PN 接面二極體與蕭特基二極體的差異:結構、順向電壓、逆向恢復、漏電流比較

PN 接面二極體以 p 型與 n 型半導體的接面整流,蕭特基二極體則以金屬與半導體的接面整流。PN 接面在順向時會注入並累積少數載子,因此切換為逆向時會流過逆向恢復電流。蕭特基二極體只靠多數載子運作,幾乎沒有逆向恢復,在矽中順向電壓約 0.2 至 0.4 V,也比 PN 接面的約 0.6 至 0.7 V 低。但相對地,其逆向漏電流較大,在矽中也難以得到高耐壓,這是它的弱點。

項目PN 接面二極體蕭特基二極體
結構將 p 型與 n 型半導體接合將金屬與半導體(主要為 n 型)接合(蕭特基接面)
傳導電流的載子注入的少數載子。電子與電洞兩者都參與只有多數載子。以越過能障的熱電子發射流動
順向電壓(矽,參考值)約 0.6 至 0.7 V約 0.2 至 0.4 V。隨金屬種類與耐壓而變
逆向恢復有。在累積的少數載子消失之前會流過逆向電流。一般整流用為 µs 等級,快速恢復型約數十 ns幾乎沒有。流過的只有接面電容充放電的電流
逆向漏電流小大。能障越低越大
耐壓(矽,參考值)也容易做到高耐壓。可達數 kV 等級約 200 V 左右為止。SiC 則已有 600 至 1700 V 等級的產品實用化
高耐壓品在大電流下的壓降以電導調變降低低濃度層的電阻,可抑制壓降沒有電導調變,漂移層的電阻會直接造成影響
溫度特性順向電壓以約 −2 mV/℃ 下降。漏電流隨溫度增加漏電流隨溫度急遽增加,需注意熱失控。順向電壓隨溫度下降
主要用途市電整流、高耐壓整流、通用的保護與訊號電路交換式電源的低電壓、大電流整流、飛輪二極體、反接保護、高頻檢波

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

PN 接面二極體
施加高逆向電壓的整流,或在高溫下也想將漏電流壓低時。用於市電整流與高耐壓電路等。
蕭特基二極體
以低電壓整流大電流,或需要高速切換時。用於交換式電源的輸出整流、飛輪二極體、電池反接保護等。
搭配使用
在高耐壓且高速的用途中,會選用 SiC 蕭特基二極體,或經過載子壽命控制的快速恢復二極體。也有結合 PN 接面與蕭特基接面的 JBS 結構二極體,在漏電流與順向電壓之間取得平衡。

常見問題

為什麼蕭特基二極體的順向電壓低?

越過蕭特基能障流動的熱電子發射電流,其飽和電流比 PN 接面的擴散電流大好幾個數量級,因此能以較低的電壓流過相同的電流。能障高度隨金屬種類而變,能障越低,順向電壓越低,但逆向漏電流會增加。

為什麼蕭特基二極體幾乎沒有逆向恢復?

因為電流只由多數載子傳導,不會像 PN 接面那樣注入並累積少數載子。切換為逆向時流過的只有接面電容充放電的電流,因此可以減少切換損失與雜訊。

為什麼矽蕭特基二極體很少有高耐壓的產品?

提高耐壓需要低濃度且厚的漂移層,但蕭特基二極體沒有電導調變,該電阻會直接加到順向壓降上。漏電流也會變大,因此矽產品一般約在 200 V 左右為止。若使用臨界電場高的 SiC,以薄的漂移層就能得到 600 V 以上的耐壓。

在高溫下使用蕭特基二極體時要注意什麼?

逆向漏電流會隨溫度急遽增加。漏電流造成的發熱若使溫度進一步上升,就會導致熱失控,因此要以資料手冊確認高溫下的漏電流,並在散熱與逆向電壓上保留餘裕。

理解度檢測

一般矽PN接面二極體的順向電壓(電流開始流動的大致電壓)為下列何者?

  1. A約3 V
  2. B約0.1 V
  3. C約0.6~0.7 V
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正確答案:C. 約0.6~0.7 V

矽二極體在超過約0.6~0.7 V後,大電流開始流動。這是室溫下實用電流(mA等級)流動時電壓的參考值,能隙越大的材料此值越高。蕭特基位障二極體約為0.2~0.4 V,SiC蕭特基二極體約為1~1.5 V(SiC的PN接面約為2.5~3 V),GaN系藍光LED約為3 V。整流時的損耗為「順向電壓×電流」,因此在大電流電源中,低VF很受重視。

關於蕭特基位障二極體的特徵,下列何者正確?

  1. A是由兩個p型半導體接合而成的二極體
  2. B利用金屬與半導體的接合,順向電壓低且開關速度快
  3. C順向通電時會強烈發光
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正確答案:B. 利用金屬與半導體的接合,順向電壓低且開關速度快

蕭特基位障二極體利用金屬與半導體的接合(蕭特基接面),僅以多數載子運作。由於沒有少數載子的累積,幾乎沒有逆向恢復而速度很快,順向電壓也約為0.2~0.4 V,比PN接面低,因此被用於切換式電源的整流。其缺點是逆向漏電流大,且在高溫下容易增加;矽的耐壓約到200 V左右,但SiC已實用化到1 kV等級。

將PN接面二極體由順向切換為逆向時,會有短暫時間流過逆向電流(存在逆向恢復時間),其原因為下列何者?

  1. A因為金屬電極的電阻大
  2. B因為順向導通時累積的少數載子不會立刻消失
  3. C因為封裝會發熱
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正確答案:B. 因為順向導通時累積的少數載子不會立刻消失

在順向導通期間,接面兩側累積了被注入的少數載子。即使切換為逆向,在這些載子被抽出或因復合而消失之前,逆向仍會持續有電流流動。這段時間稱為逆向恢復時間(trr),逆向恢復電流會造成損耗與雜訊。對策是使用經過載子生命期控制的快速恢復二極體,以及不使用少數載子的蕭特基或SiC二極體。

  1. 關於二極體規格書中的逆向恢復時間 trr,下列何者正確?
  2. SiC蕭特基能障二極體被用作逆變器等的續流二極體,其主要優點為下列何者?
  3. 在基極-集極間並聯蕭特基能障二極體的電晶體(蕭特基箝位),其目的下列何者正確?

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相關名詞的解說

蕭特基位障二極體
利用金屬與半導體的接面(蕭特基接面)的二極體。順向電壓低,且沒有少數載子的累積,因此能高速切換。
逆向恢復時間
對原本導通的二極體施加逆向電壓時,在累積的少數載子消失之前,逆向電流持續流動的時間。是切換損耗與雜訊的成因。
順向偏壓
對 p 側施加正電壓、對 n 側施加負電壓。位障降低,電流容易流動。反過來施加則為逆向偏壓,幾乎沒有電流流動。
導電度調變
大量少數載子被注入低濃度層,使該層電阻大幅下降的現象。在 PIN 二極體與 IGBT 中,用來同時達成高耐壓與低導通電壓。
功函數
從真空能階到費米能階的能量差,是將電子從物質中取出所需的最小能量。左右金屬閘極的臨界電壓與蕭特基位障的高度。

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