📘 Diodo Schottky de Barreira e Baixa Queda Direta

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1. Identificação Normativa e Símbolos

Parâmetro Normativo	Série 1N5817 - 1N5819 (DO-41 / 1 A)	Série 1N5820 - 1N5822 (DO-201AD / 3 A)
Norma Internacional	IEC 60747-2 / JEDEC DO-41	IEC 60747-2 / JEDEC DO-201AD
Tipo de Junção Retificadora	Metal-Semicondutor (Platina/Cromo sobre Silício Tipo N)	Metal-Semicondutor com Anel de Guarda difuso
Queda de Tensão Direta Típica ($V_F$)	$0.30\text{ a }0.45\text{V}$ (metade de um diodo P-N!)	$0.35\text{ a }0.48\text{V}$ sob corrente nominal
Tempo de Recuperação Reversa ($t_{rr}$)	Quase NULO ($<5\text{ns}$): sem recombinação de minoritários	Quase NULO ($<10\text{ns}$)
Frequência Máxima Recomendada	$>1\text{MHz}$ a centenas de $\text{MHz}$ (ideal para chaveadas)	$>500\text{kHz}$
Corrente de Fuga Reversa ($I_R$)	Elevada: $0.1\text{ a }1.0\text{mA}$ @ $100{}^{\circ }\text{C}$ (sensível ao calor)	Elevada: $0.5\text{ a }5.0\text{mA}$ @ $100{}^{\circ }\text{C}$
Símbolo Esquemático (IEC / ANSI)	Triângulo apontando para uma barra com abas em forma de “S” no cátodo	Triângulo apontando para uma barra com abas em forma de “S” no cátodo

graph LR
    subgraph "Simbologia Padrão IEC 60617"
        Anodo["Ânodo (A)"] --> Triangulo["▷|~"] --> Catodo["Cátodo (K)"]
    end

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2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte

Tabela de Chamada Anatômica do Corte

N°	Elemento Construtivo	Material de Engenharia	Função Física e Justificativa de Projeto
①	Metal de Barreira de Ânodo	Platina ($\text{Pt}$), Cromo ($\text{Cr}$) ou Molibdênio evaporado a vácuo	Cria a barreira de potencial de Schottky (${\Phi }_B\approx 0.6\text{eV}$) sobre o silício, garantindo condução direta com apenas $0.35\text{V}$.
②	Anel de Guarda Difuso (Guard Ring)	Região difusa anular de Silício Tipo P ao redor da metalização	Suprime a concentração extrema de linhas de campo elétrico nas bordas metálicas pontiagudas, impedindo quebra prematura por avalanche superficial.
③	Camada Epitaxial N-	Camada delgada de silício levemente dopada cultivada sobre o substrato	Suporta a tensão de bloqueio reversa ($V_{\text{RRM}}$) durante o estado desligado sem permitir corrente de tunelamento.
④	Substrato de Silício N+	Pastilha de silício de baixa resistividade dopada pesadamente	Fornece contato ôhmico de baixíssima resistência série na face traseira do cátodo.
⑤	Óxido de Passivação (${\text{SiO}}_2$)	Dióxido de silício térmico de alta pureza	Isolação dielétrica superficial que cobre as bordas da pastilha contra umidade atmosférica e curtos mecânicos.

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3. Física e Princípios de Funcionamento

3.1 A Junção Metal-Semicondutor e a Redução da Queda Direta ($V_F$)

Ao contrário dos diodos comuns que unem duas fases semicondutoras dopadas (P e N), o diodo Schottky une um metal de alta função de trabalho (${\Phi }_M$) com um semicondutor tipo N de menor afinidade eletrônica (${\chi }_{\text{Si}}$).

A barreira de potencial resultante (Barreira de Schottky ${\Phi }_B$) é dada pela relação de Schottky-Mott: ${\Phi }_B={\Phi }_M-{\chi }_{\text{Si}}$

Em silício comum dopado, essa barreira de potencial é de apenas $\approx 0.55\text{ a }0.65\text{V}$, em comparação com a barreira de $\approx 1.1\text{V}$ de uma junção P-N de silício: $V_F(\text{Schottky})\approx 0.30\text{ a }0.45\text{V}\text{contra}{V}_F(\text{Silıˊcio P-N})\approx 0.70\text{ a }1.0\text{V}$

Impacto Monumental na Eficiência

Em uma fonte chaveada fornecendo $5.0\text{V}$ com corrente de saída de $10.0\text{A}$:

• Um diodo P-N comum com $V_F=0.90\text{V}$ dissipa continuamente: $P_{\text{perda}}=0.90\text{V}\times 10.0\text{A}=9.0\text{W}(\text{queimaria sem dissipador enorme!})$
• Um diodo Schottky com $V_F=0.40\text{V}$ dissipa: P_{\text{perda}} = 0.40\,\text{V} \times 10.0\,\text{A} = \mathbf{4.0\,\text{W}} \quad (\text{Economia direta de mais de 55% de energia!})

3.2 Condução por Portadores Majoritários e Tempo de Recuperação Nulo ($t_{rr}\approx 0$)

Em um diodo retificador P-N comum, a condução envolve injeção em massa de portadores minoritários (lacunas na região N). Quando a polarização se inverte, essas lacunas acumuladas levam microssegundos para serem removidas ($t_{rr}\approx 2000\text{ns}$).

No diodo Schottky:

1. O transporte de carga é realizado puramente por portadores majoritários (elétrons livres) que saltam do silício para o metal por emissão termiônica sobre a barreira.
2. Como não há injeção de lacunas nem recombinação de portadores minoritários na região de base: $\text{A carga armazenada de minoria eˊ rigorosamente ZERO! }(Q_{rr}\approx 0)$
3. O tempo teórico de bloqueio do diodo é instantâneo, limitado unicamente pelo tempo físico necessário para descarregar a capacitância eletrostática da junção ($C_j$ de alguns picofarads): $t_{rr}<5\text{ a }10\text{nanossegundos}$ Isso permite chaveamento com eficiência perfeita em frequências de $100\text{kHz}$, $1\text{MHz}$ e até frequências de radar de dezenas de $\text{GHz}$.

3.3 O Calcanhar de Aquiles: Corrente de Fuga Reversa ($I_R$) e Embalamento Térmico

A grande desvantagem física do diodo Schottky é que sua menor barreira de potencial ${\Phi }_B$, além de facilitar a condução direta, facilita também a emissão termiônica reversa de elétrons sob polarização contrária: $I_R=A\cdot A^{\ast }\cdot T^2\cdot \exp \left(-\frac{q\cdot {\Phi }_B}{k_B\cdot T}\right)$

Onde $A^{\ast }$ é a Constante de Richardson modificada do semicondutor.

Propriedades Críticas da Corrente de Fuga Reversa:

1. A corrente de fuga reversa de um diodo Schottky é centenas de vezes maior que a de um diodo P-N comum ($I_R\approx 100\mu \text{A}\text{ a }20\text{mA}$ em comparação com $<1\mu \text{A}$ no P-N).
2. A corrente de fuga dobra a cada $10{}^{\circ }\text{C}$ de aumento de temperatura!
3. Risco Fatal de Embalamento Térmico (Thermal Runaway): Sob alta tensão reversa contínua $V_R$ em ambiente quente ($T_{\text{amb}}>75{}^{\circ }\text{C}$), a potência dissipada no estado bloqueado reversamente é: $P_{\text{rev}}=V_R\cdot I_R(T)$ Se o dissipador de calor não drenar essa energia rapidamente, a pastilha aquece $\to$ $I_R$ sobe exponencialmente $\to$ $P_{\text{rev}}$ dispara $\to$ o diodo entra em colapso térmico irreversível e entra em curto-circuito pleno!

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4. Exemplo de Aplicação Prática no Mundo Real

Diodo de Roda-Livre (Freewheeling Diode) em Conversor Buck Step-Down (12V para 5V / 2.5A)

Em conversores DC-DC chaveados não síncronos operando em alta frequência ($f_{\text{sw}}=200\text{kHz}$), quando o transistor MOSFET superior abre no ciclo desligado (off-time), a indutância do indutor força a continuidade da corrente com altíssima taxa $di/dt$. O diodo de roda-livre deve entrar em condução instantaneamente para prover um caminho fechado para a corrente da carga e desligar em menos de $10\text{ns}$ assim que o MOSFET voltar a fechar, sem provocar curto transitório no barramento de $12\text{V}$.

flowchart LR
    Vin["Vin (+12.0V DC)"] --> Q1["MOSFET de Potência (Chaveamento 200 kHz)"]
    Q1 --> NodeSW["Nó SW"]
    
    D_Schottky["Diodo Schottky 1N5822 (40V / 3A)"] --> NodeSW
    GND["GND (0V)"] --> D_Schottky
    
    NodeSW --> L1["Indutor de Saída (L = 22µH)"]
    L1 --> Vout["Vout (+5.0V / 2.5A)"]
    Vout --> Cout["Capacitor Filtro (220µF Low-ESR)"]
    Cout --> GND
    Vout --> Load["Carga DC (5.0V / 2.5A)"]
    Load --> GND

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5. Metodologia Completa de Dimensionamento Passo a Passo

Dados de Projeto do Conversor:

• Tensão máxima de entrada do barramento: $V_{\text{in,max}}=14.0{\text{V}}_{\text{DC}}$ (bateria automotiva com alternador ligado).
• Tensão de saída estabilizada: $V_{\text{out}}=5.00{\text{V}}_{\text{DC}}$.
• Corrente de saída máxima contínua: $I_{\text{out}}=2.50\text{A}$.
• Frequência de chaveamento: $f_{\text{sw}}=200\text{kHz}$ ($T_{\text{sw}}=5.0\mu \text{s}$).
• Temperatura ambiente máxima dentro da caixa plástica: $T_{\text{amb}}=55{}^{\circ }\text{C}$.
• Resistência térmica junção-ambiente do diodo montado com trilhas de cobre largas: $R_{\theta ja}=28{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$.

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Passo 1: Cálculo da Tensão Reversa de Pico ($V_{\text{RRM}}$)

Quando o transistor MOSFET liga, o nó de chaveamento (SW) sobe para a tensão de entrada $V_{\text{in}}$. O diodo de roda-livre fica polarizado reversamente com a tensão de entrada: $V_R=V_{\text{in,max}}=14.0{\text{V}}_{\text{DC}}$

Adicionando a sobretensão transitória provocada pela indutância parasita das trilhas da PCB durante a comutação rápida de $200\text{kHz}$ ($V_{\text{spike}}\approx 6.0\text{V}$): $V_{R,\text{pico}}=14.0\text{V}+6.0\text{V}=20.0\text{V}$

Aplicando uma margem de segurança de engenharia de $2.0\times$: $V_{\text{RRM,mıˊn}}\ge 2.0\times 20.0\text{V}=40.0\text{V}$

Seleção da Família de Tensão: Requer especificação de $V_{\text{RRM}}\ge 40\text{V}$.

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Passo 2: Cálculo da Corrente Média Direta ($I_{\text{D(AV)}}$)

A razão cíclica do conversor Buck é: $D=\frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in,nom}}}=\frac{5.00\text{V}}{12.0\text{V}}=0.417(41.7\%)$

O diodo de roda-livre conduz apenas durante o intervalo em que o MOSFET está desligado ($t_{\text{off}}$): $\text{Duty Cycle do Diodo}=(1-D)=1-0.417=0.583(58.3\%)$

A corrente média contínua através do diodo é: $I_{\text{D(AV)}}=I_{\text{out}}\cdot (1-D)=2.50\text{A}\times 0.583=1.458\text{A}$

Corrente de pico no diodo: $I_{\text{pico}}\approx I_{\text{out}}=2.50\text{A}$.

Seleção do Modelo Comercial:

• O modelo 1N5819 suporta apenas $I_{\text{F(AV)}}=1.0\text{A}$ (queimaria por sobrecorrente).
• Seleciona-se o modelo 1N5822 (ou MBR340):
  • Tensão nominal de bloqueio: $V_{\text{RRM}}=40\text{V}$ ($=40.0\text{V}$ requeridos).
  • Corrente média direta nominal: $I_{\text{F(AV)}}=3.0\text{A}$ (> 1.458\,\text{A} \implies \text{Folga de 51%!}).
  • Queda direta sob $I_F=2.5\text{A}$ @ $25{}^{\circ }\text{C}$: $V_F\approx 0.44\text{V}$.
  • Queda direta sob $I_F=2.5\text{A}$ aquecido @ $80{}^{\circ }\text{C}$: $V_F\approx 0.38\text{V}$ (devido ao TCR negativo).

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Passo 3: Cálculo das Perdas por Condução Direta ($P_{\text{cond}}$)

$P_{\text{cond}}=V_F\cdot I_{\text{D(AV)}}=0.38\text{V}\times 1.458\text{A}=0.554\text{W}=554\text{mW}$

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Passo 4: Cálculo das Perdas por Corrente de Fuga Reversa ($P_{\text{rev}}$)

Durante o intervalo em que o MOSFET conduz ($D=41.7\%$), o diodo está bloqueado sob $V_R=14.0\text{V}$. Consultando o datasheet do 1N5822 para a temperatura esperada de regime na junção ($\approx 75{}^{\circ }\text{C}$):

• Corrente de fuga reversa a quente: $I_R\approx 2.5\text{mA}=0.0025\text{A}$.

Potência dissipada durante o estado bloqueado: $P_{\text{rev}}=V_R\cdot I_R\cdot D=14.0\text{V}\times 0.0025\text{A}\times 0.417=0.0146\text{W}\approx 15\text{mW}$

Potência total dissipada no diodo Schottky: $P_{\text{total}}=P_{\text{cond}}+P_{\text{rev}}=0.554\text{W}+0.015\text{W}=0.569\text{W}$

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Passo 5: Verificação da Temperatura de Junção e Margem contra Embalamento Térmico

Com $R_{\theta ja}=28{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$ na temperatura ambiente de $T_{\text{amb}}=55{}^{\circ }\text{C}$: $T_j=T_{\text{amb}}+P_{\text{total}}\cdot R_{\theta ja}=55{}^{\circ }\text{C}+(0.569\text{W}\times 28{}^{\circ }\text{C/W})=55+15.93=70.93{}^{\circ }\text{C}$

Comparação com o limite máximo de catálogo ($T_{j,\max }=125{}^{\circ }\text{C}$ para diodos Schottky): $T_j=70.93{}^{\circ }\text{C}\ll 125{}^{\circ }\text{C}⟹\text{Aprovado com margem de seguranc¸a de 54 °C!}$

Como a potência reversa ($15\text{mW}$) representa menos de $3\%$ da potência total dissipada e a curva de dissipação não se cruza com a curva de resfriamento, o sistema está completamente imune ao risco de fuga térmica (thermal runaway).

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Boas Práticas de Layout

Modos Típicos de Falha

1. Quebra Catastrófica por Picos de Sobretensão de Comutação ($V_{\text{spike}}>V_{\text{RRM}}$): Como a barreira de Schottky não suporta picos além de sua tensão nominal tão bem quanto um Zener, qualquer anelamento indutivo de trilha que passe de $40\text{V}$ perfura a borda da barreira metálica, colocando o diodo em curto-circuito permanente.
2. Embalamento Térmico por Dissipador Insuficiente: Operar o diodo Schottky perto da sua corrente e tensão máximas em painéis selados sem cobre suficiente na PCB faz a corrente de fuga crescer descontroladamente, derretendo o encapsulamento plástico.

Regras Críticas de Montagem em PCB

• Snubber RC de Proteção em Paralelo com o Diodo: Em conversores de alta corrente, conectar um circuito snubber em paralelo com o diodo Schottky ($R_{\text{snub}}\approx 10\Omega$ em série com $C_{\text{snub}}\approx 1\text{nF}$ cerâmico C0G) para amortecer as oscilações parasitas de alta frequência (ringing) da indutância de trilha, mantendo os picos de tensão bem abaixo de $V_{\text{RRM}}$.
• Loop de Menor Área Possível: O laço de corrente formado por $C_{\text{in}}$, MOSFET e Diodo de roda-livre deve ter a menor área geométrica física possível na placa de circuito impresso para minimizar a indutância parasita ($L_{\text{trilha}}<5\text{nH}$).

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Engenhar.IA • Atlas de Componentes Elétricos e Eletrônicos • Área 2