开关电源应用中二极管的最佳选择

  1. 引言
  随着大规模集成电路的发展，电子设备的体积和重量越来越小，而传统的连续式串联稳压电源由于体积大、效率低则不能满足整机的优化设计。开关电源是体积小、重量轻、可靠性高的新型电源，具有功耗低、效率高的突出优点，其效率可达755以上。开关电源取代线性电源是工业发展的必然趋势。
  开关电源由高频磁芯、高频电容、高反压大功率晶体管、功率整流二极管及控制电路等主要部件构成。其中，流二极管为关键部件，因为其功耗最大，约占电源功耗的30% ，因此要求整流二极管在高速大电流工作状态下，具有正向压降小、开关时间短的特性。性能较好，被大量应用的整流二伋管主要有两种：一种是快恢复整流二极管；另一种便是肖特基势垒二极管(SBD)。总体上来说，肖特基势垒二极管性能优于快恢复二极管，它由于具有低压大电流、低功耗、高速开关等优良特性，在高频整流、开关电路和保护电路中作为整温和续流元件，可以大幅度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减少电路噪声，所以，在低压范围内，SBD已淘汰了快恢复整流二极管。但由于金属势垒的缘故，SBD不能承受较高电压，因此，在大电压范围内还缺不了快恢复整流二极管。

  2. 两者的比较
  2.1 反向恢复时间trr的比较
  我们知道，PN结呈现正向特性或反向特性取决于结内部的势垒高度，或者说，取决于结内部的载流子分布。因为一定的势垒高度与一定的载流子分布相对应。正偏时，势垒高度很低，结内部的载流子很多，大大地超出平衡値；反偏时，结内部的载流子很少，比平衡值还要低，所以PN结由正偏转向反偏时，就必然存在一个类似电容器放电的过程叫作反向恢复过程。经历这个过程所需的时间就是反向恢复时间trr。显然它与过剩少子寿命长短有关。快速整流管的N区通常都是掺金的，以便使少子寿命降低从而获得较短的反向恢复时间。
  肖特基势垒二极管SBD的正向电流主要是“热”电子由半导体注入到金属中，少于(空穴)注入电流是微不足道的一部分。偏压反向后，注入金属的电子原则上也返问到半导体中，但这仍然要求电子保持足以超过势垒的能量。在正向偏压下，在电子偏压作用下注入到金属的电子的能量比金属费米能级高出一个势垒高度，在金属中由于碰撞作用，使这部分能量在极短时间内(约10^-4 S)消失。因此，反向偏压施加后，这些热电子只能在这一数量级的时间内返问到半导体内，所以PN结的少子储存效应在SBD中实际是不存在的，其反向恢复时间主要由外电路决定。而不是由与导电机理有关的内在电子过程决定的。因而SBD的反向恢复时间比PN结要短得多。
  SBD具有类似PN结的微分电容效应，对反向恢复时间有一定影响。为了降低微分电容，要求SBD有效面积尽可能减小，相应外延层掺杂浓度较低。
 
  2.2 反向电压的比较
  在通常情况下一般采用金属-半导体接触来形成肖特基势垒，但是由于金属与半导体接触时，接触界面SiO2层的存在，使得接触电阻和表面态密度明显增大，致使器件的性能大大降低。为解决这个问题，现采用了一项新工艺技术-金属硅化物-硅的接触势垒工艺形成非常可靠且可重复的肖特基势垒。同时采用了保护环结构等新工艺技术，使肖特基二极管的反向特性得到了很大的改善，显示出较理想的伏安特性，但由于金属势垒的缘故，其阻挡层较薄，故不能承受较高的电压。
  实验证明：不管用哪种材料做成的肖特基二极管，其反向漏电流随反向电压的增加均按指数上升。这种“软”击穿特性，使反向阻断产生较大的功耗，影响器件的稳定性和可靠性，因此其主要用在低压状态下。
  而快恢复整流二极管由于衬底电阻率高、外延层厚，采用深结扩散等特点，其承压能力可达几千伏，这也是快恢复整流二极管不能完全被取代的原因。
 
  2.3 正向压降的比较
  肖特基二极管的特殊结构决定了其体电阻较小，它的正向压降比快恢复整流二极管的正向压降低得多，因而其功耗低。在生产实践中，快恢复整流二极管VF与trr的改善存在矛盾，也就是说，要使VF尽可能低时，其trr必然上升，同理，trr改善了，则VF上升，这一矛盾对功耗降低是不利的，通常只能在二者中取折衷，这也是快恢复整流二极管的一个劣势。
  而肖特基势垒二极管SBD，由于其为金--半接触，决定了其trr本身就很小，在通常的情况下，改善VF并不能使trr变差。因此肖特基势垒二极管有利于降低功耗。
 
  3. 结束语
  肖特基二极管作为整流二极管比PN结整流二极管具有以下优点：
  a. 肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的势垒而制成的二极管，它不同于扩散型PN结二极管，其正向压降只有PN结的一半，所以功耗可以降低一半。
  b. 肖特基二极管是利用一种多数载流子器件，不存在PN结二极管势垒少子注入和储存的瞬态恢复特性，这使得在相同的应用情况下，两者的恢复特性存在明显的差别，恢复时间大约为1：50，由于SBD的恢复时间要短的多，因此其开关速度比PN结二极管要快2～3倍，二极管的恢复时间越短，它的平均功率损耗就越小。
  综上所述，在开关电源中，肖特基二极管比快恢复二极管更为理想，其功耗可以降低一半以上，进一步提高了电源的效率，因此肖特基二极管是开关电源必不可少的配套器件，广泛应用于稳压器、整流器、逆变器、UPS等，也可以作为快速钳位二极管使用。



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