Le diode Schottky est une autre sorte de diode à semiconducteur qui peut être utilisée dans diverses applications de mise en forme d’ondes, de commutation et de redressement, de la même manière que toute autre diode à jonction. L’avantage principal est que la chute de tension directe d’une diode Schottky est considérablement inférieure à la tension de 0,7 volts d’une diode classique en silicium à jonction pn.

Les diodes Schottky ont de nombreuses applications utiles allant du redressement, du conditionnement du signal et de la commutation, à des portes logiques TTL et CMOS, en raison principalement de leur faible consommation d’énergie et de leur rapidité de commutation. Les portes logiques TTL Schottky sont identifiées par les lettres LS apparaissant quelque part dans leur code de circuit, par exemple, 74LS00.

Les diodes à jonction pn se forment en reliant un matériau à semi-conducteur de type p et un matériau à semi-conducteur de type n, permettant ainsi leur utilisation comme dispositif de redressement. Nous avons vu que lorsqu’elles sont en polarisation directe, la région de déplétion est considérablement réduite, permettant le passage du courant dans le sens direct. En revanche, lorsqu’elles sont en polarisation inverse, la région de déplétion augmente, bloquant le passage du courant.

L’action de la polarisation de la jonction pn en utilisant une tension externe, qu’elle soit en polarisation directe ou inverse, diminue ou augmente respectivement la résistance de la barrière de jonction. Ainsi, la relation tension-courant (courbe caractéristique) d’une diode à jonction pn typique est influencée par la valeur de résistance de la jonction. Il convient de se rappeler que la diode à jonction pn est un dispositif non linéaire, de sorte que sa résistance continue DC variera avec la tension de polarisation et le courant qui la traverse.

Caractéristiques IV des Diodes à Jonction PN

Pour les diodes à jonction en silicium, cette tension de pivot peut varier entre 0,6 et 0,9 volts, en fonction de leur dopage lors de la fabrication, et si l’appareil est une diode à petit signal ou une diode redresseuse beaucoup plus grande. En revanche, la tension de pivot pour une diode au germanium est beaucoup plus basse, environ 0,3 volts, la rendant plus adaptée aux applications à petit signal.

Cependant, il existe un autre type de diode redresseuse ayant une faible tension de pivot ainsi qu’une vitesse de commutation rapide appelée diode à barrière Schottky, ou simplement « diode Schottky ». Les diodes Schottky peuvent être utilisées dans de nombreuses mêmes applications que les diodes à jonction pn classiques et ont de nombreux usages différents, notamment dans la logique numérique, les énergies renouvelables et les applications de panneaux solaires.

La Diode Schottky

Contrairement à une diode à jonction pn classique, qui est formée d’un morceau de matériau de type P et d’un morceau de matériau de type N, les diodes Schottky sont construites à l’aide d’une électrode métallique liée à un semi-conducteur de type N. Comme elles sont construites à l’aide d’un composé métallique d’un côté de leur jonction et de silicium dopé de l’autre côté, la diode Schottky n’a pas de couche de déplétion et est classée comme un dispositif unipolaire, contrairement aux diodes à jonction pn typiques qui sont des dispositifs bipolaires.

Le contact métallique le plus courant utilisé pour la construction de la diode Schottky est le « Silicium » qui est un composé très conducteur de silicium et de métal. Ce contact métal-silicium présente une valeur de résistance ohmique relativement faible, permettant à plus de courant de circuler, produisant une chute de tension directe plus petite d’environ Vƒ<0.4V lors de la conduction. Différents composés métalliques produiront différentes chutes de tension directe, généralement entre 0,3 et 0,5 volts.

Construction et Symbole de la Diode Schottky

Ci-dessus, nous voyons la construction simplifiée et le symbole d’une diode Schottky dans laquelle un semi-conducteur en silicium de type N faiblement dopé est joint à une électrode métallique pour produire ce que l’on appelle une « jonction métal-semiconducteur ». La largeur, et donc les caractéristiques électriques de cette jonction métal-semiconducteur, dépendra grandement du type de composé métallique et de matériau semi-conducteur utilisé dans sa construction, mais lorsqu’elle est en polarisation directe, les électrons se déplacent du matériau de type N vers l’électrode métallique, permettant au courant de circuler. Ainsi, le courant à travers la diode Schottky est le résultat de la dérive des porteurs majoritaires.

Étant donné qu’il n’y a pas de matériau semi-conducteur de type P et donc pas de porteurs minoritaires (trous), lorsque la diode est en polarisation inverse, la conduction s’arrête très rapidement et se transforme en blocage du courant, de manière analogue à une diode à jonction pn classique. Ainsi, pour une diode Schottky, il y a une réponse très rapide aux changements de polarisation, démontrant les caractéristiques d’une diode redresseuse.

Comme discuté précédemment, la tension de pivot à laquelle une diode Schottky s’allume et commence à conduire est beaucoup plus basse que son équivalent à jonction pn, comme le montrent les caractéristiques I-V suivantes.

Caractéristiques IV de la Diode Schottky

Comme nous pouvons le voir, la forme générale des caractéristiques I-V de la diode Schottky métal-semiconducteur est très similaire à celle d’une diode classique à jonction pn, sauf que la tension de pivot à laquelle la diode ms-junction commence à conduire est beaucoup plus basse, environ 0,4 volts.

En raison de cette valeur plus basse, le courant direct d’une diode Schottky en silicium peut être de plusieurs fois supérieur à celui d’une diode à jonction pn typique, selon l’électrode métallique utilisée. Rappelons que la loi d’Ohm nous indique que la puissance est égale à la tension multipliée par l’intensité (P = V*I), donc une chute de tension directe plus petite pour un courant donné dans la diode I_D générera une dissipation de puissance directe inférieure sous forme de chaleur à travers la jonction.

Cette perte de puissance réduite fait de la diode Schottky un bon choix pour des applications à faible tension et à courant élevé, comme les panneaux photovoltaïques solaires, où la chute de tension directe (V_F) à travers une diode à jonction pn standard produirait un effet de chauffage excessif.

Cependant, il faut noter que le courant de fuite inverse (I_R) pour une diode Schottky est généralement beaucoup plus important que pour une diode à jonction pn.

Notez cependant que si la courbe des caractéristiques I-V montre une caractéristique non rectificative plus linéaire, alors il s’agit d’un contact ohmique. Les contacts ohmiques sont couramment utilisés pour connecter des plaquettes de semi-conducteur et des circuits intégrés aux broches ou circuits externes d’un système.

De plus, en raison de la diode Schottky étant fabriquée avec une jonction métal-semiconducteur, elle tend à être légèrement plus chère que les diodes en silicium à jonction pn classiques qui ont des spécifications de tension et de courant similaires. Par exemple, la série Schottky 1N58xx à 1,0 ampère, comparée à la série 1N400x à usage général.

Diodes Schottky dans les Portes Logiques

Les diodes Schottky ont également de nombreuses utilisations dans les circuits numériques et sont largement utilisées dans les portes logiques et circuits de logique d’ampoules Schottky (TTL) en raison de leur réponse en fréquence plus élevée, de leurs temps de commutation réduits et de leur faible consommation d’énergie. Lorsque des temps de commutation rapides sont nécessaires, le TTL basé sur Schottky est le choix évident.

Il existe différentes versions de TTL Schottky, chacune ayant des vitesses et des consommations d’énergie différentes. Les trois séries logiques TTL principales qui utilisent la diode Schottky dans leur construction sont les suivantes :

• TTL Schottky Comprisé (série S) – La série TTL « S » Schottky (74SXX) est une version améliorée de l’original DTL diode-transistor et des portes logiques et circuits 74 série TTL. Les diodes Schottky sont placées à travers la jonction base-collecteur des transistors de commutation pour les empêcher de se saturer et de créer des délais de propagation, permettant une opération plus rapide.
• Schottky à Faible Consommation (série LS) – La vitesse de commutation du transistor, la stabilité et la dissipation de puissance de la série TTL 74LSXX est meilleure que pour la série 74SXX précédente. En plus d’une vitesse de commutation plus élevée, la famille TTL Schottky à faible consommation utilise moins d’énergie, ce qui rend la série TTL 74LSXX un bon choix pour de nombreuses applications.
• Schottky Avancée à Faible Consommation (série ALS) – Des améliorations supplémentaires dans les matériaux utilisés pour fabriquer les jonctions ms des diodes signifient que la série 74LSXX a un temps de délai de propagation réduit et une dissipation de puissance bien plus faible par rapport aux séries 74ALSXX et 74LS. Cependant, étant une technologie plus récente et ayant un design interne plus complexe que les TTL standards, la série ALS est légèrement plus coûteuse.

Transistor Schottky Comprisé

Toutes les portes et circuits TTL Schottky mentionnés précédemment utilisent un transistor Schottky comprisé pour éviter qu’ils ne soient poussés vers la saturation.

Comme montré, un transistor Schottky comprisé est essentiellement un transistor à jonction bipolaire classique avec une diode Schottky connectée en parallèle à sa jonction base-collecteur.

Lorsque le transistor conduit normalement dans la région active de ses courbes de caractéristiques, la jonction base-collecteur est en polarisation inverse, et donc la diode est en polarisation inverse, permettant au transistor de fonctionner comme un transistor npn normal. Cependant, lorsque le transistor commence à se saturer, la diode Schottky devient en polarisation directe et bloque la jonction collecteur-base à sa valeur de pivot de 0,4 volt, maintenant le transistor à l’extérieur de la saturation, car tout courant excessif de base est détourné à travers la diode.

En empêchant les transistors de commutation des circuits logiques de se saturer, cela réduit considérablement leur temps de délai de propagation, rendant les circuits TTL Schottky idéaux pour une utilisation dans des bascules, des oscillateurs et des puces mémoire.

Résumé sur la Diode Schottky

Nous avons vu ici que la diode Schottky, également connue sous le nom de diode à barrière Schottky, est une diode à semi-conducteur à état solide dans laquelle une électrode métallique et un semi-conducteur de type n forment la jonction ms de la diode, lui conférant deux avantages majeurs par rapport aux diodes à jonction pn traditionnelles : une vitesse de commutation plus rapide et une faible tension de polarisation directe.

La jonction métal-semi-conducteur ou ms-Jonction fournit une tension de pivot beaucoup plus basse, typiquement de 0,3 à 0,4 volts, contre une valeur de 0,6 à 0,9 volts observée dans une diode à jonction pn classique en silicium pour la même valeur de courant direct.

Les variations dans les matériaux métalliques et semi-conducteurs utilisés pour leur construction signifient que les diodes Schottky en carbure de silicium (SiC) peuvent s’allumer avec une chute de tension directe aussi faible que 0,2 volts, remplaçant la diode au germanium moins utilisée dans de nombreuses applications nécessitant une basse tension de pivot.

Les diodes Schottky deviennent rapidement le dispositif de redressement privilégié dans les applications à basse tension et à courant élevé, notamment dans les énergies renouvelables et les applications de panneaux solaires.

Cependant, comparativement aux équivalents à jonction pn, les courants de fuite inverse de la diode Schottky sont plus importants et leur tension de claquage inverse est plus faible, autour de 50 volts.

Une tension d’activation plus faible, un temps de commutation plus rapide et une consommation d’énergie réduite font de la diode Schottky un outil extrêmement utile dans de nombreuses applications de circuits intégrés, la série 74LSXX de portes logiques étant la plus commune.

Les jonctions métal-semiconducteur peuvent également être fabriquées pour fonctionner comme des « contacts ohmiques » ainsi que comme des diodes redresseuses, en déposant l’électrode métallique sur des régions semi-conductrices fortement dopées (et donc à faible résistivité). Les contacts ohmiques conduisent le courant également dans les deux directions, permettant aux plaquettes de semi-conducteur et aux circuits de se connecter à des bornes externes.