肖特基半导体器件的模型及其应用
器件开发与应用
肖特基半导体器件的模型及其应用
成 立
(江苏理工大学电气工程系,镇江212013)
摘要 从工程实际出发,分别建立了肖特基势垒二极管(SBD)二态模型和肖特基钳位三极管(SCT)四态模型的电路模型,。
关键词 肖特基势垒 半导体器件 应用电路
SBDtions
ChengLi
DartmE,JiangsuUniversityofScience&Technology,Zhenjiang212013)
Abstract Fromtheengineeringrequirements,22statemodelsfortheschottkybar2rierdiodeand42statemodelsfortheschottkyclampedtransistorhavebeensetup.Twotypicalcircuitsareanalyzedandresearched.
Keywords Schottkybarrier Semiconductordevice Appliedcircuit
肖特基TTL门电路[2~4],而以一种简单、直接、详尽的方法讨论STTL电路以及其它含SBD电路。本文首先分别建立SBD、SCT模型,然后运用模型理论,对有关的实用电路作出分析和探讨。
1 引 言
肖特基势垒二极管是一种特殊的半导体器件,它利用金属与半导体之间的接触势垒进行工作,为单极型器件,具有频率高、正向压降小(例如铝2硅、钛2硅SBD的正向压降约为013V)等一系列优点,常用于微波混频、检波以及高速肖特基晶体管2晶体管逻辑门电路(STTL电路)中。图1(a)是SBD的代表符号;(b)是肖特基钳位三极管的连接方式;(c)图则是SCT的代表符号。对于SBD、SCT在工程中的较广泛应用,如何解释SBD或SCT电路的优良性能?怎样去说明STTL
门电路的开关速度提高问题?传统的处理办法是从二极管的单向导电性或从SCT的原理上加以说明。这样做没有触及这种器件的个性及其内涵。1994年,
[1]
具N.R.Malik提出将SCT作为一个单独的、
有特性的器件来对待,它有自身的模型和理论,这样做可不必参考普通的二极管、三极管和非
半导体技术1999年4月第24卷第2期
图1 (a)肖特基势垒二极管
(b)肖特基钳位三极管 (c)SCT的代表符号
2 SBD和SCT的电路模型
211 SBD的二态模型
在含SBD的电路中,设器件SBD工作在大信号条件下(即SBD的工作电流较大,它工作在伏安特性曲线的上部),当电流在一定范围
63
内变化时,SBD的导通压降几乎不变,约为014V。因而可用一条与伏安特性曲线上部基本重合的垂直线(图2(a)中实线)
代替实际的
楚。
212 普通双结型晶体管BJT的四态模型
为便于比较,先建立硅npn型晶体管BJT的四状态模型。图3(a)中虚线划分出VBC~VBE坐标平面上的四个区域,分别对应于器件的四种工作状态。由于硅pn结导通压降约为015V,于是确定了正、反偏pn结的边界。根据BJT的输入、输出等特性曲线和pn结伏安特性方程式,可导出器件相应的大信号电路模型,见图3(b),
,此时集电极IC]IIB
(1)
图2 SBD建模 (a)))),为SBD,,见图2(b)。显然,3(c)理想BJT输出特性曲线图上的各状态一一对应。图3(b)中ΒF为器件倒置工作时的电流放大系数,一般ΒF≈011。图3(c)上倒置应用状态表示不出。
图3 硅npn型晶体三极管建模
213 肖特基钳位三极管SCT的四态模型
硅肖特基势垒二极管SBD的特点有二[3,4]:(1)正向导通电压约为014V;(2)开关速度比普通硅二极管快,原因是SBD的导电机构是多数载流子,因而电荷存储效应很小。令图1(b
)SCT作为一个四状态器件工作,它具有两种与BJT相同的状态:放大和截止状态。另有两种与SBD导通有关的新状态:钳位和反向钳位状态。故图3(a)BJT所划分的区域应修改为图4(a)SCT的四态区域。VBC不可能超过垂直实线所限定的钳位电压值014V,SCT既不能工作到饱和区又不能工作到倒置应用区,而是在VBC=014V限定的边界线上出现了64
图4 SCT的四态区域
两个新区域(与BJT相比较):一是VBE≥015V的区域(实线),称为钳位区;二是VBE
半导体技术1999年4月第24卷第2期
所呈现的反向钳位区(如虚线所示),取代了BJT的倒置应用区。
21311 放大及截止状态模型
对于图4(a)中VBC=014V直线左侧的工作点集,由于SBD截止,故SCT性能与图3(a)BJT相同区域的性能相仿,因而这两个区域中SCT工作在放大或截止状态,模型同于图3(b)左侧两小图。21312 钳位状态模型
但这并不奇ΒCIBI使集电极电流IC反方向流过。
怪,因为在同一偏压下,BJT的IC也会出现负
值。
2131
3 反向钳位状态模型
图4(a)表明,如果SCT中的SBD导通钳位,而其中的BJT发射结反偏,则出现一种新状态:反向钳位状态。由于此时BJT已经截止,故SCT的反向钳位状态模型比较简单,如图6所示。
当VBE≥015V,同时SBD导通钳位时,SCT内部的BJT处于放大区边缘,SCT工作状况由图5(a)电路来描述。图中ΒC是器件SCT
钳位工作时的电流放大系数II射结的电流。及C,得:
1-1 ΒISBDIBI
图6 SCT反向钳位状态模型
=
IBI(2)
3 模型理论的应用
311 研究SBD检波电路
解出流过SBD的电流:
ISBD=(ΒCIB-IC) (1+ΒC)
(3)
由于VBE≥015V,而SBD钳位的必要条件是ISBD≥0,故由式(3
)立即得到SCT的钳位条件:
ΒC×IB≥IC
(4)
图7为一调幅收音机的中频检波电路,图中原检波管3DG201换用肖特基势垒二极管2S11,根据SBD二态模型,正偏时2S11导通
,导通压降约为014V;反偏时SBD截止,流过器件的电流为零,2S11同样起了检波作用。而且由于SBD正向导通时电子是流到金属中而不是流进p型半导体中,因此不存在非平衡少子的存储及由此产生的扩散电容,检波性能比较理想。笔者将3台收音机中的检波管作了更换,结果比原机噪音小、音质好。
式(4)与BJT的饱和条件极为相象,但式(4)所表达的钳位作用,是SCT作为一个器件体现出来的,虽然在其内部仅仅是SBD在钳位。
图5 SCT钳位状态模型
现对图5(a)模型进行简化处理。因为SCT工作在钳位区,VCE≡013V[3,4]与IC无关,所以可用图5(b)“相似饱和状态”等效电路来模拟钳位区的SCT,以满足式(4)的钳位条件。若SCT的集电结偏压较大。则图5(a)上ISBD>
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图7 某收音机中改进型SBD检波电路
(原3DG201换用2S11)
同理可用SBD的二态模型分析SBD微波混频管、高频变容管及高频倍频器等电路,结
65
果从略。
312 分析STTL数字集成电路
现取用T063芯片(基本TTL与非门、内部晶体管全为BJT)和T4020芯片(高速低功耗双肖特基系列TTL与非门,电路原理图见图8),并且设计出测量线路图(图9),分别对这两种IC器件的有关电极电压进行测量。测量
时调换不同芯片中的不同门电路,用3位、
2
DT—830型数字式万用表,读取了4组数据,再取算术平均值,结果汇总于表1
。
根据表1数据可知,STTL电路输出级T5管(系SCT)的VBE5=017V,VCE5=01305V(算术平均值),这些电压值都与SCT钳位状态模型电路中的电压参数相一致,说明了钳位状态模型是正确的。SCT的其它三种状态模型的正确性,可比照BJT模型电路得到说明,不再赘述。
4 结 论
由于SBD似后者的约低02,,两者的但是SBD本身无电荷存储,所以其高频特性较为优异,成本又低,适用于音响设备的检波、混频等电路中。
将稳态肖特基钳位三极管SCT作为一个具有图4(b)理想输出特性的半导体器件来建模,所建模型如图3(b)左侧两图、图5(b)
图8 肖特基TTL与非门电路(STTL电路
)
和图6所示,分别对应于器件的放大、截止、钳位和反向钳位状态。与普通BJT的模型电路相比较,联系实测数据可知,两种器件的根本区别在于:SCT的钳位状态两种压降为:VCE,钳位≈0131V;VBC,钳位≈014V。而普通BJT饱和状态两种压降为:VCE,饱和≈012V;VBC,饱和≈015V。两种器件的钳位或饱和状态满足相同的外部条件。SCT的钳位状态模型酷似BJT的饱和状态模型。BJT较为复杂的倒置应用状态,在SCT中可用简单的反向钳位状态代替。两种器件的
图9 测量线路图
表1 测量结果
IC
VY3 V
VY3 V
VBE5
VBC5
(计算值)01198
V
017
V
01502
T063
(TTL)
[***********][***********]1308
放大和截止状态模型相同。
由于二极管、三极管的动态性能取决于pn结的结电容效应,在SCT中无少子的积累,多子的积累和消散也没有BJT中的那么费时(主要是因SCT中的SBD的抗饱和作用),所以SCT可迅速脱离钳位状态。与普通的TTL门电路比较,STTL电路输出状态的转换速度(即
T4020(STTL)
[1**********]95
注:VY3是STTL(或TTL)电路的输出电压,即T5管的
VCE5
开关速度)较快。
本文导出的SBD二态模型和SCT四态模型,对于分析、研究含SBD或SCT的电路,包括相应的模拟电子电路和数字集成电路,都是普遍适用的。
半导体技术1999年4月第24卷第2期
66
参 考 文 献
1 MalikNR.Four2statemodelfortheschottkytransistor.
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等教育出版社,1988:76~78
(收稿日期 19970723)
~IEEETransonEducation,August,1994;37(3):303
305
2 王远主编.模拟电子技术.第一版,北京:机械工业出版
成 立 男,工学硕士学位。长期从事电子技术教学以及电力电子技术方面的科研工作,其多项成果获部、省科技进步奖。现任江苏理工大学副教授、电子技术教研室主任。已在中外刊物上发表论文10余篇。
社,1996:1~110
3 张建华主编.数字电子技术.第一版,北京:机械工业出
版社,1996:46~48
(上接第46页)
3 马英仁等.温度敏感元件及其应用.北京:科学出版社.
1988:94~106
4 赵保经.大功率晶体管的设计与制造.北京:科学出版社.
1978:511
5 SchafftHA,FrenchJC.anddistributi.,9(7):6 TaucJ,AA.
Thermalbreakdowninsiliconpn
管》.1994:51~54
9 高光渤,李学信..北京:科学出
,120
10,1991:
(收稿日期 19971202)
杨志伟 男,山东大学物理系在读博士。从事半导体物理及器件物理方面的研究工作,主要研究领域为半导体光电材料、半导体器件封装及其热学特性等。已发表论文多篇。
苗庆海 男,研究员,1967年毕业于中国科技大学,现在山东大学物理系半导体教研室从事研究工作,主要研究半导体器件的封装及其热学特性、半导体器件的可靠性等等。在国内、国际刊物上发表论文多篇。
~937junctions.PhysRev,1957;108(4):936
7 EnglishAC.Mesolasmasandsecondbreakdowninsilicon
~521junctions.SolidStateElectronics,1963;6(5):511
8 国家技术监督局.GB T4587294《中华人同民共和国国家
标准半导体分立器件和集成电路第7部分:双极型晶体
简 讯
塑封器件油墨印记去除方法
采用类似硅芯片清洗工艺中 号洗液的办法,配制(按体积比)氨水1加双氧水2加纯水(7~9)混合液,不妨仍称为 号液(配制操作过程雷同)。它所使用的原理包含碱性皂化、O-2氧化及NH3+H2O2+H2O混液强有力的外络合溶解力的混合思想。其外络合力解脱油脂干涸粘附塑料表面的附着力,从而达到除去印记的目的。它有可以任意批量、化学解除过程中既不伤塑料又不伤金属(尤其表面电镀层)的多种优点。加之,处理过程使用温度仅为70~90℃,时间3~5分钟,操作简易以及用量不多的后处理普通冷水(纯水或自来水均可)冲洗的方便性,使这种除去油墨标记的方法成为最受欢迎的方法。此外,就本批应用而言,此方法处理后的器件直接下电镀槽,根本不用镀前处理工艺过程。返工处理后电参数复测几乎没有损失,多次用于TO292外形晶体管脱印记处理,复测合格率极高。据工艺线反映,再打印时感觉如同未有除印记返工的原形态一样。实践肯定了 号液除印适用性。
处理915万只(TO2220),用双氧水25瓶,单价11元 瓶,价值275元;氨水2桶,单价27元 桶,价值54元;人工工时(有效)4人次4小时。
桂林无线电一厂 王宗礼
半导体技术1999年4月第24卷第2期
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