【基礎から学ぶダイオード】ショットキーバリアダイオードとは？～順方向電圧を抑えた高速スイッチング用のダイオード～

ダイオードは電流を決められた方向にのみ流すことができる部品です。
なのですが、回路図を眺めていると電流の流れに対して逆方向に接続していることもあります。
ダイオードの基本部分しか知らない場合、この辺りで結構な疑問符が浮かぶと思うんですよね。
ということで、ダイオードの動作原理や種類などを1からわかりやすくまとめてみたのが本記事となります。

今回は、「ショットキーバリアダイオード」についての説明です。

１．ショットキーバリアダイオードとは？
- ※1 ショットキー障壁とは？
- ※2 逆回復時間とは？
２．ショットキーバリアダイオードの回路記号
３．ショットキーバリアダイオードの電圧－電流特性と熱特性
４．ショットキーバリアダイオードの熱暴走
- ※ 熱暴走とは？
５．ショットキーバリアダイオードとファストリカバリダイオードの違い

１．ショットキーバリアダイオードとは？

ショットキーバリアダイオード[schottky barrier diode]とは、pn接合ではなく、金属とn型半導体を接合したダイオードのことです。
一般的なダイオードは、p型半導体とn型半導体を接合したpn接合という形を取っていますが、その構成が違っているんです。

金属と半導体を接合すると、ショットキー障壁(※1)というものが生じます。
だからショットキーバリアダイオードと呼ばれています。
ショットキーダイオードと呼ばれていたり、SBDと略されていることもあります。

ショットキーバリアダイオードは、一般的なダイオードと比べて順方向電圧が非常に小さく、正孔をキャリアとして使用しないので高速動作に対応しています。
動作が早いので、ダイオードがONしてから完全なOFF状態に移行するまでの時間も短くなります。
この時間のことを逆回復時間t_rr(※2)と呼びます。

逆回復時間は少数キャリアが要因となって延びるので、正孔をキャリアとして使用しないショットキーバリアダイオードは逆回復時間は短くなるのです。
逆回復時間中はカソードからアノード方向(逆方向)に一定量の電流が流れて損失になってしまうので、逆回復時間は短い方が良いです。
スイッチング用途か順方向電圧を抑えたい場合に使用するのがショットキーバリアダイオードだとイメージしましょう。

ちなみに、一般的なダイオードと比較して逆方向電流が大きくなる、高電圧での使用に向いていないというデメリットがあります。

※1 ショットキー障壁とは？

ショットキー障壁とは、金属と半導体を接触させた際の整流作用をモデル図を用いて表した際に、金属と半導体の界面に発生する電気的な崖のことです。
W. Schottkyが提唱したところから名付けられています。

“障壁”は“バリア”のことなので、名称そのままなんです。

例えば、金属とn型半導体を接触していると、図1のようなモデル図になります。

通常時はショットキー障壁があり、半導体の伝導帯にある電子は移動しません。

ここで、図2のような向きに電源を接続したとすると、半導体側に電子が供給され、斜面の傾きが緩やかに変化します。
電子が増えたので上に押し上げられたというイメージです。
水が溜まって水位が上がったようなものです。

すると、半導体の伝導帯に少量存在していた電子がショットキー障壁を乗り越えて金属側にこぼれるようになります。
つまり、電子が循環するようになるので、電流が流れるようになるんです。

図2とは逆向きに電源を繋いだ場合は、図3のように斜面の傾きが急に変化します。

こうなると、半導体の伝導帯にある電子も金属側に供給された電子もショットキー障壁を乗り越えることができません。
よって、電流も流れないと言えます。

ここでは金属とn型半導体を接触させた場合について説明しましたが、金属とp型半導体を接触させるとまた動作は変わります。
あくまでショットキーバリアダイオードとして使用されているのは金属とn型半導体の組み合わせですけどね。

※2 逆回復時間とは？

逆回復時間とは、ダイオードがONしてから完全なOFF状態に移行するまでの時間のことです。

ダイオードのデータシートを見ていてT_rrという表記があった場合、それは逆回復時間を指しています。
逆回復時間は[reverse recovery time]という英語表記になるので、“rr”は“reverse recovery”のことなのだと思います。

逆回復時間は短いほど特性が良いと言えます。
何故かと言うと、ダイオードがOFF状態に移行するまでの間は、カソードからアノード側、つまり逆方向に一定量の電流が流れてしまうからです。
逆方向電流は漏れ電流(絶縁体内部のような本来流れない箇所に流れてしまう電流のこと)扱いになるので、流れれば流れるだけ損失となってしまいます。
だから逆回復時間は短い方が良いのです。

初見だと逆回復時間と言われても何のことかわかりませんので、短い方が良いのか長い方が良いのかもよくわからなくて『何だこれ？』ってなるんですよね。

２．ショットキーバリアダイオードの回路記号

ショットキーバリアダイオードの回路記号は、ショットキー[schottky]の頭文字の“S”が付いた見た目をしています。

Sの形状は丸みを帯びていたり角ばっていたりと会社によって微妙に異なることがありますが、何れにせよSには見えるはずなので、会社の方針に合わせましょう。

ちなみに、図1のモデル図でいうところの金属側がアノード、n型半導体側がカソードに当たります。

３．ショットキーバリアダイオードの電圧－電流特性と熱特性

ショットキーバリアダイオードの特性は、一般的なダイオードと比較すると以下の通りになります。

順方向電圧が非常に小さくなる。
逆方向電流が大きくなる。
スイッチングが高速。

つまり、一般的なダイオードとショットキーバリアダイオードの電圧－電流特性を並べて比較すると図5のようになります。

また、ショットキーバリアダイオードは高温になるほど順方向電圧が小さく(順方向損失が小さく)、逆方向電流が大きく(逆方向損失が大きく)なります。
気にするべきは逆方向電流で、通常のダイオードだと非常に小さく無視できるような電流だったものが、ショットキーバリアダイオードでは無視できないレベルで発生するようになります。

４．ショットキーバリアダイオードの熱暴走

ショットキーバリアダイオードは、温度上昇に伴って逆方向電流が大きくなると述べましたが、実際は“指数関数的に”大きくなります。
要するに、一気に逆方向電流が流れるようになるんです。

逆方向電流が大きくなるとどうなるかと言うと、損失・ジュール熱が大きくなります。
すると、部品温度が上昇しますよね？
そして、部品温度が上昇すると逆方向電流が大きくなります。
…無限ループしていることに気付いたでしょうか？

こうして温度上昇が更なる温度上昇を引き起こす現象のことを熱暴走(※)と呼びます。

ショットキーバリアダイオードに関してはダイオードの中では熱暴走しやすくなっているので、熱暴走による部品の破壊をしないように設計時に放熱能力の確認が重要になってきます。
発熱量を放熱量が上回るよう、余裕を持った設計をしましょう。

また、ショットキーバリアダイオードには標準タイプ・低VFタイプ(順方向電圧を抑えたタイプ)・低IRタイプ(逆方向電流を抑えたタイプ)が存在します。

低VFタイプは、常温使用では順方向電圧が抑えられるので低損失になりますが、高温使用では熱暴走を引き起こしやすくなります。
順方向電圧を抑えた代わりに、逆方向電流の発生量が増加します。

低IRタイプは、常温使用では損失が大きくなりますが、高温使用では逆方向電流が抑えられるので熱暴走しにくくなります。
逆方向電流を抑えた代わりに、順方向電圧の発生量が増加します。

あちらを立てればこちらが立たぬの関係になっているので、用途に応じて使い分けるのが吉です。

ちなみに、保証温度内で使用していれば熱暴走が起きないというわけではありません。
発生する時は発生します。
過信しないようにしましょう。

※ 熱暴走とは？

熱暴走[thermal runaway]とは、温度上昇が更なる温度上昇を引き起こす現象・状態のことです。
放熱が間に合わなくなって熱が溜まり、温度がどんどん上昇していくのです。
その末に、発熱している部品が破壊されたり、ソフトウェアが正常に機能しなくなったりという不具合を引き起こします。
名称通り、熱が溜まって暴走するんですよ。

例えば、部品が熱くなるのを見越して冷却用のファンを設置していたとします。
この場合、ファンが回っているから放熱量＞発熱量の関係を維持できていて、正常に動作していることになります。
その為、冷却ファンが止まったり埃が詰まってうまく放熱できなくなったら、放熱量＜発熱量になってしまいます。
すると、部品温度が正常値を維持できなくなって定格値を超え、熱暴走が引き起こされるわけです。