肖特基势垒二极管的金属半导体结解析

欢迎回到芝识课堂！上节课我们看到了pn结的局限性——反向恢复时间。今天，让我们探索一种完全不同的结构：金属-半导体结。正是它，孕育了我们本期的主角——肖特基势垒二极管。这次“握手”如何创造出更快的电流开关？让我们一探究竟！

金属－半导体结的性质

金属－半导体结是将金属与半导体连接在一起，其性质由两者的功函数决定。功函数（Φ）是将一个电子从材料内部移到真空中所需的最小能量，Φ越大，电子越难离开。

当金属与n型半导体接触，如果金属功函数大于半导体功函数（Φm＞Φs），半导体中的电子会流向金属，在半导体表面形成耗尽层和内建电场，建立起一个肖特基势垒。这个结具有整流特性，称为肖特基接触（肖特基结）下图是无偏置肖特基结。

图1. 无偏肖特基结

以下两张图分别是正向偏置的肖特基结和反向偏置的肖特基结。

图2. 正向偏置的肖特基结

图3. 反向偏置的肖特基结

如果Φm＜Φs，则形成欧姆接触（欧姆结），没有整流效应，正反向都能导电，常用于芯片上的焊盘，以形成封装互连。

图4. 欧姆结

肖特基结单极导电的速度优势

在肖特基结（Φm＞Φs）中，半导体侧的电子要进入金属，必须越过肖特基势垒。正向偏置时，外电压降低势垒，电子从半导体流向金属，形成电流。

图5. VF情况下的金属半导体结正向偏置

反向偏置时，势垒升高，电子很难过去，只有极小的热电子发射电流。

最关键的是，在整个过程中，只有电子（多数载流子）参与导电，没有少数载流子（空穴）的注入和存储。

因此，当外加电压切换时，没有需要清理的“存储电荷”，状态切换速度极快，反向恢复时间（trr）极短，也就是速度更快。

肖特基结与pn结的核心对比

肖特基结与pn结有本质的区别：pn结是双极型器件，电子和空穴都参与导电，导致少子存储和较长的trr；肖特基结是单极型器件，仅靠多数载流子导电，因此速度极快。

另外，肖特基结的正向导通电压更低（通常0.3V左右，而硅pn结约0.7V）。但作为权衡，肖特基结的反向耐压通常较低，反向漏电流较大。

肖特基结就像是一个“电子单向发射机”，只有能量够高的电子才能从半导体发射到金属。因为没有“空穴炮弹”的装填过程，所以发射/停止的切换可以非常迅速。

事实上，肖特基势垒二极管是通过半导体与金属的结而形成的低正向电压（VF）二极管。而VF和反向电流（IR）之间的相关性取决于所用的金属。东芝开发了使用多种金属的产品线，提供从小信号产品到电力线产品的各种反向电压的广泛的产品线，包括VF和低IR类型肖特基势垒二极管，以提高效率和节省功耗。

今天我们认识了更快的金属－半导体肖特基结，理解了它凭借单极导电机制实现超快速度和低导通压降的原理。

那么，基于这个结制造的实际器件——肖特基势垒二极管，具体有什么特点？该如何使用？在最后一课，芝子将为你全面解读肖特基势垒二极管的特性、选型要点和经典应用，让我们把知识转化为实战力量！

关于东芝电子元件及存储装置株式会社

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