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肖特基二極體

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肖特基二極體是以其發明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基勢壘二極體(SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD)的簡稱。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結原理製作的,而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結原理製作的。因此,SBD也稱為金屬-半導體(接觸)二極體或表面勢壘二極體,它是一種熱載流子二極體。

1 肖特基二極體 -原理

肖特基二極體是貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極,以N型半導體B為負極,利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而製成的金屬-半導體器件。因為N型半導體中存在著大量的電子,貴金屬中僅有極少量的自由電子,

肖特基二極體肖特基二極體圖解

所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴散。顯然,金屬A中沒有空穴,也就不存在空穴自A向B的擴散運動。隨著電子不斷從B擴散到A,B表面電子濃度表面逐漸降輕工業部,表面電中性被破壞,於是就形成勢壘,其電場方向為B→A。但在該電場作用之下,A中的電子也會產生從A→B的漂移運動,從而消弱了由於擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區后,電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡,便形成了肖特基勢壘。

典型的肖特基整流管的內部電路結構是以N型半導體為基片,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製成阻檔層。用二氧化硅(SiO2)來消除邊緣區域的電場,提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態電阻,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。通過調整結構參數,N型基片和陽極金屬之間便形成肖特基勢壘,如圖所示。當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓(陽極金屬接電源正極,N型基片接電源負極)時,肖特基勢壘層變窄,其內阻變小;反之,若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時,肖特基勢壘層則變寬,其內阻變大。
綜上所述,肖特基整流管的結構原理與PN結整流管有很大的區別通常將PN結整流管稱作結整流管,而把金屬-半導管整流管叫作肖特基整流管,近年來,採用硅平面工藝製造的鋁硅肖特基二極體也已問世,這不僅可節省貴金屬,大幅度降低成本,還改善了參數的一致性。

2 肖特基二極體 -結構

肖特基二極體新型高壓二極體
新型高壓SBD的結構和材料與傳統SBD是有區別的。傳統SBD是通過金屬與半導體接觸而構成。金屬材料可選用鋁、金、鉬、鎳和鈦等,半導體通常為硅(Si)或砷化鎵(GaAs)。由於電子比空穴遷移率大,為獲得良好的頻率特性,故選用N型半導體材料作為基片。為了減小SBD的結電容,提高反向擊穿電壓,同時又不使串聯電阻過大,通常是在N+襯底上外延一高阻N-薄層。CP是管殼並聯電容,LS是引線電感,RS是包括半導體體電阻和引線電阻在內的串聯電阻,Cj和Rj分別為結電容和結電阻(均為偏流、偏壓的函數)。

金屬導體內部有大量的導電電子。當金屬與半導體接觸(二者距離只有原子大小的數量級)時,金屬的費米能級低於半導體的費米能級。在金屬內部和半導體導帶相對應的分能級上,電子密度小於半導體導帶的電子密度。因此,在二者接觸后,電子會從半導體向金屬擴散,從而使金屬帶上負電荷,半導體帶正電荷。由於金屬是理想的導體,負電荷只分佈在表面為原子大小的一個薄層之內。而對於N型半導體來說,失去電子的施主雜質原子成為正離子,則分佈在較大的厚度之中。電子從半導體向金屬擴散運動的結果,形成空間電荷區、自建電場和勢壘,並且耗盡層只在N型半導體一邊(勢壘區全部落在半導體一側)。勢壘區中自建電場方向由N型區指向金屬,隨熱電子發射自建場增加,與擴散電流方向相反的漂移電流增大,最終達到動態平衡,在金屬與半導體之間形成一個接觸勢壘,這就是肖特基勢壘。

在外加電壓為零時,電子的擴散電流與反向的漂移電流相等,達到動態平衡。在加正向偏壓(即金屬加正電壓,半導體加負電壓)時,自建場削弱,半導體一側勢壘降低,於是形成從金屬到半導體的正向電流。當加反向偏壓時,自建場增強,勢壘高度增加,形成由半導體到金屬的較小反向電流。因此,SBD與PN結二極體一樣,是一種具有單嚮導電性的非線性器件。

3 肖特基二極體 -結構原理

肖特基二極體肖特基二極體
肖特基二極體是貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極,以N型半導體B為負極,利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而製成的多屬-半導體器件。因為N型半導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中擴散。顯然,金屬A中沒有空穴,也就不存在空穴自A向B的擴散運動。隨著電子不斷從B擴散到A,B表面電子濃度表面逐漸降輕工業部,表面電中性被破壞,於是就形成勢壘,其電場方向為B→A。但在該電場作用之下,A中的電子也會產生從A→B的漂移運動,從而消弱了由於擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區后,電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡,便形成了肖特基勢壘。

典型的肖特基整流管的內部電路結構如圖1所示。它是以N型半導體為基片,在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽極(阻檔層)金屬材料是鉬。二氧化硅(SiO2)用來消除邊緣區域的電場,提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態電阻,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。通過調整結構參數,可在基片與陽極金屬之間形成合適的肖特基勢壘,當加上正偏壓E時,金屬A和N型基片B分別接電源的正、負極,此時勢壘寬度Wo變窄。加負偏壓-E時,勢壘寬度就增加。

綜上所述,肖特基整流管的結構原理與PN結整流管有很大的區別通常將PN結整流管稱作結整流管,而把金屬-半導管整流管叫作肖特基整流管,近年來,採用硅平面工藝製造的鋁硅肖特基二極體也已問世,這不僅可節省貴金屬,大幅度降低成本,還改善了參數的一致性。

肖特基整流管僅用一種載流子(電子)輸送電荷,在勢壘外側無過剩少數載流子的積累,因此,不存在電荷儲存問題(Qrr→0),使開關特性獲得時顯改善。其反向恢復時間已能縮短到10ns以內。但它的反向耐壓值較低,一般不超過去時100V。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這特點,能提高低壓、大電流整流(或續流)電路的效率。

4 肖特基二極體 -封裝

肖特基二極體肖特基二極體
肖特基二極體分為有引線和表面安裝(貼片式)兩種封裝形式。

採用有引線式封裝的肖特基二極體通常作為高頻大電流整流二極體、續流二極體或保護二極體使用。它有單管式和對管(雙二極體)式兩種封裝形式。肖特基對管又有共陰(兩管的負極相連)、共陽(兩管的正極相連)和串聯(一隻二極體的正極接另一隻二極體的負極)三種管腳引出方式。

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

5 肖特基二極體 -作用

肖特基二極體肖特基二極體
肖特基(Schottky)二極體,又稱肖特基勢壘二極體(簡稱 SBD),它屬一種低功耗、超高速半導體器件。最顯著的特點為反向恢復時間極短(可以小到幾納秒),正嚮導通壓降僅0.4V左右。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極體、續流二極體、保護二極體,也有用在微波通信等電路中作整流二極體、小信號檢波二極體使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。

一個典型的應用,是在雙極型晶體管 BJT 的開關電路裡面,通過在 BJT 上連接 Shockley 二極體來箝位,使得晶體管在導通狀態時其實處於很接近截止狀態,從而提高晶體管的開關速度。這種方法是 74LS,74ALS,74AS 等典型數字 IC 的 TTL內部電路中使用的技術。

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

6 肖特基二極體 -優點

肖特基二極體肖特基二極體
SBD具有開關頻率高和正向壓降低等優點,但其反向擊穿電壓比較低,大多不高於60V,最高僅約100V,以致於限制了其應用範圍。像在開關電源(SMPS)和功率因數校正(PFC)電路中功率開關器件的續流二極體、變壓器次級用100V以上的高頻整流二極體、RCD緩衝器電路中用600V~1.2kV的高速二極體以及PFC升壓用600V二極體等,只有使用快速恢復外延二極體(FRED)和超快速恢復二極體(UFRD)。UFRD的反向恢復時間Trr也在20ns以上,根本不能滿足像空間站等領域用1MHz~3MHz的SMPS需要。即使是硬開關為100kHz的SMPS,由於UFRD的導通損耗和開關損耗均較大,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展趨勢。因此,發展100V以上的高壓SBD,一直是人們研究的課題和關注的熱點。近幾年,SBD已取得了突破性的進展,150V和200V的高壓SBD已經上市,使用新型材料製作的超過1kV的SBD也研製成功,從而為其應用注入了新的生機與活力。

7 肖特基二極體 -特點

肖特基二極體肖特基二極體

SBD的主要優點包括兩個方面:

1)由於肖特基勢壘高度低於pn結勢壘高度,故其正嚮導通門限電壓和正向壓降都比PN結二極體低(約低0.2V)。

2)由於SBD是一種多數載流子導電器件,不存在少數載流子壽命和反向恢復問題。SBD的反向恢復時間只是肖特基勢壘電容的充、放電時間,完全不同於PN結二極體的反向恢復時間。由於SBD的反向恢複電荷非常少,故開關速度非常快,開關損耗也特別小,尤其適合於高頻應用。

但是,由於SBD的反向勢壘較薄,並且在其表面極易發生擊穿,所以反向擊穿電壓比較低。由於SBD比PN結二極體更容易受熱擊穿,反向漏電流比PN結二極體大。

8 肖特基二極體 -檢測

肖特基(Schottky)二極體也稱肖特基勢壘二極體(簡稱SBD),它是一種低功耗、超高速半導體器件,廣泛應用於開關電源、變頻器、驅動器等電路,作高頻、低壓、大電流整流二極體、續流二極體、保護二極體使用,或在微波通信等電路中作整流二極體、小信號檢波二極體使用。

1.性能比較

下表列出了肖特基二極體和超快恢復二極體、快恢復二極體、硅高頻整流二極體、硅高速開關二極體的性能比較。由表可見,硅高速開關二極體的trr雖極低,但平均整流電流很小,不能作大電流整流用。

肖特基二極體肖特基二極體

  2.檢測方法

下面通過一個實例來介紹檢測肖特基二極體的方法。檢測內容包括:①識別電極;②檢查管子的單嚮導電性;③測正嚮導壓降VF;④測量反向擊穿電壓VBR。

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

肖特基二極體肖特基二極體

測試結論:

第一,根據①—②、③—④間均可測出正向電阻,判定被測管為共陰對管,①、③腳為兩個陽極,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,故具有單嚮導電性。

第三,內部兩隻肖特基二極體的正嚮導通壓降分別為0.315V、0.33V,均低於手冊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檔測出,內部兩管的反向擊穿電壓VBR依次為140V、135V。查手冊,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係數.

9 肖特基二極體 -產品展示

肖特基二極體肖特基二極體
肖特基二極體肖特基二極體

 

 

10 肖特基二極體 -應用

SBD的結構及特點使其適合於在低壓、大電流輸出場合用作高頻整流,在非常高的頻率下(如X波段、C波段、S波段和Ku波段)用於檢波和混頻,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,在高速計算機中被廣泛採用。

除了普通PN結二極體的特性參數之外,用於檢波和混頻的SBD電氣參數還包括中頻阻抗(指SBD施加額定本振功率時對指定中頻所呈現的阻抗,一般在200Ω~600Ω之間)、電壓駐波比(一般≤2)和雜訊係數等。

11 肖特基二極體 -其它

肖特基二極體肖特基二極體
1、高壓SBD

長期以來,在輸出12V~24V的SMPS中,次級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。設計者迫切需要介於100V~200V之間的150VSBD和用於48V輸出SMPS用的200VSBD。近兩年來,美國IR公司和APT公司以及ST公司瞄準高壓SBD的巨大商機,先後開發出150V和200V的SBD。這種高壓SBD比原低壓SBD在結構上增加了PN結工藝,形成肖特基勢壘與PN結相結合的混合結構。採用這種結構的SBD,擊穿電壓由PN結承受。通過調控N-區電阻率、外延層厚度和P+區的擴散深度,使反偏時的擊穿電壓突破了100V這個長期不可逾越的障礙,達到150V和200V。在正向偏置時,高壓SBD的PN結的導通門限電壓為0.6V,而肖特基勢壘的結電壓僅約0.3V,故正向電流幾乎全部由肖特基勢壘供給。

為解決SBD在高溫下易產生由金屬-半導體的整流接觸變為歐姆接觸而失去導電性這一肖特基勢壘的退化問題,APT公司通過退火處理,形成金屬-金屬硅化物-硅勢壘,從而提高了肖特基勢壘的高溫性能與可靠性。

ST公司研製的150VSBD,是專門為在輸出12V~24V的SMPS中替代200V的高頻整流FRED而設計的。像額定電流為2×8A的STPS16150CT型SBD,起始電壓比業界居先進水平的200V/2×8AFRED(如STRR162CT)低0.07V(典型值為0.47V),導通電阻RD(125℃)低6.5mΩ(典型值為40mΩ),導通損耗低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的表達式為EAS=VRRM×IAS×td在式(1)中,200VSBD的VRRM=200V,IAS為雪崩電流,並且IAS≈IF=100A,EAS=100mJ。在IAS下不會燒毀的維持時間:td=EAS/(VRRM×IAS)=1000mJ/(200V×100A)=5μs。也就是說,SBD在出現雪崩之後IAS=100A時,可保證在5μs之內不會損壞器件。EAS是檢驗肖特基勢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%。由於SBD的超快軟恢復特性及其雪崩能量,提高了系統工作頻率和可靠性,EMI也得到顯著的改善。業界人士認為,即使不採用新型半導體材料,通過工藝和設計創新,SBD的耐壓有望突破200V,但一般不會超過600V。

2、SiC高壓SBD

由於Si和GaAs的勢壘高度和臨界電場比寬頻半導體材料低,用其製作的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),臨界擊穿電場高(2V/cm~4×106V/cm),飽合速度快(2×107cm/s),熱導率高為4.9W/(cm·K),抗化學腐蝕性強,硬度大,材料製備和製作工藝也比較成熟,是目前製作高耐壓、低正向壓降和高開關速度SBD的比較理想的新型材料。1999年,美國Purdue大學在美國海軍資助的MURI項目中,研製成功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,關係到系統效率。低正向壓降要求有低的肖特基勢壘高度,而較高的反向擊穿電壓要求有儘可能高的勢壘高度,這是相矛盾的。因此,對勢壘金屬必須折衷慮,故對其選擇顯得十分重要。對N型SiC來說,Ni和Ti是比較理想的肖特基勢壘金屬。由於Ni/SiC的勢壘高度高於Ti/SiC,故前者有更低的反向漏電流,而後者的正向壓降較小。為了獲得正向壓降低和反向漏電流小的SiCSBD,採用Ni接觸與Ti接觸相結合、高/低勢壘雙金屬溝槽(DMT)結構的SiCSBD設計方案是可行的。採用這種結構的SiCSBD,反向特性與Ni肖特基整流器相當,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,而正向特性類似於NiSBD。採用帶保護環的6H-SiCSBD,擊穿電壓達550V。

C.M.Zetterling等人採用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,頂層勢壘金屬選用Ti,這種結構與圖相類似的結勢壘肖特基(JunctionBarrierSchottky,縮寫為JBS)器件,正向特性與Ti肖特基勢壘相同,反向漏電流處於PN結和Ti肖特基勢壘之間,通態電阻密度為20mΩ·cm2,阻斷電壓達1.1kV,在200V反向偏壓下的漏電流密度為10μA/cm2。此外,R·Rayhunathon報道了關於P型4HSiCSBD、6HSiCSBD的研製成果。這種以Ti作為金屬勢壘的P型4HSiCSBD和6HSiCSBD,反向擊穿電壓分別達600V和540V,在100V反向偏壓下的漏電流密度小於0.1μA/cm2(25℃)。

SiC是製作功率半導體器件比較理想的材料,2000年5月4日,美國CREE公司和日本關西電力公司聯合宣布研製成功12.3kV的SiC功率二極體,其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料製作功率二極體的巨大威力。在SBD方面,採用SiC材料和JBS結構的器件具有較大的發展潛力。在高壓功率二極體領域,SBD肯定會佔有一席之地。

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