開關(guān)電源應用中二極管的最佳選擇

  1. 引言
  隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子設備的體積和重量越來越小，而傳統(tǒng)的連續(xù)式串聯(lián)穩(wěn)壓電源由于體積大、效率低則不能滿足整機的優(yōu)化設計。開關(guān)電源是體積小、重量輕、可靠性高的新型電源，具有功耗低、效率高的突出優(yōu)點，其效率可達755以上。開關(guān)電源取代線性電源是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
  開關(guān)電源由高頻磁芯、高頻電容、高反壓大功率晶體管、功率整流二極管及控制電路等主要部件構(gòu)成。其中，流二極管為關(guān)鍵部件，因為其功耗最大，約占電源功耗的30% ，因此要求整流二極管在高速大電流工作狀態(tài)下，具有正向壓降小、開關(guān)時間短的特性。性能較好，被大量應用的整流二伋管主要有兩種：一種是快恢復整流二極管；另一種便是肖特基勢壘二極管(SBD)?？傮w上來說，肖特基勢壘二極管性能優(yōu)于快恢復二極管，它由于具有低壓大電流、低功耗、高速開關(guān)等優(yōu)良特性，在高頻整流、開關(guān)電路和保護電路中作為整溫和續(xù)流元件，可以大幅度降低功耗，提高電路效率和使用頻率，減少電路噪聲，所以，在低壓范圍內(nèi)，SBD已淘汰了快恢復整流二極管。但由于金屬勢壘的緣故，SBD不能承受較高電壓，因此，在大電壓范圍內(nèi)還缺不了快恢復整流二極管。

  2. 兩者的比較
  2.1 反向恢復時間trr的比較
  我們知道，PN結(jié)呈現(xiàn)正向特性或反向特性取決于結(jié)內(nèi)部的勢壘高度，或者說，取決于結(jié)內(nèi)部的載流子分布。因為一定的勢壘高度與一定的載流子分布相對應。正偏時，勢壘高度很低，結(jié)內(nèi)部的載流子很多，大大地超出平衡値；反偏時，結(jié)內(nèi)部的載流子很少，比平衡值還要低，所以PN結(jié)由正偏轉(zhuǎn)向反偏時，就必然存在一個類似電容器放電的過程叫作反向恢復過程。經(jīng)歷這個過程所需的時間就是反向恢復時間trr。顯然它與過剩少子壽命長短有關(guān)?？焖僬鞴艿腘區(qū)通常都是摻金的，以便使少子壽命降低從而獲得較短的反向恢復時間。
  肖特基勢壘二極管SBD的正向電流主要是“熱”電子由半導體注入到金屬中，少于(空穴)注入電流是微不足道的一部分。偏壓反向后，注入金屬的電子原則上也返問到半導體中，但這仍然要求電子保持足以超過勢壘的能量。在正向偏壓下，在電子偏壓作用下注入到金屬的電子的能量比金屬費米能級高出一個勢壘高度，在金屬中由于碰撞作用，使這部分能量在極短時間內(nèi)(約10^-4 S)消失。因此，反向偏壓施加后，這些熱電子只能在這一數(shù)量級的時間內(nèi)返問到半導體內(nèi)，所以PN結(jié)的少子儲存效應在SBD中實際是不存在的，其反向恢復時間主要由外電路決定。而不是由與導電機理有關(guān)的內(nèi)在電子過程決定的。因而SBD的反向恢復時間比PN結(jié)要短得多。
  SBD具有類似PN結(jié)的微分電容效應，對反向恢復時間有一定影響。為了降低微分電容，要求SBD有效面積盡可能減小，相應外延層摻雜濃度較低。
 
  2.2 反向電壓的比較
  在通常情況下一般采用金屬-半導體接觸來形成肖特基勢壘，但是由于金屬與半導體接觸時，接觸界面SiO2層的存在，使得接觸電阻和表面態(tài)密度明顯增大，致使器件的性能大大降低。為解決這個問題，現(xiàn)采用了一項新工藝技術(shù)-金屬硅化物-硅的接觸勢壘工藝形成非?？煽壳铱芍貜偷男ぬ鼗鶆輭尽Ｍ瑫r采用了保護環(huán)結(jié)構(gòu)等新工藝技術(shù)，使肖特基二極管的反向特性得到了很大的改善，顯示出較理想的伏安特性，但由于金屬勢壘的緣故，其阻擋層較薄，故不能承受較高的電壓。
  實驗證明：不管用哪種材料做成的肖特基二極管，其反向漏電流隨反向電壓的增加均按指數(shù)上升。這種“軟”擊穿特性，使反向阻斷產(chǎn)生較大的功耗，影響器件的穩(wěn)定性和可靠性，因此其主要用在低壓狀態(tài)下。
  而快恢復整流二極管由于襯底電阻率高、外延層厚，采用深結(jié)擴散等特點，其承壓能力可達幾千伏，這也是快恢復整流二極管不能完全被取代的原因。
 
  2.3 正向壓降的比較
  肖特基二極管的特殊結(jié)構(gòu)決定了其體電阻較小，它的正向壓降比快恢復整流二極管的正向壓降低得多，因而其功耗低。在生產(chǎn)實踐中，快恢復整流二極管VF與trr的改善存在矛盾，也就是說，要使VF盡可能低時，其trr必然上升，同理，trr改善了，則VF上升，這一矛盾對功耗降低是不利的，通常只能在二者中取折衷，這也是快恢復整流二極管的一個劣勢。
  而肖特基勢壘二極管SBD，由于其為金--半接觸，決定了其trr本身就很小，在通常的情況下，改善VF并不能使trr變差。因此肖特基勢壘二極管有利于降低功耗。
 
  3. 結(jié)束語
  肖特基二極管作為整流二極管比PN結(jié)整流二極管具有以下優(yōu)點：
  a. 肖特基二極管是利用金屬與半導體接觸形成的勢壘而制成的二極管，它不同于擴散型PN結(jié)二極管，其正向壓降只有PN結(jié)的一半，所以功耗可以降低一半。
  b. 肖特基二極管是利用一種多數(shù)載流子器件，不存在PN結(jié)二極管勢壘少子注入和儲存的瞬態(tài)恢復特性，這使得在相同的應用情況下，兩者的恢復特性存在明顯的差別，恢復時間大約為1：50，由于SBD的恢復時間要短的多，因此其開關(guān)速度比PN結(jié)二極管要快2～3倍，二極管的恢復時間越短，它的平均功率損耗就越小。
  綜上所述，在開關(guān)電源中，肖特基二極管比快恢復二極管更為理想，其功耗可以降低一半以上，進一步提高了電源的效率，因此肖特基二極管是開關(guān)電源必不可少的配套器件，廣泛應用于穩(wěn)壓器、整流器、逆變器、UPS等，也可以作為快速鉗位二極管使用。



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