肖特基二极管的基本原理肖特基势垒二极管SBD(SchottkyBarrierDiode,简称
肖特基二极管)是近年来间世的低功耗,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.
基本原理是:在金属(例如铅)和半导体(N型硅片)的接触面上,形成肖特基势垒来阻挡反向电压.肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异.其耐压程度只有40V左右.其特长是:开关速度非常快:反向恢复时间特别地短.因此,能制作开关二极和低压大电流整流二极管.
肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode)是具有肖特基特性的"金属半导体结"的二极管.其正向起始电压较低.其金属层除钨材料外,还可以采用金,钼,镍,钛等材料.其半导体材料采用硅或砷化镓,多为N型半导体.这种器件是由多数载流子导电的,所以,其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多.由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频响仅为RC时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件.其工作频率可达100GHz.并且,MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管.
肖特基二极管利用金属与半导体接触所形成的势垒对电流进行控制.它的主要特点是具有较低的正向压降(0.3V至0.6V);另外它是多子参与导电,这就比少子器件有更快的反应速度.肖特基二极管常用在门电路中作为三极管集电极的箝位二极管,以防止三极管因进入饱和状态而降低开关速度。
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低,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(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N-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.
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.
肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别,它的内部是由阳极金属(用钼或铝等材料制成的阻挡层),二氧化硅(SiO2)电场消除材料,N外延层(砷材料),N型硅基片,N+阴极层及阴极金属等构成,如图4-44所示.在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒.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.
