肖特基二极管科普：结构、原理与应用

肖特基二极管科普：结构、原理与应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43199439/article/details/140834208

1. 基本结构与原理

1.1 结构

肖特基二极管的基本结构是由金属和N型半导体构成的。通常使用的金属包括金、铝、银等，而N型半导体通常是掺有磷的硅。

1.2 肖特基势垒的形成

当金属与N型半导体接触时，N型半导体中浓度高的“自由电子”会流向金属。具体步骤如下：

1. 电子的流动 ：N型半导体中大量的“自由电子”由于浓度差，会向金属流动。
2. 形成空间电荷区 ：电子流动后，半导体中的正电荷（“空穴”）留下来，形成一个带正电的区域，同时金属中多余的电子形成带负电的区域，从而在金属与半导体之间形成电场。
3. 平衡状态 ：电子的流动直到达到平衡，形成肖特基势垒。

这个过程并不是传统的扩散过程，而是由于能带结构的变化而产生的。

1.3 能带理论

为了理解电子为什么会从N型半导体流向金属，我们需要引入能带理论：

• 金属功函数（φm） ：是指金属中“自由电子”逸出到真空所需的最小能量。
• 半导体电子亲和能（χ） ：是指半导体中“自由电子”逸出到真空所需的能量。

通过对比这两个值，我们可以理解电子的流动方向。如果半导体的电子亲和能小于金属的功函数，那么半导体中的“自由电子”更容易流入金属。

2. 工作原理

2.1 正偏与反偏

• 正偏 ：如果在肖特基二极管的金属和半导体之间施加正电压，势垒高度降低，N型半导体中的“自由电子”会更容易流向金属，导致电流增加。电流方向是从金属流向半导体。例如，在一个开关电源中，肖特基二极管在正偏情况下，快速导通，减少功耗。

• 反偏 ：当施加负电压时，势垒高度增大，电子更难从半导体流向金属，导致电流减小。通常在保护电路中，当反向电压大于额定值时，肖特基二极管会产生小的反向漏电流。例如，保护电路中的肖特基二极管可以防止反向电压对设备造成损坏。

3. 性能特征

3.1 快速开关特性

肖特基二极管的开关速度很快，因为它没有PN结的复合过程。适用于高频开关电源，如手机充电器、电脑电源等。在这些应用中，快速的开关特性能有效提高效率，减少发热。

3.2 低正向压降

肖特基二极管的正向压降通常在0.2V到0.5V之间，相比PN结二极管（约0.7V），其电压损失较小。这使得它非常适合于高效能电路设计。例如，在太阳能逆变器中，使用肖特基二极管可以减少能量损失，提高转化效率。

3.3 泄漏电流

肖特基二极管在反向偏置时，通常会有相对较大的漏电流，这在高温下会进一步增加。因此，在高温环境下应用时需要谨慎。例如，在高温条件下的汽车电子设备中，设计师需要考虑这一点，以免导致设备过热或故障。

4. 示例应用

4.1 开关电源

在开关电源中，肖特基二极管用于整流，其快速响应能力可以大幅度提高电源的转换效率。比如，现代计算机的电源适配器通常会使用肖特基二极管以减少能量损失，从而提高整体效率。

4.2 反向电压保护

在许多电子设备中，肖特基二极管被用作反向电压保护，以防止错误接入电源造成损坏。例如，手机充电器中通常会使用肖特基二极管，防止反向电压对电路造成破坏。

5. 结论

肖特基二极管因其独特的金属-半导体结构和优越的性能特征，在现代电子电路中扮演着重要的角色。通过对肖特基势垒和能带理论的深入理解，可以更好地应用肖特基二极管于各类电路中，提高效率和安全性。希望这些详细的解释和实例能帮助你更好地理解肖特基二极管。

下面是关于肖特基二极管与其他类型二极管的区别和选型的详细解释，以及相关例子的说明。

1. 肖特基二极管的选型

在选择肖特基二极管时需要考虑的几个主要参数，以及相关示例：

1.1 额定电流 (I_F)

• 选择要点 ：确保所选二极管的额定电流大于电路中最大可能流过的电流。
• 示例 ：如果电路设计中预计最大电流为3A，则选择额定电流为5A的肖特基二极管，如 1N5820 （3A，40V）。

1.2 反向击穿电压 (V_R)

• 选择要点 ：选择反向击穿电压高于电路中可能出现的最大反向电压。
• 示例 ：如果电路的反向电压为20V，则选择反向击穿电压为30V的肖特基二极管，如 SR160 （1A，60V）。

1.3 正向压降 (V_F)

• 选择要点 ：选择正向压降较低的二极管，以提高能效。
• 示例 ：选择正向压降为0.3V的肖特基二极管，如 BAT54 ，适用于低功耗应用。

1.4 工作温度范围

• 选择要点 ：根据环境温度选择合适的工作温度范围。
• 示例 ：工业应用中需要耐高温的肖特基二极管，如 MBRS130 （-55°C至+150°C）。

1.5 封装类型

• 选择要点 ：选择适合电路布局和散热要求的封装。
• 示例 ：对高功率应用选择TO-220封装的二极管，如 MBRS220 。

1.6 开关速度

• 选择要点 ：对于高频应用，选择具有快速开关特性的二极管。
• 示例 ：选择快速开关二极管如 SK104 ，适用于高频开关电源。

2. 肖特基二极管与快恢复二极管的区别

举例说明：

• 肖特基二极管 ：在开关电源中，如 STPS2L40 （2A，40V），用于提高效率并降低热量损失。
• 快恢复二极管 ：在电机驱动器中，如 1N5822 （3A，40V），用于快速切换电流，以减少延迟。

3. 肖特基二极管与齐纳管的区别

举例说明：

• 肖特基二极管 ：在手机充电器中，如 MBRS130 ，用于实现高效整流，减少能量损失。
• 齐纳管 ：在电源稳压电路中，如 1N5221 （5.1V），用于稳压以保护后续电路。

4. 雪崩击穿与齐纳击穿

举例说明：

• 雪崩击穿 ：在高压电源设计中使用雪崩二极管如 1N4007 ，用于电路保护。
• 齐纳击穿 ：在稳压电源中使用齐纳管如 1N4733 （5.1V），用于维持稳定电压。

5. TVS管与肖特基二极管的区别

举例说明：

• TVS管 ：用于保护数据线免受浪涌电压，如 ESD5Z3.3 ，可保护电路不受静电放电影响。
• 肖特基二极管 ：在电源转换器中使用如 SB1100 ，以提高整流效率。

6. 微观角度分析

从微观角度来看，二极管的特性主要与其结构和载流子的运动有关：

6.1 PN结面积

• 示例 ：在功率二极管中，较大的PN结面积可以承受更大的电流，例如 MB6S 系列二极管用于电机控制，可承受高达6A的电流。

6.2 载流子浓度

• 示例 ：肖特基二极管的设计允许N型半导体中的电子更容易流向金属电极，比如在开关电源中使用的 STPS1L40 ，其高效整流能力源于载流子浓度的优势。

6.3 能带结构

• 示例 ：不同金属与半导体形成的能带结构会影响肖特基势垒的高度，如铝与硅的结合形成的二极管在特定电压下的导通特性与金属功函数密切相关。