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肖特基二极管原理及结构

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的 ， 是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称 。
肖特基二极管原理及结构
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肖特基二极管原理及结构
和其他的二极管比起来 ， 肖特基二极管有什么特别的呢？
SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的 ， 而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的 。 因此 ， SBD也称为金属-半导体（接触）二极管或表面势垒二极管 ， 它是一种热载流子二极管 。
典型的肖特基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片 ， 在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层 。 阳极使用钼或铝等材料制成阻档层 。 用二氧化硅（SiO2）来消除边缘区域的电场 ， 提高管子的耐压值 。 N型基片具有很小的通态电阻 ， 其掺杂浓度较H-层要高100%倍 。 在基片下边形成N+阴极层 ， 其作用是减小阴极的接触电阻 。 通过调整结构参数 ， N型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒 ， 如图所示 。 当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极 ， N型基片接电源负极）时 ， 肖特基势垒层变窄 ， 其内阻变小；反之 ， 若在肖特基势垒两端加上反向偏压时 ， 肖特基势垒层则变宽 ， 其内阻变大 。
肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷 ， 在势垒外侧无过剩少数载流子的积累 ， 因此 ， 不存在电荷储存问题（Qrr→0） ， 使开关特性获得时显改善 。 其反向恢复时间已能缩短到10ns以内 。 但它的反向耐压值较低 ， 一般不超过去时100V 。 因此适宜在低压、大电流情况下工作 。 利用其低压降这特点 ， 能提高低压、大电流整流（或续流）电路的效率 。
肖特基二极管的封装
肖特基二极管分为有引线和表面安装（贴片式）两种封装形式 。 采用有引线式封装的肖特基二极管通常作为高频大电流整流二极管、续流二极管或保护二极管使用 。 它有单管式和对管（双二极管）式两种封装形式 。 肖特基对管又有共阴（两管的负极相连）、共阳（两管的正极相连）和串联（一只二极管的正极接另一只二极管的负极）三种管脚引出方式 。
采用表面封装的肖特基二极管有单管型、双管型和三管型等多种封装形式 ， 有A~19种管脚引出方式 。
肖特基二极管的优势
SBD的主要优点包括两个方面：
1）由于肖特基势垒高度低于PN结势垒高度 ， 故其正向导通和正向压降都比PN结二极管低（约低0.2V） 。
2）由于SBD是一种多数载流子导电器件 ， 不存在少数载流子寿命和反向恢复问题 。 SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间 ， 完全不同于PN结二极管的反向恢复时间 。 由于SBD的反向恢复电荷非常少 ， 故开关速度非常快 ， 开关损耗也特别小 ， 尤其适合于高频应用 。
肖特基二极管的缺点
肖特基二极体最大的缺点是其反向偏压较低及反向漏电流偏大 ， 像使用硅及金属为材料的肖特基二极管 ， 其反向偏压额定耐压最高只到50V ， 而反向漏电流值为正温度特性 ， 容易随着温度升高而急遽变大 ， 实务设计上需注意其热失控的隐忧 。 为了避免上述的问题 ， 肖特基二极体实际使用时的反向偏压都会比其额定值小很多 。 当然 ， 随着工艺技术和肖特基二极管技术的进步 ， 其反向偏压的额定值也再提高 。
肖特基二极管的重要参数
肖特基二极管应用广泛 ， 特别是在开关电源当中 。 在不同的应用中 ， 需要考虑不同的因素 ， 而且 ， 不同的器件在性能上也有差别 ， 因此 ， 在选用肖特基二极管时 ， 下面这些参数需要综合考虑 。
1、导通压降VF
VF为二极管正向导通时二极管两端的压降 ， 当通过二极管的电流越大 ， VF越大；当二极管温度越高时 ， VF越小 。
2、反向饱和漏电流IR
IR指在二极管两端加入反向电压时 ， 流过二极管的电流 ， 肖特基二极管反向漏电流较大 ， 选择肖特基二极管是尽量选择IR较小的二极管 。
3、额定电流IF
指二极管长期运行时 ， 根据允许温升折算出来的平均电流值 。
4.最大浪涌电流IFSM
允许流过的过量的正向电流 。 它不是正常电流 ， 而是瞬间电流 ， 这个值相当大 。
5.最大反向峰值电压VRM
即使没有反向电流 ， 只要不断地提高反向电压 ， 迟早会使二极管损坏 。 这种能加上的反向电压 ， 不是瞬时电压 ， 而是反复加上的正反向电压 。 因给整流器加的是交流电压 ， 它的最大值是规定的重要因子 。 最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压 。 目前肖特基最高的VRM值为150V 。
6.最大直流反向电压VR
上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压 ， VR是连续加直流电压时的值 。 用于直流电路 ， 最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的 。
7.最高工作频率fM
由于PN结的结电容存在 ， 当工作频率超过某一值时 ， 它的单向导电性将变差 。 肖特基二极管的fM值较高 ， 最大可达100GHz 。
8.反向恢复时间Trr
当工作电压从正向电压变成反向电压时 ， 二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止 。 实际上 ， 一般要延迟一点点时间 。 决定电流截止延时的量 ， 就是反向恢复时间 。 虽然它直接影响二极管的开关速度 ， 但不一定说这个值小就好 。 也即当二极管由导通突然反向时 ， 反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间 。 大功率开关管工作在高频开关状态时 ， 此项指标至为重要 。
9.最大耗散功率P
二极管中有电流流过 ， 就会吸热 ， 而使自身温度升高 。 在实际中外部散热状况对P也是影响很大 。 具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流加上反向恢复损耗 。
肖特基二极管在开关电源中的应用
开关电源有高频变压器、高频电容、高反压大功率晶体管、功率整流二极管、控制IC等主要部件组成 。 次级整流二极管作为耗能部件 ， 损耗大 ， （约占电源功耗的30%） ， 发热高 ， 它的选用对电源的整机效率和可靠性指标是非常关键的因素 ， 这就要求整流二极管在高速大电流工作状态下应具有正向压降VF小、反向反向漏电IR小、恢复时间Trr短的特性 。
对于低压大电流的高频整流 ， 肖特基二极管是最佳的选择（这时由于其反向耐压较低） ， 最常用的是作为±5V、±12V、±15V的整流输出管 。 （如计算机电源的+5V输出大多采用SR3040 ， +12V输出采用SR1660）再加上肖特基二极管的正向压降VF与结温TJ呈现负温度系数 ， 所以用其制造的开关电源效率高 ， 温升低 ， 噪声小 ， 可靠性高 。
下面是在具体应用中应注意的问题：1.肖特基二极管的选型要根据开关电源所要输出的电压VO、电流IO、散热情况、负载情况、安装要求、所要求的温升等确定所要选用的肖特基二极管种类 。
在一般的设计中 ， 我们要留出一定的余量 。 比如 ， VR只用到其额定值的80%以下（特殊情况下可控制到50%以下） ， IF用到其额定值的40%以下 。
在单端反激（FLY-BACK）开关电源中 ， 假定一产品：输入电压VIMAX=350VDC ， 输出电压VO=5V ， 电流IO=1A 。 如图所示 。
根据计算公式 ， 要求整流二极管的反向电压VR、正向电流IF满足下面的条件：
VR≥2VI×NS/NP
IF≥2IO/（1-θMAX）
其中：
NS/NP为变压器次、初级匝比
θMAX为最大占空比
假设 ， NS/NP=1/20 ， θMAX=0.35
则VR≥2×350/20=35（V）
IF≥2×1/（1-0.35）=3（A）
这样 ， 我们可以参考选用SR340或1N5822 。 若产品为风扇冷却 ， 则管子可以把余量留小一些 。 TO220、TO3P封装的管子有全包封、半包封之分这要根据具体情况选用 。
半包封管子的散热优于全包封的管子 ， 但需注意其散热器和中间管脚相通 。
负载若为容性负载 ， 建议IF再留出20%的余量 。
注意功率肖特基二极管的散热和安装形式 ， 要搞清楚产品为自然冷却还是风扇冷却 ， 管子要安装在易通风散热的地方 ， 以提高产品的可靠性 。 TO-220、TO-3P型的管子与散热器之间要加导热硅脂 ， 使管子与散热器之间接触良好 。 DO-41、DO-201AD封装的管子可采取立式、卧式、架空等方式安装 ， 这要根据实际情况确定 。
2.正确选择肖特基二极管的RC补偿网络-RC缓冲器由于高频变压器的漏电感和管子的结电容在截止时形成一个谐振电路 ， 它可导致瞬时过压振荡 。 因此 ， 有必要在电源输出中设置RC缓冲器以保护管子的安全 。 另外 ， RC网络还可减少输出噪声 ， 减少管子的热耗 ， 提高产品的效率和可靠性 。 如上图所示 。
缓冲器的选择原则是 ， 既使缓冲器有效 ， 又能尽量减少损耗 。 下面是参考公式 。
R=√（Li/Cj）/n
式中：Li为变压器漏电感（μH）
CJ为管子的结电容（PF）
N为原副边匝比（NP/NS）
电容C可任意地从0.01到0.1μF之间取 ， 具体值有实验确定 。
如对VO=5V ， 可选R=5.1Ω ， 0.5W,C=0.01μF
尽量选择IR小的肖特基二极管
IR小的管子 ， 热耗小 ， 所以同样情况下 ， 要选择IR小的管子 。
设计PCB时 ， 要使管子及散热器尽量远离电解电容器等对热敏感的器件 。 以增加产品的寿命 。
焊接管子的焊盘要足够大 ， 焊接牢靠 ， 避免由于热应力造成脱焊 。
肖特基二极管一旦选用后 ， 要经模拟实验 ， 在产品输入、输出最坏的情况下测量其温升及工作波形 ， 确认各项指标不要超过其极限参数 。
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