肖特基二極管

肖特基二極體最大的缺點是其反向偏壓較低及反向漏電流偏大，像使用硅及金屬為材料的肖特基二極體，其反向偏壓額定耐壓最高只到 50V，而反向漏電流值為正溫度特性，容易隨著溫度升高而急遽變大，實務(wù)設(shè)計上需注意其熱失控的隱憂。為了避免上述的問題，肖特基二極體實際使用時的反向偏壓都會比其額定值小很多。不過肖特基二極體的技術(shù)也已有了進(jìn)步，其反向偏壓的額定值最大可以到200V。

新型高壓SBD的結(jié)構(gòu)和材料與傳統(tǒng)SBD是有區(qū)別的。傳統(tǒng)SBD是通過金屬與半導(dǎo)體接觸而構(gòu)成。金屬材料可選用鋁、金、鉬、鎳和鈦等，半導(dǎo)體通常為硅（Si）或砷化鎵（GaAs）。由于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(dǎo)體材料作為基片。為了減小SBD的結(jié)電容，提高反向擊穿電壓，同時又不使串聯(lián)電阻過大，通常是在N 襯底上外延一高阻N－薄層。其結(jié)構(gòu)示圖，圖形符號和等效電路。CP是管殼并聯(lián)電容，LS是引線電感，RS是包括半導(dǎo)體體電阻和引線電阻在內(nèi)的串聯(lián)電阻，Cj和Rj分別為結(jié)電容和結(jié)電阻（均為偏流、偏壓的函數(shù)）。 　大家知道，金屬導(dǎo)體內(nèi)部有大量的導(dǎo)電電子。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸（二者距離只有原子大小的數(shù)量級）時，金屬的費米能級低于半導(dǎo)體的費米能級。在金屬內(nèi)部和半導(dǎo)體導(dǎo)帶相對應(yīng)的分能級上，電子密度小于半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子密度。因此，在二者接觸后，電子會從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散，從而使金屬帶上負(fù)電荷，半導(dǎo)體帶正電荷。由于金屬是理想的導(dǎo)體，負(fù)電荷只分布在表面為原子大小的一個薄層之內(nèi)。而對于N型半導(dǎo)體來說，失去電子的施主雜質(zhì)原子成為正離子，則分布在較大的厚度之中。電子從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散運動的結(jié)果，形成空間電荷區(qū)、自建電場和勢壘，并且耗盡層只在N型半導(dǎo)體一邊（勢壘區(qū)全部落在半導(dǎo)體一側(cè)）。勢壘區(qū)中自建電場方向由N型區(qū)指向金屬，隨熱電子發(fā)射自建場增加，與擴(kuò)散電流方向相反的漂移電流增大，最終達(dá)到動態(tài)平衡，在金屬與半導(dǎo)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(kuò)散電流與反向的漂移電流相等，達(dá)到動態(tài)平衡。在加正向偏壓（即金屬加正電壓，半導(dǎo)體加負(fù)電壓）時，自建場削弱，半導(dǎo)體一側(cè)勢壘降低，于是形成從金屬到半導(dǎo)體的正向電流。當(dāng)加反向偏壓時，自建場增強(qiáng)，勢壘高度增加，形成由半導(dǎo)體到金屬的較小反向電流。因此，SBD與PN結(jié)二極管一樣，是一種具有單向?qū)щ娦缘姆蔷€性器件。

SBD具有開關(guān)頻率高和正向壓降低等優(yōu)點，但其反向擊穿電壓比較低，大多不高于60V，最高僅約100V，以致于限制了其應(yīng)用范圍。像在開關(guān)電源（SMPS）和功率因數(shù)校正（PFC）電路中功率開關(guān)器件的續(xù)流二極管、變壓器次級用100V以上的高頻整流二極管、RCD緩沖器電路中用600V～1.2kV的高速二極管以及PFC升壓用600V二極管等，只有使用快速恢復(fù)外延二極管（FRED）和超快速恢復(fù)二極管（UFRD）。UFRD的反向恢復(fù)時間Trr也在20ns以上，根本不能滿足像空間站等領(lǐng)域用1MHz～3MHz的SMPS需要。即使是硬開關(guān)為100kHz的SMPS，由于UFRD的導(dǎo)通損耗和開關(guān)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(fā)展趨勢。因此，發(fā)展100V以上的高壓SBD，一直是人們研究的課題和關(guān)注的熱點。近幾年，SBD已取得了突破性的進(jìn)展，150V和 200V的高壓SBD已經(jīng)上市，使用新型材料制作的超過1kV的SBD也研制成功，從而為其應(yīng)用注入了新的生機(jī)與活力。

肖特基二極管是貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因為N型半導(dǎo)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(kuò)散。顯然，金屬A中沒有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運動。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，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(chǎn)生從A→B的漂移運動，從而消弱了由于擴(kuò)散運動而形成的電場。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運動達(dá)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(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)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制成阻檔層。用二氧化硅（SiO2）來消除邊緣區(qū)域的電場，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)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(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽極金屬之間便形成肖特基勢壘，如圖1所示。當(dāng)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(fù)極）時，肖特基勢壘層變窄，其內(nèi)阻變??；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(nèi)阻變大。

綜上所述，肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)整流管，而把金屬-半導(dǎo)管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問世，這不僅可節(jié)省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數(shù)的一致性。

肖特基二極管分為有引線和表面安裝（貼片式）兩種封裝形式。 采用有引線式封裝的肖特基二極管通常作為高頻大電流整流二極管、續(xù)流二極管或保護(hù)二極管使用。它有單管式和對管（雙二極管）式兩種封裝形式。肖特基對管又有共陰（兩管的負(fù)極相連）、共陽（兩管的正極相連）和串聯(lián)（一只二極管的正極接另一只二極管的負(fù)極）三種管腳引出方式。

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

肖特基二極管肖特基（Schottky）二極管，又稱肖特基勢壘二極管（簡稱 SBD），它屬一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。最顯著的特點為反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右。其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。

一個典型的應(yīng)用，是在雙極型晶體管 BJT 的開關(guān)電路里面，通過在 BJT 上連接 Shockley 二極管來箝位，使得晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)時其實處于很接近截止?fàn)顟B(tài)，從而提高晶體管的開關(guān)速度。這種方法是 74LS，74ALS，74AS 等典型數(shù)字 IC 的 TTL內(nèi)部電路中使用的技術(shù)。

肖特基（Schottky）二極管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(fù)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。

SBD的主要優(yōu)點包括兩個方面：

1）由于肖特基勢壘高度低于PN結(jié)勢壘高度，故其正向?qū)ㄩT限電壓和正向壓降都比PN結(jié)二極管低（約低0.2V）。

2）由于SBD是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)問題。SBD的反向恢復(fù)時間只是肖特基勢壘電容的充、放電時間，完全不同于PN結(jié)二極管的反向恢復(fù)時間。由于SBD的反向恢復(fù)電荷非常少，故開關(guān)速度非?？欤_關(guān)損耗也特別小，尤其適合于高頻應(yīng)用。

但是，由于SBD的反向勢壘較薄，并且在其表面極易發(fā)生擊穿，所以反向擊穿電壓比較低。由于SBD比PN結(jié)二極管更容易受熱擊穿，反向漏電流比PN結(jié)二極管大。

肖特基（Schottky）二極管也稱肖特基勢壘二極管（簡稱SBD），它是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動器等電路，作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管使用，或在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。

肖特基二極管性能比較

下表列出了肖特基二極管和超快恢復(fù)二極管、快恢復(fù)二極管、硅高頻整流二極管、硅高速開關(guān)二極管的性能比較。由表可見，硅高速開關(guān)二極管的trr雖極低，但平均整流電流很小，不能作大電流整流用。

肖特基二極管檢測方法

下面通過一個實例來介紹檢測肖特基二極管的方法。檢測內(nèi)容包括：①識別電極；②檢查管子的單向?qū)щ娦?；③測正向?qū)航礦F；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(jìn)行測量，全部數(shù)據(jù)整理成下表：

肖特基二極管測試結(jié)論：

第一，根據(jù)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，故具有單向?qū)щ娦浴?

第三，內(nèi)部兩只肖特基二極管的正向?qū)▔航捣謩e為0.315V、0.33V，均低于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(nèi)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系數(shù).

SBD的結(jié)構(gòu)及特點使其適合于在低壓、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）用于檢波和混頻，在高速邏輯電路中用作箝位。在IC中也常使用SBD，像SBD"_blank" href="/item/集成電路">集成電路早已成為TTL電路的主流，在高速計算機(jī)中被廣泛采用。

除了普通PN結(jié)二極管的特性參數(shù)之外，用于檢波和混頻的SBD電氣參數(shù)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(xiàn)的阻抗，一般在200Ω～600Ω之間）、電壓駐波比（一般≤2）和噪聲系數(shù)等。

肖特基二極管高壓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(shè)計者迫切需要介于100V～200V之間的150VSBD和用于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(zhǔn)高壓SBD的巨大商機(jī)，先后開發(fā)出150V和200V的SBD。這種高壓SBD比原低壓SBD在結(jié)構(gòu)上增加了PN結(jié)工藝，形成肖特基勢壘與PN結(jié)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。采用這種結(jié)構(gòu)的SBD，擊穿電壓由PN結(jié)承受。通過調(diào)控N－區(qū)電阻率、外延層厚度和P 區(qū)的擴(kuò)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(dá)到150V和200V。在正向偏置時，高壓SBD的PN結(jié)的導(dǎo)通門限電壓為0.6V，而肖特基勢壘的結(jié)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(chǎn)生由金屬－半導(dǎo)體的整流接觸變?yōu)闅W姆接觸而失去導(dǎo)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公司研制的150VSBD，是專門為在輸出12V～24V的SMPS中替代200V的高頻整流FRED而設(shè)計的。像額定電流為2×8A的STPS16150CT型SBD，起始電壓比業(yè)界居先進(jìn)水平的200V/2×8AFRED（如STRR162CT）低0.07V（典型值為0.47V），導(dǎo)通電阻RD（125℃）低6.5mΩ（典型值為40mΩ），導(dǎo)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(dá)式為

EAS=VRRM×IAS×td

在式（1）中，200VSBD的VRRM=200V，IAS為雪崩電流，并且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(xiàn)雪崩之后IAS=100A時，可保證在5μs之內(nèi)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%。由于SBD的超快軟恢復(fù)特性及其雪崩能量，提高了系統(tǒng)工作頻率和可靠性，EMI也得到顯著的改善。

業(yè)界人士認(rèn)為，即使不采用新型半導(dǎo)體材料，通過工藝和設(shè)計創(chuàng)新，SBD的耐壓有望突破200V，但一般不會超過600V。

肖特基二極管SiC高壓SBD

由于Si和GaAs的勢壘高度和臨界電場比寬帶半導(dǎo)體材料低，用其制作的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(dǎo)率高為4.9W/（cm·K），抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，硬度大，材料制備和制作工藝也比較成熟，是制作高耐壓、低正向壓降和高開關(guān)速度SBD的比較理想的新型材料。

1999年，美國Purdue大學(xué)在美國海軍資助的MURI項目中，研制成功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(guān)系到系統(tǒng)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盡可能高的勢壘高度，這是相矛盾的。因此，對勢壘金屬必須折衷考慮，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。由于Ni/SiC的勢壘高度高于Ti/SiC，故前者有更低的反向漏電流，而后者的正向壓降較小。為了獲得正向壓降低和反向漏電流小的SiCSBD，采用Ni接觸與Ti接觸相結(jié)合、高/低勢壘雙金屬溝槽（DMT）結(jié)構(gòu)的SiCSBD設(shè)計方案是可行的。采用這種結(jié)構(gòu)的SiCSBD，反向特性與Ni肖特基整流器相當(dāng)，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，而正向特性類似于NiSBD。采用帶保護(hù)環(huán)的6H－SiCSBD，擊穿電壓達(dá)550V。

據(jù)報道，C.M.Zetterling等人采用6H"_blank" href="/item/肖特基勢壘/7037234" data-lemmaid="7037234">肖特基勢壘相同，反向漏電流處于PN結(jié)和Ti肖特基勢壘之間，通態(tài)電阻密度為20mΩ·cm2，阻斷電壓達(dá)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(guān)于P型4H"_blank" href="/item/反向擊穿電壓/8981462" data-lemmaid="8981462">反向擊穿電壓分別達(dá)600V和540V，在100V反向偏壓下的漏電流密度小于0.1μA/cm2（25℃）。

SiC是制作功率半導(dǎo)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(guān)西電力公司聯(lián)合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管，其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。

在SBD方面，采用SiC材料和JBS結(jié)構(gòu)的器件具有較大的發(fā)展?jié)摿?。在高壓功率二極管領(lǐng)域，SBD肯定會占有一席之地。 　肖特基二極管常見的型號： MBR300100CT

MBR400100CT

MBR500100CT

MBR600100CT

MBR30050CT

MBR40050CT

MBR50050CT

MBR60050CT