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1、肖特基整流二极管介绍一、引言肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode简称SBD）是一种金属（或金属硅化物）/ 半导体接触的器件，它是多子器件，主要用其非线性电阻的特性。SBD是最古老的半导体器件，1904年开始，矿石检波器就得到了应用。SBD在超高频及微 波电路中用于检波和混频，都是用其正向非线性电阻的特性。 SBD 长期用金属与半导体接触进 行制作，稳定性差，是可靠性最差的半导体器件之一。八十年代开始对金属硅化物深入研究， 用金属硅化物代替金属，获得了可靠而又重复的肖特基势垒，为大规模生产奠定了基础。各种家用电器、微电脑、汽车电子、通讯设备、仪器、国防军工都要求电子设备
2、轻量化、 小型化，特别是要求采用小型化和高效率的电源。高频开关电源随着工作频率的提高，其体积 和重量都会明显减小，同时效率显著提高，高频开关电源越来越受到人们的重视。 SBD 有三 大特点： （ 1）速度快（多子器件，无少子储存效应） ； （2）正向压降低； （ 3）散热性能好。 SBD 与通常的 PN 结整流器件相比， SBD 具有开关速度快（高频）、导通电压低（高效）、抗电 流浪涌冲击能力强（大电流）。低输出电压（VW24V）的高频开关电源多采用肖特基整流二 极管。世界高频开关电源年销售额约为 500 亿美圆，这是一个巨大的市场!对肖特基整流二极 管的规模生产有巨大的拉动力。SBD制作简单
3、、工艺流程短、成本低、有利于大规模生产。肖特基整流二极管在高频开关电源电路中起开关作用，是用其正、反向非线性电阻的特性 （不再只是用正向非线性电阻的特性）。肖特基整流二极管的名称较多，有功率肖特基二极 管、肖特基续流二极管、大电流肖特基二极管、肖特基开关二极管等等。肖特基势垒与 p-n 结的比较肖特基二极管的势垒可以比做在同一种半导体上的 p-n 结低许多，例如硅， p-n 结的内建 势Vb.20.8V；而肖特基结势垒电势为0.5V0.6V很容易做到。在同一电流密度下，p-n结上 的正向压降比肖特基二极管上的电压降至少高0.3V。换句话说同电压下肖特基势垒的饱和 电流密度比做在同一半导体上的p
4、-n结的饱和电流密度高105倍或更高（0.06V之差，电流密度 差一个数量级）。肖特基二极管特别适用于做低压大电流整流器；反之，也是由于反向电流比 较大，肖特基二极管不能像p-n结一样用作高压低电流整流器。二原理关于SBD （肖特基势垒二极管）的理论计算公式很容易从书上找到。这里不进行SBD的电 流输运方程的推导、也不进行设计计算，主要围绕势垒高度对SBD的重大影响，作一些简单的 计算分析。1. 电流输运方程由热离子发射理论，得到电流输运方程：J = J exp（qV /nkT）-1 （1）FSFBJ = A* T2exp（qQ /kT）（2）SB式中的符号：J为正向电流密度；J为饱和电流密度
5、；V为SBD势垒上的压降；q为元电FSFB荷；n为理想因子；k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；Q 为势垒电位；BA* = 110A*cm-2*K-2为n型硅的里查孙常数、A为电流。一般理论计算公式的正向压降V，其实是势垒上的压降V，而不是二极管的正向压降FFBV 。二极管压降还包含串联电阻（Rs）上的压降V 。FDFSV = V +V（3）FD FB FS对于金属硅化物 / 硅的 SBD， n = 1 成立。一般 V 2.3kT/q , 式（1）方括号中的前面FB 一项远大于 10，后面的 1 可忽略不计。J = A*T2exp（-qQ /kT） exp（qV /kT）（4）FBFB变换一下数学
6、表示方式：J = A*T2expq（V -Q ）/kT（5）FFB B由式(5)看Q的影响就一目了然。SBD势垒上的压降和Q之间是一个简单的相减关系。BB为保持JF不变，当Q B变化时，Vfb必须跟着变相同的值。a B高的，VFB相应地高。FBFB2正向压降(V )的计算。FD考虑到正向电流在外延层和衬底上的压降，还有衬底接触电阻上的压降J P。FCV = J ( P d +P d +P )FS Fe eB BC由式( 5)可算得：V = Q +(kT/q)ln(J/A*T2)FBBFV = Q +(kT/q)ln(J/A*T2)+J ( P d+P d+P )(8)FDBFFe eB BC其
7、中d为外延层厚度，d为衬底厚度。正向压降与势垒高度、温度以及器件的结构参数有 eB密切关系。在给定温度下， 势垒较高的 SBD 其正向压降较大。对一个1mm2的NiSi/Si的SBD进行过计算，对正向压降影响最大的是Q (lOOmV量级)，B其次是外延层(10mV量级)，影响最小的是衬底(mV量级)。接触电阻，做好了的，对正向 压降的影响可忽略不计；而接触做不好的，不能容忍。在工艺上必须要把接触做好， P C 至少 10-6Q -cm2 量级。3. 反向电流的计算。J (0)心-J =-A*T2exp-qQ (0)/kT(9)RSB势垒高度随反向偏压变化。Q (V) = Q (0) -q (V
8、 ) -a E V )(10)B RBB Rmax R式(10)中第二项表示镜像力引起的势垒降低，第三项表示偏压引起的势垒降低。Q (V ) = qE (V) /(4ns ) 1/2(11)B Rmax RSE (V) = 2qN (V -V-kT/q)/s 1/2(12)max RD bi RSV = Q (0)-(kT/q)ln (Nc/ N )(13)biBDa = 6 q / d Ea 一般取 1.7 nm = 17A0BmaxNc 为导带内的有效态密度， Nc 大场强，N为施主浓度，V为内建电压。Dbi对Q =0.7V的SBD进行过计算(300K)B=2.8X10i9/cm3，s $
9、为 Si 的介电常数,E为最maxV = 1VI =RRV = 10VI =RRV = 20VI =RRV = 40VI =RRV = 60VI =RR3.4 I(0)10.2 I(0)18.6 I(0)41.3 I(0)73.8 I(0)理论计算的结果表明， SBD 的反向电流随反向电压增加而增大，不饱和。 对进口样管测 量I , V在-1V - -3V时I -I 。V增大时，I随V增大而增大。R RRSRRR由式(9)， 反向电流随温度变化很大，温度越高， IR 越大。4. 正向与反向的关系。SBD 正、反向特性对势垒高度的要求相互制约。为降低正向导通损耗，须选择较低的势 垒。然而，势垒高
10、度降低，使反向漏电流增加。由式(4)和式(9)可得J J (0) EXP(qV /kT)FRFBJ (0)J xEXP(-qV /kT)(14)RFFBI (0)I x EXP(-qV /kT)(15)RFFB在给定温度下， 正向压降减小时，反向漏电流急剧增加。正、反向特性之间的折衷，由势垒高度决定。较大的正向电流要求SBD的有效面积较大，势垒高度较低，外延层电阻率P e较低，外延 层厚度较薄。然而，欲提高反向击穿电压，要求完全相反。对于功率整流应用，对输出电压(V。)较低的电路，应选择较低势垒的SBD，整流效率会较 高；对输出电压(V。)较高的电路，特别是在高温场合使用的，应选择较高势垒的S
11、BD。生产 厂家应有不同势垒高度的产品，适应用户不同的要求。5势垒高度Q的测量I -V法较简单、直观，和B势垒高度Q已采用I - V、C - V、激活能和光电诸法测量。 SBD的直流参数关系紧密，测量仪器也较简单，采用较多。用 I - V 法测量一系列的正向电流和正向压降，在单对数坐标纸上作图，将电压外推到 零，得到零偏压的电流，即饱和电流I。再测量面积，算得饱和电流密度J。势垒高度QSSB 可由下面的式(16)得到。在单对数坐标纸上也可绘得Q - J的关系直线，已知J就可查得BSSQ 。BQ =(kT/q)ln(A*T2/J )(16)BS6. 相关公式(a) 结电阻R = 6 V/ 6 I
12、 =kT/qI(17)JFkT/q = 25.9mv(在 300K)(b) 整流效率 设输入方波电压，占空比为1/2 .采用高频全波整流。P = V I( 18 )。 。 。P0为输出总功率、v0为输出电压、I0为输出电流。正向导通损耗 P = IV = (P /V) V(19)F 。 F 。 。 FP = (P /V ) + (kT/ q)ln(J /A* T2)+J (P ed+P d + P 丿(20)F。BFF e e B Bc反向功耗P = I V = 2V I = 2(P /J)J =2(P / J ) A* T2 exp-qQ (V )/kT(21)RR R0 R0 F R0 F
13、B Rn = p /(p +p +p ) = 1+p /p +p /p -1(22)00 F RF 0 R 0n = 1+Q +(kT/q)ln(J/A*T2)+J(Pd +P d+ P ) /VBFF e e B Bc0+ (2A* T2)/ JF exp-qQ B(VR)/kT -1(23)肖特基整流二极管的设计是追求最大整流效率n的前提下，综合考虑，折衷选取0、BN、外延层厚度d和有源区面积。De整流效率n与温度有密切的关系。SBD的最佳势垒高度随输出电压变化不明显；随工作温 度有较显著的变化,这是因为漏电流急剧增加的主要原因是工作温度而不是输出电压。在低温 阶段，低势垒 SBD 由于正
14、向压降低，效率较高；随温度上升，尽管漏电流有所增加，但正向压降V随温度升高而下降，故n略有上升；在某一临界温度以上，漏电流急剧增大，使反向损耗 F增大，致使n随之急剧下降。势垒较高的sbd，n下降点对应的温度亦较高。在输出电压较低 (V0W24V),工作温度不高的场合，选用低势垒的SBD，这种使用状态是较普遍的；而需要 工作温度较高(芯片温度2100C )的场合，应选用高势垒的SBD。生产厂家必须生产低势垒的SBD；在有高温用户时，也要生产较高势垒的SBD。7. 实际肖特基结的伏安特性和理想因子(对微波肖特基二极管更适合) 以上考虑的是理想的肖特基结的伏安特性，但实际肖特基二极管的伏安特性则受
15、到各种非 理想因素的影响而偏离理想状态。为了补偿各种非理想因素的影响，实际肖特基结的伏安特性 要用一个特殊的参数n,来进行修正：I(V) = I exp(qV/nkT)-1(24)F0d参数n 个接近于1.0的数，通常在1.0到1.25之间，称之为斜率参数或理想因子。当n 增大时二极管的非线性度减小。通过测量理想因子可以判断生产中制作的肖特基结的质量，以 发现工艺中的问题。计算电流参数IS是非常复杂的，而且没有必要，因为漏电流、电荷产生和隧道效应等对I(V) 的影响要比 IS 大得多。假设全部电流都是热离子发射的传导电流，能导出IS的理想表达式：I = A*T?S exp(qQ /kT)(25)Sb其中A*是有效理查荪(Richardson)常数，对于nSi A
