Вах диода шоттки

Когда видишь в спецификациях ?Вах диода шоттки?, первое, что приходит в голову — это, конечно, вольт-амперная характеристика. Но в практике, особенно при выборе компонентов для импульсных источников питания, многие почему-то зацикливаются только на прямом падении напряжения Vf. Я сам долгое время так делал, пока не столкнулся с ситуацией, когда диод, казалось бы, с идеальным Vf, на высоких частотах начинал греться так, что плавил припой. Оказалось, что куда важнее смотреть на всю кривую, особенно на обратный ток утечки Ir и его зависимость от температуры. Вот об этом и хочется порассуждать, отталкиваясь от опыта работы с продукцией, которую мы, в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, как раз и разрабатываем — у нас в Жугао это одна из ключевых компетенций.

Почему Vf — это не главное

Взял как-то партию диодов шоттки от одного известного бренда для тестового стенда преобразователя на 100 кГц. По даташиту — Vf просто прекрасный, ниже аналогов. Поставил, запустил — КПД вроде бы неплохой. Но через пару часов работы тепловизор показал температуру корпуса под 110°C при окружающей +25. Причина? Обратный ток восстановления. У классических p-n диодов с этим проблема знакомая, но у шоттки-то его в теории почти нет! На практике — есть, и он сильно зависит от качества металл-полупроводникового перехода и, что критично, от температуры кристалла.

Именно здесь и кроется подвох. Многие инженеры, глядя на вах диода шоттки при 25°C, делают выводы. Но в реальном устройстве, внутри корпуса, под нагрузкой, температура p-n перехода легко может быть 80-100°C. А обратный ток Ir у шоттки растет экспоненциально с температурой. Тот самый диод, у которого при 25°C Ir был 0.1 mA, при 125°C перехода мог уже давать 10-20 mA. А это — постоянные потери, нагрев, и порочный круг.

Поэтому в нашей компании, когда речь заходит о разработке технологического процесса для диодов шоттки, мы фокус смещаем не столько на минимизацию Vf (хотя и это важно), сколько на стабильность барьера Шоттки и контроль качества границы раздела. Нужно добиться, чтобы Ir оставался в разумных пределах во всем рабочем температурном диапазоне. Это сложнее и дороже в производстве, но для конечного устройства — надежнее.

Обратное восстановление и паразитные эффекты

Еще один момент, который часто упускают из виду при взгляде на вах — это поведение диода в момент коммутации. Идеальная характеристика в статике — это одно. А на высоких частотах, в схемах с жестким переключением (hard switching), начинают играть роль паразитные индуктивности выводов и емкость перехода.

Был у меня случай с DC-DC преобразователем для телекоммуникаций. Использовал диоды с, казалось бы, отличными статическими параметрами. Но на осциллографе в момент закрытия диода наблюдался выраженный выброс напряжения — ringing. Проблема была не столько в самом диоде, сколько в том, что его паразитная емкость, взаимодействуя с индуктивностью дорожек, создавала колебательный контур. Пришлось перекладывать плату и добавлять снабберы. После этого я всегда смотрю в даташиты на графики зависимости емкости от обратного напряжения (C-V характеристики) для выбранных диодов.

На нашем производстве в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий мы уделяем внимание и этому аспекту. Конструкция кристалла, геометрия металлизации — все это влияет на паразитные параметры. Для высокочастотных применений мы предлагаем линейки диодов в корпусах с минимальной индуктивностью выводов, например, SMA, SMB, где это критично.

Выбор по применению: низковольтные vs. высоковольтные шоттки

Здесь часто возникает путаница. Многие думают, что диод шоттки — это исключительно для низких напряжений, типа 45В, 60В. Действительно, классические шоттки на основе кремния имеют ограничение по максимальному обратному напряжению (обычно до 200В) из-за роста тока утечки. Но технологии не стоят на месте.

Для применений, где нужно и высокое напряжение, и высокочастотное переключение, мы в качестве альтернативы иногда рассматриваем диоды с барьером Шоттки на карбиде кремния (SiC). У них и Vf хороший, и напряжение может быть киловольтным, и температурная стабильность выше. Но цена, конечно, другая. Поэтому для массовых решений в диапазоне 100-200В мы оптимизируем наши кремниевые диоды шоттки, жертвуя чуть большим Vf ради приемлемого Ir на высоких температурах.

Например, для выходных выпрямителей в импульсных блоках питания компьютеров и серверов, где напряжение обычно 12В или 5В, идеально подходят наши низковольтные серии. А вот для коррекции коэффициента мощности (PFC) в тех же блоках, где напряжение на диоде после моста может быть до 400В постоянного тока, уже нужны другие решения — возможно, быстрые диоды (FRED) или те же SiC-шоттки, если бюджет позволяет.

Надежность и долговечность: взгляд из производства

Говоря о вах диода шоттки, нельзя обойти вопрос долгосрочной стабильности параметров. Металл-полупроводниковый переход — вещь деликатная. Миграция атомов металла в полупроводник при длительной работе на высоких температурах может привести к деградации барьера и росту Vf или Ir.

В нашем технологическом процессе на заводе в Жугао мы контролируем это несколькими путями. Во-первых, это выбор правильной металлизации (платина, вольфрам, молибден) и подготовка поверхности кремния. Во-вторых, строгий термический режим при формировании контакта. И в-третьих, конечно, 100% тестирование на горячее (при повышенной температуре) для ключевых параметров, особенно обратного тока.

Помню, как одна партия диодов от стороннего поставщика, проработав год в полевых условиях (устройства стояли в некондиционируемых шкафах), начала массово выходить из строя. Анализ показал именно деградацию барьера Шоттки. С тех пор для ответственных применений мы настаиваем на предоставлении данных по ускоренным испытаниям на старение (HTRB test — High Temperature Reverse Bias) для диодов. Это дает хоть какую-то уверенность.

Практические советы по применению и пару слов о WFdz.ru

Итак, резюмируя опыт. Когда смотришь на вах диода шоттки в даташите:1. Смотри графики Ir от температуры (Tj), а не одно значение при 25°C.2. Обращай внимание на максимальную рабочую температуру перехода (Tj max). Чем она выше при гарантированных параметрах, тем лучше.3. Для высокочастотных схем изучи раздел с динамическими характеристиками: заряд восстановления (Qrr) и паразитную емкость.4. Не забывай про тепловое сопротивление (Rth j-a). От него зависит, насколько сильно будет греться кристалл при заданных потерях.

Что касается нашей продукции, то на сайте wfdz.ru можно найти подробные спецификации на различные серии диодов шоттки — от низковольтных для вторичного выпрямления до более высоковольтных. Мы стараемся в даташитах давать развернутые графики, в том числе и температурные зависимости, чтобы инженер мог сделать осознанный выбор. Наше предприятие в Жугао, том самом ?краю долголетия?, фокусируется именно на глубине разработки технологических процессов, а не только на тиражировании стандартных решений. Поэтому если нужен диод под нестандартные условия — по напряжению, току или температурному диапазону — всегда можно обсудить возможность адаптации.

В конечном счете, понимание реального поведения диода шоттки по его ВАХ приходит только с практикой, а часто и с ошибками. Главное — не останавливаться на первой строчке в таблице параметров, а копать глубже. Как показывает опыт, именно в деталях, вроде того самого обратного тока при 125°C, и кроется разница между работающим прототипом и надежным серийным изделием.