電子電路中肖特基二極管的等效電路

電子電路是由各種電子器件組成的，因此學(xué)習(xí)電子電路中，必須要熟悉各種電子器件性能，今天就給大家講解肖特基二極管，主要內(nèi)容如下：

一.肖特基二極管的定義

肖特基二極管，顧名思義，是以其發(fā)明人肖特基博士(Schottky)名字命名的一種熱載流子二極管。其反向恢復(fù)時(shí)間極短(可以小到幾納秒)，正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可以達(dá)到幾千安培，可以作為開關(guān)二極管和低壓大電流整流二極管使用，這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比擬的。其完整的叫法是肖特基整流二極管(Schottky Rectifier Diode)，縮寫成SR;也可叫做肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky Barrier Diode)，縮寫成SBD。

二. 肖特基二極管的結(jié)構(gòu)

下圖是肖特基二極管的一維基本結(jié)構(gòu)，其通過將摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域(通常是N型)與金屬(例如金、鉑、鈦等)連接起來形成的。形成的并不是PN結(jié)，而是金屬-半導(dǎo)體結(jié)。

肖特基二極管的等效電路

三.肖特基二極管工作原理

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，形成MS結(jié)。這個(gè)結(jié)被稱為肖特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘的行為會(huì)有所不同，具體取決于二極管是處于無偏置、正向偏置還是反向偏置狀態(tài)。

無偏置肖特基二極管

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶電子(自由電子)會(huì)從N型半導(dǎo)體向金屬移動(dòng)，建立平衡態(tài)。我們知道，當(dāng)一個(gè)中性原子 失去一個(gè)電子時(shí)，它變成一個(gè)正離子，當(dāng)一個(gè)中性原子獲得一個(gè)額外的電子時(shí)，它變成一個(gè)負(fù)離子。穿過結(jié)的導(dǎo)帶電子或自由電子將為金屬中的原子提供額外的電子。結(jié)果，金屬結(jié)處的原子獲得了額外的電子，而N側(cè)結(jié)處的原子失去了電子。在N側(cè)結(jié)失去電子的原子將成為正離子，而在金屬結(jié)獲得額外電子的原子將成為負(fù)離子。因此，正離子在N側(cè)結(jié)處產(chǎn)生，而負(fù)離子在金屬結(jié)處產(chǎn)生。這些正離子和負(fù)離子只不過是耗盡區(qū)。由于金屬具有大量自由電子，因此這些電子移動(dòng)到金屬中的寬度與N型半導(dǎo)體內(nèi)部的寬度相比可以忽略不計(jì)。所以內(nèi)建電位或內(nèi)建電壓主要存在于N型半導(dǎo)體內(nèi)部。內(nèi)建電壓是N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子在試圖進(jìn)入金屬時(shí)所看到的勢(shì)壘。為了克服這個(gè)障礙，自由電子需要比內(nèi)建電壓更大的能量。在無偏置肖特基二極管中，只有少量電子會(huì)從N型半導(dǎo)體流向金屬。內(nèi)置電壓可防止電子進(jìn)一步從半導(dǎo)體導(dǎo)帶流入金屬。自由電子從N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到金屬中導(dǎo)致接觸附近的能帶彎曲。

正向偏置肖特基二極管

如果電池正極接金屬，負(fù)極接N型半導(dǎo)體，則稱肖特基二極管正向偏置。當(dāng)向肖特基二極管施加正向偏壓時(shí)，在N型半導(dǎo)體和金屬中產(chǎn)生大量自由電子。然而，N型半導(dǎo)體和金屬中的自由電子不能穿過結(jié)，除非施加的電壓大于0.2伏。如果施加的電壓大于 0.2 伏，則自由電子獲得足夠的能量并克服耗盡區(qū)的內(nèi)建電壓。結(jié)果，電流開始流過肖特基二極管。如果不斷增加外加電壓，耗盡區(qū)會(huì)變得很薄，最終消失。

反向偏置肖特基二極管

如果電池負(fù)極接金屬，正極接N型半導(dǎo)體，則稱肖特基二極管反向偏置。當(dāng)向肖特基二極管施加反向偏置電壓時(shí)，耗盡寬度增加。結(jié)果電流停止流動(dòng)。由于金屬中的熱激發(fā)電子，會(huì)產(chǎn)生少量的漏電流。

如果反向偏壓持續(xù)增加，則由于勢(shì)壘較弱，電流逐漸增加。如果反向偏壓大幅增加，則電流會(huì)突然上升。電流的這種突然上升會(huì)導(dǎo)致耗盡區(qū)損壞，這可能會(huì)永久損壞器件。

肖特基勢(shì)壘二極管的VI特性

從 VI 特性可以看出，肖特基勢(shì)壘二極管的 VI 特性與普通 PN 結(jié)二極管相似，但還是存在以下不同。肖特基勢(shì)壘二極管的正向壓降比普通的PN結(jié)二極管低。由硅制成的肖特基勢(shì)壘二極管的正向壓降呈現(xiàn)出 0.3 伏至 0.5 伏得正向壓降。

正向壓降隨著n型半導(dǎo)體摻雜濃度的增加而增加。由于載流子的高度集中，肖特基勢(shì)壘二極管的 VI 特性比普通 PN 結(jié)二極管的 VI 特性更陡峭。

四.肖特基二極管的特性參數(shù)

1、導(dǎo)通壓降VF

VF為二極管正向?qū)〞r(shí)二極管兩端的壓降，當(dāng)通過二極管的電流越大，VF越大;當(dāng)二極管溫度越高時(shí)，VF越小。

2、反向飽和漏電流IR

IR指在二極管兩端加入反向電壓時(shí)，流過二極管的電流，肖特基二極管反向漏電流較大，選擇肖特基二極管是盡量選擇IR較小的二極管。

3、額定電流IF

指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)允許溫升折算出來的平均電流值。

4. 最大浪涌電流IFSM

允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當(dāng)大。

5.最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。

6. 最大直流反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓時(shí)的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對(duì)于確定允許值和上限值是很重要的.

7.最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過某一值時(shí)，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。肖特基二極管的fM值較高，最大可達(dá)100GHz。

8.反向恢復(fù)時(shí)間Trr

當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí)，二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量，就是反向恢復(fù)時(shí)間。雖然它直接影響二極管的開關(guān)速度，但不一定說這個(gè)值小就好。也即當(dāng)二極管由導(dǎo)通突然反向時(shí)，反向電流由很大衰減到接近IR時(shí)所需要的時(shí)間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，此項(xiàng)指標(biāo)至為重要。

9. 最大耗散功率P

二極管中有電流流過，就會(huì)吸熱，而使自身溫度升高。在實(shí)際中外部散熱狀況對(duì)P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流加上反向恢復(fù)損耗。

五.肖特基二極管選型原則

要根據(jù)開關(guān)電源所要輸出的電壓VO、電流IO、散熱情況、負(fù)載情況、安裝要求、所要求的溫升等確定所要選用的肖特基二極管種類。

在一般的設(shè)計(jì)中，我們要留出一定的余量。比如，VR只用到其額定值的80%以下(特殊情況下可控制到50%以下)，IF用到其額定值的40%以下。

在單端反激(FLY-BACK)開關(guān)電源中，假定一產(chǎn)品：輸入電壓VIMAX=350VDC，輸出電壓VO=5V，電流IO=1A。

根據(jù)計(jì)算公式，要求整流二極管的反向電壓 VR、正向電流IF滿足下面的條件：

VR≥2VI×NS/NP

IF≥2IO/(1-θMAX)

其中：

NS/NP為變壓器次、初級(jí)匝比

θMAX為最大占空比

假設(shè)，NS/NP=1/20，θMAX=0.35

則VR≥2×350/20=35(V)

IF≥2×1/(1-0.35)=3(A)

這樣，我們可以參考選用SR340或1N5822。若產(chǎn)品為風(fēng)扇冷卻，則管子可以把余量留小一些。TO220、TO3P封裝的管子有全包封、半包封之分這要根據(jù)具體情況選用。

半包封管子的散熱優(yōu)于全包封的管子，但需注意其散熱器和中間管腳相通。

負(fù)載若為容性負(fù)載，建議IF再留出20%的余量。

注意功率肖特基二極管的散熱和安裝形式，要搞清楚產(chǎn)品為自然冷卻還是風(fēng)扇冷卻，管子要安裝在易通風(fēng)散熱的地方，以提高產(chǎn)品的可靠性。TO-220、TO-3P型的管子與散熱器之間要加導(dǎo)熱硅脂，使管子與散熱器之間接觸良好。DO-41、DO-201AD封裝的管子可采取立式、臥式、架空等方式安裝，這要根據(jù)實(shí)際情況確定。

六.肖特基二極管使用注意事項(xiàng)

肖特基二極管的應(yīng)用非常的廣泛，很多領(lǐng)域都能使用到，肖特基二極管的使用事項(xiàng)有哪些呢?

1.0 對(duì)于浪涌電壓或浪涌電流比較大的應(yīng)用電路應(yīng)該加抑制和吸收電路。

2.0應(yīng)用電路的峰值工作電壓應(yīng)小于MDD肖特基二極管的最高反向擊穿電壓Vrrm。3.0 應(yīng)用電路內(nèi)的MDD肖特基二極管的實(shí)際工作溫升應(yīng)小于MDD肖特基二極管的最高結(jié)溫。

4.0小于MDD肖特基二極管的正向額定電流IF。

5.0 對(duì)于比較苛刻的環(huán)境，為了保證可靠性，MDD肖特基二極管應(yīng)降額使用。

6.0肖特基二極管的代換盡量選用原型號(hào)、因?yàn)椴煌男吞?hào)的肖特基正向壓降VF和反向擊穿電壓VR、反向漏電流IR都不同。