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肖特基二极管(1)

一,肖特基二极管

现在说起二极管,我们大多默认它是由“PN结”组成的;然而有一种奇特的、应用非常广泛的二极管,却并非由PN结组成,而是金属-半导体结构:肖特基二极管(SBD)。

最早接触硬件设计时,听说了肖特基二极管的大名,觉得这个二极管名字:陌生又顺口,似乎不是以其功能命名的,非常古怪。后来才知道肖特基二极管是以其发明人华特.肖特基博士名字命名的,我想这是流传百世的一个好办法,虽然跟桃花潭塘主:汪伦比还是差了一截。

肖特基二极管是以贵金属(金、银、铝、铂等)为正极,N型半导体为负极,利用二者接触面形成肖特基势垒,具有整流特性而制成金属-半导体器件。

我们来看下PN结的扩散理论:从“自由电子”高浓度的N区向低浓度的P区扩散“自由电子”,同理“空穴”浓度高的P区向N区扩散“空穴”;这非常容易理解,因为这符合日常观测经验,举个例子:在一瓶水中滴“墨水”,就能看到“墨水”不停扩散开,直至整瓶水的“墨水”浓度均匀分布。但套用到肖特基二极管,前提必然是:金属中的“自由电子”要远少于N区中的“自由电子”;这就不符合我们的常识了,N半导体的“自由电子”比金属导体中导电率最高的银的“自由电子”还要多?打死我都不信。

事实上,扩散理论已经不能应用在肖特基二极管上了,而需要用到“能带理论”来解释。我们会在接下来的“肖特基二极管的原理”章节进行解释;现在先放一放,先看相对更容易且重要的部分:肖特基二极管的结构。

1,肖特基二极管结构

肖特基二极管整体上是由金属和N半导体组成,但在实际结构比想象中更加复杂一些:

1. 阳极:由金属(金、银、铝、钼等材料)组成,用SiQ2来消除边缘区域电场,提高二极管反向耐压值;

2. 阴极:由N-外延层(低掺杂),N型基片(小通态电阻,掺杂浓度为N-的100倍),N+阴极层(减小阴极接触电阻)以及阴极金属组成;

3. 通过调整结构参数,在基片和阳极金属之间形成合适的肖特基势垒。

肖特基二极管(1)

为什么肖特基势垒区的N半导体的掺杂浓度要低一些,而与阴极金属接触的N半导体掺杂浓度要更高呢?

1. 虽然还没讲到:为什么N区会失去电子而金属反而能得到电子;但事实就是:肖特基二极管中的金属替代了原来P型半导体,与N半导体之间建立了肖特基势垒,而且内建电场的方向是N半导体—>金属;

2. 参考PN结能带图,如果N区的掺杂浓度变大,那么肖特基势垒区间距就变小(由于金属不存在空穴,从N区跨越到金属的“自由电子”在金属表层,所以肖特基二极管势垒区只存在N区中,间距远小于PN结);

——根据 “隧穿效应”原理:如果势垒区很小,那么在加反向电压时,金属侧“自由电子”能很容易的“隧穿”到N区,形成电流。

3. 高浓度掺杂的N区与金属的“接触电阻”就会便非常小(下面欧姆接触具体原理分析),这也解释了:为什么与阴极金属接触的N区是高掺杂的;

4. 如果N区的掺杂浓度很小,肖特基势垒区宽度足够大,就能够增加肖特基反向耐压;但肖特基势垒区天生比PN结距离要小,所以其反向电流会相对更大,反向耐压会更小。

肖特基二极管主要有两种工艺结构:点接触结构和平面接触结构;

1. 点接触:用一根尖端细金属丝与半导体接触制成,用机械接触或用放电工艺得到一个很小的合金结;

肖特基二极管(1)

2. 平面结构是我们最常用的,它有很多不同的结构用于改进反向电压:

1, 平面结构比点接触的正向压降低,电流大,反向击穿电压有所提高;但是势垒结边缘电场集中,反向漏电流更大;VRM<60V;

2, 为了缓和边缘电场集中问题,采用了金属场板结构;

3, 为进一步改进边缘电场,增加P型保护环结构。

肖特基二极管(1)

肖特基二极管(1)

2,肖特基二极管原理

上面我们了解了肖特基二极管的基本物理结构,肖特基势垒结构和金属电极-半导体接触的结构并无本质差别,那只要是金属和半导体接触就会形成“肖特基势垒”么?接下来我们就可以看下:金属和N半导体怎么形成的“肖特基势垒”。

在深入之前,我们再来捋一遍肖特基势垒形成的基本原理:

1. N型半导体与金属接触时,半导体中的“自由电子”进入金属(不是扩散运动);

2. N型半导体界面电荷区中留下正电荷--“空穴”,金属界面上有多余负电荷--“自由电子”,从而产生由N->金属的电场;

3. 由于金属内部“自由电子”在内建电场的作用下,产生金属->N的漂移运动,并最终达到平衡,形成肖特基势垒,如下图所示。

肖特基二极管(1)

很明显,除了第一步外,其它两个步骤都很好理解。所以我们需要引入新的概念来解释为什么“自由电子”会从N半导体“扩散”到金属呢?

1. 金属功函数:金属由金属内部逸出到表面外的真空所需要的最小能量;即:φm = E0-(EF)m;E0为真空电子能量(真空能级),(EF)m为金属费米能级;

肖特基二极管(1)

1, “金属键”的约束力很弱,“自由电子”可以在金属内部是自由移动;

2, 但金属功函数要求的是:“自由电子”突破金属原子核的电磁力,逸出到金属外面的能量,这显然是需要更大的能量。

2. 同理,半导体功函数是指:E0与半导体费米能级之差,φs = E0–(EF)s;但半导体费米能级下的价电子有概率会跃迁到导带上,变成“自由电子”;所以有了另外一个概念:半导体电子亲和能,即:半导体“导带底”的“自由电子”逸出体外所需的最小能量,χ= E0–Ec;

肖特基二极管(1)

好啦,那接下来就要比一比“金属功函数”和“半导体电子亲和能”谁大,谁小的问题了:

1. 金属或半导体中的“自由电子”想要进入对方材料中,那么金属中“自由电子”需要克服“金属功函数”;

2. 而N半导体“自由电子”则需要克服半导体亲和能。

如下图所示为几种常用金属的功函数和半导体材料的电子亲和能值。我们可以看到,金属的功函数居然大于半导体的电子亲和能,说明半导体中的“自由电子”有更大的概率(更容易)逸出并进入金属,相反金属中的“自由电子”逸出并进入半导体的概率要小。这就解释了为什么“自由电子”是从半导体到金属的方向移动。

肖特基二极管(1)

从上图可以看到,不同金属的功函数以及不同半导体的电子亲和能有差别,所以不同的金属与半导体形成的势垒高度也会不同,从而导致肖特基二极管V-I曲线的差异,如下图所示:如果金属接触势垒高度高,那么二极管漏电流小,正向导通压降大。

肖特基二极管(1)

还有一个问题是:为什么PN结不用考虑电子亲和能,可以直接用扩散理论呢?

个人理解:因为P型半导体和N型半导体,它们虽然由于不同的掺杂导致“自由电子”和“空穴”的浓度差异,但是究其本质来说,P型和N型半导体就是同一种材料,所以“自由电子”和“空穴”进出P型或N型半导体不需要逸出本体(不需要做功,或则说P和N型的“半导体电子亲和能”是一样的);要看谁进入对方更多,就看 “自由电子”或“空穴”的浓度,所以我们可以用“扩散理论”来解释PN结的扩散运动。

接下来,我们再来看下肖特基势垒的能带图;以真空能级E0作为参考能级,φm是金属功函数,φs是半导体功函数,χ是电子亲和能;如下图左所示,在金属和半导体接触之前:φm>φs。

1. 如下右图为理想热平衡状态时的金属-半导体能带图,由于接触前半导体的费米能级要高于金属的费米能级,接触热平衡之后两者费米能级必然保持连续,所以半导体中的“自由电子”流向比它能级更低的金属中,带正电的“空穴”仍然留在半导体中,从而形成一个空间电荷区(耗尽层);

2. φB0是半导体接触的理想势垒高度,金属中的“自由电子”向半导体中移动形成势垒,该势垒就是:肖特基势垒;φB0= φm - χ;

3. 在另外一侧,Vbi是内建电势差,这个势垒类似于PN结势垒,是由导带中电子运动到金属中形成的势垒;Vbi = φB0- φn;

肖特基二极管(1)

如下图分别为肖特基二极管的反偏和正偏能带图,与PN结能带图非常类似;

1. 在金属与半导体之间加一个负电压,那么半导体-导体势垒高度会增大,理想情况下φB0保持不变,但金属与半导体之间内建电势差增大,这种情况是反偏;

2. 如果在金属和半导体之间加一个正电压,φB0依然保持不变,而半导体金属势垒高度会减小,“自由电子”很容易从半导体流向金属,这种情况是正偏。

3. 肖特基二极管施加电压后的金属-半导体能带图与PN结非常类似,其电流主要取决于“自由电子”的流动,正偏电流方向是从金属流向半导体,电流是随正偏电压Va的指数函数。

肖特基二极管(1)