肖特基势垒光电二极管原理及应用引言肖特基势垒光电二极管又称金属-半导体光电二极管，其势垒不再是p-n结,而是金属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒1 肖特基势垒二极管结构原理及特性1.1 简述图1 肖特基势垒二极管肖特基二极管（如图1）是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD 是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，缩写成SBD）的简称SBD不是 利用p型半导体与n型半导体接触形成p-n结原理制作的，而是利用金属与半导体 接触形成的金属一半导体结原理制作的因此，SBD也称为金属-半导体（接触） 二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管是近年来问世的低功耗、 大电流、超高速半导体器件其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导 通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培这些优良特性是快恢复二极 管所无法比拟的，中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式1.2结构原理沁檢彳迄疔丁对/仝冨电皈f詁冃長-.RS图2肖特基势垒二极管结构原理及等效电路肖特基势垒二极管（也叫热载子二极管）在机械构造上与点接触二极管很相 似，但它比点接触二极管要耐用，而且功率也更大。
图2 （a）给出了肖特基势垒 二极管的基本构造图2 （b）是其等效电路这种形式的电路是威廉姆•肖特基 （W订liam Schottky）在1938年研究多数载流子的整流现象时提出的肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负 极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件因 为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子 便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散显然，金属A中没有空穴，也就不存在空 穴自A向B的扩散运动随着电子不断从B扩散到A, B表面电子浓度逐渐降低，表 面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B-A但在该电场作用之下， A中的电子也会产生从A-B的漂移运动，从而削弱了由于扩散运动而形成的电场 当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和由于浓度不同引 起的电子扩散运动达到相对的平衡，这时便形成了肖特基势垒典型的肖特基整流管的内部电路结构以N型半导体为基片，在上面形成用砷 作掺杂剂的N-外延层阳极（阻挡层）金属材料是钼二氧化硅（SiO2）是用来 消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值N型基片具有很小的通态电阻，其掺 杂浓度较N-层要高100%倍。
在基片下边形成N+阴极层，其作用是减小阴极的接触 电阻通过调整结构参数，可在基片与阳极金属之间形成合适的肖特基势垒，当 加上正偏压E时，金属A和N型基片B分别接电源的正、负极，此时势垒宽度变窄 加负偏压-E时，势垒宽度就变宽综上所述，肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别，通常将PN 结整流管称作结整流管，而把金属-半导管整流管叫肖特基整流管近年来，采 用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世，这不仅可以大量节省贵金属， 而且还大幅度降低了成本，还改善了参数的一致性肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载 流子的积累，因此，不存在电荷储存问题，使开关特性获得明显改善其反向恢 复时间已能缩短到10ns以内但它的反向耐压值较低，一般不超过去时100V因 此适宜在低压、大电流情况下工作利用肖特基二极管的低压降这一特点，从而 能够提高其在低压、大电流整流（或续流）电路的效率1.3 肖特基势垒二极管特性及应用肖特基势垒二极管属于一种低功耗、超高速半导体器件最显著的特点为反 向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右其多用作高频、 低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路 中作整流二极管、小信号检波二极管使用。
在通信电源、变频器等中比较常见 但是，它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流稍大些选用时要全面考虑1.3.1 性能比较表1 肖特基势垒二极管与其它半导体器件性能比较半导体 器件名称典型产品 型号平均整流 电 I （A） d正向导通电压反向恢复 时间 t （ns）r反向峰值 电压VBM（V）典型值VF（V）最大值 V”（v）肖特基 二极管161CMQ0501600.40.8<1050超快恢复 二极管MUR30100A300.81.0351000快恢复 二极管D25-02150.61.0400200硅咼频 整流管PR300680.61.2400800硅咼速开 关二极管1N41480.150.61.04100速开关二极管的性能比较由表1可见，硅高速开关二极管的反向恢复时间虽极低，但平均整流电流很小，不能作大电流整流用1.3.2 具体应用一个典型的应用是在双极型晶体管BJT的开关电路里面，通过在BJT上连接 Schottky二极管来钳位，使得晶体管在导通状态时处于非常接近截止的状态，从 而提高晶体管的开关速度这种方法是74LS, 74ALS, 74AS等典型数字TTL内部电 路中使用的技术SBD具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，大多 不高于60V,最高仅约100V，以至于限制了其应用范围。
像在开关电源（SMPS） 和功率因数校正（PFC）电路中功率开关器件的续流二极管、变压器次级用100V 以上的高频整流二极管、RCD缓冲器电路中用600V〜1.2kV的高速二极管以及PFC 升压用600V二极管等，只有使用快速恢复外延二极管（FRED）和超快速恢复二极 管（UFRD）O UFRD的反向恢复时间也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域 用1MHz〜3MHz的SMPS需要即使是硬开关为100kHz的SMPS,由于UFRD的导通损耗 和开关损耗均较大，壳温度很高，需用较大的散热器，从而使SMPS体积和重量增 加，不符合小型化和轻薄化的发展趋势因此，发展100V以上的高压SBD，一直 是人们研究的课题和关注的热点近几年，SBD已取得了突破性的进展，150V和 200V的高压SBD已经上市，使用新型材料制作的超过1kV的SBD也研制成功，从而 为其应用注入了新的生机与活力SBD的结构及特点使其适合于在低压、大电流输出场合用作高频整流，在非 常高的频率下（如X波段、C波段、S波段和Ku波段）用于检波和混频，在高速逻 辑电路中用作箝位在IC中也常使用SBD，像SBD TTL集成电路早已成为TTL电路 的主流，在高速计算机中被广泛采用。
除了普通PN结二极管的特性参数之外，用于检波和混频的SBD电气参数还包 括中频阻抗（指SBD施加额定本振功率时对指定中频所呈现的阻抗，一般在200 Q〜600Q之间）、电压驻波比（一般W2）和噪声系数等2 肖特基势垒光电二级管原理介绍图3 肖特基势垒光电探测器就光电流的产生和收集而言，可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个结深 为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结因此在入射的短波辐射中，相当一部 分蓝、紫光和几乎所有的紫外线都在势垒区中被吸收，吸收后所激发的光生载流 子在复合之前就会被强电场扫出这就提高了光生载流子的收集效率，改善了器 件的短波响应一般利用金或铝分别与Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半导体材料接触，制得 各种肖特基结光电二极管金属n型半导体肖特基光伏探测器的结构如图3所示用电阻率p >104（q .cm） 的n型硅片，在其表面形成约几百纳米左右厚的二氧化硅薄膜，再在薄膜上蒸镀 一层厚约几十纳米左右的薄金属，形成肖特基势垒金属与半导体之间势垒高度 为 ，当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子-空穴对，在内电场作用下，电子 移向半导体，空穴移向金属，形成光生电势由于肖特基势垒区在半导体附近表 面处，光直接在势垒区产生载流子，不像p-n结那样载流子必须经过扩散才能到 达结区，这样可以减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失。
因此，肖特基 光电二极管具有响应时间短，量子效率高，可探测5〜10nm的光脉冲信号3 肖特基势垒光电二极管应用及展望在众多类型的探测器中，肖特基势垒探测器制作简单，不存在高温扩散过程， 光响应速度较快肖特基型结构探测器是所有结构中响应最平直的，响应时间在 ns数量级其缺点是受RC时间常数限制而MS M结构的肖特基型紫外光电探测器 由于响应带宽大，噪音小，所以非常适合制作日盲探测器和高速率器件肖特基势垒光电二极管光谱响应范围极宽（0.2-1.1微米），在0.4-0.6微米 波段灵敏度高于一般硅光电二极管，这是该器件的主要优点与其它红外探测器 相比，最大的优点是可直接用硅集成电路工艺，是红外焦平面器件优选的光敏器 件这种器件光敏面可以做的很大，均匀性好，动弹范围大，很适合做四象限探 测器，用于激光跟踪、定位、侦查、制导等系统肖特基势垒还可以做成CCD混 合焦平面器件，其均匀性比一般红外探测器焦平面阵列均匀性高100倍以上，对 提高系统的性能极为有利4 结束语最近作为量子型红外探测器除HgCdTe、InSd等本征结构红外探测器外，还采 用硅和硅化物的肖特基势垒光探测器，但由于器件使用厚的金属电极，响应率不 十分理想，使发展受到一定限制，但随着金属电极薄膜化研究的进展，响应率提 高，并采用硅的超大规模集成电路技术使器件向多元化发展是很有前途的。
参考文献[1] 姜凤贤,王燕涛,马军辉.（1.燕山大学 里仁学院 实验中心 河北 秦皇岛 066004；2.国 家广电总局 2022台 新疆 喀什 844000）.[2] 课本.半导体物理器件.[3] 冯文修.半导体物理学基础教程.[4] 百度百科.。