肖特基二极管

1、肖特基二极管百科名片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X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 属一半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属一半导体(接触)二极管或表 面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。目录简介原理优点结构封装特点应用其它简介原理优点结构封装特点应用其它展开编辑本段简介肖特基二极管是以其发明人肖特基博士 (Schottky)命名的，SBD是肖 特基势垒二极管肖特基二极管结构原理图（Schottky

2、BarrierDiode,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 的金属一半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属一半导体（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（可以小到儿纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可 达到儿千亳安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。中、小功率 肖特基整流极管大多釆用封装形式。编辑本段原理肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、钳等）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

3、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，从而消弱了山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。肖特基二极管典型的肖特基整流管的内部电路结构是以型半导体为基片

4、，在上面形成 用神作掺朵剂的N-外延层。阳极使用钳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，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 将陀结整流管称作结整流管，而

5、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 邈(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600V1.2kV 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

6、T 也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域用1MHz3MHz的SMPS需要。 即使是硬开关为100kHz的SMPS, III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, 直是人们研 究的课题和关注的热点。近儿年，SBD已取得了突破性的进展，150V和肖特基二极管200V的高压SBD已经上市，使用新型材料制作的超过lkV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

7、触而构成。金属材料可选用铝、金、钳、银和钛等，半导 体通常为硅(Si)或神化镣(GaAs ) o山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，同时乂不使串联电阻过大，通常是在N+衬底上外 延一高阻一薄层。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)。肖特基二极管大家知道，金属导体内部有大量的导电电子。当金属与半导体接触(二

8、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。山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山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

9、 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，形成山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。肖特基二极管编辑本段封装肖特基二极管分为有引线和表面安装（贴片式）两种封装形式。采用 有引线式封装的肖特基二极管通常作为高频大电流整流二极管、续流二极 管或保护二极管使用。它有单管

10、式和对管（双二极管）式两种封装形式。 肖特基对管乂有共阴（两管的负极相连）、共阳（两管的正极相连）和生 M（一只二极管的正极接另一只二极管的负极）三种管脚引出方式。肖特基二极管采用表面封装的肖特基二极管有单管型、双管型和三管型等多种封装形式, 有A19种管脚引出方式编辑本段特点SBD的主要优点包括两个方面：1）III于肖特基势垒高度低于陀结势垒高度，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） o2）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

11、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。山于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。肖特基二极管编辑本段应用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SBD7TTL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

12、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200Q600Q之间）、电压驻波比（一般W2）和噪声系数等。编辑本段其它1、高压SBD长期以来，在输出12V24V的SMPS中，次级边的高频整流器只有选 用 100V 的 SBD 或 200V 的 FREDo在输出24V48V的SMPS中，只有选用200V400V的FRED。设计 者迫切需要介于100V200V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SBDo这种高压SBD比原低压SBD在 结构上

13、增加了 PN结工艺，形成肖特基势垒与P结相结合的混合结构，如 图2所示。釆用这种结构的SBD,击穿电压由PN结承受。通过调控N区 电阻率、外延层用度和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200Vo在正向偏置时，高压SBD的 P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 流儿乎全部由肖特基势垒供给。为解决SBD在高温下易产生山金属一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 属一金属硅化物一硅势垒，从而提高了肖特基势垒的高温性能与可靠性。 JIrmAt r

14、r,CTiBCSMmeH二IIF90OMu严Mt 4二”B.MMie9肖特基二极管ST公司研制的150VSBD,是专门为在输出12V24V的SMPS中替代200V的 高频整流FRED而设讣的。像额定电流为2X8A的STPS16150CT型SBD,起 始电压比业界居先进水平的200V/2X8AFRED (如STRR162CT)低0. 07V (典 型值为0. 47V),导通电阻RD (125C )低6. 5mQ (典型值为4OmQ ),导 通损耗低0. 18W (典型值为1. 14W) oAPT 公司推出的 APT100S20B、APT100S20LCT 和 APT2X10IS20 型 200V

15、SBD,正向平均电流IF (AV) =100A,正向压降VFWO. 95V,雪崩能量 EAS=100mJo EAS的表达式为EAS=VRRMXIASXtd在式(1)中，200VSBD的VRRH二200V, I AS为雪崩电流，并且 IASIF=100A, EAS=100mJo在IAS下不会烧毁的维持时间：td二EAS/ (VRRMXIAS) =1000mJ/(200VX 100A) =5 U s FKV)jr-i-aIIe-a肖特基二极管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

16、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，i和Ti是比较理想的肖 特基势垒金属。山于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NiSBDo釆用带保护环的6H-SiCSBD, 击穿电压达550V。据报道，C.

17、 M. Zetterling等人采用6H?SiC衬底外延10 口 m的 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P?(结和Ti肖特基势 垒之间，通态电阻密度为20mQcm2,阻断电压达1. lkV,在200V反向偏 压下的漏电流密度为10 u A/cm2o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,

18、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. 1 ki A/cm2 (25C)。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。工作原理1.结构原理肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、钳等）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。

19、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，从而消弱了曲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，在上面形成用碑作掺杂剂的