肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管

肖特基二极管概述

肖(xiao)特基二(er)(er)(er)极(ji)管是(shi)以其(qi)发明人肖(xiao)特基博(bo)士（Schottky）命名的，SBD是(shi)肖(xiao)特基势(shi)垒二(er)(er)(er)极(ji)管的简称。SBD不是(shi)利(li)(li)用P型半导(dao)体(ti)(ti)与(yu)N型半导(dao)体(ti)(ti)接(jie)触形(xing)成PN结原(yuan)理制(zhi)作的，而是(shi)利(li)(li)用金属与(yu)半导(dao)体(ti)(ti)接(jie)触形(xing)成的金属－半导(dao)体(ti)(ti)结原(yuan)理制(zhi)作的。因此，SBD也称为金属－半导(dao)体(ti)(ti)（接(jie)触）二(er)(er)(er)极(ji)管或表面势(shi)垒二(er)(er)(er)极(ji)管，它是(shi)一种热载流子二(er)(er)(er)极(ji)管。

肖特基二极管原理

肖特(te)基二极管是(shi)贵金属(shu)（金、银、铝(lv)、铂(bo)等）A为正极，以N型半导(dao)(dao)体(ti)B为负(fu)极，利用(yong)二者接触面(mian)上(shang)形成的(de)(de)势垒具有整(zheng)流特(te)性(xing)而制(zhi)成的(de)(de)金属(shu)-半导(dao)(dao)体(ti)器件。因(yin)为N型半导(dao)(dao)体(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)存(cun)(cun)在着(zhe)大量(liang)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，贵金属(shu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)仅有极少(shao)量(liang)的(de)(de)自由电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，所(suo)以电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)便从浓(nong)(nong)度高的(de)(de)B中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)向浓(nong)(nong)度低的(de)(de)A中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)扩(kuo)(kuo)(kuo)散。显(xian)然(ran)，金属(shu)A中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)没(mei)有空(kong)穴(xue)，也(ye)就(jiu)(jiu)不存(cun)(cun)在空(kong)穴(xue)自A向B的(de)(de)扩(kuo)(kuo)(kuo)散运(yun)(yun)动(dong)。随着(zhe)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)不断从B扩(kuo)(kuo)(kuo)散到A，B表(biao)面(mian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)浓(nong)(nong)度逐渐降低，表(biao)面(mian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)性(xing)被破坏(huai)，于是(shi)就(jiu)(jiu)形成势垒，其电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场方向为B→A。但在该电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场作(zuo)用(yong)之(zhi)下，A中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)也(ye)会(hui)产生从A→B的(de)(de)漂(piao)移运(yun)(yun)动(dong)，从而消弱了(le)由于扩(kuo)(kuo)(kuo)散运(yun)(yun)动(dong)而形成的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场。当(dang)建立起(qi)一定(ding)宽度的(de)(de)空(kong)间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷区后，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场引起(qi)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)漂(piao)移运(yun)(yun)动(dong)和(he)浓(nong)(nong)度不同引起(qi)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)扩(kuo)(kuo)(kuo)散运(yun)(yun)动(dong)达到相对的(de)(de)平衡，便形成了(le)肖特(te)基势垒。

典型的(de)肖特(te)基(ji)(ji)整流管(guan)的(de)内部(bu)电路结构是以N型半导体为基(ji)(ji)片(pian)，在(zai)上面形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)用(yong)(yong)砷作掺杂剂的(de)N-外延层(ceng)。阳(yang)极(ji)(ji)使用(yong)(yong)钼或铝等材料制成(cheng)(cheng)(cheng)阻档(dang)层(ceng)。用(yong)(yong)二氧(yang)化硅(gui)（SiO2）来(lai)消除(chu)边(bian)缘(yuan)区域的(de)电场(chang)，提(ti)高管(guan)子的(de)耐压(ya)值。N型基(ji)(ji)片(pian)具(ju)有很(hen)小(xiao)的(de)通(tong)态电阻，其(qi)掺杂浓度(du)较H-层(ceng)要高100%倍。在(zai)基(ji)(ji)片(pian)下边(bian)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)N+阴(yin)(yin)极(ji)(ji)层(ceng)，其(qi)作用(yong)(yong)是减(jian)小(xiao)阴(yin)(yin)极(ji)(ji)的(de)接(jie)触电阻。通(tong)过调整结构参数，N型基(ji)(ji)片(pian)和阳(yang)极(ji)(ji)金(jin)属(shu)(shu)之间(jian)便形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)肖特(te)基(ji)(ji)势(shi)垒(lei)，如图所(suo)示(shi)。当在(zai)肖特(te)基(ji)(ji)势(shi)垒(lei)两端加(jia)上正(zheng)向偏压(ya)（阳(yang)极(ji)(ji)金(jin)属(shu)(shu)接(jie)电源(yuan)正(zheng)极(ji)(ji)，N型基(ji)(ji)片(pian)接(jie)电源(yuan)负极(ji)(ji)）时，肖特(te)基(ji)(ji)势(shi)垒(lei)层(ceng)变(bian)(bian)窄，其(qi)内阻变(bian)(bian)小(xiao)；反之，若在(zai)肖特(te)基(ji)(ji)势(shi)垒(lei)两端加(jia)上反向偏压(ya)时，肖特(te)基(ji)(ji)势(shi)垒(lei)层(ceng)则变(bian)(bian)宽，其(qi)内阻变(bian)(bian)大。

综上(shang)所述，肖(xiao)特(te)(te)基(ji)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)的结(jie)构原理与PN结(jie)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)有(you)很大的区别(bie)通常将PN结(jie)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)称作结(jie)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)，而把金(jin)属-半导管(guan)(guan)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)叫作肖(xiao)特(te)(te)基(ji)整(zheng)流(liu)管(guan)(guan)，采用硅(gui)平面工(gong)艺制造(zao)的铝(lv)硅(gui)肖(xiao)特(te)(te)基(ji)二极管(guan)(guan)也已问世，这(zhei)不仅可节(jie)省(sheng)贵金(jin)属，大幅度(du)降低成本，还改善了参数的一致性。

快恢复二极管概述

快(kuai)恢(hui)复(fu)二(er)极(ji)(ji)管(guan)（简(jian)称FRD）是一种具(ju)有(you)开关(guan)特(te)性好、反向恢(hui)复(fu)时间(jian)(jian)短特(te)点的半导体二(er)极(ji)(ji)管(guan)，主(zhu)要应用(yong)于开关(guan)电(dian)(dian)源、PWM脉宽调制器、变频器等(deng)电(dian)(dian)子电(dian)(dian)路中，作(zuo)为(wei)高(gao)频整流二(er)极(ji)(ji)管(guan)、续流二(er)极(ji)(ji)管(guan)或(huo)阻(zu)尼二(er)极(ji)(ji)管(guan)使用(yong)。 快(kuai)恢(hui)复(fu)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的内部结构与普通PN结二(er)极(ji)(ji)管(guan)不同，它属(shu)于PIN结型(xing)二(er)极(ji)(ji)管(guan)，即(ji)在P型(xing)硅材(cai)(cai)料(liao)与N型(xing)硅材(cai)(cai)料(liao)中间(jian)(jian)增加(jia)了基区I，构成PIN硅片。因(yin)基区很薄，反向恢(hui)复(fu)电(dian)(dian)荷很小，所以快(kuai)恢(hui)复(fu)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的反向恢(hui)复(fu)时间(jian)(jian)较短，正向压(ya)降较低，反向击穿电(dian)(dian)压(ya)（耐压(ya)值(zhi)）较高(gao)。

快恢复二极管分类

采(cai)用TO–220或TO–3P封装的(de)大(da)功率快(kuai)恢复(fu)二极管(guan)(guan)(guan)，有单管(guan)(guan)(guan)和双管(guan)(guan)(guan)之分(fen)。双管(guan)(guan)(guan)的(de)管(guan)(guan)(guan)脚引(yin)出(chu)方式又分(fen)为共阳和共阴。

应用(yong)拓(tuo)扑结构：

肖特基二极管和快恢复二极管到底区别在哪？

快(kuai)恢复二极管从名称上很好理解，肖特基(ji)二极管是(shi)以人名命名，由于(yu)制造工(gong)艺完(wan)全不(bu)同，是(shi)肖特基(ji)博士(shi)的一个(ge)创(chuang)新。

肖(xiao)特(te)(te)基二(er)极管(guan)是(shi)以其发明(ming)人(ren)肖(xiao)特(te)(te)基博士（Schottky）命名的，SBD是(shi)肖(xiao)特(te)(te)基势垒(lei)二(er)极管(guan)（SchottkyBarrierDiode,缩写成(cheng)SBD）的简称。SBD不是(shi)利用P型半(ban)导体与N型半(ban)导体接(jie)触形(xing)成(cheng)PN结原(yuan)理制作的，而是(shi)利用金属(shu)与半(ban)导体接(jie)触形(xing)成(cheng)的金属(shu)－半(ban)导体结原(yuan)理制作的。因此，SBD也(ye)称为(wei)金属(shu)－半(ban)导体（接(jie)触）二(er)极管(guan)或(huo)表面(mian)势垒(lei)二(er)极管(guan)，它(ta)是(shi)一种(zhong)热载流子二(er)极管(guan)。

肖特基(ji)二极(ji)管(guan)和(he)快(kuai)恢复二极(ji)管(guan)在物(wu)(wu)理(li)结(jie)构(gou)上(shang)是(shi)不(bu)一样的(de)(de)。肖特基(ji)二极(ji)管(guan)的(de)(de)阳(yang)极(ji)是(shi)金(jin)属(shu)，阴极(ji)是(shi)N型(xing)半导体；快(kuai)恢复二极(ji)管(guan)基(ji)本结(jie)构(gou)仍然是(shi)普(pu)通(tong)的(de)(de)PIN二极(ji)管(guan)，即阴阳(yang)极(ji)分别(bie)为N和(he)P型(xing)半导体。物(wu)(wu)理(li)结(jie)构(gou)决定了两者的(de)(de)电特性。

1.肖(xiao)特基(ji)二(er)极(ji)管耐压(ya)较低(di)，通常在200V以下(xia)(xia)，同等耐压(ya)，相同电流下(xia)(xia)，肖(xiao)特基(ji)二(er)极(ji)管的正(zheng)向压(ya)降低(di)于快恢复二(er)极(ji)管。

2. 肖特基(ji)二(er)极(ji)(ji)管载(zai)流子(zi)只有电子(zi)，理论上(shang)没有反向恢复时间，而快恢复二(er)极(ji)(ji)管本质上(shang)和PIN二(er)极(ji)(ji)管一样，是少子(zi)器件的(de)反向恢复时间通常在几十(shi)到几百ns。

3. 额定(ding)反向耐压下，快恢复二极管(guan)的(de)反向漏电(dian)流较小，通常在几(ji)(ji)(ji)uA到(dao)几(ji)(ji)(ji)十uA；肖(xiao)特(te)基二极管(guan)的(de)反向漏电(dian)流则通常达(da)到(dao)几(ji)(ji)(ji)百(bai)uA到(dao)几(ji)(ji)(ji)十mA，且随(sui)温度(du)升高急剧增大。

开关电源中的二极管反向恢复时间怎样形成？

反向恢复时间基(ji)本的定(ding)义(yi)是：二(er)极管从导通状态(tai)转(zhuan)换成关断状态(tai)所需的时间。

从定义可以看出，二(er)极(ji)管导(dao)通(tong)状(zhuang)态下突然施加(jia)一(yi)个(ge)反(fan)偏(pian)电压，它(ta)不能马上截止需(xu)要一(yi)个(ge)过度时间，也(ye)就(jiu)是(shi)反(fan)向恢复时间。

通常在开(kai)关电(dian)源连续模(mo)式反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)过(guo)程中，二(er)极管流过(guo)较大的(de)反(fan)向(xiang)电(dian)流同(tong)时承(cheng)受了较大的(de)反(fan)向(xiang)电(dian)压，因此造(zao)成了很大的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)损(sun)耗，所(suo)以一般(ban)选(xuan)反(fan)向(xiang)恢(hui)复(fu)时间越短的(de)越好(hao)，在电(dian)压应力较低的(de)情况下肖特基是首(shou)选(xuan)。

在CCM PFC中，为了降(jiang)低(di)这(zhei)个(ge)损耗，通常(chang)的超快恢复(fu)二(er)(er)极管（标称反向恢复(fu)时间十(shi)几到几十(shi)ns）仍然差强人意，需要用到SiC二(er)(er)极管。常(chang)用的SiC二(er)(er)极管通常(chang)是肖特基(ji)结构(gou)，反向恢复(fu)时间远低(di)于(yu)PIN二(er)(er)极管。

产生反向恢(hui)复过程的(de)原因——电荷存储效应

产生上述现象的原因是由于(yu)二极管外加正向(xiang)电(dian)压VF时(shi)，载(zai)流子(zi)(zi)不(bu)断扩(kuo)散(san)而存(cun)(cun)储(chu)的结果。当外加正向(xiang)电(dian)压时(shi)Ｐ区空穴向(xiang)Ｎ区扩(kuo)散(san)，Ｎ区电(dian)子(zi)(zi)向(xiang)Ｐ区扩(kuo)散(san)，这样，不(bu)仅使势垒区（耗尽区）变(bian)窄，而且使载(zai)流子(zi)(zi)有相当数量的存(cun)(cun)储(chu)，在Ｐ区内存(cun)(cun)储(chu)了电(dian)子(zi)(zi)，而在Ｎ区内存(cun)(cun)储(chu)了空穴 ，它们都是非平衡少(shao)数载(zai)流于(yu)，如下图所(suo)示。

空(kong)穴(xue)由Ｐ区(qu)扩(kuo)散(san)到(dao)(dao)Ｎ区(qu)后，并不是立即与(yu)Ｎ区(qu)中的(de)(de)(de)电(dian)(dian)子复(fu)合(he)而消失(shi)，而是在一定(ding)的(de)(de)(de)路程(cheng)LP（扩(kuo)散(san)长度(du)(du)）内(nei)，一方面(mian)继续(xu)扩(kuo)散(san)，一方面(mian)与(yu)电(dian)(dian)子复(fu)合(he)消失(shi)，这样就(jiu)会在LP范围内(nei)存(cun)储(chu)一定(ding)数(shu)量的(de)(de)(de)空(kong)穴(xue)，并建立起(qi)一定(ding)空(kong)穴(xue)浓(nong)(nong)度(du)(du)分布，靠近结边缘的(de)(de)(de)浓(nong)(nong)度(du)(du)最大，离(li)结越远，浓(nong)(nong)度(du)(du)越小(xiao) 。正向电(dian)(dian)流越大，存(cun)储(chu)的(de)(de)(de)空(kong)穴(xue)数(shu)目越多，浓(nong)(nong)度(du)(du)分布的(de)(de)(de)梯度(du)(du)也越大。电(dian)(dian)子扩(kuo)散(san)到(dao)(dao)Ｐ区(qu)的(de)(de)(de)情(qing)况也类似，下图为二极管中存(cun)储(chu)电(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)(de)分布。

我们把正向(xiang)导通时，非平衡少数载流子积(ji)累的(de)现象(xiang)叫做电荷存储效应(ying)。  

当输入电压突然由+VF变为-VR时Ｐ区(qu)存储的(de)电子和(he)Ｎ区(qu)存储的(de)空穴(xue)不会马上消失(shi)，但它们(men)将通过(guo)下(xia)列两个途径逐渐(jian)减少：

① 在反(fan)向(xiang)电场作(zuo)用下，Ｐ区电子被拉回Ｎ区，Ｎ区空穴被拉回Ｐ区，形成反(fan)向(xiang)漂(piao)移电流IR，如下图所(suo)示；

②与多(duo)数载流子复合。

在(zai)这些存(cun)储电(dian)荷(he)消失之前，ＰＮ结仍(reng)(reng)处于正(zheng)(zheng)向偏置，即势垒区仍(reng)(reng)然很(hen)窄，ＰＮ结的(de)(de)电(dian)阻仍(reng)(reng)很(hen)小，与RL相比可以忽略(lve)，所(suo)(suo)以此时(shi)反(fan)向电(dian)流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示(shi)ＰＮ结两端的(de)(de)正(zheng)(zheng)向压降，一般(ban) VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在(zai)这段(duan)期间(jian)，IR基本上保持不变(bian)，主(zhu)要由VR和RL所(suo)(suo)决(jue)定(ding)。经(jing)过时(shi)间(jian)ts后Ｐ区和Ｎ区所(suo)(suo)存(cun)储的(de)(de)电(dian)荷(he)已显著减小，势垒区逐渐变(bian)宽，反(fan)向电(dian)流IR逐渐减小到正(zheng)(zheng)常(chang)反(fan)向饱和电(dian)流的(de)(de)数值，经(jing)过时(shi)间(jian)tt，二极管转为截止(zhi)。

由(you)上(shang)可(ke)知，二极管在开关转换过程(cheng)中出(chu)现(xian)的(de)(de)反向(xiang)(xiang)恢复(fu)过程(cheng)，实(shi)质上(shang)由(you)于电荷(he)存储效(xiao)应(ying)引起的(de)(de)，反向(xiang)(xiang)恢复(fu)时间就是存储电荷(he)消失(shi)所需要(yao)的(de)(de)时间。

二(er)极(ji)管和一(yi)般(ban)开(kai)(kai)关的(de)不(bu)同(tong)在(zai)(zai)于,“开(kai)(kai)”与“关”由(you)所加(jia)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)极(ji)性决(jue)定, 而且“开(kai)(kai)”态有微(wei)小的(de)压(ya)(ya)(ya)降V f,“关”态有微(wei)小的(de)电(dian)(dian)流(liu)i0。当电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)由(you)正向(xiang)变(bian)为反(fan)向(xiang)时(shi)(shi), 电(dian)(dian)流(liu)并不(bu)立刻成(cheng)为(- i0) , 而是在(zai)(zai)一(yi)段时(shi)(shi)间(jian)(jian)ts内, 反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)流(liu)始(shi)终很大, 二(er)极(ji)管并不(bu)关断。经(jing)过(guo)(guo)ts后, 反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)流(liu)才逐(zhu)渐变(bian)小, 再(zai)经(jing)过(guo)(guo)tf时(shi)(shi)间(jian)(jian), 二(er)极(ji)管的(de)电(dian)(dian)流(liu)才成(cheng)为(- i0) , ts称为储存时(shi)(shi)间(jian)(jian), tf称为下降时(shi)(shi)间(jian)(jian)。tr= ts+ tf称为反(fan)向(xiang)恢(hui)复时(shi)(shi)间(jian)(jian), 以上(shang)过(guo)(guo)程(cheng)称为反(fan)向(xiang)恢(hui)复过(guo)(guo)程(cheng)。这实际上(shang)是由(you)电(dian)(dian)荷(he)存储效应引起的(de), 反(fan)向(xiang)恢(hui)复时(shi)(shi)间(jian)(jian)就是存储电(dian)(dian)荷(he)耗尽所需要的(de)时(shi)(shi)间(jian)(jian)。该过(guo)(guo)程(cheng)使二(er)极(ji)管不(bu)能在(zai)(zai)快(kuai)速连续脉冲下当做开(kai)(kai)关使用。如果反(fan)向(xiang)脉冲的(de)持续时(shi)(shi)间(jian)(jian)比tr短, 则二(er)极(ji)管在(zai)(zai)正、反(fan)向(xiang)都可导通, 起不(bu)到开(kai)(kai)关作用。

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