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解決方案News
鉅興電子—肖特基二極管的基本結構與工作原理
2019.09.17

早在20世紀40年代,人們就開始利用金屬-半導體接觸的單向導電性,當時將金屬絲與氧化亞銅晶體接觸做成點接觸型二極管,將這種最簡單的半導體器件用于檢波。利用薄膜淀積技術可在半導體表面形成大面積的金屬-半導體整流接觸,做成面接觸型的金屬-半導體二極管,習慣上稱之為肖特基勢壘二極管,簡稱為肖特基二極管。目前,功率肖特基勢壘二極管主要用鉻、鉑、鎢、鋁等金屬與N型低阻硅制成,一個典型的肖特基二極管的結構如圖1所示。

這里需要對陰極金屬與重摻雜的N+層之間的接觸進行說明。首先肯定是該接觸為歐姆接觸,與陽極的金屬-半導體的整流接觸不同。歐姆接觸不僅僅看金屬和半導體的功函數之差。更廣義的所謂歐姆接觸,是指接觸電阻很小且不隨外加電壓的變化而改變其阻值的線性接觸。在圖1中,陰極使用的是高摻雜接觸來做歐姆接觸。在半導體表面與金屬接觸處,如果先用擴散或合金等方法,摻入高濃度的施主或受主雜質,構成金屬-N+-N或金屬-P+-P結構,就形成了高摻雜接觸。在本圖中,流過金屬-N+N接觸的電流主要是電子電流,空穴電流很小,因此對高摻雜接觸來說,非平衡載流子的注入是可以忽略的。在高摻雜接觸處也存在著勢壘,但只要高摻雜的N+(或P+)層雜質濃度足夠高,其勢壘寬度也將很薄,勢壘越薄就越容易發生電子隧道穿透。因此,當勢壘減薄到一定程度以后,就不再能夠阻擋電子的運動,從而使高摻雜接觸的反向阻抗減小。由于高摻雜接觸在工藝上易于實現,效果又好,因此大部分半導體器件的歐姆接觸都采用這種方法。

為分析方便,忽略N+層與金屬的歐姆連接,將N和N+層看成一個層,則肖特基二極管的簡化結構如圖2所示,其中M代表金屬,將其畫成一個區來與半導體接觸,以示區分。按照二極管的端子名稱,A表示陽極,K表示陰極,圖中也給出與外圍電路的連接情況。則零偏置情況下的勢壘情況如圖3所示。

在肖特基二極管兩端加偏置電壓,可以認為所有電壓都加在勢壘接觸兩端,即忽略半導體中性區和歐姆接觸的壓降。與PN結的偏置狀態類似,偏置電壓主要加在空間電荷區。當外加電壓產生的電場與空間電荷區內自建電場的方向相反時,空間電荷區減薄,勢壘降低,稱此偏置狀態為正偏置。N型半導體的肖特基勢壘接觸在金屬接正、半導體接負時為正偏置;P型半導體的肖特基勢壘接觸則在金屬接負、半導體接正時為正偏置。反之,為反偏置。反偏置時,空間電荷區的寬度及其勢壘高度隨著外加電壓的變化而變化。由于大多數半導體都是電子遷移率高于空穴遷移率,實際應用中,大多采用N型半導體與功函數較大的金屬形成肖特基勢壘接觸。

圖3給出了金屬-N型半導體肖特基勢壘接觸(即圖2所示的肖特基二極管)的這三種偏置狀態。

從圖2中可以看出,隨著偏置狀態的改變,電子在半導體一側的勢壘高度和寬度會發生相應的變化,而電子在金屬一側的勢壘高度qΦM則由于外加電壓對金屬無任何影響而始終不變。因此,當正偏壓UF使半導體一側的電子勢壘由qUD降低為q(UD-UF)時,從半導體流向金屬的電子數大大超過從金屬流向半導體的電子數,形成從金屬到半導體的正向凈電流。與PN結不同,該電流是由N型半導體的多數載流子構成的。外加正電壓越高,勢壘下降越多,正向電流越大。

對反偏置狀態,半導體一側的電子勢壘增高為q(UD+UR),從半導體流向金屬的電子數大幅度減少,而金屬一側的電子勢壘高度未變,從金屬流向半導體的電子流占相對優勢,兩者相互抵消,形成由半導體流向金屬的反向電流。但是,金屬中的電子要越過相當高的勢壘qΦM才能進入半導體中,因此反向電流很小。由于金屬一側的電子勢壘不隨外加電壓變化,從金屬流向半導體的電子流的流密度也不會變化。當反向電壓提高到可使從半導體流向金屬的電子流忽略不計時,反向電流即趨于飽和。在偏置的條件下,半導體與金屬處于非平衡狀態,兩者沒有統一的費米能級。半導體空間電荷區外的中性區的費米能級和金屬費米能級之差,即等于外加電壓引起的靜電勢能之差。

以上定性地說明了肖特基二極管具有類似于PN結二極管的單向導電性。肖特基二極管的伏安特性具有與PN結二極管類似的形式,即

式中q——電子電量;

U——外加偏置電壓,正、反偏置跟PN結二極管分析時一樣采用方向上的統一;

k——玻耳茲曼常數;

J0——飽和電流密度。

對于肖特基二極管來說,J0的含義與PN結二極管的不同,可以根據擴散理論或者熱電子發射理論給出不同的表達式,在此不展開。

可見,肖特基二極管和PN結二極管具有類似的伏安關系。圖4給出了肖特基二極管與PN結二極管伏安特性曲線對比的示意圖。

兩者曲線很相似,但肖特基二極管與PN結二極管的導電行為有一些明顯的不同。

首先,就載流子的運動形式而言,PN結正向導通時,由P區注入N區的空穴或由N區注入P區的電子,都是少子(所以也叫少子注入),它們先形成一定的積累,然后靠擴散運動形成電流,少子的積累使開關速度受到極大的限制;而肖特基勢壘二極管的電流主要是由半導體中的多子形成,是多子器件,不存在少子的積累,開關速度不受積累的影響。因此,肖特基二極管比PN結二極管具有更好的高頻特性。

其次,對于相同的勢壘高度,肖特基二極管的飽和電流要比PN結二極管的飽和電流大得多。換言之,對于同樣大小的電流,肖特基二極管將有較低的正向導通電壓,但是在肖特基二極管中不存在少子的積累,沒有因此而產生的電導調制效應,所以正向通態特性不像PN結二極管那樣硬。

再次,PN結二極管的反向漏電流是由空間電荷區電場抽取少子形成的,其大小對溫度十分敏感;而肖特基二極管的反向漏電流是從金屬向硅發射的電子流,由于金屬中電子的密度對溫度不敏感,勢壘qΦM對溫度的依賴性也不大,因而其值受溫度變化的影響不大,但是肖特基勢壘中的空間電荷區相比于PN結的要窄,在反向偏置電壓的作用下,載流子的隧穿產生的電流對反向電流也有貢獻,使得肖特基二極管的反向電流特性偏軟。

在圖4中,與PN結二極管相比,肖特基二極管的正向特性不夠“硬”,壓降較低,而反向漏電流一般較高。如果半導體采用硅材料,而采用不同的金屬材料時,正向壓降和反向漏電流的情況有所不同,但是這兩個重要的特性參數很難兼顧,即正向壓降小,反向漏電流大;反向漏電流小,而正向壓降大。

最后,再來關注肖特基二極管的反向恢復特性。硅肖特基二極管的反向恢復特性極為優越,反向恢復又快又軟,這跟它沒有少子積累是分不開的,但具有這樣好的反向恢復特性的二極管卻很難在大容量電力電子變換器中得到應用,主要是其電壓等級比較低。而采用碳化硅等寬禁帶半導體材料制作肖特基二極管可以使情況得到改善。碳化硅肖特基二極管與快恢復二極管相比,開關速度更快,特性更軟,圖5給出600V等級的硅快恢復二極管和碳化硅肖特基二極管的反向恢復過程對比。


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