Diodo Schottky | Funcionamento, Características e Aplicações

Você sabe quais são as diferenças entre um diodo Schottky e um diodo de junção P-N? E qual deles é a melhor opção para conversores chaveados? Neste artigo, você vai entender melhor o funcionamento, as características e as aplicações do diodo Schottky. Se ficou curioso, me acompanhe até o final.

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• Estrutura do Diodo Schottky
• Princípio de Funcionamento
• Características do Diodo Schottky
  • Vantagens
  • Desvantagens
• Aplicações do Diodo Schottky na Eletrônica de Potência
• Conclusão
• Referências

Estrutura do Diodo Schottky

Conforme abordado no artigo intitulado Diodo de Potência, os diodos convencionais combinam semicondutores do tipo P e do tipo N para formarem a famosa junção P-N. Por outro lado, o diodo Schottky é formado colocando-se um filme metálico em contato direto com um semicondutor, como ilustrado na Figura 1.

O metal, que pode ser platina, tungstênio, cromo, entre outros, é usualmente depositado sobre um semicondutor do tipo N, devido a maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas. Nesse sentido, a camada metálica representa o ânodo e a camada semicondutora o cátodo.

A combinação da camada de metal com o semicondutor do tipo N também é conhecida como junção M-S (Metal-Semicondutor), e o ponto onde esses dois materiais se encontram é chamado de Barreira Schottky – batizada em homenagem a Walter H. Schottky [1], [2].

Princípio de Funcionamento do Diodo Schottky

O princípio de funcionamento do diodo Schottky se baseia no fato de os elétrons possuírem diferentes energias potenciais em diferentes materiais. Dessa forma, os elétrons do semicondutor têm uma preferência para migrarem ao metal após o contato entre os dois materiais, tendo em vista que a energia potencial do semicondutor é maior que a do metal. Como consequência, o metal ficará carregado negativamente enquanto o semicondutor adquirirá uma carga positiva [3].

Quando esse processo atinge o equilíbrio termo-dinâmico, surge uma região de depleção adjacente à interface (Figura 2), assim como no diodo de junção P-N. No entanto, observe que o fenômeno em questão não envolve cargas minoritárias (as lacunas nesse caso), apenas cargas majoritárias (os elétrons). E essa é a grande diferença entre os diodos Schottky e os diodos de junção P-N.

Apesar disso, o diodo Schottky possui características de retificação semelhantes às da junção P-N, como se pode ver na Figura 3. Em outras palavras, haverá circulação de corrente através do diodo Schottky somente quando uma tensão positiva, maior que a barreira de potencial, for aplicada entre o metal e o semicondutor (i.e., entre o ânodo e o cátodo). Em contrapartida, se a polaridade dessa tensão for invertida, ocorrerá um aumento da barreira de potencial impedindo a circulação de corrente.

Características do Diodo Schottky

A curva I-V característica de um diodo Schottky se assemelha a de um diodo de junção P-N (Figura 4) com as seguintes exceções [4]:

1. A tensão direta do diodo Schottky é menor que a do diodo de junção P-N. Por exemplo, para uma corrente de polarização direta de 2 mA, o diodo Schottky terá uma queda de tensão de ~0,3 V, enquanto o diodo de junção P-N terá uma queda de tensão de ~0,7 V.
2. Para um material semicondutor com a mesma resistividade, a tensão reversa máxima do diodo Schottky é menor que a do diodo de junção, enquanto a corrente de fuga reversa é maior.

Com relação às características dinâmicas, o diodo de barreira Schottky possui uma resposta bem mais rápida que o diodo convencional, mesmo quando comparado aos diodos ultrarrápidos. Isso se deve à operação exclusiva com cargas majoritárias, visto que os elétrons apresentam uma mobilidade elétrica significativamente maior que as lacunas. Além disso, esse tipo de diodo possui baixa capacitância, o que resulta em menores oscilações e ruídos nas aplicações de alta frequência.

A seguir um resumo das principais vantagens e desvantagens do diodo Schottky. Para entender melhor os impactos dessas características nos conversores chaveados, recomendo assistir o vídeo acima.

Vantagens do Diodo Schottky

• Menor queda de tensão direta: a junção M-S apresenta uma camada de depleção mais estreita que a junção P-N, por isso a sua queda de tensão direta é menor.
• Tempo de recuperação reversa muito baixo: por não operar com cargas minoritárias, essa tecnologia de diodos leva muito menos tempo para reorganizar a camada de depleção durante o bloqueio.
• Baixo ruído: uma camada de depleção mais estreita também resulta em um diodo menos capacitivo. Isso significa que, comparado a um diodo de junção P-N, o ruído de toque e outros ruídos capacitivos podem ser evitados, tornando os diodos Schottky a escolha ideal para circuitos de RF e fontes chaveadas.
• Performance: a menor queda de tensão direta e a rápida recuperação reversa resultam em menores perdas por condução e chaveamento, respectivamente.

Desvantagens do Diodo Schottky

• Corrente de fuga: devido à estreita camada de depleção, os diodos Schottky são propensos a altas correntes de fuga em comparação com suas contrapartes de junção P-N.
• Tensão de bloqueio baixa: pelo mesmo motivo acima, esses diodos não suportam altas tensões reversas. Tipicamente, a máxima tensão de bloqueio dos diodos Schottky comerciais gira em torno de 250 V, enquanto alguns modelos de junção P-N suportam tensões acima de 1000 V;
• Temperatura de operação: os diodos Schottky são suscetíveis à geração excessiva de calor durante um grande fluxo de corrente. A combinação de alto calor com aumento da corrente de fuga pode provocar danos severos devido ao fenômeno conhecido como “thermal runaway” [5]. Por isso, é importante realizar o projeto térmico do dissipador com bastante cuidado. Vale destacar ainda que a temperatura máxima de junção em alguns diodos Schottky é de 125°C, enquanto nos diodos de junção P-N varia de 150°C a 175°C.

Aplicações do Diodo Schottky na Eletrônica de Potência

Devido às suas limitações, principalmente com relação à tensão de bloqueio, o diodo Schottky não pode ser utilizado em qualquer aplicação da Eletrônica de Potência. Por exemplo, em uma fonte chaveada de duplo estágio formada por um retificador boost PFC seguido por um conversor flyback (Figura 5), seria possível utilizar um diodo Schottky no secundário do conversor flyback, mas não seria possível utilizá-lo no estágio PFC devido à alta tensão de bloqueio (> 400 V).

De forma resumida, as principais aplicações do diodo de barreira Schottky na Eletrônica de Potência são:

• Conversores chaveados: os diodos Schottky são as melhores opções para conversores chaveadas de baixa tensão pois possuem alta densidade de corrente, resposta rápida e reduzida queda de tensão direta. Essas vantagens contribuem para níveis mais baixos de aquecimento, dissipadores de calor menores e uma maior eficiência geral do sistema eletrônico.
• Grampeamento de tensão: devido à sua baixa queda de tensão direta, os diodos Schottky são frequentemente usados ​​para proteger dispositivos contra sobretensão ou tensão reversa.
• Diodo de bloqueio eficiente: novamente devido à baixa tensão direta, os diodos Schottky podem ser usados ​​em sistemas fotovoltaicos (FV) para evitar que as baterias descarreguem através dos módulos FV quando a geração é menor que a tensão da bateria. Ou para evitar que os módulos se danifiquem em condições de sombreamento parcial devido à correntes reversas [6]. Isso também é válido para outras aplicações onde a corrente é gerada por duas fontes de alimentação paralelas.
• Gate drivers: os diodos Schottky são frequentemente usados em circuitos de comando para MOSFETs e/ou IGBTs, como um meio de proteção ou para acelerar o bloqueio do semicondutor de potência (turn-off diode) [7].

Conclusão

Este artigo abordou o princípio de funcionamento e as principais características do diodo de barreira Schottky. Com base nas suas vantagens, esse tipo de diodo é a melhor opção para conversores chaveados. No entanto, por não suportar tensões reversas muito elevadas, as suas aplicações se limitam a conversores de baixa tensão. Recentemente, os diodos Schottky baseados em Carbeto de Silício (SiC) chegaram para contornar esses problemas, mas isso será tema para um próximo artigo. 

Referências

[1] Wikipedia. “Schottky Barrier”. Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Schottky_barrier.

[2] Digi-Key^®. “Schottky vs Standard Diode”. Disponível em: https://forum.digikey.com/t/schottky-vs-standard-diode/6953.

[3] Jacobus W. Swart. “Materiais Elétricos – Cap. 10 Junções Semicondutoras”. Disponível em: https://www.ccs.unicamp.br/cursos/ee941/download/cap04.pdf.

[4] Macom^®. “Principles, Applications and Selection of Receiving Diodes” Application Note AG314. Disponível em: https://cdn.macom.com/applicationnotes/AG314.pdf.

[5] Rohm Semiconductor^®. “Types of Diodes”. Disponível em: https://www.rohm.com/electronics-basics/diodes/types-of-diodes.

[6] L. A. Hecktheuer, e A. Krenzinger. “Uso de diodos de bypass e de bloqueio na proteção de sistemas fotovoltaicos.” Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica. Vol. 1. 2000.

[7] L. Balogh. “Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits”. Texas Instruments^® Application Report, março de 2017. Disponível em: Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits (Replaces SLUP169) (Rev. A) (ti.com).