ثنائي شوتكي

ثنائي شوتكي (نسبةً إلى الفيزيائي الألماني والتر إتش. شوتكي )، المعروف أيضًا باسم ثنائي حاجز شوتكي أو ثنائي حاملات الشحنة الساخنة ، هو ثنائي أشباه موصلات يتكون من وصلة بين شبه موصل ومعدن . يتميز بانخفاض جهد التشغيل الأمامي وسرعة تبديل فائقة. ويمكن اعتبار كاشفات شعيرات القطط المستخدمة في بدايات الاتصالات اللاسلكية ومقومات المعادن المستخدمة في تطبيقات الطاقة المبكرة نماذج أولية لثنائيات شوتكي.

عند تطبيق جهد أمامي كافٍ، يسري تيار في الاتجاه الأمامي. يبلغ الجهد الأمامي النموذجي لثنائي السيليكون من نوع p-n ما بين 600 و700 ملي فولت، بينما يتراوح الجهد الأمامي لثنائي شوتكي بين 150 و450 ملي فولت. يتيح هذا الجهد الأمامي المنخفض سرعات تبديل أعلى وكفاءة نظام أفضل.

تتكون وصلة معدنية-شبه موصلة بين معدن وشبه موصل، مما يُنشئ حاجز شوتكي ( بدلاً من وصلة شبه موصل-شبه موصل كما في الثنائيات التقليدية). تشمل المعادن الشائعة الاستخدام الموليبدينوم والبلاتين والكروم والتنغستن، وبعض السيليسيدات (مثل سيليسيد البلاديوم وسيليسيد البلاتين )، بينما يكون شبه الموصل عادةً من السيليكون من النوع السالب (n). ^{[ 1 ]} يعمل الجانب المعدني كأنود ، ويعمل شبه الموصل من النوع السالب (n) ككاثود للثنائي؛ مما يعني أن التيار الكهربائي التقليدي يمكن أن يتدفق من الجانب المعدني إلى جانب شبه الموصل، ولكن ليس في الاتجاه المعاكس. ينتج عن حاجز شوتكي هذا سرعة تبديل عالية جدًا وانخفاضًا طفيفًا في جهد الانحياز الأمامي.

يُحدد اختيار تركيبة المعدن وشبه الموصل جهد الانحياز الأمامي للدايود. يمكن لأشباه الموصلات من النوعين n و p تكوين حواجز شوتكي. مع ذلك، يتميز النوع p عادةً بجهد انحياز أمامي أقل بكثير. ونظرًا لأن تيار التسريب العكسي يزداد بشكل كبير مع انخفاض جهد الانحياز الأمامي، فلا يمكن أن يكون منخفضًا جدًا، لذا يتراوح النطاق المستخدم عادةً بين 0.15 و 0.45  فولت، ونادرًا ما تُستخدم أشباه الموصلات من النوع p. أما سيليسيد التيتانيوم والسيليسيدات المقاومة للحرارة الأخرى، القادرة على تحمل درجات الحرارة اللازمة لتلدين المصدر/المصب في عمليات CMOS، فعادةً ما يكون جهد الانحياز الأمامي فيها منخفضًا جدًا بحيث لا يكون مفيدًا، لذا فإن العمليات التي تستخدم هذه السيليسيدات لا تُنتج عادةً دايودات شوتكي.

مع زيادة تشويب أشباه الموصلات، يقل عرض منطقة الاستنزاف. عند عرض أقل من حد معين، يمكن لحاملات الشحنة أن تنفق عبر منطقة الاستنزاف. عند مستويات تشويب عالية جدًا، لا تعمل الوصلة كمقوم، بل تصبح وصلة أومية. يمكن استغلال هذه الخاصية لتكوين وصلات أومية وثنائيات في آن واحد، حيث يتشكل ثنائي بين السيليسيد ومنطقة من النوع n ذات تشويب منخفض، بينما تتشكل وصلة أومية بين السيليسيد ومنطقة من النوع n أو p ذات تشويب عالٍ. تمثل مناطق النوع p ذات التشويب المنخفض مشكلة، إذ أن الوصلة الناتجة تتميز بمقاومة عالية جدًا لتكوين وصلة أومية جيدة، ولكن بجهد أمامي منخفض جدًا وتسريب عكسي مرتفع جدًا لتكوين ثنائي جيد.

نظراً لحواف وصلة شوتكي الحادة نسبياً، يتولد مجال كهربائي قوي حولها، مما يحد من قيمة عتبة جهد الانهيار العكسي. تُستخدم استراتيجيات متنوعة لتقليل هذا المجال، بدءاً من حلقات الحماية وصولاً إلى تداخل طبقات التمعدن. تستهلك حلقات الحماية مساحة قيّمة من رقاقة المعالج وتُستخدم بشكل أساسي مع الثنائيات الكبيرة ذات الجهد العالي، بينما يُستخدم تداخل طبقات التمعدن بشكل أساسي مع الثنائيات الصغيرة ذات الجهد المنخفض.

تُستخدم ثنائيات شوتكي غالبًا كحلقات مانعة للتشبع في ترانزستورات شوتكي . وتتميز ثنائيات شوتكي المصنوعة من سيليسيد البلاديوم (PdSi) بكفاءتها العالية نظرًا لانخفاض جهدها الأمامي (الذي يجب أن يكون أقل من الجهد الأمامي لوصلة القاعدة-المجمع). كما أن معامل درجة حرارة شوتكي أقل من معامل وصلة القاعدة-المجمع، مما يحد من استخدام PdSi عند درجات الحرارة المرتفعة.

في ثنائيات شوتكي عالية القدرة، تصبح المقاومات الطفيلية للطبقة n+ المدفونة والطبقة n-الطبقة الرقيقة المترسبة ذات أهمية بالغة. وتُعد مقاومة الطبقة الرقيقة المترسبة أكثر أهمية مما هي عليه في الترانزستور، إذ يجب أن يمر التيار عبر كامل سمكها. ومع ذلك، فهي تعمل كمقاومة موازنة موزعة على كامل مساحة الوصلة، وفي الظروف العادية، تمنع حدوث هروب حراري موضعي.

بالمقارنة مع ثنائيات الطاقة من نوع p-n، فإن ثنائيات شوتكي أقل متانة. يكون الوصل في اتصال مباشر مع الطبقة المعدنية الحساسة للحرارة؛ لذا، يمكن لثنائي شوتكي تبديد طاقة أقل من نظيره من نوع p-n ذي الحجم المكافئ والوصلة المدفونة بعمق قبل أن يتعطل (خاصةً أثناء الانهيار العكسي). تتضاءل الميزة النسبية لانخفاض جهد الانحياز الأمامي لثنائيات شوتكي عند تيارات الانحياز الأمامي العالية، حيث يهيمن انخفاض الجهد على المقاومة التسلسلية. ^{[ 2 ]}

_{يُعدّ زمن الاستعادة العكسية ( trr} ) أهمّ فرق بين ثنائي p-n وثنائي شوتكي، حيث ينتقل الثنائي من حالة التوصيل إلى حالة عدم التوصيل. في ثنائي p-n، يتراوح زمن الاستعادة العكسية بين بضعة ميكروثوانٍ وأقل من 100 نانوثانية للثنائيات السريعة، ويُحدّد بشكل أساسي بسعة الانتشار الناتجة عن تراكم حاملات الشحنة الأقلية في منطقة الانتشار أثناء حالة التوصيل. ^{[ 3 ]} أما ثنائيات شوتكي فهي أسرع بكثير لأنها أجهزة أحادية القطب، وسرعتها محدودة فقط بسعة الوصلة. يبلغ زمن التبديل حوالي 100 بيكوثانية للثنائيات ذات الإشارة الصغيرة، ويصل إلى عشرات النانوثوانٍ للثنائيات عالية السعة. مع تبديل وصلة p-n، يوجد أيضًا تيار استعادة عكسية، مما يؤدي في أشباه الموصلات عالية القدرة إلى زيادة ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي . مع ثنائيات شوتكي، يكون التبديل "فوريًا" بشكل أساسي مع تحميل سعوي طفيف فقط، وهو أمر أقل إثارة للقلق. 

لا يكون هذا التبديل "الفوري" هو الحال دائمًا. ففي أجهزة شوتكي ذات الجهد العالي، على وجه الخصوص، تُنشئ بنية حلقة الحماية اللازمة للتحكم في هندسة مجال الانهيار ثنائيًا طفيليًا من نوع p-n بخصائص زمن الاسترداد المعتادة. وطالما أن ثنائي حلقة الحماية هذا غير منحاز انحيازًا أماميًا، فإنه يُضيف سعةً فقط. ولكن إذا تم تشغيل وصلة شوتكي بقوة كافية، فإن الجهد الأمامي سيؤدي في النهاية إلى انحياز كلا الثنائيين انحيازًا أماميًا، وسيتأثر _زمن الاسترداد الفعلي بشكل كبير.

يُقال غالبًا أن ثنائي شوتكي هو جهاز شبه موصل ذو " حاملات أغلبية ". وهذا يعني أنه إذا كان جسم شبه الموصل من النوع n المُطعّم ، فإن حاملات النوع n فقط ( الإلكترونات المتحركة ) تلعب دورًا هامًا في التشغيل الطبيعي للجهاز. تُحقن حاملات الأغلبية بسرعة في نطاق التوصيل للموصل المعدني على الجانب الآخر من الثنائي لتصبح إلكترونات حرة الحركة . لذلك، لا يحدث إعادة تركيب عشوائي بطيء لحاملات النوعين n و p، مما يسمح لهذا الثنائي بإيقاف التوصيل أسرع من ثنائي مقوم p-n العادي . هذه الخاصية، بدورها، تسمح بصغر مساحة الجهاز، مما يُسرّع عملية الانتقال. وهذا سبب آخر يجعل ثنائيات شوتكي مفيدة في محولات الطاقة ذات الوضع التبديل : فالسرعة العالية للثنائي تعني أن الدائرة يمكن أن تعمل بترددات تتراوح بين 200 كيلوهرتز  و 2  ميجاهرتز، مما يسمح باستخدام محاثات ومكثفات صغيرة بكفاءة أعلى مما هو ممكن مع أنواع الثنائيات الأخرى. تعتبر ثنائيات شوتكي ذات المساحة الصغيرة هي قلب أجهزة الكشف عن الترددات الراديوية والخلاطات ، والتي غالباً ما تعمل بترددات تصل إلى 50 جيجاهرتز. 

من أبرز عيوب ثنائيات شوتكي انخفاض جهدها العكسي نسبيًا، وارتفاع تيار التسريب العكسي فيها . ففي ثنائيات شوتكي المصنوعة من السيليكون والمعدن، يكون الجهد العكسي عادةً 50 فولت أو أقل. وتتوفر بعض التصاميم ذات الجهد الأعلى (200 فولت يُعتبر جهدًا عكسيًا عاليًا). ونظرًا لزيادة تيار التسريب العكسي مع ارتفاع درجة الحرارة، فإنه يُسبب مشكلة عدم استقرار حراري ، مما يُحدّ غالبًا من الجهد العكسي المُفيد إلى أقل بكثير من قيمته المُحددة.

مع أن هذه الثنائيات قادرة على تحقيق جهد عكسي أعلى، إلا أنها ستُنتج جهدًا أماميًا أعلى، يُضاهي أنواعًا أخرى من الثنائيات القياسية. ولن يكون لهذه الثنائيات من نوع شوتكي أي ميزة ^{[ 4 ]} إلا إذا كانت هناك حاجة إلى سرعة تبديل عالية.

تتميز ثنائيات شوتكي المصنوعة من كربيد السيليكون بتيار تسريب عكسي أقل بكثير من ثنائيات شوتكي المصنوعة من السيليكون ، بالإضافة إلى جهد أمامي أعلى (حوالي 1.4-1.8  فولت عند 25  درجة مئوية) وجهد عكسي أعلى. اعتبارًا من عام 2011كانت متوفرة من المصنعين بأشكال مختلفة تصل إلى 1700 فولت من الجهد العكسي. ^{[ 5 ]}

يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية، ولا تتأثر خصائصه الحرارية وخصائص التبديل بدرجة الحرارة بشكل كبير. وبفضل التغليف الخاص، يمكن لثنائيات شوتكي المصنوعة من كربيد السيليكون أن تعمل عند درجات حرارة وصلة تزيد عن 500 كلفن (حوالي 200 درجة مئوية)، مما يسمح بالتبريد الإشعاعي السلبي في تطبيقات الفضاء الجوي . ^{[ 5 ]}  

تشمل ثنائيات شوتكي الشائعة مقومات سلسلة 1N58xx ، مثل 1N581x (1 أمبير ) و1N582x (3 أمبير) ذات التركيب المثبت على الثقوب، ^{[ 6 ] [ 11 ]} وSS1x (1 أمبير) وSS3x (3 أمبير) ذات التركيب السطحي. ^{[ 10 ] [ 12 ]} تتوفر مقومات شوتكي بأشكال تغليف سطحية متعددة . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تُستخدم ثنائيات شوتكي ذات الإشارة الصغيرة، مثل 1N5711 ^{[ 7 ]} و1 N6263 ^{[ 15 ]} و1SS106 ^{[ 16 ]} و1 SS108 ^{[ 17 ]} وسلسلة BAT41–43 و45–49 ^{[ 18 ] ، على نطاق واسع في تطبيقات الترددات العالية ككواشف وخلاطات وعناصر غير خطية، وقد حلت محل ثنائيات الجرمانيوم [ 19 ]} . كما أنها مناسبة لحماية الأجهزة الحساسة من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، مثل أجهزة أشباه الموصلات من النوع III-V ، وثنائيات الليزر ، وبدرجة أقل، الخطوط المكشوفة لدوائر CMOS .

تتميز وصلات شوتكي المعدنية-شبه الموصلة في خلفاء عائلة 7400 TTL من الأجهزة المنطقية ، وهي سلسلة 74S و74LS و74ALS، حيث يتم استخدامها كمشابك بيكر بالتوازي مع وصلات القاعدة-المجمع للترانزستورات ثنائية القطب لمنع تشبعها، مما يقلل بشكل كبير من تأخيرات إيقاف التشغيل.

عندما يكون من المرغوب فيه تقليل تبديد الطاقة، يمكن استخدام MOSFET ودائرة تحكم بدلاً من ذلك، في وضع تشغيل يُعرف باسم التقويم النشط .

يوفر الصمام الثنائي الفائق ، الذي يتكون من صمام ثنائي pn أو صمام ثنائي Schottky ومضخم عمليات ، خصائص صمام ثنائي مثالية تقريبًا بسبب تأثير التغذية الراجعة السلبية، على الرغم من أن استخدامه يقتصر على الترددات التي يمكن لمضخم العمليات المستخدم التعامل معها.

يمكن ملاحظة ظاهرة التبلل الكهربائي عند تكوين ثنائي شوتكي باستخدام قطرة من معدن سائل، كالزئبق مثلاً ، ملامسة لشبه موصل، كالسيليكون مثلاً . ويعتمد انتشار القطرة، تبعاً لنوع وكثافة التطعيم في شبه الموصل، على مقدار وإشارة الجهد المطبق على قطرة الزئبق. ^{[ 20 ]} وقد أُطلق على هذه الظاهرة اسم "التبلل الكهربائي لشوتكي". ^{[ 21 ]}

• مكثف متغير السعة ذو حاجز غير متجانس – جهاز أشباه موصلات ذو سعة متغيرة 
• قائمة ثنائيات شوتكي 1N58xx – صفحات ثنائيات شوتكي تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه 
• تأثير شوتكي – ظاهرة في فيزياء المادة المكثفة 

• "خصائص ثنائيات شوتكي" مؤرشفة بتاريخ 21 مارس 2013 على موقع Wayback Machine – PowerGuru
• "مقدمة عن مقومات شوتكي"
• "هل انخفاض الجهد الأمامي الأدنى لثنائيات شوتكي الحقيقية هو الخيار الأفضل دائمًا؟" تطبيق تقني، شركة IXYS .
• "ثنائي شوتكي" في ملاحظات الإلكترونيات