肖特基二极管的原理与应用

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肖特基势垒二极管(SBD)简称肖特基二极管,它是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体整流器件。其反向恢复时间(t\(_{rr}\))极短,可小到几纳秒,正向导通压降仅0.4伏左右,而工作电流却可达到几千安。

结构特点

典型的肖特基二极管的内部结构如图1所示。它是以N型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂剂的N\(^{-}\)处延层。阳极(阻档层)材料选用贵金属钼。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W0变窄;加负偏压-E时,势垒宽度就增加,分别见图2(a)、(b)。

图1
图1 🔍原图 (379×394)
图2
图2 🔍原图 (501×279)

综上所述,肖特基二极管的结构原理与PN结二极管有很大区别。通常将PN结整流管称作结型整流管,而把金属一半导体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已经问世,这不仅可节省贵金属,降低成本,还改善了产品参数的一致性。

肖特基二极管仅用一种载流子(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,反向恢复电荷Qrr→0,使开关特性得到明显改善。其反向恢复时间t\(_{rr}\)已能缩短到10ns以内,但其反向耐压值较低,一般不超过100V。因此适宜在低压、大电流情况下工作。利用其低压降之特点,能提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。肖特基二极管的典型伏安特性如图3所示,其正向导通压降介于锗管与硅管之间。表1列出4种肖特基二极管的参数,供读者参考。表中有3种型号的管子内部结构属于共阴对管,因此有3个引脚,如图4所示,其中①、③脚为正极,②脚为负极。

图3
图3 🔍原图 (646×614)
图4
图4 🔍原图 (208×422)
图5
图5 🔍原图 (1100×441)

典型应用

肖特基二极管可广泛用作高频、低压、大电流整流,亦可作为续流二极管用。

1.作开关电源中的续流二极管

图6
图6 🔍原图 (1107×526)

图5是由L296型大电流单片开关稳压器构成的高效开关电源。L296的输入电压V\(_{I}\)=9~46V,最大输出电流IOM=4A,输出电压V\(_{0}\)=5.1~40V,最大输出功率为160W,电源效率可达90%。VD为7A肖特基二极管,起续流作用。当内部开关功率管导通时,VD截止,一部分电能储存在L中;当开关功率管截止时,VD导通,L中储存的电能经过VD继续向负载供电,维持输出电压不变。

2.作逆变器的保护元件

新型逆变器中开始采用巨型晶体管GTR(亦称电力晶体管),其工作频率优于可关断晶闸管GTO。但GTR容易被过电压或过电流所损坏。通常可将肖特基二极管VD与GTR并联使用,VD可为反向电动势提供泄放回路,参见图6。

图7
图7 🔍原图 (333×243)

3.其他用途

以上介绍的肖特基二极管均采用面接触式。还有一种点接触式肖特基二极管,适用于微波通讯电路使用。(李学芝 沙占友)