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ショットキーダイオード（ドイツの物理学者ウォルター・H・ショットキーにちなんで命名）は、ショットキーバリアダイオードまたはホットキャリアダイオードとも呼ばれ、半導体と金属の接合によって形成される半導体ダイオードです。順方向電圧降下が低く、スイッチング動作が非常に高速です。初期の無線機器で使用されていた猫のひげ検出器や、初期の電力用途で使用されていた金属整流器は、原始的なショットキーダイオードとみなすことができます。
十分な順方向電圧が印加されると、電流は順方向に流れます。シリコンp-nダイオードの一般的な順方向電圧は600～700mVですが、ショットキーダイオードの順方向電圧は150～450mVです。この低い順方向電圧要件により、スイッチング速度の向上とシステム効率の改善が可能になります。
金属と半導体の間に金属-半導体接合が形成され、ショットキー障壁が作られます（従来のダイオードのように半導体-半導体接合ではありません）。一般的に使用される金属はモリブデン、白金、クロム、タングステン、および特定のシリサイド（例えば、パラジウムシリサイドと白金シリサイド）であり、半導体は通常n型シリコンです。[ 1 ]金属側がアノードとして機能し、n型半導体がダイオードのカソードとして機能します。つまり、従来の電流は金属側から半導体側に流れますが、逆方向には流れません。このショットキー障壁により、非常に高速なスイッチングと低い順方向電圧降下が実現します。
金属と半導体の組み合わせの選択によって、ダイオードの順方向電圧が決まります。n型半導体とp型半導体の両方ともショットキー障壁を形成できますが、p型半導体の順方向電圧は通常、n型半導体よりもはるかに低くなります。順方向電圧を下げると逆方向漏れ電流が劇的に増加するため、低すぎると問題が生じるため、一般的に使用される電圧範囲は約0.15～0.45Vであり 、p型半導体はごくまれにしか使用されません。チタンシリサイドやその他の耐火性シリサイドは、CMOSプロセスにおけるソース/ドレインアニーリングに必要な温度に耐えることができますが、通常、順方向電圧が低すぎて実用的ではないため、これらのシリサイドを使用するプロセスでは通常、ショットキーダイオードは提供されません。
半導体のドーピング濃度が増加すると、空乏層の幅が狭くなります。ある一定の幅以下では、電荷キャリアが空乏層をトンネル効果で通過できるようになります。ドーピング濃度が非常に高い場合、接合部は整流器として機能しなくなり、オーミック接触になります。この性質を利用して、オーミック接触とダイオードを同時に形成できます。シリサイドと低濃度ドープのn型領域の間にはダイオードが形成され、シリサイドと高濃度ドープのn型またはp型領域の間にはオーミック接触が形成されます。低濃度ドープのp型領域は問題となります。結果として生じる接触は、良好なオーミック接触には抵抗が高すぎ、良好なダイオードを形成するには順方向電圧が低すぎ、逆方向漏れ電流が高すぎるためです。
ショットキー接点の端部は非常に鋭利であるため、その周囲に高い電界が発生し、逆方向降伏電圧の閾値が制限されます。電界を低減するために、ガードリングや金属配線の重ね合わせなど、さまざまな対策が講じられています。ガードリングは貴重なダイ面積を消費するため、主に大型で高電圧のダイオードに用いられ、一方、金属配線の重ね合わせは主に小型で低電圧のダイオードに用いられます。
ショットキーダイオードは、ショットキートランジスタにおいて飽和防止クランプとしてよく用いられます。パラジウムシリサイド（PdSi）製のショットキーダイオードは、順方向電圧が低い（ベース・コレクタ接合の順方向電圧よりも低くなければならない）ため、優れた特性を示します。ただし、ショットキー温度係数はB-C接合の係数よりも低いため、PdSiは高温での使用が制限されます。
パワーショットキーダイオードでは、埋め込みn+層とエピタキシャルn型層の寄生抵抗が重要になります。エピタキシャル層の抵抗は、電流がその厚み全体を流れる必要があるため、トランジスタの場合よりも重要です。しかし、エピタキシャル層は接合部全体にわたって分布型バラスト抵抗として機能し、通常の条件下では局所的な熱暴走を防ぎます。
パワーp-nダイオードと比較すると、ショットキーダイオードは耐久性が低い。接合部は熱に敏感な金属配線と直接接触しているため、ショットキーダイオードは、深く埋め込まれた接合部を持つ同サイズのp-nダイオードよりも、故障するまでに消費できる電力が少ない（特に逆方向降伏時）。ショットキーダイオードの低い順方向電圧という相対的な利点は、順方向電流が高くなると減少する。順方向電流が高い場合、電圧降下は直列抵抗によって支配されるからである。[ 2 ]
p-nダイオードとショットキー ダイオードの最も重要な違いは、ダイオードが導通状態から非導通状態に切り替わる際の逆回復時間 (t rr ) です。p-n ダイオードでは、逆回復時間は数マイクロ秒から高速ダイオードでは 100 ns 未満までで、主に導通状態中に拡散領域に蓄積された少数キャリアによる拡散容量によって制限されます。[ 3 ]ショットキー ダイオードは単極性デバイスであり、その速度は接合容量によってのみ制限されるため、はるかに高速です。スイッチング時間は、小信号ダイオードでは約 100 ps、特殊な高容量パワー ダイオードでは数十ナノ秒に達します。p-n 接合のスイッチングでは、逆回復電流も発生し、高出力半導体ではEMIノイズが増加します。ショットキー ダイオードでは、スイッチングは基本的に「瞬時」で、わずかな容量負荷のみが発生するため、それほど問題になりません。
この「瞬時」スイッチングは、常に起こるわけではありません。特に高電圧ショットキーデバイスでは、ブレークダウン電界の形状を制御するために必要なガードリング構造によって、通常の回復時間特性を持つ寄生p-nダイオードが生成されます。このガードリングダイオードが順方向バイアスされていない限り、容量のみが加算されます。しかし、ショットキー接合が十分に強く駆動されると、順方向電圧によって最終的に両方のダイオードが順方向にバイアスされ、実際のt rrが大きく影響を受けます。
ショットキーダイオードは「多数キャリア」半導体デバイスであるとよく言われます。これは、半導体本体がn型ドープされている場合、デバイスの正常な動作において重要な役割を果たすのはn型キャリア（移動可能な電子）のみであることを意味します。多数キャリアは、ダイオードの反対側の金属接点の伝導帯に素早く注入され、自由移動可能な電子となります。そのため、n型キャリアとp型キャリアのゆっくりとしたランダムな再結合は起こらず、このダイオードは通常のp-n整流ダイオードよりも速く導通を停止できます。この特性により、デバイスの面積を小さくすることができ、遷移速度も速くなります。ショットキーダイオードがスイッチング電源コンバータで有用なもう一つの理由は、ダイオードの高速性により、回路を200kHz から2MHzの周波数範囲で動作させることができ、他のタイプのダイオードよりも効率の高い小型インダクタとコンデンサ を使用できることです。小面積ショットキーダイオードは、RF検出器やミキサーの中核を成す部品であり、これらの機器はしばしば最大50GHzの周波数で動作する。
ショットキーダイオードの最も顕著な欠点は、逆方向電圧定格が比較的低いことと、逆方向漏れ電流が比較的高いことです。シリコンメタルショットキーダイオードの場合、逆方向電圧は通常50V以下です。より高い電圧に対応した設計もいくつか存在します（200Vは高逆方向電圧とみなされます）。逆方向漏れ電流は温度の上昇とともに増加するため、熱不安定性の問題を引き起こします。このため、使用可能な逆方向電圧は実際の定格電圧をはるかに下回ることがよくあります。
より高い逆電圧は達成可能ですが、他のタイプの標準ダイオードと同程度の高い順電圧が発生します。このようなショットキーダイオードは、高速スイッチングが要求されない限り、利点はありません[ 4 ] 。
炭化ケイ素製のショットキーダイオードは、シリコン製のショットキーダイオードに比べて逆方向漏れ電流がはるかに低く、順方向電圧（ 25 ℃で約1.4～1.8V）と逆方向電圧も高い。 2011年現在メーカーからは、逆電圧が最大1700Vまでのバリエーションが販売されていた。[ 5 ]
炭化ケイ素は熱伝導率が高く、温度がスイッチング特性や熱特性にほとんど影響を与えません。特殊なパッケージングにより、炭化ケイ素ショットキーダイオードは500 K（約200 °C）を超える接合部温度で動作させることができ、航空宇宙用途での受動放射冷却が可能になります。[ 5 ]
標準的なシリコンダイオードの順方向電圧降下は約0.7V、ゲルマニウムダイオードは約0.3Vであるのに対し、ショットキーダイオードの順方向バイアス約1mAにおける電圧降下は0.15V～0.46Vの範囲であり（1N5817 [ 6 ]および1N5711 [ 7 ]を参照）、電圧クランプ用途やトランジスタの飽和防止に有用である。これは、ショットキーダイオードの電流密度が高いことによる。
ショットキーダイオードは順方向電圧降下が低いため、熱として失われるエネルギーが少なく、エネルギー効率の高い用途に適しています。そのため、独立型（オフグリッド）太陽光発電（PV）システムにおいて、夜間にバッテリーがソーラーパネルを通して放電するのを防ぐブロッキングダイオードとして有用です。また、複数のストリングが並列接続された系統連系システムにおいても、バイパスダイオードが故障した場合に、隣接するストリングから日陰になったストリングを通して逆電流が流れるのを防ぐために使用されます。
ショットキーダイオードは、スイッチング電源の整流器としても使用される。低い順方向電圧と速い回復時間により、効率が向上する。
また、内蔵バッテリーとACアダプター入力の両方を備えた製品など、電源のOR回路にも使用できます。ただし、この場合、逆方向の漏れ電流が大きいことが問題となります。高インピーダンスの電圧検出回路（例えば、バッテリー電圧の監視やACアダプターの有無の検出など）は、ダイオードの漏れ電流を通して他の電源からの電圧を検出してしまうためです。
ショットキーダイオードは、ダイオードブリッジベースのサンプルホールド回路に使用できます。通常のp-n接合ベースのダイオードブリッジと比較すると、ショットキーダイオードには利点があります。順方向バイアスされたショットキーダイオードは、少数キャリア電荷を蓄積しません。これにより、通常のダイオードよりも高速にスイッチングでき、サンプルからホールドステップへの遷移時間が短縮されます。少数キャリア電荷の蓄積がないことで、ホールドステップまたはサンプリング誤差も小さくなり、出力でのサンプル精度が向上します。[ 8 ]
ショットキーダイオードは、効率的な電界制御により、量子井戸や量子ドットなどの半導体ナノ構造において、単一電子を正確にロードまたはアンロードするために使用できる。[ 9 ]
一般的に見られるショットキーダイオードには、 1N58xxシリーズの整流器、例えば 1N581x (1 A ) および 1N582x (3 A) スルーホール部品[ 6 ] [ 11 ]、および SS1x (1 A) および SS3x (3 A) 表面実装部品[ 10 ] [ 12 ]などがあります。ショットキー整流器は、多数の表面実装パッケージスタイルで入手可能です。 [ 13 ] [ 14 ]
1N5711 [ 7 ]、1N6263 [ 15 ]、1SS106 [ 16 ]、1SS108 [ 17 ]、およびBAT41–43、45–49シリーズ[ 18 ]などの小信号ショットキーダイオードは、検出器、ミキサー、非線形素子として高周波アプリケーションで広く使用されており、ゲルマニウムダイオードに取って代わっています。[ 19 ]また、III-V族半導体デバイス、レーザーダイオード、および程度は低いもののCMOS回路の露出した配線などの敏感なデバイスの静電放電（ESD）保護にも適しています。
ショットキー金属-半導体接合は、 7400 TTLファミリのロジックデバイスの後継機種である74S、74LS、74ALSシリーズに採用されており、バイポーラトランジスタのコレクタ-ベース接合と並列にベーカークランプとして使用され、トランジスタの飽和を防ぎ、それによってターンオフ遅延を大幅に短縮します。
消費電力を抑えたい場合は、代わりにMOSFETと制御回路を使用することができ、これはアクティブ整流と呼ばれる動作モードです。
pnダイオードまたはショットキーダイオードと演算増幅器で構成されるスーパーダイオードは、負帰還の効果によりほぼ完璧なダイオード特性を提供するが、その使用は使用する演算増幅器が処理できる周波数に限定される。
ショットキーダイオードを、例えばシリコンなどの半導体と接触させた液体金属（例えば水銀）の液滴を用いて形成すると、電気湿潤現象が観察される。半導体のドーピングの種類と密度に応じて、液滴の広がりは水銀液滴に印加される電圧の大きさと符号に依存する。[ 20 ]この効果は「ショットキー電気湿潤」と呼ばれている。[ 21 ]
ショットキー整流器は、動作ピーク逆電圧が100ボルトを超えることはめったにありません。これは、この定格レベルをわずかに超えるデバイスでは、同等のpn接合整流器と同等以上の順方向電圧が発生するためです。