深圳市可易亚半导体科技有限公司

国家高新企业

cn en

新闻中心

肖特基二极管和快恢复二极管的区别及深析开关电源中的二极管-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-03-01 

分享到:

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管

肖特基二极管概述

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管的简称。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。


肖特基二极管原理

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金属-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A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,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。


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。

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管


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,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。


快恢复二极管概述

快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。


快恢复二极管分类

采用TO–220或TO–3P封装的大功率快恢复二极管,有单管和双管之分。双管的管脚引出方式又分为共阳和共阴。

应用拓扑结构:

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管


肖特基二极管和快恢复二极管到底区别在哪?

快恢复二极管从名称上很好理解,肖特基二极管是以人名命名,由于制造工艺完全不同,是肖特基博士的一个创新。


肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。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。


肖特基二极管和快恢复二极管在物理结构上是不一样的。肖特基二极管的阳极是金属,阴极是N型半导体;快恢复二极管基本结构仍然是普通的PIN二极管,即阴阳极分别为N和P型半导体。物理结构决定了两者的电特性。

1.肖特基二极管耐压较低,通常在200V以下,同等耐压,相同电流下,肖特基二极管的正向压降低于快恢复二极管。


2. 肖特基二极管载流子只有电子,理论上没有反向恢复时间,而快恢复二极管本质上和PIN二极管一样,是少子器件的反向恢复时间通常在几十到几百ns。


3. 额定反向耐压下,快恢复二极管的反向漏电流较小,通常在几uA到几十uA;肖特基二极管的反向漏电流则通常达到几百uA到几十mA,且随温度升高急剧增大。


开关电源中的二极管反向恢复时间怎样形成?

反向恢复时间基本的定义是:二极管从导通状态转换成关断状态所需的时间。


从定义可以看出,二极管导通状态下突然施加一个反偏电压,它不能马上截止需要一个过度时间,也就是反向恢复时间。


通常在开关电源连续模式反向恢复过程中,二极管流过较大的反向电流同时承受了较大的反向电压,因此造成了很大的反向恢复损耗,所以一般选反向恢复时间越短的越好,在电压应力较低的情况下肖特基是首选。

在CCM PFC中,为了降低这个损耗,通常的超快恢复二极管(标称反向恢复时间十几到几十ns)仍然差强人意,需要用到SiC二极管。常用的SiC二极管通常是肖特基结构,反向恢复时间远低于PIN二极管。


产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应

产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF时,载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时P区空穴向N区扩散,N区电子向P区扩散,这样,不仅使势垒区(耗尽区)变窄,而且使载流子有相当数量的存储,在P区内存储了电子,而在N区内存储了空穴 ,它们都是非平衡少数载流于,如下图所示。

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管


空穴由P区扩散到N区后,并不是立即与N区中的电子复合而消失,而是在一定的路程LP(扩散长度)内,一方面继续扩散,一方面与电子复合消失,这样就会在LP范围内存储一定数量的空穴,并建立起一定空穴浓度分布,靠近结边缘的浓度最大,离结越远,浓度越小 。正向电流越大,存储的空穴数目越多,浓度分布的梯度也越大。电子扩散到P区的情况也类似,下图为二极管中存储电荷的分布。

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管


我们把正向导通时,非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。  


当输入电压突然由+VF变为-VR时P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,但它们将通过下列两个途径逐渐减少:

① 在反向电场作用下,P区电子被拉回N区,N区空穴被拉回P区,形成反向漂移电流IR,如下图所示;

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管


②与多数载流子复合。

在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻仍很小,与RL相比可以忽略,所以此时反向电流IR=(VR+VD)/RL。VD表示PN结两端的正向压降,一般 VR>>VD,即 IR=VR/RL。在这段期间,IR基本上保持不变,主要由VR和RL所决定。经过时间ts后P区和N区所存储的电荷已显著减小,势垒区逐渐变宽,反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过时间tt,二极管转为截止。

由上可知,二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程,实质上由于电荷存储效应引起的,反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。


二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流i0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- i0) , 而是在一段时间ts内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf时间, 二极管的电流才成为(- i0) , ts称为储存时间, tf称为下降时间。tr= ts+ tf称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。

肖特基二极管,快恢复二极管,开关电源,二极管



联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1


请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供 MOS管 技术帮助