浅谈肖特基二极管和特定应用的势垒高度调整

本应用笔记将真正的肖特基二极管作为最低正向压降的最佳选择。本文档描述了低、中和高电压电平应用，以及具有理想动态行为的二极管、快速反向恢复 PN 二极管、真正的肖特基二极管和特定应用的势垒高度调整。

根据热电子发射模型，纯肖特基势垒呈现正向压降，随着势垒高度的减小呈线性下降；而反向电流随着势垒高度的降低呈指数增长。因此，存在一个最佳势垒高度，它可以最小化特定应用的正向和反向功耗总和。然而，与肖特基二极管用户的讨论表明，他们并不寻求正向和反向功耗的最小值，而总是寻求正向压降的最小值。很少要求反向电流值。必须了解肖特基二极管是如何应用的，才能客观地选择最合适的器件。

低电压应用

在电路电压低的大功率应用中，并使用阻断电压低于 25V 的肖特基二极管，二极管的正向功率损耗在功率损耗的平衡中仍然占主导地位。主要应用是开关模式电源 (SMPS)。此处有人认为，正向压降降低 4 mV 会导致正向功率损耗降低约 1%。因此，为此应用创建的组件具有低势垒高度（小于 0.74 eV）和高度掺杂的薄外延漂移层。这导致器件具有低正向压降和高但仍可接受的反向电流。

中高压级应用

另一方面，使用中压或高压肖特基类型（VRRM 范围为 45 V 至 150 V）的高功率应用中的反向功率损耗与正向功率损耗相当，甚至可能更高。尽管如此，大多数用户并不要求低反向电流，而只是要求低正向压降。

具有理想动态行为的二极管

除了正向和反向器功率损耗外，显然还有第三种品质，但难以量化。然而，正如经验所示，它对正向压降有影响。

我想这种品质是由真实肖特基二极管的动态特性和开关损耗表现出来的。由于它们在具有昂贵测试设备的范围内出现的时间较短，此外，它们的依赖性的细微差异无法明显。

快速反向恢复 PN 二极管

与理想二极管相比，具有少数载流子电流分量的 pn 二极管在正向电流降至零后仍“记住”它们之前的导通状态。这是由于注入的少数载流子（n 区中的空穴）会随着调整后的少数载流子寿命 t 呈指数衰减或被反向电流扫除。pn 二极管会在电流过零后延迟一段时间恢复其反向阻断能力。少数载流子寿命可以通过将寿命抑制物（金或铂）扩散到 n 区或将二极管芯片暴露在辐射中来减少。

真正的肖特基二极管

真正的肖特基二极管也通过其势垒注入少数载流子，尽管它小了几个数量级。这种现象称为外延层调制。注入随着势垒高度、电压类型、正向电流密度和结温的增加而增加。

由于上述技术测量困难，我们模拟了真实肖特基二极管的关断行为。在下面的图 1 中，绘制了类型电压为 100 V、有效面积为 0.323 cm2 的肖特基二极管的电流和电压波形随时间变化的曲线。预设工作条件为 50 A 正向电流、300 A/µs 换向期间、25 V 反向偏置电压和 25°C 结温。考虑了势垒高度为 0.74、0.8 和 0.86 eV 的三种不同材料。关断能量分别为 0.86、1.0 和 2.3 µW。仿真模型清楚地表明，n 掺杂外延层中来自导电相的剩余少数载流子决定了 LC 电路微分方程通解的初始条件，它由一个关断电感线圈、结电容和 25 V 的强制反向电压偏置组成。

由于真正的肖特基二极管在换向后阻止反向电压的延迟能力——随着势垒高度的增加而增长——，谐振电路对过大的反向电流（即大于换向关断斜率乘以 LC 的平方根）、过大的反向电压（即超过驱动反向电压的两倍）和陡峭的启动、过大的 dv/dt（即大于驱动反向电压除以 LC 的平方根）。随着势垒高度的增加，动态参数和开关损耗的过剩变得更加明显。

由于实际肖特基二极管在换向后阻止反向电压的延迟能力——随着势垒高度的增加而增长——，谐振电路对过大的反向电流作出反应（即大于换向关断斜率乘以 LC 的平方根）、过大的反向电压（即大于驱动反向电压的两倍）和陡峭的启动、过大的 dv/dt（即大于驱动反向电压除以 LC 的平方根）。

随着势垒高度的增加，动态参数和开关损耗的过剩变得更加明显。由于实际肖特基二极管在换向后阻止反向电压的延迟能力——随着势垒高度的增加而增长——，谐振电路对过大的反向电流作出反应（即大于换向关断斜率乘以 LC 的平方根）、过大的反向电压（即大于驱动反向电压的两倍）和陡峭的启动、过大的 dv/dt（即大于驱动反向电压除以 LC 的平方根）。随着势垒高度的增加，动态参数和开关损耗的过剩变得更加明显。

过大的反向电压（即大于驱动反向电压的两倍）和陡峭的启动，过大的 dv/dt（即大于驱动反向电压除以 LC 的平方根）。随着势垒高度的增加，动态参数和开关损耗的过剩变得更加明显。过大的反向电压（即大于驱动反向电压的两倍）和陡峭的启动，过大的 dv/dt（即大于驱动反向电压除以 LC 的平方根）。随着势垒高度的增加，动态参数和开关损耗的过剩变得更加明显。

另一方面，为了增加势垒高度和类型电压，外延层中增加的调制降低了外延漂移层的电阻率和正向压降。如图 2 所示，这种降低可能比实际势垒上电压降的增加更为明显。我们在 232 A/cm2 和室温下的 100 V 示例的数字是： 1. 对于最高势垒 0.86 eV，具有最低正向压降 0.78 V 的二极管具有最差的动态值，并且；2. 最低势垒 0.74 eV 的最高 0.8 V 正向压降具有最佳动态值。因此，具有最低正向压降的 80 V 以上类型电压的真正肖特基二极管并不是最快的。

屏障光的特定应用调整

我认为，对于电路设计者来说，动态行为的偏差和具有结电容的理想二极管的相应开关损耗比非常高的反向电流更不利。事实上，势垒高度为 0.74 eV 的二极管的反向电流比势垒高度为 0.86 eV 的二极管的反向电流高约 25 倍。超过一定限度，呈指数增长的反向电流（典型的低势垒高度）变得不可接受。但是，这取决于相应的应用程序。

编辑：hfy