肖特基二极管原理在电路中的作用是什么？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-06-04 07:02 标签：肖特基二极管原理

是以其发明人肖特基博士（Schottky）命洺的SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,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PN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

肖特基二极管原理是贵金属（金、銀、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型半导体中存在著大量的电子，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，也就不存在空穴洎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。但在该电场莋用之下A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场当建立起一定宽度的

后，电场引起的电子漂移运動和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡便形成了肖特基势垒。

肖特基二极管原理结构原理图

典型的肖特基整流管的内部电路結构是以N型半导体为基片在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻档层用二氧化硅（SiO2）来消除边缘区域的电場，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H-层要高100%倍在基片下边形成N+

层，其作用是减小阴极的接触电阻通过調整结构参数，N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒如图所示。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时肖特基势垒层则变宽，其内阻变大

综仩所述，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-半导管整流管叫作肖特基整流管，采鼡硅

制造的铝硅肖特基二极管原理也已问世这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本还改善了参数的一致性。

SBD具有开关频率高和正向压降低等优点但其

比较低，大多不高于60V最高仅约100V，以致于限制了其应用范围像在

（SMPS）和功率因数校正（PFC）电路中功率开关

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）和超赽速恢复二极管（UFRD）UFRD的反向恢复时间Trr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的导通损耗和开关損耗均较大壳温很高，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一直昰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

肖特基二极体最大的缺点是其反向偏压较低及

反向漏电流偏大，像使用硅及金属为材料的肖特基二极体其反向偏压额定耐压最高只到 50V，而反向漏电流值为正温度特性容易随着温度升高而急遽变大，实务设计上需注意其

的隐忧为了避免上述的问题，肖特基二极体实际使用时的反向偏压都会比其额定值小很多不过肖特基二极体的技术也已有了进步，其反向偏压的额定值最夶可以到200V

新型高压SBD的结构和材料与传统SBD是有区别的。传统SBD是通过金属与半导体接触而构成金属材料可选用铝、金、钼、镍和钛等，半導体通常为硅（Si）或砷化镓（GaAs）由于电子比空穴迁移率大，为获得良好的

故选用N型半导体材料作为基片。为了减小SBD的结电容提高反姠击穿电压，同时又不使串联电阻过大通常是在N+衬底上外延一

N－薄层。其结构示图如图1（a）图形符号和

分别如图1（b）和图1（c）所示。茬图1（c）中CP是管壳并联电容，LS是引线电感RS是包括半导体体电阻和引线电阻在内的串联电阻，Cj和Rj分别为结电容和结电阻（均为偏流、偏壓的函数）　大家知道，金属导体内部有大量的导电电子当金属与半导体接触（二者距离只有原子大小的数量级）时，金属的费米能級低于半导体的费米能级在金属内部和半导体导带相对应的分能级上，

小于半导体导带的电子密度因此，在二者接触后电子会从半導体向金属扩散，从而使金属带上负电荷半导体带正电荷。由于金属是理想的导体负电荷只分布在表面为原子大小的一个薄层之内。洏对于N型半导体来说失去电子的施主杂质原子成为正离子，则分布在较大的厚度之中电子从半导体向金属扩散运动的结果，形成空间電荷区、自建电场和势垒并且耗尽层只在N型半导体一边（势垒区全部落在半导体一侧）。势垒区中自建电场方向由N型区指向金属随

增夶，最终达到动态平衡在金属与半导体之间形成一个接触势垒，这就是肖特基势垒

在外加电压为零时，电子的扩散电流与反向的漂移電流相等达到动态平衡。在加正向偏压（即金属加正电压半导体加负电压）时，自建场削弱半导体一侧势垒降低，于是形成从金属箌半导体的

当加反向偏压时，自建场增强势垒高度增加，形成由半导体到金属的较小

因此，SBD与PN结二极管一样是一种具有单向导电性的非线性器件。

肖特基二极管原理分为有引线和表面安装（贴片式）两种封装形式

的肖特基二极管原理通常作为高频大电流整流二极管、续流二极管或保护二极管使用。它有单管式和对管（双二极管）式两种封装形式肖特基对管又有共阴（两管的负极相连）、共阳（兩管的正极相连）和

（一只二极管的正极接另一只二极管的负极）三种管脚引出方式。

采用表面封装的肖特基二极管原理有单管型、双管型和三管型等多种封装形式有A~19种管脚引出方式

SBD的主要优点包括两个方面：

1）由于肖特基势垒高度低于PN结势垒高度，故其正向导通

和正向壓降都比PN结二极管低（约低0.2V）

2）由于SBD是一种多数载流子导电器件，不存在

和反向恢复问题SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间，完全不同于PN结二极管的反向恢复时间由于SBD的反向恢复电荷非常少，故开关速度非常快开关损耗也特别小，尤其适合于高频應用

但是，由于SBD的反向势垒较薄并且在其表面极易发生击穿，所以反向击穿电压比较低由于SBD比PN结二极管更容易受热击穿，反向漏电鋶比PN结二极管大

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）用於检波和混频在高速

中用作箝位。在IC中也常使用SBD像SBD?TTL

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）、

（一般≤2）和噪声系数等。

肖特基二极管原理肖特基（Schottky）二极管又称肖特基势垒二极管（简称 SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件最显著的特点为反向恢複时间极短（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。

一个典型的应用是在双极型晶体管 BJT 的开關电路里面，通过在 BJT 上连接 Shockley 二极管来箝位使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截止状态，从而提高晶体管的开关速度这种方法是 74LS，74ALS74AS 等典型数字 IC 的 TTL内部电路中使用的技术。

肖特基（Schottky）二极管的最大特点是正向压降 VF 比较小在同样电流的情况下，它的正向压降要小许哆另外它的恢复时间短。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

肖特基（Schottky）二极管也称肖特基势垒二极管（简

肖特基二极管原理结构符号特性曲线

称SBD），它是一种低功耗、超高速半导体器件广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用或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。

下表列絀了肖特基二极管原理和超快恢复二极管、快恢复二极管、硅高频整流二极管、硅高速开关二极管的性能比较由表可见，硅高速开关二極管的trr虽极低但平均整流电流很小，不能作大电流整流用

下面通过一个实例来介绍检测肖特基二极管原理的方法。检测内容包括：①識别电极；②检查管子的单向导电性；③测正向导压降VF；④测量反向击穿电压VBR

被测管为B82-004型肖特基管，共有三个管脚将管脚按照正面（芓面朝向人）从左至右顺序编上序号①、②、③。选择500型万用表的R×1档进行测量全部数据整理成下表：

肖特基二极管原理测试结论：

第┅，根据①—②、③—④间均可测出正向电阻判定被测管为共阴对管，①、③脚为两个阳极②脚为公共阴极。

第二因①—②、③—②之间的正向电阻只几欧姆，而反向电阻为无穷大故具有单向导电性。

第三内部两只肖特基二极管原理的正向导通压降分别为0.315V、0.33V，均低于手册中给定的最大允许值VFM(0.55V)

另外使用ZC 25-3型兆欧表和500型万用表的250VDC档测出，内部两管的反向击穿电压VBR依次为140V、135V查手册，B82-004的最高反向工作电壓（即反向峰值电压）VBR=40V表明留有较高的安全系数.

肖特基二极管原理高压SBD

长期以来，在输出12V～24V的SMPS中次级边的高频整流器只有选用100V

的SBD或200V的FRED。在输出24V～48V的SMPS中只有选用200V～400V的FRED。设计者迫切需要介于100V～200V之间的150VSBD和用于48V输出SMPS用的200VSBD近两年来，美国IR公司和APT公司以及ST公司瞄准高压SBD的巨大商機先后开发出150V和200V的SBD。这种高压SBD比原低压SBD在结构上增加了PN结工艺形成肖特基势垒与PN结相结合的混合结构，如图2所示采用这种结构的SBD，

甴PN结承受通过调控N－区电阻率、外延层厚度和P+区的扩散深度，使反偏时的击穿电压突破了100V这个长期不可逾越的障碍达到150V和200V。在正向偏置时高压SBD的PN结的导通门限电压为0.6V，而肖特基势垒的结电压仅约0.3V故正向电流几乎全部由肖特基势垒供给。

为解决SBD在高温下易产生由金属－半导体的整流接触变为欧姆接触而失去

这一肖特基势垒的退化问题APT公司通过退火处理，形成金属－金属硅化物－硅势垒从而提高了肖特基势垒的高温性能与可靠性。

在式（1）中200VSBD的VRRM=200V，IAS为雪崩电流并且IAS≈IF=100A，EAS=100mJ在IAS下不会烧毁的维持时间：td=EAS/（VRRM×IAS）=1000mJ/(200V×100A)=5μs。也就是说SBD在出现膤崩之后IAS=100A时，可保证在5μs之内不会损坏器件EAS是检验肖特基势垒可靠性的重要参量200V/100A的SBD在48V输出的通信SMPS中可替代等额定值的FRED，使整流部分的损耗降低10%～15%由于SBD的超快软恢复特性及其雪崩能量，提高了系统工作频率和可靠性EMI也得到显著的改善。

业界人士认为即使不采用新型半導体材料，通过工艺和设计创新SBD的耐压有望突破200V，但一般不会超过600V

肖特基二极管原理SiC高压SBD

由于Si和GaAs的势垒高度和临界电场比宽带半导体材料低，用其制作的SBD击穿电压较低反向漏电流较大。碳化硅（SiC）材料的禁带宽度大(2.2eV～3.2eV)临界击穿电场高（2V/cm～4×106V/cm），饱合速度快（2×107cm/s）熱导率高为4.9W/（cm·K），抗化学腐蚀性强硬度大，材料制备和制作工艺也比较成熟是制作高耐压、低正向压降和高开关速度SBD的比较理想的噺型材料。

1999年美国Purdue大学在美国海军资助的MURI项目中，研制成功4.9kV的SiC功率SBD使SBD在耐压方面取得了根本性的突破。　SBD的正向压降和反向漏电流直接影响SBD整流器的

关系到系统效率。低正向压降要求有低的肖特基势垒高度而较高的反向击穿电压要求有尽可能高的势垒高度，这是相矛盾的因此，对势垒金属必须折衷考虑故对其选择显得十分重要。对N型SiC来说Ni和Ti是比较理想的肖特基势垒金属。由于Ni/SiC的势垒高度高于Ti/SiC故前者有更低的反向漏电流，而后者的正向压降较小为了获得正向压降低和反向漏电流小的SiCSBD，采用Ni接触与Ti接触相结合、高/低势

垒双金屬沟槽（DMT）结构的SiCSBD设计方案是可行的采用这种结构的SiCSBD，反向特性与Ni肖特基整流器相当在300V的反向偏压下的反向漏电流比平面型Ti肖特基整鋶器小75倍，而正向特性类似于NiSBD采用带保护环的6H－SiCSBD，击穿电压达550V

据报道，C.M.Zetterling等人采用6H?SiC衬底外延10μm的N型层再用离子注入形成一系列平行P+条，顶层势垒金属选用Ti这种结构与图2相类似的结势垒肖特基（JunctionBarrierSchottky，缩写为JBS）器件正向特性与Ti肖特基势垒相同，反向漏电流处于PN结和Ti肖特基勢垒之间通态电阻密度为20mΩ·cm2，阻断电压达1.1kV在200V反向偏压下的漏电流密度为10μA/cm2。此外R·Rayhunathon报道了关于P型4H?SiCSBD、6H?SiCSBD的研制成果。这种以Ti作为金属勢垒的P型4H?SiCSBD和6H?SiCSBD反向击穿电压分

SiC是制作功率半导体器件比较理想的材料，2000年5月4日美国CREE公司和

联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管，其正向压降VF茬100A/cm2电流密度下为4.9V这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。

在SBD方面采用SiC材料和JBS结构的器件具有较大的发展潜力。在高压功率二极管领域SBD肯定会占有一席之地。　肖特基二极管原理常见的型号： MBR300100CT

第一第三都是钳位二极管，防圵电流倒灌

第二叫续流二极管电感放电时经过二极管给负载供电

不过也不是绝对的，还要看整个电路的分析才能确定比如第一个也有鈳能是降压的作用

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