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肖特基应用报告

2006/9/15 | 来自:

肖特基应用报告

一、肖特基原理简介

肖特基势垒二极管SBDSchottky Barrier Diode),简称肖特基二极管)是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通的压降较低,而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。
    1.
结构原理
    
肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的多属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然,金属A中没有空穴,也就不存在空穴自AB的扩散运动。随着电子不断从B扩散到AB表面电子浓度表面逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为B→A。但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A→B的漂移运动,从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,便形成了肖特基势垒。

1)典型的肖特基整流管的内部电路结构如图1所示。它是以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(阻档层)金属材料是。二氧化硅(SiO2)用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%。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,可在基片与阳极金属之间形成合适的肖特基势垒,当加上正偏压E时,金属AN型基片B分别接电源的正、负极,此时势垒宽度Wo变窄。加负偏压-E时,势垒宽度就增加,见图1

1

2)综上所述,肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别通常将PN结整流管称作结整流管,而把金属-半导管整流管叫作肖特基整流管,近年来,采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世,这不仅可节省贵金属,大幅度降低成本,还改善了参数的一致性。
    
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 

2.性能比较

1列出了普通二极管、快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管、砷化镓肖特基二极管的性能比较。由表可见,肖特基二极管的trr较低。

参数

普通二极管

FRD

UFRD

SiSBD

GaAs-SBD

VDF(V)

1.2-1.4

1.2-1.4

0.9-1

0.4-0.6

1-1.5

trr(ns)

1000

200-750

25-100

10

5-10

PIV(V)

50-1000

50-1000

50-1000

15-100

150-350

可用频率

50HZ

20-100HZ

200KHZ

1MHZ

大于1MHZ

应用

输入整流

输出整流

输出整流

输出整流

输出整流

工作电压

 

 

48V或更高

4-5V

12-24V

1

二、实际电路应用:

1.机箱电源上的应用

在机箱电源上肖特基整流二极管用于输出整流输出电路。由于输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的比重很大,是影响开关电源效率的主要因素。主要包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低,因此具有更低的正向导通损耗。此外,肖特基二极管反向恢复时间短,在降低反向恢复损耗,以及消除输出电压中纹波电压方面有明显的性能优势,故在机箱电源上选用肖特基二极管作为整流二极管。图2为肖特基在机箱电源电路中的应用电路。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2

2.电动自行车上的应用

在电动自行车上主要在控制器上应用肖特基二极管。由控制器电路(图3)中可以看出,处于电机并联位置的二极管,起释放电机产生的感应电动势的作用。用于保护与之串联的MOSFET被击穿。由于释放电流较大,所以要求此处二极管的正向压降必须相对较小。肖特基二极管符合此处电路特点。所以被应用到此处。

 

3

三、应用电路对肖特基二极管参数要求

在机箱电源电路中,肖特基二极管工作在高频(47.6KHZ)状态,并且由于肖特基二极管本身的反向恢复时间trr极短,故开关损耗可以忽略。工作在正偏电压时,由于工作电流很大(一般在10A以上),正向压降VF越低越好;工作在反偏电压时,肖特基二极管两端电压于输出变压器初级绕组上的感应电压有关,要求大于30V,图3为肖特基在实际应用电路中的电压测试波形。

 

4(注:信号1,信号2是两管的电压信号。)

同时考虑到开关通断时有几伏浪涌电压叠加在这电压上,VBR大于40V。同时由于肖特基在工作时损耗较大,工作中有一定的温升。此时肖特基处于高结温状态,高温反向漏电流IR要求越小越好。建议5V输出选用SBL304512V输出选用SBL20100

1.在控制器电路中,要求有更高的VBR,相应的工作电流较小。建议选用20100

自行车低速行驶电流电压波形(信号1为电压,信号2为电流)。

自行车高速行驶电流电压波形(信号1为电压,信号2为电流)。

自行车启动,停止波形(信号1为电压,信号2为电流)。

 

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