ホワイトペーパー

ショットキー・ダイオードにおけるTrench 型と Planar 型の比較
Trench 技術の使用により、Qrr とスイッチング損失を低減し SOA を拡大
Reza Behtash 博士 - Nexperia アプリケーション・マーケティング・マネージャー

発明者であるドイツの物理学者ウォルター・ハンス・ショットキーにちなんで名付けられた
ショットキー・ダイオードは、基本的に金属・半導体接合から構成されます。ショットキー・ダイオードは順方向電圧降下が小さくスイッチング・スピードが速いため、電力変換回路の昇圧ダイオードなどのさまざまな用途で広く使用されています。もちろん、ショットキー・ダイオードの電気特性は、主に順方向電圧降下、リーク電流、逆方向阻止電圧の間で物理的なトレードオフの関係にあります。Trench 型ショットキー・ダイオードはベースとなるショットキー・ダイオードを発展させたものであり、Planar 型よりも優れた特性が得られます。
本書では、Trench 型ショットキー・ダイオードの構造と利点について説明します。
ショットキー動作

Trench 技術

ダイオードとして理想的な特性は、順方向電圧降下が小さく、このような説明を聞くと、リーク電流を小さく、逆方向阻止電逆方向阻止電圧が高く、リーク電流がなく、寄生容量が小さく、圧を高くしなければならないのに、金属・半導体接合での電高速スイッチングを容易に行えることです。順方向電圧降下を圧降下が小さいというショットキー・ダイオードの主要な利点考える場合、主に次の 2 つの要素があります。1 つは、接合部がどのように保持されるのか、疑問が生じるかもしれません。

（PN ダイオードの場合は PN 接合、ショットキー・ダイオード

これこそが、Trench 型ダイオードが極めて有利な理由です。の場合は金属・半導体接合）での電圧降下、もう 1 つはドリフト

Trench 型ショットキー・ダイオードの背景にあるのが、ʻRESURFʼ

領域での電圧降下です。PN 接合での順方向電圧降下は本質的（REduced SURface Field：表面電界緩和）という概念です。に拡散電位により決まる（従って主に特定の半導体材料によりRESURF 現象を図 1 に示します。Planar 型ショットキー・ダイ決まる）のに対し、ショットキー・バリア・ダイオードの金属・半オードの場合は、等電位線が上部電極の近くに集中するため表導体接合での順方向電圧降下はショットキー金属の選択により面電界が強くなります。この結果、逆方向電圧が上昇してリーク変わり、金属の仕事関数と半導体の電子親和力との差がショッ電流が大幅に増大し、表面の近くで臨界電界強度を超えると早トキー・バリアになります。

いタイミングで降伏します。

金属の仕事関数の値が小さいショットキー金属を使用すると、金属・半導体接合での電圧降下を最小限に抑えることができま金属
等電位線す。一方、ショットキー・ダイオードの接合部での順方向電圧降下とリーク電流はトレードオフの関係にあります。これは、リークn 型ドリフト領域電流のレベルがショットキー・バリアと金属・半導体接合部の電界によっても決まるためです。このトレードオフのほかに、逆方向阻止電圧を高くするためにドリフト領域を厚くすると、接合部の電圧降下が小さいという長所がなくなってしまう可能性もあります。従来からショットキー・ダイオードの逆方向阻止電圧がn+ 基板200V よりかなり低い値に抑えられているのは、このためです。

aaa-029509

図 1：Planar 型ショットキー・ダイオードの等電位線（左）とTrench 型ショットキー・ダイオードの逆方向の等電位線（右）エッチングによりシリコン内にトレンチを形成し、薄い誘電体競合他社製品120

ンチに埋め込むことにより、トレンチは半導体内でフィールド100

プレートのような機能を果たして逆方向のドリフト領域を小さくし、その結果、ドリフト領域に沿った電界形状が平らになります。従って、トレンチ方式では、同じエピタキシャル構造を有す
る Planar 型デバイスよりも、表面近くの電界が弱く降伏電圧が高くなり、リーク電流を低減できます。

最大逆方向電圧 (V)によりドリフト領域から電気的に分離されたポリシリコンをトレ

80

Rth(j-a)= 90 K/W

40200255075100
接合温度 (°C)

125150175

図 3：Nexperia の Trench 型ショットキー PMEG100T080ELPE と、競合他社の Trench 型ショットキー製品の安全動作領域の比較

従って、Trench 型ショットキー・ダイオードの方が熱暴走（ダイオードのリーク電流に起因する消費電力増大が、システムの熱抵抗を通した放熱より速い場合に不安定になる現象）を起こしにくいため、自動車など比較的高い許容周囲温度が要求される用途には Trench 型ショットキー・ダイオードが適します。

Trench 型ショットキー・ダイオードの等価回路図を図 4 に示します。ショットキー・ダイオードの通常の寄生容量 CDIODE のほかに、Trench 構造内の電極と薄い誘電体に起因する第 2 の寄生

10IR @60V、125°
C (mA)

40 V

60

0Nexperia は Trench 型ショットキー・ダイオードの製品ポートフォリオを開発し、電圧範囲 45 〜 100V のダイオード（PMEG*Tファミリ）を発売しています。これらのデバイスでは、順方向電圧降下（Vf）とリーク電流（IR）の間のトレードオフのバランスが良好になっています。例として 60V の製品の場合の Vf / IR のト
レードオフを図 2 に示します。この図では、125℃における最大順方向電流のときの順方向電圧降下に対する最大逆方向電圧のときのリーク電流がプロットされています。比較のため、グラフには他の 2 つのメーカーの Trench 型と Planar 型のショットキー・ダイオードも示してあります。特定の順方向電圧降下のときのリーク電流は、Nexperia のデバイスが最も小さくなっています。

PMEG100T080ELPE

容量 CTRENCH があります。これは、Trench 型ショットキー・ダイ
オードの単位面積当たりの合計寄生容量が Planar 型より大きいことを意味します。
IR 小 → 性能向上

1Planar型

アノード

RTrench新しい

ch60V Tren型

青：Nexperia
赤：メーカー A
黒：メーカー B

VF 小 → 性能向上
10-1
0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

CTrench0.60

VF @IFMAX、125°
C (V)

図 2：125℃における最大順方向電流と最大逆方向電圧のときのVf / IR のトレードオフ

CDiodeaaa-029510

RDriftカソード

広い安全動作領域（SOA）同等の順方向電圧降下を有する相当品の Planar 型ショットキー・ダイオードと比較した Trench 型ショットキー・ダイオード

図 4：回路要素をわかりやすく示した、Trench 型ショットキー・ダイオードの断面図と等価回路図のリーク電流が小さいほど、Trench 型デバイスの安全動作領域（SOA）が広くなっています。このケースでは SOA は、ある接一方、CTRENCH はダイオードのスイッチング特性や EMI には影響合温度のときに印加可能な最大逆方向電圧を示します。Trenchを与えません。実際に、Trench 型ダイオードは、Trench 型ダ型ダイオードは Planar 型ショットキー・ダイオードに比べてイオードのデータシートに示されているように総寄生容量が大SOA の面で本質的に有利ですが、Nexperia の Trench 型製品

きいにもかかわらず、Planar 型ショットキー・ダイオードよりもは、広い SOA が得られるよう特に考慮して設計されています。図電荷蓄積 Qrr が少なくスイッチング性能が優れているためです。

3 は、システムの熱抵抗（Rth(j-a)）が 90K/W のときの SOA につい

次項では、Trench 型ショットキーのスイッチング性能と、それて、Nexperia の Trench 型ショットキー（PMEG100T080ELPE：がコンバータ効率に与える影響について説明します。

オレンジ色の線）と、別のサプライヤの同様の定格の Trench 型ショットキー・デバイス（青い線）との違いを示したものです。接合温度が 125℃のとき、Nexperia の Trench 型デバイスの最大許容逆方向電圧は、競合他社の Trench 型製品より約 40V 高くなっています。

2ホワイトペーパー：Trench 型ショットキー・ダイオード

逆回復動作と Qrr

96

デバイスのスイッチング動作を評価するには、逆回復測定を行います。この測定を行うには、ダイオードを順方向にバイアス95してから、デバイスを逆バイアスにスイッチングします。デバイ94あると、いわゆるダイオードの逆回復電流が発生します。同等η (%)

ス内の電荷蓄積（図 4 の等価回路に示す寄生容量 CDiode）はダイオードがブロックする前に除去される必要があり、電荷蓄積がTrench 型
Planar 型

93.393のダイ・サイズとパッケージを有する Trench 型と Planar 型の92

ショットキー・ダイオードの逆回復特性の測定結果を図 5 に示し91ます。

94.092.2

8989.51303

Trench 型
Planar 型

21
I [A]

92.390

逆回復動作

0250

周波数 (kHz)500

図 6：Trench 型ショットキー・ダイオードでは、特に高周波領域でスイッチング損失が Planar 型ダイオードより小さく、コンバータの効率が大幅に向上

伝導ノイズと放射ノイズを測定すると、図 7 のように、スイッチ-1

Trench 型 Qrr-2

Trench 型 IRM

ング中に Trench 型ダイオードで発生するリンギングは電磁ノイズ・レベルに影響を与えないことが分かります。

-3

IF = 3APlanar 型 Qrr V = 48V
R-4-5

93.5

dI/dt = 1A/ns
tamb =85oC

Planar 型 IRM-6-10.00-5.00

Trench 型
ショットキーPlanar 型
ショットキー0.00
t [ns]

5.00

10.00

15.00

20.00

ATrench 型ショットキー
Planar 型ショットキー

25.00

Qrr (T = 25°C)

Qrr (T = 85°C)

IRM (T = 25°C)

IRM (T = 25°C)

8.6nC

8.5nC

2.8A

2.7A

26.3nC33.5nC

5.2A

5.2A

図 5：Trench 型と Planar 型のショットキーの逆回復動作

3A、1A/ns、負電源

この測定では、直前に di/dt=1A/ns の変化率で電流を変化させています。値が 0 の線より下の部分がダイオードの Qrr になります。青い線で示す Trench 型デバイスの方が、Qrr が小さく周波数 (MHz)B
Trench 型ショットキー
Planar 型ショットキーなっています。また、このグラフからは、Planar 型ダイオード（前述のように寄生容量がよりも Trench 型ダイオードの方が、大きいにもかかわらず）逆回復電流が小さく逆回復時間が短いことも分かります。25℃で使用される用途は極めて稀であるため、Trench 型ダイオードの Qrr の温度安定性は注目に値します。
図 5 のように、周囲温度が 85℃まで上昇した場合に、Planar型ショットキーの Qrr はかなり大きくなりますが、Trench 型ダイオードの Qrr はわずかしか変化しません。
図 6 は、Trench 型ショットキーの Qrr が小さいことが 48V/12V
スイッチモード・コンバータの効率に与える効果を示します。

Trench 型ショットキー・ダイオードの Qrr が小さいため、スイッチング損失が大きくなる高周波領域では特に、コンバータの効率が大幅に向上します。

3ホワイトペーパー：Trench 型ショットキー・ダイオード

3A、1A/ns、バイコニカルアンテナ、水平偏波

周波数 (MHz)
図 7：電磁ノイズに与える影響：放射ノイズ（A）、伝導ノイズ（B）。
試験デバイス (3A CFP3 ダイオード ) として 48V/12V 降圧コンバータを使用

CFP2-HP (SOD323HP)
2.2 x 1.3 x 0.7mm*
Rth(j-sp) = 6K/W

CFP3 (SOD123W)
2.6 x 1.7 x 1.0mm*
Rth(j-sp) = 18K/W

CFP5 (SOD128)
3.8 x 2.5 x 1.0mm*
Rth(j-sp) = 12K/W

CFP15B (SOT1289B)
5.8 x 4.3 x 0.78mm*
Rth(j-sp) = 7K/W

図 8：クリップ・ボンディング型 FlatPower パッケージに封止された Nexperia の Trench 型ショットキー・ダイオード

まとめ
以上の説明は次のようにまとめられます。

• 順方向電圧降下とリーク電流の間の良好なトレードオフが必要であれば、Trench 型ダイオードの選択が適切である。
• 熱暴走を起こしにくいことから、周囲温度が高い高電力密度の用途にも Trench 型ダイオードを選択すべきである。
• スイッチング 周 波 数 が 100kHz を 超える用 途 の 場 合 は、Trench 型デバイスの低スイッチング損失が特に重要である。
詳細については、
www.nexperia.com/trench-schottky-rectifiers をご覧ください。

Nexperia について
Nexperia は世界ですべての電子設計に求められる必要不可欠な半導体の量産のエキスパートとして、世界をリードしています。Nexperia はダイオード、バイポーラ・トランジ
スタ、ESD 保護デバイス、MOSFET、GaN FET、アナログ/ ロジック IC などの広範な製品ポートフォリオを提供しています。本社はオランダのナイメーヘンで、年間製品出荷数は 900 億を超えており、各製品は自動車業界が設定した厳格な基準に適合しています。Nexperia の製品はプロセス、サイズ、消費電力、性能の面で効率のベンチマークとして高い評価を得ており、貴重な電力とスペースを節減し業界をリードする小型パッケージで提供されています。Nexperiaはアジア、欧州、米国で 12,000 名を超える従業員を雇用しています。
営業拠点© 2021 Nexperia B.V.
All rights reserved. 事前に書面により著作権者の同意を得た場合を除き、本書の全体または一部を複製することを禁じます。本書に記載された情報は何らかの見積もりまたは契約を形成するものではなく、正確で信頼できるものとすることを目指しており、予告なく変更されることがあります。本書を使用した結果に関して、発行者はいかなる責任も負いません。本発行物は、特許またはその他の産業用あるいは知的財産権の下での何らかのライセンスを、譲渡または暗示するものではありません。

nexperia.com

発行日：
2021 年 7 月* 本体サイズ（長さ×幅×高さ）