肖特基二极管的主要用途和原理

2017-10-19 11:33:48 4736 肖特基二极管

0 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。 [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表面电子浓度表面逐渐降轻工业部，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（阳极金属接电源正极，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结整流管称作结整流管，而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管，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，这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本，还改善了参数的一致性。 [编辑本段]优点　　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）。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N型区指向金属，随热电子发射自建场增加，与扩散电流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200Ω～600Ω之间）、电压驻波比（一般≤2）和噪声系数等。 [编辑本段]其它　　1、高压SBD 　　长期以来，在输出12V～24V的SMPS中，次级边的高频整流器只有选用100V的SBD或200V的FRE 　　D。在输出24V～48V的SMPS中，只有选用200V～400V的FRED。设计者迫切需要介于100V～200V之间的150VSBD和用于48V输出SMPS用的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2×8A的STPS16150CT型SBD，起始电压比业界居先进水平的200V/2×8AFRED（如STRR162CT）低0.07V（典型值为0.47V），导通电阻RD（125℃）低6.5mΩ（典型值为40mΩ），导通损耗低0.18W（典型值为1.14W）。　　APT公司推出的APT100S20B、APT100S20LCT和APT2×10IS20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×td 　　在式（1）中，200VSBD的VRRM=200V，IAS为雪崩电流，并且IAS≈IF=100A，EAS=100mJ。在IAS下不会烧毁的维持时间：td=EAS/（VRRM×IAS）=1000mJ/(200V×100A)=5μs。也就是说，SBD在出现雪崩之后IAS=100A时，可保证在5μs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％～15％。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～4×106V/cm），饱合速度快（2×107cm/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SiC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和反向漏电流小的SiCSBD，采用Ni接触与Ti接触相结合、高/低势垒双金属沟槽（DMT）结构的SiCSBD设计方案是可行的。采用这种结构的SiCSBD，反向特性与Ni肖特基整流器相当，在300V的反向偏压下的反向漏电流比平面型Ti肖特基整流器小75倍，而正向特性类似于NiSBD。采用带保护环的6H－SiCSBD，击穿电压达550V。　　据报道，C.M.Zetterling等人采用6HSiC衬底外延10μm的N型层，再用离子注入形成一系列平行P＋条，顶层势垒金属选用Ti，这种结构与图2相类似的结势垒肖特基（JunctionBarrierSchottky，缩写为JBS）器件，正向特性与Ti肖特基势垒相同，反向漏电流处于PN结和Ti肖特基势垒之间，通态电阻密度为20mΩ·cm2，阻断电压达1.1kV，在200V反向偏压下的漏电流密度为10μA/cm2。此外，R·Rayhunathon报道了关于P型4HSiCSBD、6HSiCSBD的研制成果。这种以Ti作为金属势垒的P型4HSiCSBD和6HSiCSBD，反向击穿电压分别达600V和540V，在100V反向偏压下的漏电流密度小于0.1μA/cm2（25℃）。　　SiC是制作功率半导体器件比较理想的材料，2000年5月4日，美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管，其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。　　在SBD方面，采用SiC材料和JBS结构的器件具有较大的发展潜力。在高压功率二极管领域，SBD肯定会占有一席之地。　　--------------------------- 　　肖特基二极管的工作原理　　1．结构原理　　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多属-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表面电子浓度表面逐渐降轻工业部，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如图1所示。它是以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（阻档层）金属材料是钼。二氧化硅（SiO2）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，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Wo变窄。加负偏压-E时，势垒宽度就增加，见图2。　　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-半导管整流管叫作肖特基整流管，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，这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本，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（Qrr→0），使开关特性获得时显改善。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。利用其低压降这特点，能提高低压、大电流整流（或续流）电路的效率。 2
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