肖特基势垒二极管(SBD)的工作原理

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⅔因而在高频应用中极具优势Ο
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¾类似于功率MOS的漂移区☏↵也决定着SBD的反向阻断特性Ο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½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Τ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Τ其正向压降会迅速升高►如图1所示⅝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Χ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Κ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✻


图1 不同整流二极管正向特性的比较



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𔶎.7𕋼.8򟿢.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¾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♈

图3 硅功率SBD功耗随温度和势垒高度的变化

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