勢(shì)壘二極管

勢(shì)壘二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)整流特性的電子器件。這種特殊的二極管結(jié)構(gòu)摒棄了傳統(tǒng)PN結(jié)，通過金屬與半導(dǎo)體材料的功函數(shù)差異形成空間電荷區(qū)，展現(xiàn)出獨(dú)特的電氣特性。

1.勢(shì)壘二極管的工作原理

1.1 肖特基勢(shì)壘形成

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者功函數(shù)差異，電子從半導(dǎo)體向金屬遷移，在界面處形成耗盡區(qū)。這個(gè)內(nèi)建電勢(shì)差即為肖特基勢(shì)壘，其高度Φ_B由金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體電子親和能決定，典型值在0.6-0.9eV范圍。

1.2 正向?qū)C(jī)制

正向偏置時(shí)，半導(dǎo)體側(cè)的勢(shì)壘降低，多數(shù)載流子（電子）通過熱發(fā)射越過勢(shì)壘形成電流。由于沒有少數(shù)載流子注入和復(fù)合過程，勢(shì)壘二極管表現(xiàn)出極快的開關(guān)特性，反向恢復(fù)時(shí)間可短至100ps以下。

1.3 反向特性分析

反向偏置時(shí)，勢(shì)壘升高抑制電子流動(dòng)，但金屬中的電子可通過量子隧穿效應(yīng)穿過薄勢(shì)壘，導(dǎo)致反向漏電流明顯大于PN結(jié)二極管。漏電流密度隨溫度升高呈指數(shù)增長，是限制高溫應(yīng)用的主要因素。

2.勢(shì)壘二極管的關(guān)鍵參數(shù)

2.1 導(dǎo)通壓降

典型勢(shì)壘二極管的正向?qū)▔航禐?.2-0.4V，遠(yuǎn)低于硅PN結(jié)二極管的0.7V。這一特性使勢(shì)壘二極管在低壓大電流應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，能有效降低導(dǎo)通損耗。

2.2 反向漏電流

在額定反向電壓下，勢(shì)壘二極管的漏電流通常為μA至mA量級(jí)，比同等電壓等級(jí)的PN結(jié)二極管高1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。漏電流對(duì)溫度敏感，每升高10℃約增大1倍。

2.3 結(jié)電容

由于耗盡區(qū)較寬，勢(shì)壘二極管的結(jié)電容較小，典型值為0.1-1pF。這一特性使其非常適合高頻應(yīng)用，截止頻率可達(dá)THz量級(jí)。

2.4 熱阻特性

勢(shì)壘二極管的熱阻RθJA通常較低，因?yàn)榻饘?半導(dǎo)體接觸面也是良好的熱傳導(dǎo)路徑。但高溫下漏電流增加會(huì)導(dǎo)致熱失控風(fēng)險(xiǎn)，需謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。

3.勢(shì)壘二極管的主要類型

3.1 點(diǎn)接觸型：采用金屬細(xì)針與半導(dǎo)體表面點(diǎn)接觸形成勢(shì)壘，結(jié)電容極?。?lt;0.1pF），適合毫米波和太赫茲頻段的檢波與混頻應(yīng)用，但機(jī)械穩(wěn)定性較差。

3.2 平面型：通過光刻工藝制造的金屬-半導(dǎo)體平面接觸結(jié)構(gòu)，具有一致性好、可靠性高的特點(diǎn)?，F(xiàn)代功率勢(shì)壘二極管多采用此結(jié)構(gòu)，電流能力可達(dá)數(shù)百安培。

3.3 肖特基勢(shì)壘碳化硅二極管：采用SiC半導(dǎo)體材料，勢(shì)壘高度可達(dá)1.2-1.5eV。在保持快速開關(guān)特性的同時(shí)，反向漏電流比硅基產(chǎn)品降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，特別適合高溫高壓應(yīng)用。

3.4 砷化鎵勢(shì)壘二極管：基于GaAs材料的勢(shì)壘二極管，具有更高的電子遷移率和飽和速度，在微波頻段表現(xiàn)優(yōu)異，是低噪聲混頻器和檢波器的理想選擇。