肖特基二極管與快恢復(fù)整流二極管的性能比較

  隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子設(shè)備的體積和重量越來(lái)越小，而傳統(tǒng)的連續(xù)式申聯(lián)穩(wěn)壓電源由于體積大、效率低則不能滿足整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。開(kāi)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(diǎn)，其效率可達(dá)75%以上。開(kāi)關(guān)電源取代線性電源是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
  開(kāi)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，整流二極管為關(guān)鍵部件，因?yàn)槠涔淖畲?，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(kāi)關(guān)時(shí)間短的特性。性能較好，被大量應(yīng)用的整流二極管主要有兩種：一種是快恢復(fù)整流二極管，另一種便是肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）。總體卜來(lái)說(shuō)，肖特基勢(shì)壘二極管性能優(yōu)于快恢復(fù)二極管，它由于具有低壓大電流、低功耗、高速開(kāi)關(guān)等優(yōu)良特性，在高頻整流、開(kāi)關(guān)電路和保護(hù)電路中作為整流和續(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(fù)整流二極管。但由于金屬勢(shì)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(fù)整流二極管。

  1. 兩者的比較
  1.1 反向恢復(fù)時(shí)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(shì)壘高度，或者說(shuō)，取決于結(jié)內(nèi)部的載流子分布。因?yàn)橐欢ǖ膭?shì)壘高度與一定的載流子分布相對(duì)應(yīng)。正偏時(shí)，勢(shì)壘高度很低，結(jié)內(nèi)部的載流子很多，大大地超出平衡值；反偏時(shí)，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(shí)，就必然存在一個(gè)類似電容器放電的過(guò)程叫作反向恢復(fù)過(guò)程。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間就是反向恢復(fù)時(shí)間trr。顯然它與過(guò)剩少子壽命長(zhǎng)短有關(guān)。快速整流管的N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(fù)時(shí)間。
  肖特基勢(shì)壘二極管SBD的正向電流主要是“熱”電子由半導(dǎo)體注入到金屬中，少子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回到半導(dǎo)體中，但這仍然要求電子保持足以超過(guò)勢(shì)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(fèi)米能級(jí)高出一個(gè)勢(shì)壘高度，在金屬中由于碰撞作用，使這部分能量在極短時(shí)間內(nèi)（約10^-4S）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(jí)的時(shí)間內(nèi)返回到半導(dǎo)體內(nèi)，所以PN結(jié)的少子儲(chǔ)存效應(yīng)在SBD中實(shí)際是不存在的，其反向恢復(fù)時(shí)間主要由外電路決定，而不是由與導(dǎo)電機(jī)理有關(guān)的內(nèi)在電子過(guò)程決定的。因而SBD的反向恢復(fù)時(shí)間比PN結(jié)要短得多。
  SBD具有類似PN結(jié)的微分電容效應(yīng)，對(duì)反向恢復(fù)時(shí)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(yīng)外延層摻雜濃度較低。
 
  1.2 反向電壓的比較
  在通常情況下一般采用金屬--半導(dǎo)體接觸來(lái)形成肖特基勢(shì)壘，但是由于金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，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(gè)問(wèn)題，現(xiàn)采用一項(xiàng)新工藝技術(shù)-金屬硅化物-硅的接觸勢(shì)壘工藝形成非?？煽壳铱芍貜?fù)的肖特基勢(shì)壘。同時(shí)采用了保護(hù)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(shì)壘的緣故，其阻擋層較薄，故不能承受較高的電壓。
  實(shí)驗(yàn)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(fù)整流二極管由于襯底電阻率高、外延層厚，采用深結(jié)擴(kuò)散等特點(diǎn)，其承壓能力可達(dá)幾千伏，這也是快恢復(fù)整流二極管不能完全被取代的原因。
 
  1.3 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(fù)整流二極管的正向壓降低得多，因而其功耗低。在生產(chǎn)實(shí)踐中，快恢復(fù)整流二極管VF與trr的改善存在矛盾，也就是說(shuō)，要使VF盡可能低時(shí)，其trr必然上升，同理，trr改善了，則VF上升，這一矛盾對(duì)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(fù)整流二極管的一個(gè)劣勢(shì)。
  而肖特基勢(shì)壘二極管SBD，由于其為金一半接觸，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(shì)壘二極管有利于降低功耗。
 
  2. 總結(jié)
  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(diǎn)：
  a. 肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘而制成的二極管，它不同于擴(kuò)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(shì)壘少子注入和儲(chǔ)存的瞬態(tài)恢復(fù)特性，這使得在相同的應(yīng)用情況下，兩者的恢復(fù)特性存在明顯的差別，恢復(fù)時(shí)間大約為1:50，由于SBD的恢復(fù)時(shí)問(wèn)要短的多，因此其開(kāi)關(guān)速度比PN結(jié)二極管要快一倍，二極管的恢復(fù)時(shí)問(wèn)越短，它的平均功率損耗就越小。
  綜上所述，在開(kāi)關(guān)電源中，肖特基二極管比快恢復(fù)二極管更為理想，其功耗可以降低一半以上，進(jìn)一步提高了電源的效率，因此肖特基二極管是開(kāi)關(guān)電源必不可少的配套器件，廣泛應(yīng)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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