肖特基二極管與快恢復(fù)整流二極管的性能比較
隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,電子設(shè)備的體積和重量越來(lái)越小,而傳統(tǒng)的連續(xù)式申聯(lián)穩(wěn)壓電源由于體積大、效率低則不能滿足整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源是體積小、重量輕、可靠性高的新型電源,具有功耗低、效率高的突出優(yōu)點(diǎn),其效率可達(dá)75%以上。開(kāi)關(guān)電源取代線性電源是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
開(kāi)關(guān)電源由高頻磁芯、高頻電容、高反壓大功率晶體管、功率整流二極管及控制電路等主要部件構(gòu)成。其中,整流二極管為關(guān)鍵部件,因?yàn)槠涔淖畲?,約占電源功耗的30%,因此要求整流二極管在高速大電流工作狀態(tài)下,具有正向壓降小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短的特性。
其實(shí)被大量應(yīng)用的整流二極管主要有兩種:一種是快恢復(fù)整流二極管,另一種便是肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)。總體來(lái)說(shuō),肖特基勢(shì)壘二極管性能優(yōu)于快恢復(fù)二極管,它由于具有低壓大電流、低功耗、高速開(kāi)關(guān)等優(yōu)良特性,在高頻整流、開(kāi)關(guān)電路和保護(hù)電路中作為整流和續(xù)流元件,可以大幅度降低功耗,提高電路效率和使用頻率,減少電路噪聲。所以,在低壓范圍內(nèi),SBD已淘汰了快恢復(fù)整流二極管。但由于金屬勢(shì)壘的緣故,SBD不能承受較高電壓,因此,在大電壓范圍內(nèi),還缺不了快恢復(fù)整流二極管。
接下來(lái),從反向恢復(fù)時(shí)間trr、反向電壓以及正向電壓三方面對(duì)兩者進(jìn)行比較,具體如下。
1、反向恢復(fù)時(shí)間trr的比較
PN結(jié)呈現(xiàn)正向特性或反向特性取決于結(jié)內(nèi)部的勢(shì)壘高度,或者說(shuō),取決于結(jié)內(nèi)部的載流子分布。因?yàn)橐欢ǖ膭?shì)壘高度與一定的載流子分布相對(duì)應(yīng)。正偏時(shí),勢(shì)壘高度很低,結(jié)內(nèi)部的載流子很多,大大地超出平衡值;反偏時(shí),結(jié)內(nèi)部的載流子很少,比平衡值還要低,所以PN結(jié)由正偏轉(zhuǎn)向反偏時(shí),就必然存在一個(gè)類(lèi)似電容器放電的過(guò)程叫作反向恢復(fù)過(guò)程。經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間就是反向恢復(fù)時(shí)間trr。顯然它與過(guò)剩少子壽命長(zhǎng)短有關(guān)。快速整流管的N區(qū)通常都是摻金的,以便使少子壽命降低從而獲得較短的反向恢復(fù)時(shí)間。
肖特基勢(shì)壘二極管SBD的正向電流主要是“熱”電子由半導(dǎo)體注入到金屬中,少子空穴注入電流是微不足道的一部分。偏壓反向后,注入金屬的電子原則上也返回到半導(dǎo)體中,但這仍然要求電子保持足以超過(guò)勢(shì)壘的能量。在正向偏壓下,在電子偏壓作用下注入到金屬的電子的能量比金屬費(fèi)米能級(jí)高出一個(gè)勢(shì)壘高度,在金屬中由于碰撞作用,使這部分能量在極短時(shí)間內(nèi)消失。
因此,反向偏壓施加后,這些熱電子只能在這一數(shù)量級(jí)的時(shí)間內(nèi)返回到半導(dǎo)體內(nèi),所以PN結(jié)的少子儲(chǔ)存效應(yīng)在SBD中實(shí)際是不存在的,其反向恢復(fù)時(shí)間主要由外電路決定,而不是由與導(dǎo)電機(jī)理有關(guān)的內(nèi)在電子過(guò)程決定的。因而SBD的反向恢復(fù)時(shí)間比PN結(jié)要短得多。SBD具有類(lèi)似PN結(jié)的微分電容效應(yīng),對(duì)反向恢復(fù)時(shí)間有一定影響。為了降低微分電容,要求SBD有效面積盡可能減小,相應(yīng)外延層摻雜濃度較低。
2、反向電壓的比較
在通常情況下一般采用金屬--半導(dǎo)體接觸來(lái)形成肖特基勢(shì)壘,但是由于金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí),接觸界面SiO2層的存在,使得接觸電阻和表面態(tài)密度明顯增大,致使器件的性能大大降低。
為解決這個(gè)問(wèn)題,現(xiàn)采用一項(xiàng)新工藝技術(shù)-金屬硅化物-硅的接觸勢(shì)壘工藝形成非??煽壳铱芍貜?fù)的肖特基勢(shì)壘。同時(shí)采用了保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)等新工藝技術(shù),使肖特基二極管的反向特性得到了很大的改善,顯示出較理想的伏安特性,但由于金屬勢(shì)壘的緣故,其阻擋層較薄,故不能承受較高的電壓。而快恢復(fù)整流二極管由于襯底電阻率高、外延層厚,采用深結(jié)擴(kuò)散等特點(diǎn),其承壓能力可達(dá)幾千伏,這也是快恢復(fù)整流二極管不能完全被取代的原因。
3、正向壓降的比較
肖特基二極管的特殊結(jié)構(gòu)決定了其體電阻較小,它的正向壓降比快恢復(fù)整流二極管的正向壓降低得多,因而其功耗低。
在生產(chǎn)實(shí)踐中,快恢復(fù)整流二極管VF與trr的改善存在矛盾,也就是說(shuō),要使VF盡可能低時(shí),其trr必然上升,同理,trr改善了,則VF上升,這一矛盾對(duì)功耗降低是不利的,通常只能在二者中取折衷,這也是快恢復(fù)整流二極管的一個(gè)劣勢(shì)。而肖特基勢(shì)壘二極管SBD,由于其為金一半接觸,決定了其trr本身就很小,在通常的情況下,改善VF并不能使trr變差。因此肖特基勢(shì)壘二極管有利于降低功耗。
肖特基二極管作為整流二極管比PN結(jié)整流二極管具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘而制成的二極管,它不同于擴(kuò)散型PN結(jié)二極管,其正向壓降只有PN結(jié)的一半,所以功耗可以降低一半。
2、肖特基二極管是利用一種多數(shù)載流子器件,不存在PN結(jié)二極管勢(shì)壘少子注入和儲(chǔ)存的瞬態(tài)恢復(fù)特性,這使得在相同的應(yīng)用情況下,兩者的恢復(fù)特性存在明顯的差別,恢復(fù)時(shí)間大約為1:50,由于SBD的恢復(fù)時(shí)問(wèn)要短的多,因此其開(kāi)關(guān)速度比PN結(jié)二極管要快一倍,二極管的恢復(fù)時(shí)問(wèn)越短,它的平均功率損耗就越小。
綜上所述,在開(kāi)關(guān)電源中,肖特基二極管比快恢復(fù)二極管更為理想,其功耗可以降低一半以上,進(jìn)一步提高了電源的效率,因此肖特基二極管是開(kāi)關(guān)電源必不可少的配套器件,廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓器、整流器、逆變器、UPS等,也可以作為快速鉗位二極管使用。
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