Walter Schottky – Κατασκεύασε μόνο διόδους;

Ο Walter Schottky γεννήθηκε στις 23 Ιουλίου του 1886, στην Ζυρίχη. Το ενδιαφέρον του για τις θετικές επιστήμες το κληρονόμησε από τον πατέρα του, καθηγητή μαθηματικών, αν και ο νεαρός Walter βασίλισσα των επιστημών θεωρούσε την φυσική. Ολοκλήρωσε αυτή την κατεύθυνση στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, όπου και απέκτησε διδακτορικό υπό την εποπτεία του ίδιου του Max Planck.

Walter Schottky – πρώτα επιτεύγματα

Ήδη από το έτος 1913, έστρεψε την προσοχή επάνω του, επεξεργαζόμενος και αποδεικνύοντας με πειράματα τον νόμο του χωρητικού φορτίου, το οποίο με το πέρασμα του χρόνου καθιερώθηκε ως η εξίσωση του Schottky ή ως η εξίσωση του Irving Langmuir, ο οποίος επίσης ερεύνησε το θέμα αυτό. Η διατύπωση αφορά την εξάρτηση της πυκνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος από την τάση της ανόδου, σε λαμπτήρα ηλεκτρονίων. Ταυτόχρονα ο φυσικός ερευνούσε την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου στην εκπομπή ηλεκτρονίων, αποτέλεσμα του οποίου ήταν το προαναφερθέν φαινόμενο του Schottky. Η έκρηξη του Α παγκοσμίου πολέμου, δεν επηρέασε σημαντικά την καριέρα του επιστήμονα – η κατάσταση της υγείας του τον προστάτεψε από την κινητοποίηση και την αποστολή στο μέτωπο, κάτι για το οποίο μπορούμε να είμαστε ίσως ευγνώμονες.

Ο Walter Schottky και η Siemens

Το έτος 1916 ο φυσικός ανέστειλε για ένα διάστημα την επιστημονική του καριέρα, προκειμένου να μετατρέψει την ιδέα του σε περισσότερο χειροπιαστό αποτέλεσμα. Σύναψε συνεργασία με την εταιρεία Siemens, με την οποία και συνδέθηκε μέχρι και το τέλος της επαγγελματικής του καριέρας το έτος 1958. Στα εργαστήρια της Siemens ο Walter Schottky κατασεύασε μετ. αλλ. τετράοδο, μικρόφωνο κορδέλας, και κυρίως την δίοδο η οποία φέρει και το επώνυμό του. Αυτό δείχνει πόσο πλούσιο ήταν το πλάτος των ενδιαφερόντων του επιστήμονα, καθώς και η συμβολή του στην ανάπτυξη των ηλεκτρονικών – ο Schottky ανέπτυξε σημαντικά, πρώτα την τεχνολογία των λαμπτήρων, και κατόπιν βοήθησε την εισαγωγή των ημιαγωγικών λύσεων σε επόμενο επίπεδο.

Walter Schottky – Βραβεία και διακρίσεις

Για τα σημαντικά του επιτεύγματα ο φυσικός έλαβε πολλές διακρίσεις, μετ. αλλ. το μετάλλιο Hughes ή το δακτυλίδι του Werner von Siemens. Το όνομα του φέρουν έδρες σε πολλά γερμανικά ινστιτούτα και σχολεία. Ο σύλλογος φυσικών αποδίδει επίσης βραβεία με το όνομά του για σημαντικές επιτυχίες στον κλάδο της φυσικής.

Και αυτό ήταν μόνο η αρχή…

Η δίοδος η οποία φέρει το όνομα του Γερμανού φυσικού, εξακολουθεί να βρίσκει εφαρμογή σε μοντέρνα κυκλώματα, όπως τροφοδοτικά παλμού και μετατροπείς τάσης. Σε μορφή αυτόνομου εξαρτήματος (THT ή SMD) μπορεί να βρεθεί στο εργαστήριο κάθε ηλεκτρονικού. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πως ακόμη και ο ίδιος ο Walter Schottky θα προέβλεπε πόσο μεγάλη διάρκεια ζωής θα είχε η ανακάλυψή του. Επρόκειτο κατά βάση, πρώιμο, (ή ακόμη και πρόωρο) βήμα προς την κατεύθυνση της σμίκρυνσης και των κυκλωμάτων υψηλών συχνοτήτων. Τις πλήρεις δυνατότητες του εξαρτήματος μπορούμε να τις εκτιμήσουμε πλέον στην εποχή μας. Για την ακρίβεια η εξέλιξή του βρίσκεται σε ισχύ, λαμβάνοντας υπόψιν την καινοτομία που είναι συνδεδεμένη με τέτοιες τεχνολογίες όπως συνδετικά κατασκευασμένα με την χρήση πυριτίου (SiC).

and from wikipedia

Δίοδοι ημιαγωγών
Οι περισσότερες σύγχρονες δίοδοι βασίζονται στον ημιαγωγό p-n επαφών. Σε μια p-n δίοδο, συμβατικό ρεύμα μπορεί να ρέει από τη μεριά τύπου p (η άνοδος) στην άλλη μεριά τύπου n (η κάθοδος), αλλά δεν μπορεί να ρέει κατά την αντίθετη κατεύθυνση. Ένας άλλος τύπος διόδου ημιαγωγών, η δίοδος Schottky, σχηματίζεται από την επαφή μεταξύ ενός μετάλλου και ενός ημιαγωγού παρά από μια επαφή p-n.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης ή I-V μιας διόδου ημιαγωγού αποδίδεται στη συμπεριφορά της περιοχής κατάρρευσης η οποία υπάρχει στην επαφή p-n μεταξύ των διαφορετικών ημιαγωγών. Όταν αρχικά δημιουργήθηκε η επαφή p-n, ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας (conduction band) της νοθευμένης-Ν (N-doped) περιοχής διαχέονται στη νοθευμένη-P (P-doped) περιοχή όπου υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός από οπές (μέρη για τα ηλεκτρόνια στα οποία δεν βρίσκεται κανένα ηλεκτρόνιο) με τις οποίες τα ηλεκτρόνια ανασυνδυάζονται. Όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συνδυάζεται με μια οπή, η οπή εξαφανίζεται και το ηλεκτρόνιο παύει να είναι ελεύθερο. Επομένως δυο φορείς αγωγιμότητας εξαφανίστηκαν. Η περιοχή γύρω από την επαφή p-n ελλατώνεται από φορείς αγωγιμότητας και επομένως λειτουργεί ως μονωτής.

Παρόλ’αυτά, το πλάτος κατάρρευσης (depletion width) δεν μπορεί να μεγαλώσει απεριόριστα. Για κάθε ζεύγος ηλεκτρονίο-οπής που ανασυνδυάζονται, ένα θετικά φορτισμένο ‘νοθευμένο’ (dopant) ιόν αφήνεται πίσω στη νοθευμένη-Ν περιοχή και ένα αρνητικά φορτισμένο ‘νοθευμένο’ ιόν αφήνεται στη νοθευμένη-P (P-doped) περιοχή. Καθώς προχωράνε οι ανασυνδυασμοί και περισσότερα ιόντα δημιουργούνται, δημιουργείται ένα αυξανόμενο ηλεκτρικό πεδίο στη ζώνη κατάρρευσης το οποίο επιδρά στην επιβράδυνση και τελικά στη διακοπή των ανασυνδυασμών. Σε αυτό το σημείο, υπάρχει μια ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού στην ζώνη κατάρρευσης. Αν μια εξωτερική τάση εφαρμοστεί στη δίοδο με την ίδια πολικότητα με την ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού, η ζώνη κατάρρευσης συνεχίζει να λειτουργεί ως μονωτής εμποδίζοντας τη διέλευση σημαντικής ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάστροφη πόλωση. Αντίθετα, αν η πολικότητα της εξωτερικής τάσης είναι αντίθετη με την ενσωματωμένη διαφορά δυναμικού, θα συνεχίσουν οι ανασυνδυασμοί με αποτέλεσμα να έχουμε διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της επαφής p-n. Για τις διόδους από πυρίτιο, η εσωτερική τάση είναι περίπου ίση με 0.6 V. Επομένως, αν ένα εξωτερικό ρεύμα περάσει από τη δίοδο, θα δημιουργηθεί στη δίοδο μια τάση περίπου 0.6 V έτσι ώστε η νοθευμένη-P περιοχή να είναι θετική σε σχέση με τη νοθευμένη-Ν περιοχή και η δίοδος χαρακτηρίζεται ως ανοικτή, αφού έχει ορθή πόλωση.

Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V μιας επαφής P-N διόδου.
Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V της διόδου μπορεί να προσεγγιστεί από δυο περιοχές λειτουργίας. Αν η τάση ανάμεσα στα δύο άκρα(leads) είναι κάτω από μια συγκεκριμένη τιμή, η ζώνη κατάρρευσης έχει σημαντικό πλάτος και η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ανοικτό(μη αγώγιμο) κύκλωμα. Όσο η τάση αυξάνεται, σε κάποιο σημείο η δίοδος θα γίνει αγώγιμη και θα επιτρέψει τη διαρροή του ηλεκτρικού ρεύματος, και μπορεί να θεωρηθεί ως μια σύνδεση με μηδενική (ή τουλάχιστον πολύ μικρή) αντίσταση.

Σε μια κανονική δίοδο από πυρίτιο, η πτώση τάσης σε μια αγώγιμη δίοδο είναι περίπου 0.6 με 0.7 volts. Η τιμή αυτή είναι διαφορετική για άλλους τύπους δίοδων – για τις διόδους Schottky μπορεί να είναι 0.2 V και για τις διόδους εκπομπής φωτός (LEDs) μπορεί να είναι 1.4 V ή μεγαλύτερη (στα γαλάζια LEDs μπορεί να φτάνει και τα 4.0 V). Σχετικά με το διάγραμμα της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V, στην περιοχή ανάστροφης πόλωσης για μια κανονική ανορθωτική δίοδο P-Ν, το ρεύμα μέσω της συσκευής είναι πολύ μικρό (της τάξεως των μΑ) για όλες τις ανάστροφες τάσεις μέχρι ένα σημείο που ονομάζεται Κορυφή Ανάστροφης Τάσης (PIV). Μετά από αυτό το σημείο, συμβαίνει μια διαδικασία που ονομάζεται αντίστροφη κατάρρευση η οποία προκαλεί βλάβες στη συσκευή με ταυτόχρονη μεγάλη αύξηση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Για ειδικές περιπτώσεις διόδων όπως η avalanche ή οι δίοδοι zener, η αρχή της Κορυφής Ανάστροφης Τάσης δεν είναι εφαρμόσιμη αφού έχουν μια εσκεμμένη κατάρρευση μετά από ένα γνωστό αντίστροφο ρεύμα έτσι ώστε η αντίστροφη τάση να φτάσει σε μια γνωστή τιμή (η οποία ονομάζεται τάση zener ή τάση κατάρρευσης). Αυτές οι συσκευές όμως έχουν ένα ανώτατο όριο στο ρεύμα και στην ισχύ στην περιοχή zener ή avalanche.

https://el.wikipedia.org/wiki/Δίοδος

from wikipedia