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[电子基础学习资料] 肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

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发表于 2020-6-29 22:43:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么是肖特基耳机管呢?肖特基二极管是一种金属半导体二极管!肖特基二极管具有低的正向压降和非常快的开关速度是另一种类型的半导体二极管的,但具有的优点是它们的正向电压降比常规的硅PN结二极管的小得多。


肖特基二极管具有许多有用的应用,从整流,信号调理和开关到TTL和CMOS逻辑门,主要是由于它们的低功耗和快速开关速度。TTL肖特基逻辑门由出现在其逻辑门电路代码(例如74LS00)中的字母LS标识。

PN结二极管是通过将p型和n型半导体材料连接在一起而形成的,从而可以将其用作整流器件,并且我们已经看到,当正向偏置时,耗尽区会大大减小,从而允许电流流过它。在向前的方向,并且当反向偏置耗尽区增大阻止电流流动。

使用外部电压偏置pn结以使其正向或反向偏置的作用分别减小或增大了结势垒的电阻。因此,典型的pn结二极管的电压-电流关系(特性曲线)受结的电阻值影响。请记住,pn结二极管是非线性器件,因此其直流电阻会随偏置电压和流经它的电流而变化。

当正向偏置时,直到外部偏置电压达到“拐点电压”,该结点的导电才开始,此时电流迅速增加,对于硅二极管,正向导电所需的电压约为0.65至0.7伏,如图所示。

PN结二极管IV特性如下图图1所示:

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

                         (图1)
图1是肖特基二极管的pn结二极管的特性

对于实际的硅结二极管,该拐点电压可以在0.6到0.9伏之间的任何地方,这取决于其在制造过程中的掺杂方式,以及该器件是小信号二极管还是更大的整流二极管。但是,标准锗二极管的拐点电压要低得多,大约为0.3伏,这使其更适合于小信号应用。

但是还有另一种类型的整流二极管,它具有较小的拐点电压和快速的开关速度,称为肖特基势垒二极管,或简称为“肖特基二极管”。肖特基二极管可用于许多与常规pn结二极管相同的应用中,并且具有许多不同的用途,尤其是在数字逻辑,可再生能源和太阳能电池板应用中。

肖特基二极管
与由一片P型材料和一片N型材料制成的常规pn结二极管不同,肖特基二极管是使用与N型半导体键合的金属电极构造的。由于它们是在结的一侧使用金属化合物构造的,而在另一侧使用掺杂的硅构造的,因此肖特基二极管没有耗尽层,因此与典型的双结器件pn结二极管不同,其被归类为单极器件。

肖特基二极管结构中最常用的接触金属是“硅化物”,这是一种高导电性的硅和金属化合物。这种硅化物金属-硅触点具有相当低的欧姆电阻值,允许更多的电流流过,在导通时产生较小的正向电压降,约为Vƒ<0.4V。不同的金属化合物会产生不同的正向压降,通常在0.3至0.5伏之间。

肖特基二极管的结构和符号如下图图2所示:

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

                    (图2)
上图显示了肖特基二极管的简化结构和符号,其中轻掺杂的n型硅半导体与金属电极相连,以产生所谓的“金属-半导体结”。ms结的宽度取决于所用金属和半导体材料的类型,但是当正向偏置时,电子从n型材料移动到金属电极,从而允许电流流动。因此,流过肖特基二极管的电流是多数载流子漂移的结果。

由于没有p型半导体材料,因此也没有少数载流子(空穴),因此,与常规的pn结二极管一样,当反向偏置时,二极管的导通会非常迅速地停止并变为阻塞电流。因此,对于肖特基二极管,对偏置的变化有非常快速的响应,并证明了整流二极管的特性。

如前所述,肖特基二极管导通并开始导通的拐点电压比其pn结等效电压低很多,如以下IV特性所示。

肖特基二极管IV特性如下图图3所示:

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

                                    (图3)
图2所示为肖特基二极管的特性

如我们所见,金属半导体肖特基二极管IV特性的一般形状与标准pn结二极管的特性非常相似,不同之处在于,ms结二极管开始导通的拐角或拐点电压低得多。约0.4伏

由于此较低的值,取决于所使用的金属电极,硅肖特基二极管的正向电流可能比典型的pn结二极管的正向电流大很多倍。请记住,欧姆定律告诉我们,功率等于伏特乘以安培(P = V * I),因此对于给定的二极管电流,较小的正向电压降I D将以结点上的热量形式产生较低的正向功率耗散。

这种较低的功率损耗使肖特基二极管成为低电压和高电流应用(例如太阳能光伏板)的理想选择,在该应用中,标准pn结二极管上的正向电压(V F)下降会产生过度的加热效果。但是,必须注意的是,肖特基二极管的反向漏电流(I R)通常比pn结二极管大。

但是请注意,如果IV特性曲线显示出更线性的非整流特性,则为欧姆接触。欧姆接触通常用于将半导体晶圆和芯片与系统的外部连接引脚或电路连接。例如,将典型逻辑门的半导体晶圆连接到其塑料双列直插式(DIL)封装的引脚。

同样由于肖特基二极管是用金属-半导体结制造的,因此它往往比具有相似电压和电流规格的标准pn结硅二极管要贵一些。例如,与通用1N400x系列相比,1.0安培1N58xx肖特基系列。

逻辑门中的肖特基二极管
肖特基二极管在数字电路中也有许多用途,并且由于其较高的频率响应,缩短的开关时间和较低的功耗,因此广泛用于肖特基晶体管-晶体管逻辑(TTL)数字逻辑门和电路。在需要高速开关的地方,基于肖特基的TTL是显而易见的选择。

肖特基TTL有不同的版本,它们的速度和功耗都不同。在结构中使用肖特基二极管的三个主要TTL逻辑系列为:

肖特基二极管钳位TTL(S系列)  –肖特基“ S”系列TTL(74SXX)是原始二极管-晶体管DTL和晶体管-晶体管74系列TTL逻辑门和电路的改进版本。肖特基二极管跨接在开关晶体管的基极-集电极接点之间,以防止它们饱和并产生传播延迟,从而加快操作速度。
低功耗肖特基(LS系列)  – 74LSXX系列TTL的晶体管开关速度,稳定性和功耗优于以前的74SXX系列。低功耗的肖特基TTL系列不仅具有更高的开关速度,而且功耗更低,这使得74LSXX TTL系列成为许多应用的理想选择。
先进的低功耗肖特基(ALS系列)  –与制造二极管的ms结的材料相比,进一步的改进意味着74LSXX系列与74ALSXX和74LS系列相比,减少了传播延迟时间,并降低了功耗。但是,与标准TTL相比,它是一种较新的技术,并且在内部设计上更加复杂,因此ALS系列的价格略高。
肖特基钳位晶体管如小图图4所示:

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

肖特基二极管的基础认识 什么是肖特基二极管

                         (图4)

以前所有的肖特基TTL栅极和电路都使用肖特基钳位晶体管,以防止它们被硬驱动到饱和状态。

如图所示,肖特基钳位晶体管基本上是标准的双极结型晶体管,肖特基二极管的基极-集电极结之间并联连接。

当晶体管在其特性曲线的有效区域中正常导通时,基极-集电极结被反向偏置,因此二极管被反向偏置,从而允许该晶体管用作普通的npn晶体管。但是,当晶体管开始饱和时,肖特基二极管将变为正向偏置,并将集电极-基极结钳位到其0.4伏特的拐点值,当任何多余的基极电流通过二极管分流时,晶体管将不会处于硬饱和状态。

防止逻辑电路开关晶体管饱和,可以大大降低其传播延迟时间,从而使肖特基TTL电路非常适合用于触发器,振荡器和存储芯片。

肖特基二极管摘要
我们在这里已经看到,肖特基二极管(也称为肖特基势垒二极管)是一种固态半导体二极管,其中金属电极和n型半导体形成二极管的ms结,与传统的pn结二极管相比,它具有两个主要优点,更快的开关速度和更低的正向偏置电压。

与正向电流相同的标准硅基pn结二极管中看到的0.6至0.9伏相比,金属至半导体或ms结提供的弯曲电压通常低得多,通常为0.3至0.4伏。用于其构造的金属和半导体材料的变化意味着,碳化硅(SiC)肖特基二极管能够以正向电压降低至0.2伏的方式“导通”,而在许多情况下,肖特基二极管代替了较少使用的锗二极管需要低拐点电压的应用。

肖特基二极管正迅速成为可再生能源和太阳能电池板应用中低压,大电流应用中的首选整流器件。但是,与pn结等效物相比,肖特基二极管的反向泄漏电流更大,并且其反向击穿电压在50伏左右更低。

较低的导通电压,更快的开关时间和更低的功耗使肖特基二极管在许多集成电路应用中极为有用,其中74LSXX TTL系列逻辑门最为常见。

通过将金属电极沉积到重掺杂(因而电阻率低)半导体区域上,还可以使金属-半导体结充当“欧姆接触”以及整流二极管。欧姆接触在两个方向上均等地传导电流,从而使半导体晶片和电路可以将外部连接到外部端子。





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