肖特基二极管在高功率应用中的更低功耗设计

我们在肖特基二极管设计过程中，肖特基二极管与普通二极管有什么区别，有哪些参数与特点我们需要留意。本文分享那些电感容易忽略关键参数。

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什么是肖特基二极管

肖特基二极管 即热载流子二极管，是基于金属-半导体结制造而成。

肖特基二极管结构：

肖特基二极管的结构与普通二极管有所不同。肖特基二极管使用的是键合到N型掺杂材料中的单层薄金属，而不是双层掺杂半导体材料。这种金属与N型半导体层叠的组合也称为M-S结(金属-半导体结)。

结构上与普通二极管的区别

这种金属可以是贵金属中的任何一种(如铂、钨、金等)，具体取决于厂商的绝密配方。

结的金属侧形成了阳极，半导体侧成为阴极。正向偏压时，肖特基二极管的最大正向压降在 0.2 至 0.5 伏特范围内，具体取决于正向电流和二极管类型。当肖特基二极管与电源串联使用时，例如在反向电压保护电路中，这样的低正向压降是非常有用的，因为它能够降低功率损耗。

符号上与普通二极管的区别

图 3：肖特基二极管的物理结构基于金属- N 型半导体结，因而具有很低的正向压降和极快的开关速度。

02

特性与参数

举例：onsemiNSR0340HT1G

反向电压

反向电压一般指的是反向偏置方向上可以施加到器件上，而不引起击穿的最大电压。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的反向电压为40V，

与普通二极管相比，肖特基二极管由于耗尽区较窄，无法承受高反向电压;一段肖特基二极管反向电压范围在50V以内，而普通二极管的电压范围可以到500V甚至上千伏不等。

正向电流

正向电流，一般指的是指的是通过器件的最大允许时间平均电流量。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的正向电流典型值为250mA

正向电流也不是一直不变的，温度以及正向电压越大，正向电流越大。

与类似规格的普通二极管相比，一般来说，肖特基二极管在高功率应用中的功耗更低且散热效率更高。

二极管不是无损器件;当正向偏置方向携带电流时，会出现一些压降，这被称为器件的正向电压。正向压降会随着正向电流调整。正向电流越大，正向电压也越大。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的正向电压：

当正向电流10mA的时候，正向电压典型值320mV

当正向电流100mA的时候，正向电压典型值415mV

当正向电流200mA的时候，正向电压典型值470mV

肖特基二极管与标准二极管相比，因为它是使用金属-半导体结而不是不同掺杂的半导体区域的结来构造的，通常具有较低的正向电压特性。

在正向偏压时，肖特基二极管只需0.3-0.4 伏即可开始导通，而普通二极管则需要0.6-0.7伏。这在必须节能的应用中非常有益，如电池驱动和太阳能电池应用。

借助低正向电压的优势，肖特基二极管可以有效地保护敏感器件不受过电压的影响。

在一定的反向偏置下流过二极管的电流不足以引起反向击穿，称为漏电流。漏电流不是一直不变的。一般情况下，漏电流通常会随着温度和施加的反向偏置电压的量而增加。

肖特基二极管与标准二极管相比，以及随之而来的漏电流较高、电气稳定性和长期可靠性较低。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的漏电流：

当反向电压等于10V时，漏电流的典型值为0.2uA

当反向电压等于25V时，漏电流的典型值为0.4uA

当反向电压等于40V时，漏电流的典型值为1.3uA

下面这张图，我们可以清楚的看到漏电流随着反向电压以及温度的变化而变化。

我们可能会发现，当反向电压很高，温度很高的时候，漏电流几乎以指数的方式往上升。这个时候，之前可以忽略不计的漏电流无法忽视了。稍不注意，就可能导致热失控的情况，从而导致器件升温，引起进一步的漏电流，然后恶性循环直至器件损坏。

作为一个粗略的经验法则，当温度每升高10°C，漏电流就会增加一倍。如果为25°C的器件温度提供漏电流特性(这是常见的)，当器件温度接近其额定最大温度时，应该准备好观测值大约高出1000倍。

结电容

当反向偏压时，二极管两端的区域就像电容的电极一样。由于结的厚度在物理上相当小，因此产生的电容量可以是显著的，并且由于其有效厚度随施加的反向电压的量而变化，因此结电容也依赖于电压。

这种现象通常被利用来制造 可变电容 ，并经常用于RF应用，但在其他用例中，它只是另一个隐藏的寄生元件，很容易被忽视，直到它引起问题。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的结电容：

在反向电压为10V，频率为1MHz的时候，结电容典型值为6pF

肖特基二极管的窄耗尽区，可形成低电容二极管。这意味着，与普通二极管相比，肖特基二极管可避免嗡嗡声和其他电容噪声，因此肖特基二极管成为RF电路的首选。

二极管表现出一个实质性的反向恢复现象，其中从正向偏压过渡到反向偏压状态的过程涉及一个短暂的电流通过器件的反向方向，在显著高于稳态漏电流的水平。

受影响的器件通常根据该恢复周期的时间持续时间进行分类或描述，例如“快速恢复”或“超快速恢复”，并进一步根据恢复过程中通过器件的电流波形的特征形状进行分类或描述，例如“软恢复”。

以 onsemi NSR0340HT1G 举例， 数据手册 中的恢复时间：

肖特基二极管常用于高效率电源和直流-直流电压转换器电路内，得益于其效率高且恢复时间短。

03

肖特基二极管电源上的应用

肖特基二极管的另外一个重要特性是非常快的开关速度。从打开状态切换为关闭状态时，标准二极管需要花费一定时间来消除耗尽层的电荷，与之不同的是，肖特基二极管的金属-半导体结没有相关的耗尽层。

与硅结二极管相比，肖特基二极管的峰值反向电压额定值受到限制。因此它们通常限定用于低压开关模式电源。onsemi 的 1N5822RLG 峰值反向电压 (PRV) 额定值高达 40 V，最大正向电流为 3 A。它可应用于开关模式电源的多个领域(图 4)。

肖特基二极管在开关模式电源中的典型应用示例，包括用于逆功率保护 (D1) 和瞬态抑制 (D2)。上图有误，请参考“阅读原文”修正版。

肖特基二极管可用于保护稳压器电路，防止在输入端意外施加反极性。本例中的二极管 D1 正是用于此用途。该二极管在此应用中的主要优势是正向压降较低。肖特基二极管(本例中的 D2)另一个更重要的功能是，在开关关闭时提供返回路径，让电流流过电感器 L1。D2 必须是使用较短的低电感连线连接的快速二极管，才能实现这项功能。在低电压电源的这项应用中，肖特基二极管具有极佳的性能。

肖特基二极管还可应用于 RF 设计，它们的快速开关、低正向压降、低电容特性使其非常适用于检测器和采样保持开关。

总结

肖特基二极管的优缺点都非常明显。肖特基二极管有着低正向电压, 高速开关, 低噪声, 低功耗的优势，我们常常可以在电压箝位，开关模式电源，电池供电器件等应用中看到他的身影。另一方面，肖特基二极管的缺点也很显著，漏电流大，反向电压较低，我们一定要在设计中格外小心。

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小编的话

作为一种低功耗、超高速半导体器件，肖特基二极管广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路。