡素化され、一貫したパフォーマンスが得られます。

• 高周波用途に最適

低い接合容量と高速回復により、RF、マイクロ波、およびスイッチング電源回路に最適です。

ショットキーダイオードの制限と注意事項

制限事項

• 高い逆漏れ電流: ショットキー ダイオードは、特に高温で逆漏れが多く、不要な電力損失を引き起こす可能性があります。

• 低い逆降伏電圧: 通常は 20 V ～ 200 V なので、高電圧回路での使用は制限されます。

• 温度感度：温度上昇とともに漏れ電流が急激に増加し、性能に影響を与えます。

• 限られた高電圧能力: 薄い空乏領域は、高い逆バイアス下では容易に破壊される可能性があります。

• より高いコスト: 高度なショットキー材料は、標準のシリコン バージョンよりも高価です。

注意事項

• 逆電圧の制限: 接合部の破壊を防ぐため、逆電圧は常に定格値以下に保ってください。

• 適切な放熱を提供する: ヒートシンクまたは優れた PCB 熱設計を使用して温度を管理します。

• 高温環境を避ける：漏れの増加や故障を防ぐため、過度の加熱を防ぎます。

• 定格電圧を注意深く確認してください: アプリケーションに適した逆電圧マージンを持つダイオードを選択してください。

•O使用量を最適化する: 高コストのショットキー ダイオードは、その性能上の利点が必要な場合にのみ使用してください。

ショットキーダイオード回路

電力整流回路

ショットキー ダイオードは、AC を DC に変換する電源整流器 (半波と全波の両方) で広く使用されています。順方向電圧降下が低いため、特にスイッチモード電源において電力損失が最小限に抑えられ、効率が向上します。

クランプ回路

電圧クランプ回路では、ショットキー ダイオードが電圧を安全なレベルに制限または「クランプ」し、敏感なコンポーネントを電圧スパイクから保護します。応答時間が速いため、正確な電圧制限が保証されます。

スイッチング回路

ショットキー ダイオードはナノ秒でオン/オフを切り替えることができるため、トランジスタ スイッチングや信号ルーティング アプリケーションなどの高速ロジックおよびデジタル スイッチング回路に最適です。

逆流防止回路

ショットキー ダイオードは、バッテリ駆動のデバイス、ソーラー パネル、DC コンバータでの電流の逆流を防ぐために使用されます。電圧降下が低いため、標準ダイオードと比較して電力損失が最小限に抑えられます。

RF およびマイクロ波回路

RF (無線周波数) およびマイクロ波システムでは、ショットキー ダイオードは、静電容量が低く、高周波信号に対する応答が速いため、検出器、ミキサー、および周波数逓倍器として機能します。

電圧クリッピング回路

波形の整形や制限に使用されるショットキー ダイオードは、信号のピークをクリップして歪みを防ぎ、回路を過電圧状態から保護します。

ロジック回路（TTLおよびCMOS）

ショットキー ダイオードはショットキー トランジスタ - トランジスタ ロジック (TTL) 回路に組み込まれており、トランジスタの飽和を防ぎ、より高速なスイッチングと伝播遅延の削減を可能にします。

回路の電源論理和

複数の電源を備えたシステムでは、ショットキー ダイオードにより、一度に 1 つの電源のみが負荷に電力を供給します。順方向電圧降下が低いため、大きな電圧損失を生じることなく安定した出力を維持できます。

ショットキーダイオードとPN接合ダイオード

パラメータ	ショットキー ダイオード	型番-N 接合ダイオード
接合タイプ	金属と半導体の接合	P型半導体とN型半導体 ジャンクション
電荷キャリア	多数キャリア（電子） のみ）	多数派も少数派も キャリア
順電圧降下 (Vf)	低、通常 0.2 V ～ 0.3 V	高め、約0.6V～0.7V
スイッチング速度	無課金なのでとても早い ストレージ	少数キャリアのため速度が遅い ストレージ
逆回復時間	非常に短い	比較的長い
逆漏れ電流	漏れ電流が大きい	漏れ電流の低減
逆耐電圧	比較的低い (20 V ～ 200 V)	最大で数千になる可能性があります ボルト
温度安定性	漏れが急激に増加する 温度	温度下でのより安定した バリエーション
電力効率	電圧降下が低いため高い	電圧が高いため中程度 落とす
使用素材	N型半導体を有する金属	P型半導体とN型半導体

結論

ショットキー ダイオードは、その高効率、素早い応答、シンプルな設計が際立っています。リークが高い、逆電圧が低いなどのいくつかの制限はありますが、その利点により、高速および低電力アプリケーションに最適です。全体として、今日の電子システムおよび電力システムにおいて重要なコンポーネントであり続けています。