什么是肖特基二极管？

二极管是作为单向开关的两端设备。肖特基是一种金属-半导体二极管，以极低的正向电压著称，其中金属形成阳极，n 型半导体充当阴极。
这种二极管是以德国物理学家华特·萧特基命名的。它也被称为肖特基势垒二极管，表面势垒二极管，低电压二极管，热电子二极管，大多数载流子二极管，和热载流子二极管。肖特基二极管最显著的特点是它的低正向电压范围从150 mV 到450 mV。低正向电压使肖特基二极管成为一个非常高速的开关设备。



肖特基二极管实例

利用轻掺杂 n 型半导体与金属电极连接构成肖特基二极管 a 肖特基二极管。由于金属-半导体结，肖特基二极管没有耗尽层。N 型材料必须轻度掺杂，否则，器件将不能作为整流器运行。在肖特基二极管中，电流流动是由于大多数电荷载流子，即正向偏置时的电子。在反向偏压下，反向饱和电流的传导立即停止，因为没有少数电荷载流子，即肖特基二极管结构中的空穴。
肖特基二极管最直接的结构是金属线与轻掺杂 n 型半导体材料之间的点接触。这种结构很简单，但不是很可靠。另一种常用的制造技术是利用真空在 n 型半导体材料上沉积金属。首先，半导体表面由氧化物环保护。然后，使用真空技术将金属沉积在半导体表面上。由于在反向偏置条件下建立的电场，氧化环避免了从半导体中破坏金属表面。在肖特基二极管结构中最常用的金属是硅化物。硅化物已知具有非常低的欧姆电阻，这使得它成为肖特基二极管的首选金属。其他金属，可用于建设肖特基二极管是铝和铂。N 型材料的金属选择和掺杂水平是决定二极管正向电压的关键因素。


肖特基二极管的结构设计

肖特基二极管的符号是一个金属-半导体二极管。它由下面的电路符号表示。


肖特基二极管的电路符号

肖特基二极管的 VI 特性肖特基二极管的电压电流特性如下图所示。


与 PN 二极管和点接触二极管相比，肖特基二极管的 VI 特性图。

在正向条件下，你可能会注意到肖特基二极管的膝电压小于典型的 PN 结二极管。典型 PN 结二极管的正向电压范围为300mv 到900mv。在肖特基二极管的情况下，正向电压范围从150 mV 到450 mV。锗二极管的正向电压为300mv，但它仍然不如肖特基二极管快。其次，PN 结二极管的电压-电流曲线是非线性的，在膝电压以外的电流呈指数上升。由于肖特基二极管中的金属-半导体结，正向偏置区域的 VI 曲线有点线性。如果肖特基二极管的 VI 曲线几乎是线性的，那么它就被认为是欧姆金属-半导体接触。
肖特基二极管
肖特基二极管的工作基本上是一个金属-半导体结。当金属-半导体结表现出整流特性时，就被认为是肖特基二极管。只有在轻掺杂 n 型材料时才能形成这种结。由重掺杂 n 型半导体形成的结不具有整流特性，并且由于线性伏安特性而作为欧姆接触。虽然金属-半导体结实际上没有明确的耗尽层，但是在结点对于多数电荷的载流子仍然有一个潜在的势垒。这就是所谓的肖特基势垒。肖特基势垒的高度很重要。只有当肖特基势垒高度足够时，金属-半导体结才进行整流。高肖特基势垒使电压-电流输出非线性。


功函数，即从离子中释放电子所需的能量，n 型半导体和金属的功函数是不同的。N 型半导体中的电子比金属中的自由电子有更多的势能。金属和半导体功函数的差异等于肖特基势垒高度，这个高度阻止了电子从半导体到金属的任何移动。由于肖特基二极管中没有 p 型半导体，因此空穴不是主要的电荷载流子。
在无偏条件下，当金属和半导体结合时，n 型半导体中的电子由于具有较高的势能而从 n 型材料移动到金属侧。它们在结的半导体一侧留下正离子。这种金属已经有了大量的自由电子。通过 n 型材料的电子在结的金属侧产生负离子。这在金属-半导体结合处形成了一个叫做肖特基势垒的潜在势垒。由于金属已经有许多自由电子，这种势垒的影响只能在半导体方面看到。阻挡层阻止电子从 n 型材料进一步向金属方向移动。电子的转移也使交界处的能级发生弯曲。
当金属侧(阳极)连接到正极，半导体侧(阴极)连接到电池或电压源的负极时，二极管正向偏置。正向电压增加了 n 型材料中电子的动能。然而，这些电子只有获得足够的动能才能穿过金属肖特基势垒。当正向电压增加，n 型材料中的电子获得的动能高于肖特基势垒时，势垒减小。通过二极管的电流开始呈指数增长。由于 PN 结二极管的肖特基势垒比一般 PN 结二极管的势垒小，所以当正向电压增加150 ~ 300 mV 时，电流就开始成指数增长。
需要注意的是，肖特基二极管是单极性器件，而 PN 结二极管是双极性器件。通过肖特基二极管的电流只是由于电子。而在 PN 结二极管中，流过二极管的电流是由电子和空穴引起的。这些空穴在肖特基二极管中完全不存在。
肖特基二极管的规格以下规格在任何肖特基二极管的数据表中都值得注意。

• 正向电压: 这是正向偏置电压，在这个电压下，通过二极管的电流开始呈指数增长。对于所有肖特基二极管来说，这通常是从150 mV 到450 mV。
• 电容: 这是肖特基展示的二极管电容。它位于皮卡拉德范围内。在肖特基二极管的等效模型中，电容必须用相同的电容值代替。
• 反向漏电流: 当施加反向电压时，这是典型的反向电流值。它是指定给定温度的。反向漏电流随温度升高而增大。
• 反向击穿电压: 这是反向偏置肖特基二极管故障的峰值反向电压。
• 反向恢复时间: 肖特基二极管在 ON 和 OFF 状态之间过渡所需的开关时间。它通常以皮秒或纳秒为单位。
• 工作温度: 金属-半导体结能够承受的工作温度
  

肖特基二极管与 PN 结二极管
肖特基二极管是一种单极器件，其电流完全来自电子。肖特基二极管与典型的 PN 结二极管(小信号二极管或整流二极管)有许多不同之处。肖特基二极管由金属与 n 型半导体连接构成，PN 结二极管由 p 型半导体与 n 型半导体连接构成。PN 结二极管是由电子和空穴产生电流的双极器件。肖特基二极管的正向膝电压远小于 PN 结二极管，反向恢复时间和反向恢复损耗也较短。这使得肖特基二极管相比于一个典型的 PN 结二极管高速开关设备。这就是为什么在逻辑电路设计中使用的二极管通常是肖特基。
与 PN 结二极管相比，肖特基二极管具有许多优点。它的导通电压很低。典型 PN 结二极管的导通电压为300ー900 mV，肖特基二极管的导通电压仅为150ー300 mV。肖特基二极管实际上没有耗尽层，因此即使在施加小信号电压时，它也能提供高电流输出。由于同样的原因，它的结电容也较小。当施加小电压时电流立即上升，肖特基二极管的热耗散或能量损失非常低。肖特基二极管有一个最小的反向恢复时间，由于没有任何耗尽层。由于肖特基二极管有显着的电流输出，即使在很小的偏置电压，它是相对无噪声。肖特基二极管优点使其成为小电流和高频应用的首选。
肖特基二极管的缺点肖特基二极管的主要缺点是反向漏电流大。与典型的半导体二极管相比，它们在较低的反向电压下也会崩溃。这就是肖特基二极管只适用于小信号和高频电路的原因。
肖特基二极管的应用肖特基二极管的一些显著应用如下。
通用整流器: 肖特基二极管的快速开关操作使其成为一个合适的信号整流器。肖特基二极管具有高的电流密度和低的正向压降。这样可以最大限度地减少整流电路中的能量损耗。肖特基二极管散热较少，因此需要较小的热沉。这就降低了整流电路的整体成本和尺寸。
太阳能电池: 肖特基二极管有助于太阳能电池的反向电压保护。肖特基二极管的低正向下降使它们在太阳能电路中具有高能效。
箝位: 在晶体管箝位电路中，用肖特基二极管作为开关二极管。为了箝位，肖特基二极管连接在集电极和驱动晶体管的基极之间。当开启时，肖特基二极管在低偏置电压下提供高电流。同样，由于其反向恢复时间要小得多，晶体管的开关时间得到了显著的改善。肖特基二极管已用作逻辑电路的箝位二极管。这些集成电路的电路代码名称中包含 LS 或 s，如74ls 或74s。
功率或电路和开关电源: 由于肖特基二极管具有非常低的正向电压，它们在两个不同的电源驱动负载的电路中非常有用，就像电源和电池一样。这就是肖特基二极管经常用于开关电源和逆变电路的原因。
射频混合和检测: 高电流密度，高开关速度，低结电容，低正向电压使肖特基二极管理想的小电流高频应用。肖特基二极管经常用于二极管环形混频器和射频信号检测器。
可以看出肖特基二极管既适合低信号又适合大功率应用。肖特基二极管的特点是，它们最适合电子应用的两个极端。
肖特基二极管的例子
数以百计的肖特基二极管模型可从几个制造商。肖特基二极管的一些著名例子包括1n5822、 FR107、1N4148W、1N5711、 FR207、 BAT42、1n5828和1n6263。