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變?nèi)荻O管 bb910 isv101 isv149

簡(jiǎn)介

　　肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（schottky）命名的，sbd是肖特基勢(shì)壘二極管（schottkybarrierdiode,縮寫(xiě)成sbd）的簡(jiǎn)稱(chēng)。sbd不是利用p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體接觸形成pn結(jié)原理的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理的。因此，sbd也稱(chēng)為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢(shì)壘二極管，它是一種熱載流子二極管。

　　是近年來(lái)問(wèn)世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4v左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千毫安。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無(wú)法比擬的。中、小功率肖特基整流二極管大多采用封裝形式。

 

原理

　　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(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因?yàn)閚型半導(dǎo)體中存在著的電子，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(méi)有空穴，也就不存在空穴自a向b的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。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(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)閎→a。但在該電場(chǎng)作用之下，a中的電子也會(huì)產(chǎn)生從a→b的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)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(yáng)極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅（sio2）來(lái)消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，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(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，n型基片和陽(yáng)極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘，如圖所示。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源正極，n型基片接電源負(fù)極）時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變??；反之，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)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(chēng)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，近年來(lái)，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問(wèn)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。

 

優(yōu)點(diǎn)

　　sbd具有開(kāi)關(guān)頻率高和正向壓降低等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)電源（smps）和功率因數(shù)校正（pfc）電路中功率開(kāi)關(guān)器件的續(xù)流二極管、變壓器次級(jí)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）。目前ufrd的反向恢復(fù)時(shí)間trr也在20ns以上，根本不能滿(mǎn)足像空間站等領(lǐng)域用1mhz～3mhz的smps需要。即使是硬開(kāi)關(guān)為100khz的smps，由于ufrd的導(dǎo)通損耗和開(kāi)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(shì)。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(diǎn)。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，使用新型材料的超過(guò)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。

 

結(jié)構(gòu)

　　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(guò)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(shí)又不使串聯(lián)電阻過(guò)大，通常是在n＋襯底上外延一高阻n－薄層。其結(jié)構(gòu)示圖如圖1（a），圖形符號(hào)和等效電路分別如圖1（b）和圖1（c）所示。在圖1（c）中，cp是管殼并聯(lián)電容，ls是引線(xiàn)電感，rs是包括半導(dǎo)體體電阻和引線(xiàn)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(jí)）時(shí)，金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。在金屬內(nèi)部和半導(dǎo)體導(dǎo)帶相對(duì)應(yīng)的分能級(jí)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(huì)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(gè)薄層之內(nèi)。而對(duì)于n型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，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(yùn)動(dòng)的結(jié)果，形成空間電荷區(qū)、自建電場(chǎng)和勢(shì)壘，并且耗盡層只在n型半導(dǎo)體一邊（勢(shì)壘區(qū)全部落在半導(dǎo)體一側(cè)）。勢(shì)壘區(qū)中自建電場(chǎng)方向由n型區(qū)指向金屬，隨熱電子發(fā)射自建場(chǎng)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(dòng)態(tài)平衡，在金屬與半導(dǎo)體之間形成一個(gè)接觸勢(shì)壘，這就是肖特基勢(shì)壘。

　　在外加電壓為零時(shí)，電子的擴(kuò)散電流與反向的漂移電流相等，達(dá)到動(dòng)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(shí)，自建場(chǎng)削弱，半導(dǎo)體一側(cè)勢(shì)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(shí)，自建場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘高度增加，形成由半導(dǎo)體到金屬的較小反向電

特點(diǎn)

　　sbd的主要優(yōu)點(diǎn)包括兩個(gè)方面：

　　1）由于肖特基勢(shì)壘高度低于pn結(jié)勢(shì)壘高度，故其正向?qū)ㄩT(mén)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(wèn)題。sbd的反向恢復(fù)時(shí)間只是肖特基勢(shì)壘電容的充、放電時(shí)間，完全不同于pn結(jié)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。由于sbd的反向恢復(fù)電荷非常少，故開(kāi)關(guān)速度非常快，開(kāi)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(shì)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。

 

應(yīng)用

　　sbd的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)使其適合于在低壓、大電流輸出場(chǎng)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ttl集成電路早已成為ttl電路的主流，在高速計(jì)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(shí)對(duì)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。

 

其它

1、高壓sbd

　　以來(lái)，在輸出12v～24v的smps中，次級(jí)邊的高頻整流器只有選用100v的sbd或200v的fre

　　d。在輸出24v～48v的smps中，只有選用200v～400v的fred。設(shè)計(jì)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(lái)，美國(guó)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(kāi)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(shì)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(guò)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(shí)的擊穿電壓突破了100v這個(gè)不可逾越的障礙，達(dá)到150v和200v。在正向偏置時(shí)，高壓sbd的pn結(jié)的導(dǎo)通門(mén)限電壓為0.6v，而肖特基勢(shì)壘的結(jié)電壓僅約0.3v，故正向電流幾乎全部由肖特基勢(shì)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(shì)壘的退化問(wèn)題，apt公司通過(guò)退火處理，形成金屬－金屬硅化物－硅勢(shì)壘，從而提高了肖特基勢(shì)壘的高溫性能與可靠性。

　　st公司研制的150vsbd，是專(zhuān)門(mén)為在輸出12v～24v的smps中替代200v的高頻整流fred而設(shè)計(jì)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(huì)燒毀的維持時(shí)間：td=eas/（vrrm×ias）=1000mj/(200v×100a)=5μs。也就是說(shuō)，sbd在出現(xiàn)雪崩之后ias=100a時(shí)，可保證在5μs之內(nèi)不會(huì)損壞器件。eas是檢驗(yàn)肖特基勢(shì)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(guò)工藝和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，sbd的耐壓有望突破200v，但一般不會(huì)超過(guò)600v。

2、sic高壓sbd

　　由于si和gaas的勢(shì)壘高度和臨界電場(chǎng)比寬帶半導(dǎo)體材料低，用其的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(chǎng)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，材料制備和工藝也比較成熟，是目前高耐壓、低正向壓降和高開(kāi)關(guān)速度sbd的比較理想的新型材料。

　　1999年，美國(guó)purdue大學(xué)在美國(guó)海軍資助的muri項(xiàng)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(shì)壘高度，而較高的反向擊穿電壓要求有盡可能高的勢(shì)壘高度，這是相矛盾的。因此，對(duì)勢(shì)壘金屬必須折衷考慮，故對(duì)其選擇顯得十分重要。對(duì)n型sic來(lái)說(shuō)，ni和ti是比較理想的肖特基勢(shì)壘金屬。由于ni/sic的勢(shì)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(shì)壘雙金屬溝槽（dmt）結(jié)構(gòu)的sicsbd設(shè)計(jì)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(lèi)似于nisbd。采用帶保護(hù)環(huán)的6h－sicsbd，擊穿電壓達(dá)550v。

　　據(jù)報(bào)道，c.m.zetterling等人采用6hsic襯底外延10μm的n型層，再用離子注入形成一系列平行p＋條，頂層勢(shì)壘金屬選用ti，這種結(jié)構(gòu)與圖2相類(lèi)似的結(jié)勢(shì)壘肖特基（junctionbarrierschottky，縮寫(xiě)為jbs）器件，正向特性與ti肖特基勢(shì)壘相同，反向漏電流處于pn結(jié)和ti肖特基勢(shì)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(bào)道了關(guān)于p型4hsicsbd、6hsicsbd的研制成果。這種以ti作為金屬勢(shì)壘的p型4hsicsbd和6hsicsbd，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是功率半導(dǎo)體器件比較理想的材料，2000年5月4日，美國(guó)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ΑＴ诟邏汗β识O管領(lǐng)域，sbd肯定會(huì)占有一席之地。

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　　肖特基二極管的工作原理

　　1．結(jié)構(gòu)原理

　　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(shì)壘具有整流特性而制成的多屬-半導(dǎo)體器件。因?yàn)閚型半導(dǎo)體中存在著的電子，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(méi)有空穴，也就不存在空穴自a向b的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從b擴(kuò)散到a，b表面電子濃度表面逐漸降輕工業(yè)部，表面電中性被破壞，于是就形成勢(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)閎→a。但在該電場(chǎng)作用之下，a中的電子也會(huì)產(chǎn)生從a→b的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)壘。

　　典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是以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(yáng)極（阻檔層）金屬材料是鉬。二氧化硅（sio2）用來(lái)消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，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(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可在基片與陽(yáng)極金屬之間形成合適的肖特基勢(shì)壘，當(dāng)加上正偏壓e時(shí)，金屬a和n型基片b分別接電源的正、負(fù)極，此時(shí)勢(shì)壘寬度wo變窄。加負(fù)偏壓-e時(shí)，勢(shì)壘寬度就增加，見(jiàn)圖2。

　　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(chēng)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，近年來(lái)，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問(wèn)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。

　　肖特基整流管僅用一種載流子（電子）輸送電荷，在勢(shì)壘外側(cè)無(wú)過(guò)剩少數(shù)載流子的積累，因此，不存在電荷儲(chǔ)存問(wèn)題（qrr→0），使開(kāi)關(guān)特性獲得時(shí)顯改善。其反向恢復(fù)時(shí)間已能縮短到10ns以?xún)?nèi)。但它的反向耐壓值較低，一般不超過(guò)去時(shí)100v。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這特點(diǎn)，能提高低壓、大電流整流（或續(xù)流）電路的效率 。