肖特基势垒光电二极管原理及应用

肖特基势垒光电二极管原理及应用作者：姜凤贤王燕涛马军辉来源：《硅谷》2011年第16期摘要：详细介绍肖特基势垒二极管的工作原理、特性及应用，简单介绍肖特基势垒光电二极管的工作原理及应用展望。

关键词：肖特基势垒二极管；肖特基势垒光电二极管；原理应用中图分类号：TN311.7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820122－020 引言肖特基势垒光电二极管又称金属-半导体光电二极管，其势垒不再是p-n结，而是金属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。

1 肖特基势垒二极管结构原理及特性1.1 简述肖特基二极管（如图1）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（Schottky Barrier Diode，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p-n结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。

因此，SBD也称为金属-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。

1.2 结构原理肖特基势垒二极管（也叫热载子二极管）在机械构造上与点接触二极管很相似，但它比点接触二极管要耐用，而且功率也更大。

图2（a）给出了肖特基势垒二极管的基本构造。

图2（b）是其等效电路。

这种形式的电路是威廉姆·肖特基（William Schottky）在1938年研究多数载流子的整流现象时提出的。

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，从而削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由于浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，这时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（阻挡层）金属材料是钼。

二氧化硅（SiO2）是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，此时势垒宽度变窄。

加负偏压-E时，势垒宽度就变宽。

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，这不仅可以大量节省贵金属，而且还大幅度降低了成本，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，使开关特性获得明显改善。

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，一般不超过去时100V。

因此适宜在低压、大电流情况下工作。

利用肖特基二极管的低压降这一特点，从而能够提高其在低压、大电流整流（或续流）电路的效率。

1.3 肖特基势垒二极管特性及应用肖特基势垒二极管属于一种低功耗、超高速半导体器件。

最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。

其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。

在通信电源、变频器等中比较常见。

但是，它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流稍大些。

选用时要全面考虑。

1.3.1 性能比较速开关二极管的性能比较。

由表1可见，硅高速开关二极管的反向恢复时间虽极低，但平均整流电流很小，不能作大电流整流用。

1.3.2 具体应用一个典型的应用是在双极型晶体管BJT的开关电路里面，通过在BJT上连接Schottky二极管来钳位，使得晶体管在导通状态时处于非常接近截止的状态，从而提高晶体管的开关速度。

这种方法是74LS，74ALS，74AS等典型数字TTL内部电路中使用的技术。

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，以至于限制了其应用范围。

像在开关电源（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600V～1.2kV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）。

UFRD的反向恢复时间也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域用1MHz～3MHz的SMPS需要。

即使是硬开关为100kHz的SMPS，由于UFRD的导通损耗和开关损耗均较大，壳温度很高，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，一直是人们研究的课题和关注的热点。

近几年，SBD已取得了突破性的进展，150V和200V的高压SBD已经上市，使用新型材料制作的超过1kV的SBD也研制成功，从而为其应用注入了新的生机与活力。

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SBD TTL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200Ω～600Ω之间）、电压驻波比（一般≤2）和噪声系数等。

2 肖特基势垒光电二级管原理介绍就光电流的产生和收集而言，可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结。

因此在入射的短波辐射中，相当一部分蓝、紫光和几乎所有的紫外线都在势垒区中被吸收，吸收后所激发的光生载流子在复合之前就会被强电场扫出。

这就提高了光生载流子的收集效率，改善了器件的短波响应。

一般利用金或铝分别与Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半导体材料接触，制得各种肖特基结光电二极管。

金属n型半导体肖特基光伏探测器的结构如图3所示。

用电阻率的n型硅片，在其表面形成约几百纳米左右厚的二氧化硅薄膜，再在薄膜上蒸镀一层厚约几十纳米左右的薄金属，形成肖特基势垒。

金属与半导体之间势垒高度为，当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子-空穴对，在内电场作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，形成光生电势。

由于肖特基势垒区在半导体附近表面处，光直接在势垒区产生载流子，不像p-n结那样载流子必须经过扩散才能到达结区，这样可以减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失。

因此，肖特基光电二极管具有响应时间短，量子效率高，可探测5～10nm的光脉冲信号。

3 肖特基势垒光电二极管应用及展望在众多类型的探测器中，肖特基势垒探测器制作简单，不存在高温扩散过程，光响应速度较快。

肖特基型结构探测器是所有结构中响应最平直的，响应时间在ns数量级。

其缺点是受RC时间常数限制。

而MSM结构的肖特基型紫外光电探测器由于响应带宽大，噪音小，所以非常适合制作日盲探测器和高速率器件。

肖特基势垒光电二极管光谱响应范围极宽（0.2-1.1微米），在0.4-0.6微米波段灵敏度高于一般硅光电二极管，这是该器件的主要优点。

与其它红外探测器相比，最大的优点是可直接用硅集成电路工艺，是红外焦平面器件优选的光敏器件。

这种器件光敏面可以做的很大，均匀性好，动弹范围大，很适合做四象限探测器，用于激光跟踪、定位、侦查、制导等系统。

肖特基势垒还可以做成CCD混合焦平面器件，其均匀性比一般红外探测器焦平面阵列均匀性高100倍以上，对提高系统的性能极为有利。

4 结束语最近作为量子型红外探测器除HgCdTe、InSd等本征结构红外探测器外，还采用硅和硅化物的肖特基势垒光探测器，但由于器件使用厚的金属电极，响应率不十分理想，使发展受到一定限制，但随着金属电极薄膜化研究的进展，响应率提高，并采用硅的超大规模集成电路技术使器件向多元化发展是很有前途的。

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