在电子电路的世界里,肖特基二极管和场效应管都是极为重要的电子元件。那么,肖特基二极管与场效应管的区别究竟在哪里呢?接下来,我们将从基本概述、工作原理、特性等多个方面进行详细解析。
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD 是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成 SBD)的简称。它并非利用 P 型半导体与 N 型半导体接触形成 PN 结原理制作,而是基于金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制成。因此,SBD 也被称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,属于热载流子二极管。
肖特基二极管以贵金属(如金、银、铝、铂等)A 为正极,以 N 型半导体 B 为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有的整流特性制成金属 - 半导体器件。在 N 型半导体中存在大量电子,而贵金属中仅有极少量自由电子,所以电子会从浓度高的 B 中向浓度低的 A 中扩散。由于金属 A 中没有空穴,也就不存在空穴自 A 向 B 的扩散运动。随着电子不断从 B 扩散到 A,B 表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,从而形成势垒,其电场方向为 B→A。
在该电场作用下,A 中的电子也会产生从 A→B 的漂移运动,这会削弱由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对平衡,便形成了肖特基势垒。
典型的肖特基整流管内部电路结构是以 N 型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂剂的 N - 外延层。阳极使用钼或铝等材料制成阻挡层,并用二氧化硅(SiO?)来消除边缘区域的电场,提高管子的耐压值。N 型基片具有很小的通态电阻,其掺杂浓度较 N - 层要高 100 倍。在基片下边形成 N?阴极层,作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数,N 型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极,N 型基片接电源负极)时,肖特基势垒层变窄,内阻变小;反之,若加上反向偏压,肖特基势垒层则变宽,内阻变大。
综上所述,肖特基整流管的结构原理与 PN 结整流管有很大区别。通常将 PN 结整流管称作结整流管,而把金属 - 半导体整流管叫作肖特基整流管。采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管的问世,不仅节省了贵金属,大幅度降低了成本,还改善了参数的一致性。
场效应晶体管(Field Effect Transistor 缩写 (FET))简称场效应管,主要有两种类型:结型场效应管(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管(metal - oxide semiconductor FET,简称 MOS - FET)。它由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管,属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(10?~101?Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。
- 放大应用:场效应管可用于放大电路。由于其放大器的输入阻抗很高,耦合电容可以采用容量较小的电容,不必使用电解电容器。
- 阻抗变换:场效应管很高的输入阻抗非常适合进行阻抗变换,常用于多级放大器的输入级。
- 可变电阻:场效应管可以用作可变电阻。
- 恒流源:能方便地用作恒流源。
- 电子开关:可以用作电子开关。
场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。场效应管利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管既有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件。
有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比三极管好。场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且其制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此在大规模集成电路中得到了广泛应用。
肖特基二极管自从替代传统的普通二极管后受到了用户的青睐,但有时用户也会对它和场效应管傻傻分不清楚。肖特基二极管是二极管,特点是低功耗、超高速、反向恢复时间极短、正向压降小,适合做整流电路;场效应管是三极管,特点是输入阻抗高、噪声小、功耗低、漏电流小,开关特性好,适合做放大电路或开关电路。
二极管与三极管完全是两种不同类型的元件,虽同属电子元件类,但不能简单进行比较。肖特基二极管和普通二极管或场效应管的外观还是有一些相似之处,用户在使用时会有所困惑也是难免的。
场效应管是场效应晶体管的简称,缩写为 FET,通常分为 JFET 和 MOSFET 两类,这两类都是压控型器件。场效应管有三个电极,分别为栅极 G、漏极 D 和源极 S。目前 MOSFET 应用广泛,JFET 相对较少。MOSFET 又可分为 NMOS 和 PMOS。
PMOS 的结构是在 N 型硅衬底上做了两个 P 型半导体的 P?区,分别作为源极 S 和漏极 D,在 N 型半导体的绝缘层上引出栅极 G。NMOS 的实物图和引脚分布也有其特定形式。
肖特基二极管又叫势垒二极管,是由金属和半导体接触形成的二极管,其特点包括反向恢复时间非常短,为 ns 级别;正向导通压降非常低,为 0.3 - 0.5V 左右;漏电流较大、反向击穿电压比较低。
SBD 的主要优点有两个方面:一是由于肖特基势垒高度低于 PN 结势垒高度,其正向导通门限电压和正向压降都比 PN 结二极管低(约低 0.2V);二是由于 SBD 是多数载流子导电器件,不存在少数载流子寿命和反向恢复问题,其反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间,完全不同于 PN 结二极管的反向恢复时间。由于 SBD 的反向恢复电荷非常少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,尤其适合于高频应用。
然而,由于 SBD 的反向势垒较薄,并且在其表面极易发生击穿,所以反向击穿电压比较低。同时,SBD 比 PN 结二极管更容易受热击穿,反向漏电流比 PN 结二极管大。
与双极型晶体管相比,场效应管具有如下特点:
- 场效应管是电压控制器件,通过 VGS (栅源电压) 来控制 ID(漏极电流)。
- 控制输入端电流极小,输入电阻(10?~1012Ω)很大。
- 利用多数载流子导电,温度稳定性较好。
- 组成的放大电路的电压放大系数小于三极管组成放大电路的电压放大系数。
- 抗辐射能力强。
- 由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声,所以噪声低。
通过以上对肖特基二极管和场效应管的多方面对比,我们可以更清晰地了解它们之间的区别,从而在实际应用中做出更合理的选择。