很全的肖特基二極管知識(shí)

肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士(Schottky)命名的，是肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky Barrier Diode,縮寫成SBD)的簡(jiǎn)稱。

肖特基二極管原理及結(jié)構(gòu)

和其他的二極管比起來(lái)，肖特基二極管有什么特別的呢?

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(shì)壘二極管，它是一種熱載流子二極管。

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(yáng)極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅(SiO2)來(lái)消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，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(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽(yáng)極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘，如圖所示。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓(陽(yáng)極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極)時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變小;反之，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。

肖特基整流管僅用一種載流子(電子)輸送電荷，在勢(shì)壘外側(cè)無(wú)過(guò)剩少數(shù)載流子的積累，因此，不存在電荷儲(chǔ)存問(wèn)題(Qrr→0)，使開關(guān)特性獲得時(shí)顯改善。其反向恢復(fù)時(shí)間已能縮短到10ns以內(nèi)。但它的反向耐壓值較低，一般不超過(guò)去時(shí)100V。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這特點(diǎn)，能提高低壓、大電流整流(或續(xù)流)電路的效率。

肖特基二極管的封裝

肖特基二極管分為有引線和表面安裝(貼片式)兩種封裝形式。 采用有引線式封裝的肖特基二極管通常作為高頻大電流整流二極管、續(xù)流二極管或保護(hù)二極管使用。它有單管式和對(duì)管(雙二極管)式兩種封裝形式。肖特基對(duì)管又有共陰(兩管的負(fù)極相連)、共陽(yáng)(兩管的正極相連)和串聯(lián)(一只二極管的正極接另一只二極管的負(fù)極)三種管腳引出方式。

采用表面封裝的肖特基二極管有單管型、雙管型和三管型等多種封裝形式，有A~19種管腳引出方式。

肖特基二極管的優(yōu)勢(shì)

SBD的主要優(yōu)點(diǎn)包括兩個(gè)方面：

1)由于肖特基勢(shì)壘高度低于PN結(jié)勢(shì)壘高度，故其正向?qū)ê驼驂航刀急萈N結(jié)二極管低(約低0.2V)。

2)由于SBD是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)問(wèn)題。SBD的反向恢復(fù)時(shí)間只是肖特基勢(shì)壘電容的充、放電時(shí)間，完全不同于PN結(jié)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。由于SBD的反向恢復(fù)電荷非常少，故開關(guān)速度非?？?，開關(guān)損耗也特別小，尤其適合于高頻應(yīng)用。

肖特基二極管的缺點(diǎn)

肖特基二極體最大的缺點(diǎn)是其反向偏壓較低及反向漏電流偏大，像使用硅及金屬為材料的肖特基二極管，其反向偏壓額定耐壓最高只到 50V，而反向漏電流值為正溫度特性，容易隨著溫度升高而急遽變大，實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)上需注意其熱失控的隱憂。為了避免上述的問(wèn)題，肖特基二極體實(shí)際使用時(shí)的反向偏壓都會(huì)比其額定值小很多。當(dāng)然，隨著工藝技術(shù)和肖特基二極管技術(shù)的進(jìn)步，其反向偏壓的額定值也再提高。

肖特基二極管的重要參數(shù)

肖特基二極管應(yīng)用廣泛，特別是在開關(guān)電源當(dāng)中。在不同的應(yīng)用中，需要考慮不同的因素，而且，不同的器件在性能上也有差別，因此，在選用肖特基二極管時(shí)，下面這些參數(shù)需要綜合考慮。

1、導(dǎo)通壓降VF

VF為二極管正向?qū)〞r(shí)二極管兩端的壓降，當(dāng)通過(guò)二極管的電流越大，VF越大;當(dāng)二極管溫度越高時(shí)，VF越小。

2、反向飽和漏電流IR

IR指在二極管兩端加入反向電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流，肖特基二極管反向漏電流較大，選擇肖特基二極管是盡量選擇IR較小的二極管。

3、額定電流IF

指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)允許溫升折算出來(lái)的平均電流值。

4. 最大浪涌電流IFSM

允許流過(guò)的過(guò)量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當(dāng)大。

5.最大反向峰值電壓VRM

即使沒(méi)有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。

6. 最大直流反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓時(shí)的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對(duì)于確定允許值和上限值是很重要的.

7.最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過(guò)某一值時(shí)，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。肖特基二極管的fM值較高，最大可達(dá)100GHz。

8.反向恢復(fù)時(shí)間Trr

當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí)，二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量，就是反向恢復(fù)時(shí)間。雖然它直接影響二極管的開關(guān)速度，但不一定說(shuō)這個(gè)值小就好。也即當(dāng)二極管由導(dǎo)通突然反向時(shí)，反向電流由很大衰減到接近IR時(shí)所需要的時(shí)間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，此項(xiàng)指標(biāo)至為重要。

9. 最大耗散功率P

二極管中有電流流過(guò)，就會(huì)吸熱，而使自身溫度升高。在實(shí)際中外部散熱狀況對(duì)P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過(guò)的電流加上反向恢復(fù)損耗。

肖特基二極管在開關(guān)電源中的應(yīng)用

開關(guān)電源有高頻變壓器、高頻電容、高反壓大功率晶體管、功率整流二極管、控制IC等主要部件組成。次級(jí)整流二極管作為耗能部件，損耗大，(約占電源功耗的30%)，發(fā)熱高，它的選用對(duì)電源的整機(jī)效率和可靠性指標(biāo)是非常關(guān)鍵的因素，這就要求整流二極管在高速大電流工作狀態(tài)下應(yīng)具有正向壓降VF小、反向反向漏電IR小、恢復(fù)時(shí)間Trr短的特性。

對(duì)于低壓大電流的高頻整流，肖特基二極管是最佳的選擇(這時(shí)由于其反向耐壓較低)，最常用的是作為±5V、±12V、±15V的整流輸出管。(如計(jì)算機(jī)電源的+5V輸出大多采用SR3040，+12V輸出采用SR1660)再加上肖特基二極管的正向壓降VF與結(jié)溫TJ呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，所以用其制造的開關(guān)電源效率高，溫升低，噪聲小，可靠性高。

下面是在具體應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題：

1.肖特基二極管的選型

要根據(jù)開關(guān)電源所要輸出的電壓VO、電流IO、散熱情況、負(fù)載情況、安裝要求、所要求的溫升等確定所要選用的肖特基二極管種類。

在一般的設(shè)計(jì)中，我們要留出一定的余量。比如，VR只用到其額定值的80%以下(特殊情況下可控制到50%以下)，IF用到其額定值的40%以下。

在單端反激(FLY-BACK)開關(guān)電源中，假定一產(chǎn)品：輸入電壓VIMAX=350VDC，輸出電壓VO=5V，電流IO=1A。如圖所示。

根據(jù)計(jì)算公式，要求整流二極管的反向電壓 VR、正向電流IF滿足下面的條件：

VR≥2VI×NS/NP

IF≥2IO/(1-θMAX)

其中：

NS/NP為變壓器次、初級(jí)匝比

θMAX為最大占空比

假設(shè)，NS/NP=1/20，θMAX=0.35

則VR≥2×350/20=35(V)

IF≥2×1/(1-0.35)=3(A)

這樣，我們可以參考選用SR340或1N5822。若產(chǎn)品為風(fēng)扇冷卻，則管子可以把余量留小一些。TO220、TO3P封裝的管子有全包封、半包封之分這要根據(jù)具體情況選用。

半包封管子的散熱優(yōu)于全包封的管子，但需注意其散熱器和中間管腳相通。

負(fù)載若為容性負(fù)載，建議IF再留出20%的余量。

注意功率肖特基二極管的散熱和安裝形式，要搞清楚產(chǎn)品為自然冷卻還是風(fēng)扇冷卻，管子要安裝在易通風(fēng)散熱的地方，以提高產(chǎn)品的可靠性。TO-220、TO-3P型的管子與散熱器之間要加導(dǎo)熱硅脂，使管子與散熱器之間接觸良好。DO-41、DO-201AD封裝的管子可采取立式、臥式、架空等方式安裝，這要根據(jù)實(shí)際情況確定。

2.正確選擇肖特基二極管的RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)-RC緩沖器

由于高頻變壓器的漏電感和管子的結(jié)電容在截止時(shí)形成一個(gè)諧振電路，它可導(dǎo)致瞬時(shí)過(guò)壓振蕩。因此，有必要在電源輸出中設(shè)置RC緩沖器以保護(hù)管子的安全。另外，RC網(wǎng)絡(luò)還可減少輸出噪聲，減少管子的熱耗，提高產(chǎn)品的效率和可靠性。如上圖所示。

緩沖器的選擇原則是，既使緩沖器有效，又能盡量減少損耗。下面是參考公式。

R=√(Li/Cj)/n

式中：Li為變壓器漏電感(μH)

CJ為管子的結(jié)電容(PF)

N為原副邊匝比(NP/NS)

電容C可任意地從0.01到0.1μF之間取,具體值有實(shí)驗(yàn)確定。

如對(duì)VO=5V，可選R=5.1Ω，0.5W,C=0.01μF

盡量選擇IR小的肖特基二極管

IR小的管子,熱耗小,所以同樣情況下,要選擇IR小的管子。

設(shè)計(jì)PCB時(shí)，要使管子及散熱器盡量遠(yuǎn)離電解電容器等對(duì)熱敏感的器件。以增加產(chǎn)品的壽命。

焊接管子的焊盤要足夠大，焊接牢靠，避免由于熱應(yīng)力造成脫焊。

肖特基二極管一旦選用后，要經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)，在產(chǎn)品輸入、輸出最壞的情況下測(cè)量其溫升及工作波形，確認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo)不要超過(guò)其極限參數(shù)。