肖特基二极管（Schottky diode），以德国物理学家沃尔特·肖特基（Walter H. Schottky）的名字命名，也称为肖特基势垒二极管或热载流子二极管，是由半导体与金属结形成的半导体二极管。它具有低正向压降和非常快的开关动作。当施加足够的正向电压时，电流会沿正向流动。硅p-n 二极管的典型正向电压为 600–700 mV，而肖特基的正向电压为 150–450 mV。这种较低的正向电压要求允许更高的开关速度和更好的系统效率。
肖特基二极管是另一种类型的半导体二极管，与任何其他结二极管一样可用于各种波形整形、开关和整流应用。主要优点是肖特基二极管的正向压降大大小于传统硅 pn 结二极管的 0.7 伏。
肖特基二极管主要特点
- 金属半导体结：与使用 P 型和 N 型半导体材料之间结的标准二极管不同，肖特基二极管是由金属（如铂或铝）和半导体（如硅）之间的结形成的。
- 低正向压降：这意味着使二极管沿正向传导电流所需的电压更少，从而降低功率损耗并提高效率。
- 开关速度快：肖特基二极管可以非常快速地打开和关闭，使其成为高频电路和应用的理想选择。
优势
- 高效率：由于正向压降低，肖特基二极管可以减少功率损耗，特别是在大电流电路中。
- 快速切换：快速开关能力使其非常适合开关模式电源等高频应用。
- 降低功耗：较低的正向电压意味着更少的热量浪费，这在功率敏感的应用中至关重要。
缺点
- 更高的反向电流泄漏：与标准二极管相比，肖特基二极管往往具有更高的反向漏电流。
- 较低的反向额定电压：肖特基二极管通常具有较低的最大反向额定电压，这意味着它们更容易受到电压尖峰的损坏。
肖特基二极管具有许多有用的应用，从整流、信号调理和开关，到 TTL 和 CMOS 逻辑门，主要是因为它们的低功耗和快速开关速度。TTL肖特基逻辑门由逻辑门电路代码中某处出现的字母 LS 来标识，例如 74LS00。
PN结二极管是将p型和n型半导体材料连接在一起形成的，可以用作整流器件，我们已经看到，当正向偏置时，耗尽区大大减小，允许电流沿正向流过，而当反向偏置时，耗尽区增加，阻塞电流流动。
使用外部电压偏置pn结以使其正向或反向偏置的作用，分别降低或增加结势垒的电阻。因此，典型pn结二极管的电压电流关系（特性曲线）受结的电阻值的影响。请记住，pn结二极管是一种非线性器件，因此其直流电阻会随着偏置电压和通过它的电流而变化。
当正向偏置时，直到外部偏置电压达到“拐点电压”时，电流迅速增加，对于硅二极管，发生正向导通所需的电压约为 0.65 至 0.7 伏，如图所示。
PN结二极管IV特性
对于实用的硅结二极管，该拐点电压可以在 0.6 到 0.9 伏之间，具体取决于它在制造过程中的掺杂方式，以及器件是小信号二极管还是更大的整流二极管。然而，标准锗二极管的拐点电压要低得多，约为 0.3 伏，使其更适合小信号应用。
但还有另一种类型的整流二极管，它具有较小的拐点电压和快速开关速度，称为肖特基势垒二极管，或简称为“肖特基二极管”。肖特基二极管可用于许多与传统 pn 结二极管相同的应用，并具有许多不同的用途，特别是在数字逻辑、可再生能源和太阳能电池板应用中。
肖特基二极管
与由一块 P 型材料和一块 N 型材料形成的传统 pn 结二极管不同，肖特基二极管是使用键合到 N 型半导体的金属电极构成的。由于它们是在结的一侧使用金属化合物构建的，在另一侧使用掺杂硅构建的，因此肖特基二极管没有耗尽层，被归类为单极器件，这与典型的 pn 结二极管是双极器件不同。
用于肖特基二极管结构的最常用接触金属是“硅化物”，它是一种高导电性硅和金属化合物。这种硅化物金属-硅触点具有相当低的欧姆电阻值，允许更多的电流流动，从而在导通时产生较小的正向压降，约为Vƒ<0.4V。不同的金属化合物会产生不同的正向压降，通常在 0.3 到 0.5 伏之间。
肖特基二极管结构和符号
上图显示了肖特基二极管的简化结构和符号，其中轻掺杂的 n 型硅半导体与金属电极连接以产生所谓的“金属-半导体结”。
金属和半导体组合的选择决定了二极管的正向电压。n 型和 p 型半导体都可以产生肖特基势垒。然而，p 型通常具有低得多的正向电压。由于反向漏电流随着正向电压的降低而急剧增加，因此不能太低，因此通常使用的范围约为0.15-0.45V，很少使用p型半导体。硅化钛和其他难熔硅化物能够承受 CMOS 工艺中源极/漏极退火所需的温度，但通常正向电压太低而无法使用，因此使用这些硅化物的工艺通常不提供肖特基二极管。
随着半导体掺杂的增加，耗尽区的宽度下降。在一定宽度以下，电荷载流子可以穿过耗尽区。在非常高的掺杂水平下，结不再充当整流器，而是成为欧姆触点。这可用于同时形成欧姆触点和二极管，因为二极管将在硅化物和轻掺杂的 n 型区域之间形成，而欧姆接触将在硅化物和重掺杂的 n 型或 p 型区域之间形成。轻掺杂的 p 型区域会带来问题，因为由此产生的触点具有过高的电阻对于良好的欧姆触点而言，但正向电压太低且反向漏电流太高，无法形成良好的二极管。
由于肖特基触点的边缘相当尖锐，因此它们周围会出现高电场，这限制了反向击穿电压阈值的大小。使用了各种策略，从保护环到金属化重叠以减少磁场。保护环占用宝贵的芯片面积，主要用于较大的高压二极管，而重叠金属化主要用于较小的低压二极管。
肖特基二极管通常用作肖特基晶体管中的抗饱和箝位。由硅化钯 （PdSi） 制成的肖特基二极管非常出色，因为它们的正向电压较低（必须低于基极-集电极结的正向电压）。肖特基温度系数低于B-C结系数，这限制了PdSi在较高温度下的使用。
对于功率肖特基二极管，埋入的n+层和外延n型层的寄生电阻变得很重要。外延层的电阻比晶体管更重要，因为电流必须穿过其整个厚度。然而，它充当结处整个区域的分布式镇流电阻器，并在通常条件下防止局部热失控。
与功率 p-n 二极管相比，肖特基二极管的坚固性较低。结与热敏金属化直接接触;因此，肖特基二极管在发生故障之前（尤其是在反向击穿期间）比具有深埋结的等效尺寸p-n对应物消耗更少的功率。肖特基二极管的较低正向电压的相对优势在较高的正向电流下减弱，其中压降由串联电阻主导。
这种金属-半导体结的宽度以及电气特性将在很大程度上取决于其结构中使用的金属化合物和半导体材料的类型，但当正向偏置时，电子从 n 型材料移动到金属电极，从而允许电流流动。因此，通过肖特基二极管的电流是多数载流子漂移的结果。
由于没有 p 型半导体材料，因此没有少数载流子（空穴），因此当反向偏置时，二极管会很快停止传导并转变为阻塞电流，就像传统的 pn 结二极管一样。因此，对于肖特基二极管，对偏置变化的响应非常快，并展示了整流二极管的特性。
如前所述，肖特基二极管“导通”并开始导通的拐点电压比其pn结等效电压低得多，如以下I-V特性所示。
肖特基二极管 IV 特性
正如我们所看到的，金属半导体肖特基二极管 I-V 特性的总体形状与标准 pn 结二极管的形状非常相似，只是 ms 结二极管开始导通的转角或拐点电压要低得多，约为 0.4 伏。
由于这个较低的值，硅肖特基二极管的正向电流可能比典型的 pn 结二极管大许多倍，具体取决于所使用的金属电极。请记住，欧姆定律告诉我们，功率等于伏特乘以安培，（P = V*I），因此对于给定的二极管电流，正向压降较小，我D将以热量的形式在结上产生较低的正向功耗。
这种较低的功率损耗使肖特基二极管成为低压和大电流应用的不错选择，例如太阳能光伏电池板，其中正向电压 （VF）在标准PN结二极管上压降会产生过热效应。
然而，必须注意的是，反向漏电流（我R） 通常比 pn 结二极管大得多。
但请注意，如果 I-V 特性曲线显示出更线性的非整流特性，则它是欧姆触点。欧姆触点通常用于将半导体晶圆和芯片与系统的外部连接引脚或电路连接起来。例如，将典型逻辑门的半导体晶圆连接到其塑料双列直插式 （DIL） 封装的引脚。
此外，由于肖特基二极管是用金属-半导体结制造的，它往往比具有相似电压和电流规格的标准 pn 结硅二极管略贵。例如，1.0 安培 1N58xx 肖特基系列与通用 1N400x 系列的比较。
肖特基二极管反向恢复时间
p-n二极管和肖特基二极管之间最重要的区别是二极管从导通状态切换到非导通状态时的反向恢复时间（trr）。在p-n二极管中，快速二极管的反向恢复时间可以从几微秒到小于100 ns，并且主要受到导电状态下扩散区域中积累的少数载流子引起的扩散电容的限制。肖特基二极管的速度明显更快，因为它们是单极器件，并且它们的速度仅受结电容的限制。小信号二极管的开关时间为~100ps，特殊高容量功率二极管的开关时间长达数十纳秒。对于正正结开关，还存在反向恢复电流，这在大功率半导体中会增加EMI噪声。使用肖特基二极管，开关本质上是“瞬时”的，只有轻微的容性负载，这不是一个问题。
这种“瞬时”切换并非总是如此。特别是在更高电压的肖特基器件中，控制击穿场几何形状所需的保护环结构会产生具有通常恢复时间属性的寄生p-n二极管。只要这个保护环二极管没有正向偏置，它就只增加电容。然而，如果肖特基结被驱动得足够用力，正向电压最终会使两个二极管正向偏置，实际的 trr将受到很大影响。
人们常说肖特基二极管是一种“多数载流子”半导体器件。这意味着，如果半导体体是掺杂的n型，则只有n型载流子（移动电子）在器件的正常运行中起着重要作用。大多数载流子被迅速注入二极管另一侧金属触点的导带中，成为自由运动的电子。因此，不涉及n型和p型载流子的缓慢随机复合，因此该二极管可以比普通的p-n整流二极管更快地停止导通。反过来，此属性允许更小的设备面积，这也使得转换更快。这是肖特基二极管在开关模式电源转换器中有用的另一个原因：二极管的高速意味着电路可以在 200 kHz 至 2 MHz 范围内的频率下工作，从而允许使用小型电感器和电容器，其效率高于其他二极管类型。小面积肖特基二极管是射频检测器和混频器的核心，它们通常工作频率高达 50 GHz。
肖特基二极管的限制
肖特基二极管最明显的局限性是其相对较低的反向额定电压和相对较高的反向漏电流。对于硅金属肖特基二极管，反向电压通常为 50 V 或更低。一些更高电压的设计可用（200 V 被认为是高反向电压）。 反向漏电流随着温度的增加而增加，因此会导致热不稳定问题。这通常会将有用的反向电压限制在远低于实际额定值。
虽然可以实现更高的反向电压，但它们将提供更高的正向电压，与其他类型的标准二极管相当。除非需要很高的开关速度，否则这种肖特基二极管没有优势。
碳化硅肖特基二极管
由碳化硅构成的肖特基二极管的反向漏电流比硅肖特基二极管低得多，并且具有更高的正向电压（25 °C 时约为 1.4-1.8 V）和反向电压。截至 2011 年它们可从制造商处获得高达 1700 V 反向电压的变体。
碳化硅具有很高的导热系数，温度对其开关和热特性影响不大。通过特殊封装，碳化硅肖特基二极管可以在超过 500K（约 200 °C）的结温下工作，从而允许在航空航天应用中进行被动辐射冷却。
逻辑门中的肖特基二极管
肖特基二极管在数字电路中也有许多用途，并且由于其更高的频率响应、更短的开关时间和更低的功耗，广泛用于肖特基晶体管-晶体管逻辑 （TTL） 数字逻辑门和电路。在需要高速切换的情况下，基于肖特基的TTL是显而易见的选择。
肖特基 TTL 有不同版本，速度和功耗都不同。在其结构中使用肖特基二极管的三个主要 TTL 逻辑系列如下：
- 肖特基二极管箝位 TTL（S 系列）——肖特基“S”系列 TTL （74SXX） 是原始二极管-晶体管 DTL 和晶体管-晶体管 74 系列 TTL 逻辑门和电路的改进版本。肖特基二极管放置在开关晶体管的基极-集电极结上，以防止它们饱和并产生传播延迟，从而实现更快的作。
- 低功耗肖特基（LS系列）——74LSXX系列TTL的晶体管开关速度、稳定性和功耗优于之前的74SXX系列。除了更高的开关速度外，低功耗肖特基 TTL 系列功耗更低，因此 74LSXX TTL 系列是许多应用的理想选择。
- 高级低功耗肖特基（ALS 系列）– 用于制造二极管 ms 结的材料进行了额外改进，这意味着与 74ALSXX 和 74LS 系列相比，74LSXX 系列缩短了传播延迟时间，功耗大大降低。然而，作为一项较新的技术，并且内部设计比标准 TTL 更复杂，ALS 系列略贵。
肖特基箝位晶体管
所有以前的肖特基 TTL 栅极和电路都使用肖特基箝位晶体管来防止它们被强力驱动到饱和状态。
如图所示，肖特基箝位晶体管基本上是一个标准的双极结型晶体管，肖特基二极管在其基极-集电极结上并联。
当晶体管在其特性曲线的有源区域正常导通时，基极-集电极结反向偏置，因此二极管反向偏置，允许晶体管作为正常的 npn 晶体管工作。然而，当晶体管开始饱和时，肖特基二极管变得正向偏置，并将集电极-基极结箝位到其 0.4 伏拐点值，从而使晶体管在通过二极管分流时避免硬饱和。
防止逻辑电路开关晶体管饱和，大大缩短了它们的传播延迟时间，使肖特基 TTL 电路非常适合用于触发器、振荡器和存储芯片。
肖特基二极管应用
电压箝位
虽然标准硅二极管的正向压降约为 0.7 V，锗二极管的正向压降约为 0.3 V，但肖特基二极管在正向偏置约 1mA时的压降在 0.15 V 至 0.46 V 范围内（参见 1N5817和 1N5711），这使得它们可用于电压箝位应用和防止晶体管饱和。这是由于肖特基二极管中的电流密度更高。
反向电流和放电保护
肖特基二极管的低正向压降非常适合节能应用，因为很少有能量浪费在热量上。这使得它们可用作独立（“离网”）光伏（PV） 系统中的阻断二极管，防止电池在夜间通过太阳能电池板放电。它们还用于并联多个串并联的并网系统，以防止在旁路二极管发生故障时反向电流从相邻串流过阴影串。
开关模式电源
肖特基二极管还用作开关模式电源中的整流器。低正向电压和快速恢复时间可提高效率。
它们还可用于同时具有内部电池和电源适配器输入或类似产品中的电源“OR”电路。然而，在这种情况下，高反向漏电流会带来问题，因为任何高阻抗电压检测电路（例如，监控电池电压或检测是否存在电源适配器）都会通过二极管漏电看到来自其他电源的电压。
采样保持电路
肖特基二极管可用于基于二极管电桥的采样和保持电路。与基于p-n 结的常规二极管电桥相比，肖特基二极管具有优势。正向偏置肖特基二极管没有任何少数载流子电荷存储。这使得它们能够比普通二极管更快地切换，从而缩短从样品到保持步骤的过渡时间。 由于没有少数载流子电荷存储，也会导致保持步长或采样误差降低，从而在输出端获得更准确的采样。
充能控制
由于其高效的电场控制，肖特基二极管可用于在量子阱或量子点等半导体纳米结构中精确加载或卸载单个电子。
高频电路
各种高频应用，包括射频电路、开关电源和数字电路。
太阳能电池
用于太阳能电池板电路，以防止电流在夜间倒流到电池板中。
名称
常见的肖特基二极管包括1N58xx系列整流器，例如1N581x（1A）和1N582x（3 A）通孔部件，以及SS1x（1 A）和SS3x（3 A）表面贴装部件。肖特基整流器有多种表面贴装封装样式。
小信号肖特基二极管，如 1N5711、1N6263、1SS106、1SS108、和 BAT41–43、45–49 系列广泛用于高频应用，作为检测器、混频器和非线性元件，并已取代锗二极管。它们还适用于敏感器件的静电放电（ESD） 保护，例如III-V 半导体器件、激光二极管，以及较小程度的CMOS电路裸露线。
肖特基金属半导体结在7400TTL系列逻辑器件74S、74LS 和 74ALS 系列的后续产品中采用，它们用作与双极晶体管的集电极-基极结并联的贝克钳位，以防止其饱和，从而大大降低其关断延迟。
备选方案
当需要更小的功耗时，可以在称为有源整流的工作模式下使用MOSFET和控制电路来代替。
超级二极管由 pn 二极管或肖特基二极管和运算放大器组成，由于负反馈的影响，提供了几乎完美的二极管特性，尽管它的使用仅限于所使用的运算放大器可以处理的频率。
肖特基二极管总结
我们在这里看到，肖特基二极管也称为肖特基势垒二极管是一种固态半导体二极管，其中金属电极和 n 型半导体形成二极管 ms 结，与传统的 pn 结二极管相比，它具有两个主要优势，更快的开关速度和低正向偏置电压。
金属-半导体或 ms 结提供低得多的拐点电压，通常为 0.3 至 0.4 伏，而标准硅基 pn 结二极管在相同正向电流值下为 0.6 至 0.9 伏。
用于其结构的金属和半导体材料的变化意味着碳化硅 （SiC） 肖特基二极管能够以低至 0.2 伏的正向压降“导通”，肖特基二极管取代了许多需要低拐点电压的较少使用的锗二极管。
肖特基二极管正迅速成为低压、大电流应用中的首选整流器件，用于可再生能源和太阳能电池板应用。
然而，与pn结等效器件相比，肖特基二极管的反向漏电流更大，其反向击穿电压更低，约为50伏。
更低的导通电压、更快的开关时间和更低的功耗使肖特基二极管在许多集成电路应用中非常有用，其中最常见的是 74LSXX TTL 系列逻辑门。
金属-半导体结也可以用作“欧姆触点”，并通过将金属电极沉积到重掺杂（因此电阻率低）的半导体区域来整流二极管。欧姆触点在两个方向上均匀传导电流，允许半导体晶圆和电路连接到外部端子。