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第二讲 肖特基势垒二极管.ppt

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第二讲 肖特基势垒二极管.ppt
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2.4 肖特基势垒二极管  利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性,是构成微波混频器、检波器和微波开关等的核心元件。,,1. 结构 肖特基势垒二极管有两种管芯结构:点接触型和面结合型,如图2-28所示。点接触型管芯用一根金属丝压接在N型半导体外延层表面上形成金半接触。面结合型管芯先要在N型半导体外延层表面上生成二氧化硅(SiO2)保护层,再用光刻的办法腐蚀出一个小孔,暴露出N型半导体外延层表面,淀积一层金属膜(一般采用金属钼或钛,称为势垒金属)形成金半接触,再蒸镀或电镀一层金属(金、银等)构成电极。,,图 2-28 两种肖特基势垒二极管结构 (a) 点接触型;(b) 面结合型,两种管芯结构的半导体一侧都采用重掺杂N+层作衬底,并在其上形成欧姆接触的电极。 面结合型管性能要优于点接触管,主要原因在于: (1) 点接触管表面不易清洁,针点压力会造成半导体表面畸变,其接触势垒不是理想的肖特基势垒,受到机械震动时还会产生颤抖噪声。面结合型管金半接触界面比较平整,不暴露而较易清洁,其接触势垒几乎是理想的肖特基势垒。,,(2) 不同的点接触管在生产时压接压力不同,使得肖特基结的直径不同,因此性能一致性差,可靠性也差。面结合型管采用平面工艺,因此性能稳定,一致性好,不易损坏。 图2-29给出一种面结合型二极管的结构图和等效电路,从中可以看出各部分的结构尺寸量级。通常,这种管芯要进行封装才能方便地使用。 肖特基势垒二极管的典型封装结构可采用“炮弹”式、微带式、SOT贴片式等,如图2-30所示。 肖特基势垒二极管还有其他一些变形:将点接触和平面工艺优点结合起来的触须式肖特基势垒二极管,取消管壳、靠加厚的引线来支撑的梁式引线肖特基势垒二极管等。,,图 2-29 面结合型二极管结构和等效电路,图 2-30 肖特基二极管的基本封装结构 (a) “炮弹”式封装;(b) 微带封装;(c) SOT贴片封装,2. 等效电路 考虑封装对管芯参数造成的影响,肖特基二极管的等效电路如图2-31所示。不同材料和结构的肖特基二极管电路形式一样,元件的具体参数不同。图中虚线框部分表示管芯,其余为封装寄生元件。 关键元件的名称和意义如下: Rj为二极管的非线性结电阻,是阻性二极管的核心等效元件。Rj随外加偏压而改变,正向时约为几欧姆,反向时可达MΩ量级。 Cj为二极管的非线性结电容,就是金半结的势垒电容Ct,其表达式为式(2-31)。 Cj随二极管的工作状态而变,电容量在百分之几皮法到一皮法之间。,,图 2-31 肖特基势垒二极管等效电路,Rs为半导体的体电阻,又叫串联电阻。点接触型二极管的Rs值为十欧姆到几十欧姆,而面结合型二极管的Rs值约为几欧姆。Ls为引线电感,为一至几纳亨。Cp为管壳电容,约为几分之一皮法。  肖特基二极管作为非线性电阻应用时,除结电阻Rj之外,其他都是寄生参量,会对电路的性能造成影响,应尽量减小它们本身的值,或在微波电路设计时,充分考虑这些寄生参量的影响。,,3. 伏安特性 一般地,肖特基势垒二极管的伏安特性可表示为 式中: 。与理想金半接触伏安特性公式(2-29)相比较,式(2-39)多了一个修正因子n。对于理想的肖特基势垒,n=1;当势垒不理想时,n1,且点接触型二极管n1.4,面结合型二极管n≈1.05~1.1。图2-32是肖特基势垒二极管的伏安特性曲线。 反向饱和电流和电子电荷,,,(2-39),图 2-32 肖特基势垒二极管的伏安特性曲线,在伏安特性的基础上,可以得到肖特基势垒二极管的时变电流和时变电导。 假定二极管两端的电压由两部分构成:直流偏压Udc和交流信号uL(t)=UL cosωLt,即 u(t)=Udc+UL cosωLt (2-40) 代入式(2-39),求得时变电流为 i(t)=f(u)=IS[exp(αUdc+αUL cosωLt)-1] (2-41) 图2-33(a)给出这个电流曲线,由于电压是时变的,电流也是随时间作周期变化的。,,图 2-33 肖特基势垒二极管的电流曲线和电导曲线 (a) 肖特基势垒二极管时变电流波形;(b) 肖特基势垒二极管时变电导波形,定义二极管的时变电导g(t)为 根据式(2-39)得 g(t)=α[i(t)+IS]≈αi(t)=αIS[exp(αUdc+αUL cosωLt)-1] (2-43) 图2-33(b)给出了这个电导曲线的示意图,可以看出,瞬时电导g(t)也随时间作周期性变化。,,(2-42),对式(2-41)进行傅立叶级数展开: 式中:Jn(x)(n=0,1,2,…)是n阶第一类变态贝塞尔函数,x为宗量。
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