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肖特基势垒二极管(SBD)的工作原理

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-24 11:42

  如前所述,SBD属于无额外载流子参与电流输运的单极器件,所有跟额外载流子的注入、存储、抽取和复合等过程相关的器件问题,都不存在于这种器件的开通与关断过程之中,其开关过程的时间常数只受金属-半导体接触处空间电荷区充放电时间常数的限制,而这个时间常数大约是10-13s量级,因而在高频应用中极具优势。
  功率SBD通常用功函数较大的金属与轻掺杂n-外延层直接接触而成,为保持低功耗须使用重掺杂的n+衬底。n-外延层是该器件的漂移区,其长度及其材料的电阻率既决定着SBD通态比电阻的大小(类似于功率MOS的漂移区),也决定着SBD的反向阻断特性。由于高压设计需要提高材料的电阻率并增加漂移区的长度,使其比电阻Rd0增大,这不但会使正向压降升高,也会因RC时间常数正比于Rd01/2而使开关特性变坏。因此其正向压降低、工作频率高的优势只存在于低压器件中。不过,即便是低压SBD,由于正向导通时缺乏额外载流子的电导调制,电流密度增高时,其正向压降会迅速升高,如图1所示。图中两条实线所代表的功率SBD和pin二极管具有相同击穿电压。
  由于n+衬底电阻率很低,SBD的正向压降主要降落在漂移区和金属-半导体接触上。在漂移区比电阻Rd0因反向阻断电压的限制而不能减小时,降低金属-半导体接触的势垒高度也有可能使正向压降降低。但是,降低势垒也必然会导致反向漏电流增大。因此对功率SBD需要在其正向压降和反向漏电流之间进行折中设计,以实现其综合性能的优化。图2是针对低反压硅SBD的这种关系按不同环境温度计算出来的曲线。这些曲线对功率SBD的设计和优选使用都有参考价值。

不同整流二极管正向特性的比较
图1 不同整流二极管正向特性的比较
低反压SBD正向压降与反向漏电流的关系
图2 低反压SBD正向压降与反向漏电流的关系

  正向压降UF和反向漏电流密度JR的优化直接关系到功率SBD的最高工作温度。若忽略开关损耗,功率SBD的总功耗可表示为
Pd=JFUFδ+JRUR(1-δ)
式中JF、UR——正向电流密度和反向阻断电压;
                δ——功率脉冲的占空比。
  利用该式可针对不同势垒高度的功率SBD计算其功耗最低时的温度,即最高工作温度。图3是针对势垒高度分别为0.6、0.7、0.8、0.9eV的四种情况计算出来的硅SBD功耗随温度变化的曲线,计算时取JF=100A/cm2,UR=20V,δ=0.5。图中可见,随着肖特基势垒高度的降低,功耗会有一些减小,但最高工作温度更会明显降低。
  以上分析说明,SBD从原理上有相对于pn结二极管的特性优势,也有明显的不足。因此有必要对SBD的结构做必要的改造。于是就产生了与pn结相结合的两种复合结构型肖特基势垒器件JBS和MPS,以及与MOS结构相结合的复合结构型器件TMBS。
硅功率SBD功耗随温度和势垒高度的变化 
图3 硅功率SBD功耗随温度和势垒高度的变化



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