肖特基二极管

《肖特基二极管》由会员分享，可在线阅读，更多相关《肖特基二极管（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、肖特基二极管目录显示编辑本段简介肖特基二极管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（SchottkyBarrierDiode, 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PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-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毫安。这些优良特性是 快恢复二极管 所无法比拟的。中、小功率

2、肖特基整流二极管 大多采用封装形式。编辑本段原理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BA。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从 AB的漂移运动，从而消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

3、的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，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是以N型半导体为基片， 在上面形成用砷作掺杂剂的 N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层。用二氧化硅（SiO2 ）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H-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，N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒，如图所示。当在肖特基势垒两端加上正向偏压邙日极金属接电源正极，n型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖

4、特基势 垒层则变宽，其内阻变大。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结平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世, 还改善了参数的一致性。编辑本段优点这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本,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，以致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 600V1.2kV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

5、速恢复二极管（UFRD ）。目前UFRD的反向恢复时间Trr也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域用1MHz3MHz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。编辑本段结构新型高压 SBD的结构和材料与传统SBD是有区别

6、的。传统SBD是通过金属与半导体接触而构成。金属材料可选用铝、金、钼、镍和钛等，半导体通常为硅（Si ）或砷化镓（GaAs ）。由于电子比空穴迁移率大，为获得良好的频率特性，故选用N型半导体材料作为基片。为了减小SBD的结电容，提高反向击穿电压，同时又不使串联电阻过大，通常是在N+衬底上外延一高阻N薄层。其结构示图如图1 （a）,图形符号和等效电路分别如图1 （ b）和图1 （ c）所示。在图 1 （ c）中，CP是管壳并联电容，LS是引线电感， RS是包括半导体体电阻和引线电阻在内的串联电阻，Cj和Rj分别为结电容和结电阻（均为偏流、偏压的函数）。大家知道，金属导体内部有大量的导电电子。当金

7、属与半导体接触（二者距离只 有原子大小的数量级）时，金属的费米能级低于半导体的费米能级。在金属内部和半 导体导带相对应的分能级上，电子密度小于半导体导带的电子密度。因此，在二者接 触后，电子会从半导体向金属扩散，从而使金属带上负电荷，半导体带正电荷。由于 金属是理想的导体，负电荷只分布在表面为原子大小的一个薄层之内。而对于N型半N型区指导体来说，失去电子的施主杂质原子成为正离子，则分布在较大的厚度之中。电子从 半导体向金属扩散运动的结果，形成空间电荷区、自建电场和势垒，并且耗尽层只在 N型半导体一边（势垒区全部落在半导体一侧）。势垒区中自建电场方向由 向金属，随热电子发射自建场增加，与扩散电流

8、方向相反的漂移电流增大，最终达到 动态平衡，在金属与半导体之间形成一个接触势垒，这就是肖特基势垒。在外加电压为零时，电子的扩散电流与反向的漂移电流相等，达到动态平衡。在 加正向偏压（即金属加正电压，半导体加负电压）时，自建场削弱，半导体一侧势垒 降低，于是形成从金属到半导体的正向电流。当加反向偏压时，自建场增强，势垒高 度增加，形成由半导体到金属的较小反向电流。因此，SBD与PN结二极管一样，是一种具有单向导电性的非线性器件。编辑本段特点SBD的主要优点包括两个方面：1 ）由于肖特基势垒高度低于PN结势垒高度，故其正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低（约低 0.2V ）。2）由于SBD

9、是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间，完全不同于 PN结二极管的反向恢复时间。由于SBD的反向恢复电荷非常少，故开关速度非常快，开关损耗也特别小，尤其适合于高频应用。但是，由于 SBD的反向势垒较薄，并且在其表面极易发生击穿，所以反向击穿电压比较低。 由于SBD比PN结二极管更容易受热击穿，反向漏电流比 PN结二极管大。编辑本段应用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 S

10、BD，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200Q600 Q之间）、电压驻波比（一般 W2）和噪声系数等。编辑本段其它1、咼压SBD长期以来，在输出12V24V的SMPS中，次级边的高频整流器只有选用100V的 SBD 或 200V 的 FRED。在输出 24V48V的SMPS 中，只有选用 200V400V 的FRED。设计者迫切需 要介于100V200V 之间的150VSBD 和用于 48V 输出SMPS 用的

11、200VSBD。近两 年来， 美国 IR 公司和 APT 公司以及 ST 公司瞄准高压 SBD 的巨大商机， 先后开发出 150V 和 200V 的 SBD 。这种高压 SBD 比原低压 SBD 在结构上增加了 PN 结工艺， 形成肖特基势垒与 PN 结相结合的混合结构，如图 2 所示。采用这种结构的 SBD ，击 穿电压由 PN结承受。通过调控N区电阻率、外延层厚度和P+区的扩散深度，使反偏时的击穿电压突破了 100V 这个长期不可逾越的障碍， 达到 150V 和 200V 。在正 向偏置时，高压 SBD 的 PN 结的导通门限电压为 0.6V ，而肖特基势垒的结电压仅约 0.3V ，故正向

12、电流几乎全部由肖特基势垒供给。为解决 SBD 在高温下易产生由金属半导体的整流接触变为欧姆接触而失去导 电性这一肖特基势垒的退化问题，APT 公司通过退火处理， 形成金属金属硅化物硅势垒，从而提高了肖特基势垒的高温性能与可靠性。ST 公司研制的 150VSBD ，是专门为在输出 12V 24V 的 SMPS 中替代 200V 的高频 整流FRED而设计的。像额定电流为2X8A的STPS16150CT 型SBD，起始电压比业界居先进水平的200V/2X 8AFRED (如 STRR162CT )低0.07V (典型值为 0.47V ),导通电阻 RD ( 125 C)低6.5mQ (典型值为 4

13、0mQ )，导通损耗低 0.18W (典型值 为 1.14W )。APT 公司推出的 APT100S20B 、APT100S20LCT 和 APT2X 10IS20 型 200VSBD ,正 向平均电流 IF (AV ) =100A，正向压降 VF 0.95V，雪崩能量 EAS=100mJ 。EAS的 表达式为EAS=VRRM IAS xtd在式(1 )中，200VSBD 的 VRRM=200V , IAS 为雪崩电流，并且IASIF=100A, EAS=100mJ 。在 IAS 下不会烧毁的维持时间：td=EAS/ ( VRRMC IAS ) =1000mJ/(200V X 100A)=5

14、ys。也就是说，SBD在出现雪崩之后IAS=100A 时，可保证在 5“之内不会损坏器件。 EAS 是检验肖特基势垒可靠性的重要参量200V/100A 的 SBD 在48V 输出的通信 SMPS 中可替代等额定值的 FRED ，使整流部分的损耗降低 10 1 5。由于 SBD 的超快软恢复特性及其雪崩能量，提高了系统工作频率和可靠性，EMI 也得到显著的改善。业界人士认为，即使不采用新型半导体材料，通过工艺和设计创新，SBD 的耐压有望突破 200V ，但一般不会超过 600V 。2 、 SiC 高压 SBD由于 Si 和 GaAs 的势垒高度和临界电场比宽带半导体材料低，用其制作的SBD击穿

15、电压较低， 反向漏电流较大。 碳化硅 ( SiC )材料的禁带宽度大 (2.2eV 3.2eV) ， 临界击穿电场高( 2V/cm 4X106V/cm )，饱合速度快(2X107cm/s )，热导率高为4.9W/ ( cm-K)，抗化学腐蚀性强，硬度大，材料制备和制作工艺也比较成熟，是目 前制作高耐压、低正向压降和高开关速度SBD 的比较理想的新型材料。1999 年，美国 Purdue 大学在美国海军资助的 MURI 项目中，研制成功 4.9kV 的 Si C 功率 SBD ，使 SBD 在耐压方面取得了根本性的突破。SBD的正向压降和反向漏电流直接影响SBD整流器的功率损耗，关系到系统效率。低正向压降要求有低的肖特基势垒高度，而较高的反向击穿电压要求有尽可能高的势垒高度，这是相矛盾的。因此，对势垒金属必须折衷考虑，故对其选择显得十分重要。对N型SiC来说，Ni和Ti是比较理想的肖特基势垒金属。由于Ni/SiC的势垒高度高于Ti/SiC，故前者有更低的反向漏电流，而后者的正向压降较小。为了获得正向压降 低