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肖特基二極管是貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極,以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極,利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因?yàn)镹型半導(dǎo)體中存在著大量的電子,貴金屬中僅有極少量的自由電子,所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然,金屬A中沒有空穴,也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A,B表面電子濃度逐漸降低,表面電中性被破壞,于是就形成勢(shì)壘,其電場(chǎng)方向?yàn)锽→A。但在該電場(chǎng)作用之下,A中的電子也會(huì)產(chǎn)生從A→B的漂移運(yùn)動(dòng),從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后,電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡,便形成了肖特基勢(shì)壘。

典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)體為基片,在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅(SiO2)來消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng),提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)電阻,其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層,其作用是減小陰極的接觸電阻。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),N型基片和陽極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘,如圖所示。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓(陽極金屬接電源正極,N型基片接電源負(fù)極)時(shí),肖特基勢(shì)壘層變窄,其內(nèi)阻變小;反之,若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí),肖特基勢(shì)壘層則變寬,其內(nèi)阻變大。

綜上所述,肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)整流管,而把金屬-半導(dǎo)管整流管叫作肖特基整流管,采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問世,這不僅可節(jié)省貴金屬,大幅度降低成本,還改善了參數(shù)的一致性。

SBD具有開關(guān)頻率高和正向壓降低等優(yōu)點(diǎn),但其反向擊穿電壓比較低,大多不高于60V,最高僅約100V,以致于限制了其應(yīng)用范圍。像在開關(guān)電源(SMPS)和功率因數(shù)校正(PFC)電路中功率開關(guān)器件的續(xù)流二極管、變壓器次級(jí)用100V以上的高頻整流二極管、RCD緩沖器電路中用600V~1.2kV的高速二極管以及PFC升壓用600V二極管等,只有使用快速恢復(fù)外延二極管(FRED)和超快速恢復(fù)二極管(UFRD)。UFRD的反向恢復(fù)時(shí)間Trr也在20ns以上,根本不能滿足像空間站等領(lǐng)域用1MHz~3MHz的SMPS需要。即使是硬開關(guān)為100kHz的SMPS,由于UFRD的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗均較大,殼溫很高,需用較大的散熱器,從而使SMPS體積和重量增加,不符合小型化和輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)。因此,發(fā)展100V以上的高壓SBD,一直是人們研究的課題和關(guān)注的熱點(diǎn)。近幾年,SBD已取得了突破性的進(jìn)展,150V和 200V的高壓SBD已經(jīng)上市,使用新型材料制作的超過1kV的SBD也研制成功,從而為其應(yīng)用注入了新的生機(jī)與活力。

肖特基二極體最大的缺點(diǎn)是其反向偏壓較低及反向漏電流偏大,像使用硅及金屬為材料的肖特基二極體,其反向偏壓額定耐壓最高只到 50V,而反向漏電流值為正溫度特性,容易隨著溫度升高而急遽變大,實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)上需注意其熱失控的隱憂。為了避免上述的問題,肖特基二極體實(shí)際使用時(shí)的反向偏壓都會(huì)比其額定值小很多。不過肖特基二極體的技術(shù)也已有了進(jìn)步,其反向偏壓的額定值最大可以到200V。

新型高壓SBD的結(jié)構(gòu)和材料與傳統(tǒng)SBD是有區(qū)別的。傳統(tǒng)SBD是通過金屬與半導(dǎo)體接觸而構(gòu)成。金屬材料可選用鋁、金、鉬、鎳和鈦等,半導(dǎo)體通常為硅(Si)或砷化鎵(GaAs)。由于電子比空穴遷移率大,為獲得良好的頻率特性,故選用N型半導(dǎo)體材料作為基片。為了減小SBD的結(jié)電容,提高反向擊穿電壓,同時(shí)又不使串聯(lián)電阻過大,通常是在N+襯底上外延一高阻N-薄層。其結(jié)構(gòu)示圖如圖1(a),圖形符號(hào)和等效電路分別如圖1(b)和圖1(c)所示。在圖1(c)中,CP是管殼并聯(lián)電容,LS是引線電感,RS是包括半導(dǎo)體體電阻和引線電阻在內(nèi)的串聯(lián)電阻,Cj和Rj分別為結(jié)電容和結(jié)電阻(均為偏流、偏壓的函數(shù))。 大家知道,金屬導(dǎo)體內(nèi)部有大量的導(dǎo)電電子。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸(二者距離只有原子大小的數(shù)量級(jí))時(shí),金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。在金屬內(nèi)部和半導(dǎo)體導(dǎo)帶相對(duì)應(yīng)的分能級(jí)上,電子密度小于半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子密度。因此,在二者接觸后,電子會(huì)從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散,從而使金屬帶上負(fù)電荷,半導(dǎo)體帶正電荷。由于金屬是理想的導(dǎo)體,負(fù)電荷只分布在表面為原子大小的一個(gè)薄層之內(nèi)。而對(duì)于N型半導(dǎo)體來說,失去電子的施主雜質(zhì)原子成為正離子,則分布在較大的厚度之中。電子從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,形成空間電荷區(qū)、自建電場(chǎng)和勢(shì)壘,并且耗盡層只在N型半導(dǎo)體一邊(勢(shì)壘區(qū)全部落在半導(dǎo)體一側(cè))。勢(shì)壘區(qū)中自建電場(chǎng)方向由N型區(qū)指向金屬,隨熱電子發(fā)射自建場(chǎng)增加,與擴(kuò)散電流方向相反的漂移電流增大,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,在金屬與半導(dǎo)體之間形成一個(gè)接觸勢(shì)壘,這就是肖特基勢(shì)壘。

在外加電壓為零時(shí),電子的擴(kuò)散電流與反向的漂移電流相等,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在加正向偏壓(即金屬加正電壓,半導(dǎo)體加負(fù)電壓)時(shí),自建場(chǎng)削弱,半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)壘降低,于是形成從金屬到半導(dǎo)體的正向電流。當(dāng)加反向偏壓時(shí),自建場(chǎng)增強(qiáng),勢(shì)壘高度增加,形成由半導(dǎo)體到金屬的較小反向電流。因此,SBD與PN結(jié)二極管一樣,是一種具有單向?qū)щ娦缘姆蔷�性器件。

肖特基二極管分為有引線和表面安裝(貼片式)兩種封裝形式。 采用有引線式封裝的肖特基二極管通常作為高頻大電流整流二極管、續(xù)流二極管或保護(hù)二極管使用。它有單管式和對(duì)管(雙二極管)式兩種封裝形式。肖特基對(duì)管又有共陰(兩管的負(fù)極相連)、共陽(兩管的正極相連)和串聯(lián)(一只二極管的正極接另一只二極管的負(fù)極)三種管腳引出方式。

采用表面封裝的肖特基二極管有單管型、雙管型和三管型等多種封裝形式,有A~19種管腳引出方式

SBD的主要優(yōu)點(diǎn)包括兩個(gè)方面:

1、由于肖特基勢(shì)壘高度低于PN結(jié)勢(shì)壘高度,故其正向?qū)�通門限電壓和正向壓降都比PN結(jié)二極管低(約低0.2V)。

2、由于SBD是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件,不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)問題。SBD的反向恢復(fù)時(shí)間只是肖特基勢(shì)壘電容的充、放電時(shí)間,完全不同于PN結(jié)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。由于SBD的反向恢復(fù)電荷非常少,故開關(guān)速度非�？�,開關(guān)損耗也特別小,尤其適合于高頻應(yīng)用。

但是,由于SBD的反向勢(shì)壘較薄,并且在其表面極易發(fā)生擊穿,所以反向擊穿電壓比較低。由于SBD比PN結(jié)二極管更容易受熱擊穿,反向漏電流比PN結(jié)二極管大。

SBD的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)使其適合于在低壓、大電流輸出場(chǎng)合用作高頻整流,在非常高的頻率下(如X波段、C波段、S波段和Ku波段)用于檢波和混頻,在高速邏輯電路中用作箝位。在IC中也常使用SBD,像SBD?TTL集成電路早已成為TTL電路的主流,在高速計(jì)算機(jī)中被廣泛采用。

除了普通PN結(jié)二極管的特性參數(shù)之外,用于檢波和混頻的SBD電氣參數(shù)還包括中頻阻抗(指SBD施加額定本振功率時(shí)對(duì)指定中頻所呈現(xiàn)的阻抗,一般在200Ω~600Ω之間)、電壓駐波比(一般≤2)和噪聲系數(shù)等。

肖特基二極管肖特基(Schottky)二極管,又稱肖特基勢(shì)壘二極管(簡稱 SBD),它屬一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。最顯著的特點(diǎn)為反向恢復(fù)時(shí)間極短(可以小到幾納秒),正向?qū)�通壓降僅0.4V左右。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管,也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號(hào)檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。

一個(gè)典型的應(yīng)用,是在雙極型晶體管 BJT 的開關(guān)電路里面,通過在 BJT 上連接 Shockley 二極管來箝位,使得晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)其實(shí)處于很接近截止?fàn)顟B(tài),從而提高晶體管的開關(guān)速度。這種方法是 74LS,74ALS,74AS 等典型數(shù)字 IC 的 TTL內(nèi)部電路中使用的技術(shù)。

肖特基(Schottky)二極管的最大特點(diǎn)是正向壓降 VF 比較小。在同樣電流的情況下,它的正向壓降要小許多。另外它的恢復(fù)時(shí)間短。它也有一些缺點(diǎn):耐壓比較低,漏電流稍大些。選用時(shí)要全面考慮。

肖特基(Schottky)二極管也稱肖特基勢(shì)壘二極管(簡稱SBD),它是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件,廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動(dòng)器等電路,作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管使用,或在微波通信等電路中作整流二極管、小信號(hào)檢波二極管使用。

性能比較

下表列出了肖特基二極管和超快恢復(fù)二極管、快恢復(fù)二極管、硅高頻整流二極管、硅高速開關(guān)二極管的性能比較。由表可見,硅高速開關(guān)二極管的trr雖極低,但平均整流電流很小,不能作大電流整流用。

檢測(cè)方法

下面通過一個(gè)實(shí)例來介紹檢測(cè)肖特基二極管的方法。檢測(cè)內(nèi)容包括:①識(shí)別電極;②檢查管子的單向?qū)щ娦?③測(cè)正向?qū)�壓降VF;④測(cè)量反向擊穿電壓VBR。

被測(cè)管為B82-004型肖特基管,共有三個(gè)管腳,將管腳按照正面(字面朝向人)從左至右順序編上序號(hào)①、②、③。選擇500型萬用表的R×1檔進(jìn)行測(cè)量,全部數(shù)據(jù)整理成下表:

肖特基二極管測(cè)試結(jié)論:

第一,根據(jù)①-②、③-④間均可測(cè)出正向電阻,判定被測(cè)管為共陰對(duì)管,①、③腳為兩個(gè)陽極,②腳為公共陰極。

第二,因①-②、③-②之間的正向電阻只幾歐姆,而反向電阻為無窮大,故具有單向?qū)щ娦浴?/P>

第三,內(nèi)部兩只肖特基二極管的正向?qū)�通壓降分別為0.315V、0.33V,均低于手冊(cè)中給定的最大允許值VFM(0.55V)。

另外使用ZC 25-3型兆歐表和500型萬用表的250VDC檔測(cè)出,內(nèi)部兩管的反向擊穿電壓VBR依次為140V、135V。查手冊(cè),B82-004的最高反向工作電壓(即反向峰值電壓)VBR=40V。表明留有較高的安全系數(shù)。

高壓SBD

長期以來,在輸出12V~24V的SMPS中,次級(jí)邊的高頻整流器只有選用100V的SBD或200V的FRED。在輸出24V~48V的SMPS中,只有選用200V~400V的FRED。設(shè)計(jì)者迫切需要介于100V~200V之間的150VSBD和用于48V輸出SMPS用的200VSBD。近兩年來,美國IR公司和APT公司以及ST公司瞄準(zhǔn)高壓SBD的巨大商機(jī),先后開發(fā)出150V和200V的SBD。這種高壓SBD比原低壓SBD在結(jié)構(gòu)上增加了PN結(jié)工藝,形成肖特基勢(shì)壘與PN結(jié)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu),如圖2所示。采用這種結(jié)構(gòu)的SBD,擊穿電壓由PN結(jié)承受。通過調(diào)控N-區(qū)電阻率、外延層厚度和P+區(qū)的擴(kuò)散深度,使反偏時(shí)的擊穿電壓突破了100V這個(gè)長期不可逾越的障礙,達(dá)到150V和200V。在正向偏置時(shí),高壓SBD的PN結(jié)的導(dǎo)通門限電壓為0.6V,而肖特基勢(shì)壘的結(jié)電壓僅約0.3V,故正向電流幾乎全部由肖特基勢(shì)壘供給。

為解決SBD在高溫下易產(chǎn)生由金屬-半導(dǎo)體的整流接觸變?yōu)闅W姆接觸而失去導(dǎo)電性這一肖特基勢(shì)壘的退化問題,APT公司通過退火處理,形成金屬-金屬硅化物-硅勢(shì)壘,從而提高了肖特基勢(shì)壘的高溫性能與可靠性。

ST公司研制的150VSBD,是專門為在輸出12V~24V的SMPS中替代200V的高頻整流FRED而設(shè)計(jì)的。像額定電流為2×8A的STPS16150CT型SBD,起始電壓比業(yè)界居先進(jìn)水平的200V/2×8AFRED(如STRR162CT)低0.07V(典型值為0.47V),導(dǎo)通電阻RD(125℃)低6.5mΩ(典型值為40mΩ),導(dǎo)通損耗低0.18W(典型值為1.14W)。

APT公司推出的APT100S20B、APT100S20LCT和APT2×10IS20型200VSBD,正向平均電流IF(AV)=100A,正向壓降VF≤0.95V,雪崩能量EAS=100mJ。EAS的表達(dá)式為

EAS=VRRM×IAS×td

在式(1)中,200VSBD的VRRM=200V,IAS為雪崩電流,并且IAS≈IF=100A,EAS=100mJ。在IAS下不會(huì)燒毀的維持時(shí)間:td=EAS/(VRRM×IAS)=1000mJ/(200V×100A)=5μs。也就是說,SBD在出現(xiàn)雪崩之后IAS=100A時(shí),可保證在5μs之內(nèi)不會(huì)損壞器件。EAS是檢驗(yàn)肖特基勢(shì)壘可靠性的重要參量200V/100A的SBD在48V輸出的通信SMPS中可替代等額定值的FRED,使整流部分的損耗降低10%~15%。由于SBD的超快軟恢復(fù)特性及其雪崩能量,提高了系統(tǒng)工作頻率和可靠性,EMI也得到顯著的改善。

業(yè)界人士認(rèn)為,即使不采用新型半導(dǎo)體材料,通過工藝和設(shè)計(jì)創(chuàng)新,SBD的耐壓有望突破200V,但一般不會(huì)超過600V。

SiC高壓SBD

由于Si和GaAs的勢(shì)壘高度和臨界電場(chǎng)比寬帶半導(dǎo)體材料低,用其制作的SBD擊穿電壓較低,反向漏電流較大。碳化硅(SiC)材料的禁帶寬度大(2.2eV~3.2eV),臨界擊穿電場(chǎng)高(2V/cm~4×106V/cm),飽合速度快(2×107cm/s),熱導(dǎo)率高為4.9W/(cm·K),抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng),硬度大,材料制備和制作工藝也比較成熟,是制作高耐壓、低正向壓降和高開關(guān)速度SBD的比較理想的新型材料。

1999年,美國PUrdue大學(xué)在美國海軍資助的MURI項(xiàng)目中,研制成功4.9kV的SiC功率SBD,使SBD在耐壓方面取得了根本性的突破。 SBD的正向壓降和反向漏電流直接影響SBD整流器的功率損耗,關(guān)系到系統(tǒng)效率。低正向壓降要求有低的肖特基勢(shì)壘高度,而較高的反向擊穿電壓要求有盡可能高的勢(shì)壘高度,這是相矛盾的。因此,對(duì)勢(shì)壘金屬必須折衷考慮,故對(duì)其選擇顯得十分重要。對(duì)N型SiC來說,Ni和Ti是比較理想的肖特基勢(shì)壘金屬。由于Ni/SiC的勢(shì)壘高度高于Ti/SiC,故前者有更低的反向漏電流,而后者的正向壓降較小。為了獲得正向壓降低和反向漏電流小的SiCSBD,采用Ni接觸與Ti接觸相結(jié)合、高/低勢(shì)壘雙金屬溝槽(DMT)結(jié)構(gòu)的SiCSBD設(shè)計(jì)方案是可行的。采用這種結(jié)構(gòu)的SiCSBD,反向特性與Ni肖特基整流器相當(dāng),在300V的反向偏壓下的反向漏電流比平面型Ti肖特基整流器小75倍,而正向特性類似于NiSBD。采用帶保護(hù)環(huán)的6H-SiCSBD,擊穿電壓達(dá)550V。

據(jù)報(bào)道,C.M.Zetterling等人采用6H?SiC襯底外延10μm的N型層,再用離子注入形成一系列平行P+條,頂層勢(shì)壘金屬選用Ti,這種結(jié)構(gòu)與圖2相類似的結(jié)勢(shì)壘肖特基(JunctionBarrierSchottky,縮寫為JBS)器件,正向特性與Ti肖特基勢(shì)壘相同,反向漏電流處于PN結(jié)和Ti肖特基勢(shì)壘之間,通態(tài)電阻密度為20mΩ·cm2,阻斷電壓達(dá)1.1kV,在200V反向偏壓下的漏電流密度為10μA/cm2。此外,R·Rayhunathon報(bào)道了關(guān)于P型4H?SiCSBD、6H?SiCSBD的研制成果。這種以Ti作為金屬勢(shì)壘的P型4H?SiCSBD和6H?SiCSBD,反向擊穿電壓分別達(dá)600V和540V,在100V反向偏壓下的漏電流密度小于0.1μA/cm2(25℃)。

SiC是制作功率半導(dǎo)體器件比較理想的材料,2000年5月4日,美國CREE公司和日本關(guān)西電力公司聯(lián)合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管,其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。

在SBD方面,采用SiC材料和JBS結(jié)構(gòu)的器件具有較大的發(fā)展?jié)摿�。在高壓功率二極管領(lǐng)域,SBD肯定會(huì)占有一席之地。 肖特基二極管常見的型號(hào): MBR300100CT

MBR400100CT

MBR500100CT

MBR600100CT

MBR30050CT

MBR40050CT

MBR50050CT

MBR60050CT