ショットキーバリアダイオードの構造、特徴、用途

ショットキーバリアダイオード回路記号

ショットキーバリアダイオードとは、モリブデンなどの金属と半導体との接合を利用したダイオードです。
Schottky Barrier Diodeの頭文字を取ってSBDと表記される場合もあります。
ショットキーバリアダイオードは順方向電圧が小さい、高速スイッチングが可能といった特徴を持ちます。

回路記号のカソード側はSchottkyの頭文字のSを模しています。

ショットキーダイオードの構造と原理

ショットキーダイオードは金属と半導体を接合して作られています。

ショットキーバリアダイオードの構造

pn接合ダイオードと違い、ショットキー障壁を用いて整流動作を行います。
金属とn型半導体を接触させた際のエネルギーバンド図を見てみましょう。

ショットキーダイオードのエネルギーバンド図

金属とn型半導体を接触させるとキャリアが両方の領域を行き来できるようになり、平衡状態に達してフェルミ準位が一致します。
このとき、半導体の伝導帯は金属の伝導電子より高いエネルギーを持っているため、電子が金属側へ移動して半導体はプラスに帯電しています。

その結果、伝導帯の底:Ecは低下してqVDの曲がりが生じます。
このとき生じる障壁:ΦBショットキー障壁と呼びます。

次に、金属-半導体間に順方向電圧:Vを印加した場合を考えます。

順方向電圧印加時のショットキー障壁

ΦBは材料の組み合わせで決まるため、バイアスを印加しても変化しません。
しかし、半導体側の障壁:qVDはqVだけ低くなりq(VD – V)となります。

これにより半導体側から金属側への電子の移動量が増えます。
一方、金属側の障壁の高さは変わらないため、金属側から半導体側への電子の移動量は変化しません。

結果、半導体側から金属側にだけ電子が流れることになるので、金属(アノード)から半導体(カソード)へ電流が流れることになります。

このように、ショットキー接合はpn接合と異なり多数キャリアの移動によって電流が流れます。
pn接合ダイオードの問題であった少数キャリアの蓄積が起こらないため、高速応答ができるという特徴を持ちます。

ショットキーダイオードの特徴

ショットキーバリアダイオードの長所と短所について解説していきます。

順方向電圧が小さい

下図のVI特性のグラフの通り、ショットキーダイオードはpn接合ダイオードに比べ順方向電圧がかなり小さくなります。

ショットキーダイオードのVI特性

順方向電流によって変化しますが、極端に電流が大くなければ0.4V程度です。
したがって、導通時の電力損失を低く抑えられるというメリットがあります。

応答速度が速い

ファストリカバリダイオードと比べても応答時間(逆回復時間)が短いという特徴を持ちます。

ショットキー逆回復時間

サイズにも依りますが、数nsでオン→オフに完全に切り替わります。
そのため、数百kHz〜数MHzのスイッチング回路で使うことができます。

漏れ電流が大きい

ショットキーダイオードのデメリットは漏れ電流(逆方向電流)が大きいことです。

ショットキーダイオードの漏れ電流

特に高温で急激に増加するため、次に説明する熱暴走が起こらないように注意する必要があります。

熱暴走に注意が必要

熱暴走とは、ショットキーダイオードの温度と逆方向電流が収束せず上昇し続ける現象です。

逆バイアス電圧が大きいと逆方向電流も大くなるため、逆バイアス時の電力損失が大くなります。
損失によりダイオードの温度が上昇し、逆方向電流が増加します。
電流増加によりさらに損失が増加、温度が上昇して逆方向電流が増えるというサイクルが発生します。

結果、温度と電流が上昇し続けダイオードの破壊に至ります。

熱暴走が起こらないよう、使用環境温度の最大温度、最大電圧条件での逆方向電流、電力損失が十分小さいことを確認する必要があります。

ファストリカバリダイオードとの違い

ファストリカバリダイオードとの違いを以下にまとめました。

項目 ファストリカバリ ショットキーバリア
順方向電圧 0.8V~3V 0.3V〜1V
耐圧 〜800V 〜100V
逆方向電流 10μA以下 1mA以下
逆回復時間 数十ns 数ns

耐圧の違いが使い分けの大きなポイントになります。
ファストリカバリダイオードは数百Vの耐圧を持ちますが、ショットキーダイオードは数十V程度のものが多いため、使えるアプリケーションが大く異なってきます。

ファストリカバリダイオードの特徴と使い方

ショットキーダイオードの用途

代表的なショットキーダイオードの用途を紹介します。

逆流防止回路

バッテリラインの断線時などにバッテリ側に逆流しないようにするため、機器の電源の入口にショットキーダイオードを用いて逆流を防止します。

ショットキーバリアダイオードによる逆流防止

順方向電圧が小さいので電力損失を小さくすることができます。
逆バイアス時のリーク電流が問題ないレベルかを確認しておきましょう。

電圧クランプ

負電圧に弱いLSIを守るため、負電圧が印加される可能性がある端子とGND間にショットキーダイオードを挿入し、-VF以下になるようにLSIの端子を保護します。

ショットキーダイオードによる電圧クランプ

DCDCコンバータの電流回生用

数百kHz〜数MHzのスイッチング周波数で動作させるDCDCコンバータ(スイッチングレギュレータ)で使われます。

逆回復時間が短いので、スイッチング切り替わり時の逆回復電流を小さく抑えることができるので、ノイズ低減効果もあります。

DCDCコンバータの回生ダイオード

ショットキーダイオードの選び方

ショットキーダイオードの選定時に注意するポイントを解説していきます。

順方向電圧

使用する最大電流条件における順方向電圧(VI特性)を確認します。

順方向電圧が要求仕様以下に収まるか、そして電力損失がダイオードの許容損失内に収まるかを確認しましょう。

端子間容量

アノード-カソード間の寄生容量です。
この容量が小さいほど逆回復時間が短くなります。

スイッチング回路では、端子間容量が大きいとノイズが大くなったり、熱暴走しやすいという問題がありますので必ず確認しましょう。

データシートの電気的特性に記載されている場合は少なく、参考データとしてのグラフが掲載されていることがほとんどです。

逆方向電流

データシートの電気的特性には1条件での値しか規定されていませんので、必ず添付のグラフを確認しましょう。
通常、温度別に逆バイアスと逆方向電流の関係が示されています。

通常時に逆バイアスがかかっているような使い方ではリーク電流となり、機器の消費電流に影響を及ぼします。

また、先述の通り熱暴走を引き起こさないためにも必ず確認が必要なパラメータです。

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