肖特基勢壘二極管的VI特性

一提到低功耗、大電流、超高速的半導(dǎo)體器件，很多電子愛好者和電子工程師首先想到的是肖特基二極管。但你真的知道怎么使用肖特基二極管嗎?與其他二極管相比，肖特基二極管有什么特別的地方?這篇文章我將會為大家解決這些問題，并且詳細(xì)介紹肖基特二極管。

肖基特二極管定義

肖特基二極管，也被稱為熱載流子二極管，是一種具有低正向壓降和非常快速的開關(guān)動作的半導(dǎo)體二極管。 當(dāng)電流流過肖特基二極管時，肖特基二級管端子上有一個小的電壓降。普通二極管的電壓壓降在0.6V-1.7V之間，而肖特基二極管的電壓降通常在0.15V-0.45V之間。

這種較低的電壓降提供了更好的系統(tǒng)效率和更高的開關(guān)速度。在肖特基二極管中，半導(dǎo)體和金屬之間形成了一個半導(dǎo)體-金屬結(jié)，從而形成了肖特基勢壘。N型半導(dǎo)體作為陰極，金屬側(cè)作為二極管的陽極。這種肖特基勢壘導(dǎo)致低正向電壓降和非?？焖俚拈_關(guān)。

肖基特二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

肖特基二極管是通過將摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域(通常是N型)與金屬(例如金、銀、鉑)連接起來而形成的。 不是PN結(jié)，而是金屬-半導(dǎo)體 ，如下圖所示。

肖特基二極管的等效電路

肖特基二極管工作原理

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體結(jié)合時，形成MS結(jié)。這個結(jié)被稱為肖特基勢壘。 肖特基勢壘的行為會有所不同，具體取決于二極管是處于無偏置、正向偏置還是反向偏置狀態(tài) 。

無偏置肖特基二極管

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體結(jié)合時，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子(自由電子)會從N型半導(dǎo)體向金屬移動，建立平衡態(tài)。

我們知道，當(dāng)一個中性原子 失去一個電子時，它變成一個正離子，當(dāng)一個中性原子獲得一個額外的電子時，它變成一個負(fù)離子。

穿過結(jié)的導(dǎo)帶電子或自由電子將為金屬中的原子提供額外的電子。結(jié)果，金屬結(jié)處的原子獲得了額外的電子，而N側(cè)結(jié)處的原子失去了電子。

在N側(cè)結(jié)失去電子的原子將成為正離子，而在金屬結(jié)獲得額外電子的原子將成為負(fù)離子。因此，正離子在N側(cè)結(jié)處產(chǎn)生，而負(fù)離子在金屬結(jié)處產(chǎn)生。這些正離子和負(fù)離子只不過是耗盡區(qū)。

由于金屬具有大量自由電子，因此這些電子移動到金屬中的寬度與N型半導(dǎo)體內(nèi)部的寬度相比可以忽略不計。所以內(nèi)建電位或內(nèi)建電壓主要存在于N型半導(dǎo)體內(nèi)部。內(nèi)建電壓是N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子在試圖進入金屬時所看到的勢壘。

為了克服這個障礙，自由電子需要比內(nèi)建電壓更大的能量。在無偏置肖特基二極管中，只有少量電子會從N型半導(dǎo)體流向金屬。內(nèi)置電壓可防止電子進一步從半導(dǎo)體導(dǎo)帶流入金屬。自由電子從N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到金屬中導(dǎo)致接觸附近的能帶彎曲。

正向偏置肖特基二極管

如果電池正極接金屬，負(fù)極接N型半導(dǎo)體，則稱肖特基二極管正向偏置。

當(dāng)向肖特基二極管施加正向偏壓時，在N型半導(dǎo)體和金屬中產(chǎn)生大量自由電子。然而，N型半導(dǎo)體和金屬中的自由電子不能穿過結(jié)，除非施加的電壓大于0.2伏。

如果施加的電壓大于 0.2 伏，則自由電子獲得足夠的能量并克服耗盡區(qū)的內(nèi)建電壓。結(jié)果，電流開始流過肖特基二極管。如果不斷增加外加電壓，耗盡區(qū)會變得很薄，最終消失。

反向偏置肖特基二極管

如果電池負(fù)極接金屬，正極接N型半導(dǎo)體，則稱肖特基二極管反向偏置。

當(dāng)向肖特基二極管施加反向偏置電壓時，耗盡寬度增加。結(jié)果電流停止流動。由于金屬中的熱激發(fā)電子，會產(chǎn)生少量的漏電流。

如果反向偏壓持續(xù)增加，則由于勢壘較弱，電流逐漸增加。

如果反向偏壓大幅增加，則電流會突然上升。電流的這種突然上升會導(dǎo)致耗盡區(qū)損壞，這可能會永久損壞器件。

肖特基勢壘二極管的VI特性

從 VI 特性可以看出，肖特基勢壘二極管的 VI 特性與普通 PN 結(jié)二極管相似，但還是存在以下不同。

肖特基勢壘二極管的正向壓降比普通的PN結(jié)二極管低 。 由硅制成的肖特基勢壘二極管的正向壓降呈現(xiàn)出 0.3 伏至 0.5 伏得正向壓降。

正向壓降隨著n型半導(dǎo)體摻雜濃度的增加而增加 。 由于載流子的高度集中，肖特基勢壘二極管的 VI 特性比普通 PN 結(jié)二極管的 VI 特性更陡峭。

肖基特二極管的優(yōu)缺點

優(yōu)點

低正向?qū)▔航?/p>

肖特基二極管的導(dǎo)通電壓在硅二極管的0.2V-0.3V之間，而而標(biāo)準(zhǔn)硅二極管的導(dǎo)通電壓在 0.6 到 0.7 伏之間。 這使得它具有與鍺二極管非常相同的開啟電壓。

快速恢復(fù)時間

由于存儲電荷量少，恢復(fù)時間快，這意味著它可以用于高速開關(guān)應(yīng)用。

低結(jié)電容

鑒于非常小的有源區(qū)域，通常由于在硅上使用線點接觸，電容水平非常小。

高電流密度

肖特基二極管的耗盡區(qū)可以忽略不計。 所以施加很小的電壓就足以產(chǎn)生大電流。

噪音更小

與典型的PN結(jié)二極管相比，肖特基二極管產(chǎn)生的不需要的噪聲更少。

性能更好

肖特基二極管將消耗更少的功率，可以輕松滿足低壓應(yīng)用的要求。

缺點

較高反向電流

由于肖特基二極管是金屬半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，反接電壓時更容易漏電流。

較低最大反向電壓

反向電壓是當(dāng)電壓反向連接(從陰極到陽極)時二極管將擊穿并開始傳導(dǎo)大量電流的電壓。 這意味著肖特基二極管在不擊穿和傳導(dǎo)大量電流的情況下無法承受很大的反向電壓。 甚至在達(dá)到這個最大反向值之前，它仍然會泄漏少量電流。

肖特基二極管的特別之處

就像我們前面所說的一樣，肖特基二極管的外觀和性能與普通二極管非常相似，但肖特基二極管的一個獨特特性是其極低的壓降和高開關(guān)速度。 為了更好地理解這一點，讓我們將肖特基二極管和通用二極管連接到相同的電路并檢查其性能。

在上圖中，我們有兩個電路，一個是肖特基二極管，另一個是典型的 PN 結(jié)二極管。

這些電路將用于區(qū)分兩個二極管中的電壓降。 左邊電路是肖特基二極管，右邊是典型的PN結(jié)二極管。

兩個二極管均采用 5V 供電。 當(dāng)電流從兩個二極管流過時，肖特基二極管只有 0.3 伏的壓降，為負(fù)載留下 4.7 伏，另一方面，典型的 PN 結(jié)二極管的壓降為 0.7 伏，為負(fù)載留下 4.3 伏。

所以肖特基二極管的壓降比傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管要低。 下圖為PN結(jié)二極管和肖特基二極管的一些區(qū)別。

肖特基二極管作用與應(yīng)用

肖特基二極管具多有用的應(yīng)用，從整流、信號調(diào)節(jié)、開關(guān)、電壓鉗位、太陽能電池到 TTL 和 CMOS 邏輯門，主要是因為它們的低功耗和快速開關(guān)速度。 TTL 肖特基邏輯門由出現(xiàn)在其邏輯門電路代碼中某處的字母 LS 標(biāo)識，例如 74LS00。

射頻混頻器和檢波二極管

肖特基二極管因其高開關(guān)速度和高頻率能力而在射頻應(yīng)用中獨樹一幟。 鑒于此，肖特基勢壘二極管用于許多高性能二極管環(huán)形混頻器。 除此之外，它們的低開啟電壓和高頻能力以及低電容使它們成為射頻檢測器的理想選擇。

功率整流器

肖特基勢壘二極管也用于大功率應(yīng)用中，作為整流器。 它們的高電流密度和低正向壓降意味著與使用普通 PN 結(jié)二極管相比，浪費的功率更少。 這種效率的提高意味著需要消散的熱量更少，并且可以在設(shè)計中加入更小的散熱器。

電源或電路

肖特基二極管可用于負(fù)載由兩個獨立電源驅(qū)動的應(yīng)用。 一個示例可以是主電源和電池電源。 在這些情況下，一個電源的電源不能進入另一個電源是必要的。 這可以使用二極管來實現(xiàn)。 然而，重要的是要最小化二極管上的任何電壓降以確保最大效率。

與許多其他應(yīng)用一樣，鑒于其低正向壓降，該二極管非常適合此應(yīng)用。 肖特基二極管往往具有較高的反向漏電流。 這可能導(dǎo)致任何可能正在使用的傳感電路出現(xiàn)問題。 進入高阻抗電路的泄漏路徑會導(dǎo)致錯誤讀數(shù)。 因此，這必須在電路設(shè)計中加以考慮。

電壓鉗位/削波電路

限幅器電路和鉗位器電路通常用于波形整形應(yīng)用。 具有低壓降特性的肖特基二極管可用作鉗位二極管。

反向電流和放電保護

眾所周知，肖特基二極管也被稱為阻塞二極管，因為它阻止電流反向流動; 可用作放電保護。 例如，在應(yīng)急閃光燈中，在超級電容器和直流電機之間使用了一個肖特基二極管，以防止超級電容器通過直流電機放電。

采樣保持電路

正向偏置肖特基二極管沒有任何少數(shù)電荷載流子，因此，它們可以比典型的 PN 結(jié)二極管更快地切換。 因此使用肖特基二極管是因為它們從采樣到保持步驟的轉(zhuǎn)換時間較短，這會在輸出端產(chǎn)生更準(zhǔn)確的采樣。

太陽能電池

肖特基二極管可以幫助最大限度地提高太陽能電池的效率，因為它們具有低正向電壓降。 它們還有助于保護電池免受反向充電。