勢壘二極管

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

1.勢壘二極管的工作原理

1.1 肖特基勢壘形成

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

1.2 正向導通機制

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

1.3 反向特性分析

反向偏置時，勢壘升高抑制電子流動，但金屬中的電子可通過量子隧穿效應穿過薄勢壘，導致反向漏電流明顯大于PN結二極管。漏電流密度隨溫度升高呈指數(shù)增長，是限制高溫應用的主要因素。

2.勢壘二極管的關鍵參數(shù)

2.1 導通壓降

典型勢壘二極管的正向導通壓降為0.2-0.4V，遠低于硅PN結二極管的0.7V。這一特性使勢壘二極管在低壓大電流應用中具有顯著優(yōu)勢，能有效降低導通損耗。

2.2 反向漏電流

在額定反向電壓下，勢壘二極管的漏電流通常為μA至mA量級，比同等電壓等級的PN結二極管高1-3個數(shù)量級。漏電流對溫度敏感，每升高10℃約增大1倍。

2.3 結電容

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

2.4 熱阻特性

勢壘二極管的熱阻RθJA通常較低，因為金屬-半導體接觸面也是良好的熱傳導路徑。但高溫下漏電流增加會導致熱失控風險，需謹慎設計散熱系統(tǒng)。

3.勢壘二極管的主要類型

3.1 點接觸型：采用金屬細針與半導體表面點接觸形成勢壘，結電容極?。?lt;0.1pF），適合毫米波和太赫茲頻段的檢波與混頻應用，但機械穩(wěn)定性較差。

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

3.3 肖特基勢壘碳化硅二極管：采用SiC半導體材料，勢壘高度可達1.2-1.5eV。在保持快速開關特性的同時，反向漏電流比硅基產(chǎn)品降低2個數(shù)量級，特別適合高溫高壓應用。

3.4 砷化鎵勢壘二極管：基于GaAs材料的勢壘二極管，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。