肖特基整流二极管介绍

肖特基整流二极管介绍

肖特基整流二极管

介绍

一、引言

肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode简称SBD)是一种金属(或金属硅化物)/ 半导体接触的器件，它是多子器件，主要用其非线性电阻的特性。

SBD是最古老的半导体器件，1904年开始，矿石检波器就得到了应用。SBD在超高频及微波电路中用于检波和混频，都是用其正向非线性电阻的特性。SBD长期用金属与半导体接触进行制作，稳定性差，是可靠性最差的半导体器件之一。八十年代开始对金属硅化物深入研究，用金属硅化物代替金属，获得了可靠而又重复的肖特基势垒，为大规模生产奠定了基础。

各种家用电器、微电脑、汽车电子、通讯设备、仪器、国防军工都要求电子设备轻量化、小型化，特别是要求采用小型化和高效率的电源。高频开关电源随着工作频率的提高，其体积和重量都会明显减小，同时效率显著提高，高频开关电源越来越受到人们的重视。SBD 有三大特点:(1)速度快(多子器件，无少子储存效应);(2)正向压降低;(3)散热性能好。 SBD与通常的PN结整流器件相比，SBD具有开关速度快(高频)、导通电压低(高效)、抗电流浪涌冲击能力强(大电流)。低输出电压(V??24V)的高频开关电源多采用肖特基整流二0

极管。世界高频开关电源年销售额约为500亿美圆，这是一个巨大的市场!对肖特基整流二极管的规模生产有巨大的拉动力。SBD制作简单、工艺流程短、成本低、有利于大规模生产。

肖特基整流二极管在高频开关电源电路中起开关作用，是用其正、反向非线性电阻的特性(不再只是用正向非线性电阻的特性)。肖特基整流二极管的名称较多，

有功率肖特基二极管、肖特基续流二极管、大电流肖特基二极管、肖特基开关二极管等等。肖特基势垒与p-n结的比较

肖特基二极管的势垒可以比做在同一种半导体上的p-n结低许多，例如硅，p-n结的内建势V?0.8V;而肖特基结势垒电势为0.5V,0.6V很容易做到。在同一电流密度下，p-n结上的正bi

向压降比肖特基二极管上的电压降至少高0.3V。换句话说，相同电压下肖特基势垒的饱和电流5密度比做在同一半导体上的p-n结的饱和电流密度高10倍或更高(0.06V之差，电流密度差一个数量级)。肖特基二极管特别适用于做低压大电流整流器;反之，也是由于反向电流比较大，肖特基二极管不能像p-n结一样用作高压低电流整流器。

二(原理

关于SBD(肖特基势垒二极管)的理论计算公式很容易从书上找到。这里不进行SBD的电流输运方程的推导、也不进行设计计算，主要围绕势垒高度对SBD的重大影响，作一些简单的计算分析。

1. 电流输运方程

由热离子发射理论，得到电流输运方程:

J = J [exp(qV/nkT)-1 ] (1) FSFB*2 J = A Texp(-qφ/kT) (2) SB

式中的符号:J 为正向电流密度;J为饱和电流密度;V为SBD势垒上的压降;q 为元电FSFB

荷;n为理想因子;k为玻耳兹曼常数;T 为绝对温度;φ 为势垒电位; B*,2,2 A = 110A*cm*K为n型硅的里查孙常数、A为电流。

一般理论计算公式的正向压降V，其实是势垒上的压降V，而不是二极管的正向压降FFB

V 。二极管压降还包含串联电阻(Rs)上的压降V 。 FDFS

V= V+V (3) FD FBFS

对于金属硅化物 / 硅的SBD，n = 1成立。一般V》2.3kT/q , 式(1)方括号中的前面FB

一项远大于10，后面的1可忽略不计。 *2 J = ATexp(-qφ/kT) exp(qV/kT) (4) FBFB

变换一下数学表示方式: *2 J = ATexp[q(V-φ)/kT] (5) FFB B

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由式(5)看φ的影响就一目了然。SBD势垒上的压降和φ之间是一个简单的相减关系。BB

为保持J不变，当φ 变化时，V必须跟着变相同的值。φ高的～V相应地高。 FBFBBFB

2.正向压降(V)的计算。 FD

考虑到正向电流在外延层和衬底上的压降，还有衬底接触电阻上的压降Jρ 。FC

V= J( ρd+ρd+ρ) (6) FSFeeBBC

由式(5)可算得: *2 V= φ+[(kT/q)ln(J/AT)] (7) FBBF

*2 V= φ+[(kT/q)ln(J/AT)]+J( ρd+ρd+ρ) (8) FDBFFeeBBC

其中d为外延层厚度，d为衬底厚度。正向压降与势垒高度、温度以及器件的结构参数有eB

密切关系。在给定温度下，势垒较高的SBD其正向压降较大。 2对一个1mm的NiSi/Si的SBD进行过计算，对正向压降影响最大的是φ(100mV量级),B其次是外延层(10mV量级)，影响最小的是衬底(mV量级)。接触电阻，做好了的，对正向压

降的影响可忽略不计;而接触做不好的，不能容忍。在工艺上必须要把接触做好，ρ至少C-6210Ω-cm量级。

3.反向电流的计算。 *2J(0)? -J =-ATexp[-qφ(0)/kT] (9) RSB

势垒高度随反向偏压变化。

φ(V) = φ(0)-?φ (V)-αE V) (10) BRBBRmax R

式(10)中第二项表示镜像力引起的势垒降低，第三项表示偏压引起的势垒降低。1/2 ?φ(V)= [qE (V) /(4πε)] (11) BRmax RS 1/2 E(V) = [2qN(V-V-kT/q)/ε] (12) maxRD biRS

V = φ(0)-(kT/q)ln (Nc/ N) (13) biBD

0 α=φ / E α一般取1.7 nm = 17A ,,Bmax 193 Nc为导带内的有效态密度，Nc = 2.8×10/cm ，ε为Si的介电常数，E为最Smax大场强，N为施主浓度，V为内建电压。 Dbi

对φ =0.7V的SBD进行过计算(300K) B

V = 1V I = 3.4 I(0) RR

V = 10V I = 10.2 I(0) RR

V = 20V I = 18.6 I(0) RR

V = 40V I = 41.3 I(0) RR

V = 60V I = 73.8 I(0) RR

理论计算的结果表明，SBD的反向电流随反向电压增加而增大～不饱和。对进口样管测量I，V在-1V - -3V时I ? -I 。V增大时，I 随V增大而增大。RRRSRRR

由式(9)，反向电流随温度变化很大～温度越高～I越大。 R

4.正向与反向的关系。