二極管，肖特基二極管,快恢復(fù)二極管知識詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-01-28
二極管是用半導(dǎo)體材料(硅、硒、鍺等)制成的一種電子器件。它具有單向?qū)щ娦阅埽?即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。 當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。 因此，二極管的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于開關(guān)的接通與斷開。
二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。特別是在各種電子電路中，利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進(jìn)行合理的連接，構(gòu)成不同功能的電路，可以實現(xiàn)對交流電整流、對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩(wěn)壓等多種功能。無論是在常見的收音機(jī)電路還是在其他的家用電器產(chǎn)品或工業(yè)控制電路中，都可以找到二極管的蹤跡。
二極管就是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。
采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。
由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕O管導(dǎo)通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。
二極管的電路符號如圖1所示。二極管有兩個電極，由P區(qū)引出的電極是正極，又叫陽極；由N區(qū)引出的電極是負(fù)極，又叫陰極。三角箭頭方向表示正向電流的方向，二極管的文字符號用VD表示。
二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赑N結(jié)上加上引線和封裝就成了一個二極管。
晶體二極管為一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。
當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。
當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，PN結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。PN結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。
肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管的簡稱。
SBD不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。
肖特基二極管是貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。
因為N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然，金屬A中沒有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運動。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向為B→A。
但在該電場作用之下，A中的電子也會產(chǎn)生從A→B的漂移運動，從而消弱了由于擴(kuò)散運動而形成的電場。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運動達(dá)到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。
典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)體為基片，在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。
用二氧化硅（SiO2）來消除邊緣區(qū)域的電場，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)電阻，其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽極金屬之間便形成肖特基勢壘，如圖所示。
當(dāng)在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓（陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極）時，肖特基勢壘層變窄，其內(nèi)阻變小；反之，若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時，肖特基勢壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。
綜上所述，肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)整流管，而把金屬-半導(dǎo)管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問世，這不僅可節(jié)省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數(shù)的一致性。
快恢復(fù)二極管（簡稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。
快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。
采用TO–220或TO–3P封裝的大功率快恢復(fù)二極管，有單管和雙管之分。雙管的管腳引出方式又分為共陽和共陰。
應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
快恢復(fù)二極管從名稱上很好理解，肖特基二極管是以人名命名，由于制造工藝完全不同，是肖特基博士的一個創(chuàng)新。
肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD）的簡稱。
SBD不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。
肖特基二極管和快恢復(fù)二極管在物理結(jié)構(gòu)上是不一樣的。肖特基二極管的陽極是金屬，陰極是N型半導(dǎo)體；快恢復(fù)二極管基本結(jié)構(gòu)仍然是普通的PIN二極管，即陰陽極分別為N和P型半導(dǎo)體。物理結(jié)構(gòu)決定了兩者的電特性。
1.肖特基二極管耐壓較低，通常在200V以下，同等耐壓，相同電流下，肖特基二極管的正向壓降低于快恢復(fù)二極管。
2. 肖特基二極管載流子只有電子，理論上沒有反向恢復(fù)時間，而快恢復(fù)二極管本質(zhì)上和PIN二極管一樣，是少子器件的反向恢復(fù)時間通常在幾十到幾百ns。
3. 額定反向耐壓下，快恢復(fù)二極管的反向漏電流較小，通常在幾u(yù)A到幾十uA；肖特基二極管的反向漏電流則通常達(dá)到幾百uA到幾十mA，且隨溫度升高急劇增大。
反向恢復(fù)時間基本的定義是：二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷狀態(tài)所需的時間。
從定義可以看出，二極管導(dǎo)通狀態(tài)下突然施加一個反偏電壓，它不能馬上截止需要一個過度時間，也就是反向恢復(fù)時間。
通常在開關(guān)電源連續(xù)模式反向恢復(fù)過程中，二極管流過較大的反向電流同時承受了較大的反向電壓，因此造成了很大的反向恢復(fù)損耗，所以一般選反向恢復(fù)時間越短的越好，在電壓應(yīng)力較低的情況下肖特基是首選。
在CCM PFC中，為了降低這個損耗，通常的超快恢復(fù)二極管（標(biāo)稱反向恢復(fù)時間十幾到幾十ns）仍然差強(qiáng)人意，需要用到SiC二極管。常用的SiC二極管通常是肖特基結(jié)構(gòu)，反向恢復(fù)時間遠(yuǎn)低于PIN二極管。
產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因——電荷存儲效應(yīng)
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴(kuò)散而存儲的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。
空穴由Ｐ區(qū)擴(kuò)散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復(fù)合而消失，而是在一定的路程LP（擴(kuò)散長度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。
我們把正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應(yīng)。當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：
① 在反向電場作用下，Ｐ區(qū)電子被拉回Ｎ區(qū)，Ｎ區(qū)空穴被拉回Ｐ區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；
②與多數(shù)載流子復(fù)合。
在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結(jié)的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時反向電流IR=（VR＋VD）/RL。
VD表示ＰＮ結(jié)兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過時間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過時間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。
由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時間就是存儲電荷消失所需要的時間。
二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降V f,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r, 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf時間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts稱為儲存時間, tf稱為下降時間。tr= ts+ tf稱為反向恢復(fù)時間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。
這實際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。
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