Диод Шотки– это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны наиспользовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником
Для многихвидов диодов (таких как выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды,импульсные диоды и т.д.), основным физическим процессом, ограничивающимдиапазон рабочих частот, оказывался процесс накопления и рассасываниянеосновных носителей заряда в базе диода. Другой физический процесс – перезарядбарьерной ёмкости выпрямляющего электрического перехода – имел в рассмотренныхдиодах второстепенное значение и сказывался на их частотных свойствах толькопри определенных условиях. Поэтому были выдвинуты требования к конструкции итехнологии изготовления диодов, выполнение которых обеспечивало бы ускорениерассасывания накопленных в базе за время действия прямого напряжения неосновныхносителей заряда. Понятно, что если исключить инжекцию неосновных носителейзаряда при работе диода, то не было бы накопления этих неосновных носителей вбазе и соответственно относительно медленного процесса их рассасывания. Здесьможно перечислить несколько возможностей практически полного устраненияинжекции неосновных носителей заряда при сохранении выпрямительных свойствполупроводниковых диодов.
1. Использование вкачестве выпрямляющего электрического перехода (гетероперехода), т.е.электрического перехода, образованного в результате контакта полупроводников сразличной шириной запрещённой зоны. Инжекция неосновных носителей при прямомвключении будет отсутствовать при выполнении ряда условий и, в частности, приодинаковом типе электропроводности полупроводников, образующих гетеропереход.Этот способ устранения инжекции неосновных носителей заряда пока не нашел широкогоприменения в промышленном производстве монокристаллических полупроводниковыхдиодов из-за технологических трудностей.
2. Использование длявыпрямления эффекта туннелирования.
3. Инвертирование диодов,т.е. использование для выпрямления только обратной ветви ВАХ вместе с участком,соответствующим лавинному пробою. Этот способ не нашёл применения из-занеобходимости иметь для каждого диода своё напряжение смещения, почти равноенапряжению пробоя. Кроме того, в начальной стадии лавинного пробоя в диоде возникаютшумы.
4. Использованиевыпрямляющего перехода Шотки, т.е. выпрямляющего электрического перехода,образованного в результате контакта между металлом и полупроводником. На такомпереходе высота потенциального барьера для электронов и дырок может существенноотличаться. Поэтому при включении выпрямляющего перехода Шотки в прямомнаправлении прямой ток возникает благодаря движению основных носителей зарядаполупроводника в металл, а носители другого знака (неосновные дляполупроводника) практически не могут прейти из металла в полупроводник из-завысокого для них потенциального барьера на переходе.
Такимобразом, на основе выпрямляющего перехода Шотки могут быть созданывыпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды,отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами.
Выпрямительныедиоды Шотки
Начастотные свойства диодов Шотки основное влияние должно оказывать времяперезарядки барьерной ёмкости перехода. Постоянная времени перезарядки зависити от сопротивления базы диода />. Поэтому выпрямляющий переходШотки целесообразнее создавать на кристалле полупроводника сэлектропроводностью n-типа –подвижность электронов больше подвижности дырок. По той же причине должна бытьбольшой и концентрация примесей в кристалле полупроводника.
Однакотолщина потенциального барьера Шотки, возникающего в полупроводнике вблизиграницы раздела с металлом, должна быть достаточно большой. Только при большойтолщине потенциального барьера (перехода Шотки) можно будет, во-первых,устранить вероятность туннелирования носителей заряда сквозь потенциальныйбарьер, во-вторых, получить достаточные значении пробивного напряжения и,в-третьих, получить меньшие значения удельной (на единицу площади) барьернойёмкости перехода. А толщина перехода или потенциального барьера зависит отконцентрации примесей в полупроводнике: чем больше концентрация примесей, темтоньше переход. Отсюда следует противоположное требование меньшей концентрациипримесей в полупроводнике.
Учёт этихпротиворечивых требований к концентрации примесей в исходном полупроводникеприводит к необходимости создания двухслойной базы диода Шотки (рис. 1).Основная часть кристалла – подложка толщиной около 0,2 мм – содержитбольшую концентрацию примесей и имеет малое удельное сопротивление. Тонкиймонокристаллический слой того же самого полупроводника (толщиной в несколькомикрометров) с той же электропроводностью n-типа может быть получен на поверхности подложки методомэпитаксиального наращивания. Концентрация доноров в эпитаксиальном слое должнабыть значительно меньше, чем концентрация доноров в подложке.
/>
Рис. 1.Варианты структур диодов Шотки с двухслойной базой
В качествеисходного полупроводникового материала для выпрямительных диодов Шотки можноиспользовать кремний или арсенид галлия. Однако в эпитаксиальных слоях арсенидагаллия не удаётся пока достичь малой концентрации дефектов и достаточно низкойконцентрации доноров. Поэтому пробивное напряжение диодов Шотки на основеарсенида галлия оказывается низким, что является существенным недостатком длявыпрямительных диодов.
Металлическийэлектрод на эпитаксиальный слой полупроводника обычно наносят методом испаренияв вакууме с последующим осаждением на поверхность эпитаксиального слоя. Переднанесением металлического электрода целесообразно методами фотолитографиисоздать окна в оксидном слое на поверхности полупроводника. Так легче получитьвыпрямляющий переход Шотки необходимой площади и конфигурации.
Выпрямительныенизкочастотные диоды предпочтительнее изготовлять с p-n-переходом. Выпрямительные диоды Шотки вобласти низких частот могут в перспективе иметь преимущество перед диодами с p-n-переходом,связанное с простотой изготовления.
Наибольшиепреимущества перед диодами с p-n-переходом диоды Шотки должны иметь привыпрямлении больших токов высокой частоты. Здесь кроме лучших частотных свойствдиодов Шотки следует отметить такие их особенности: меньшее прямое напряжениеиз-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей зарядаполупроводника; большая максимально допустимая плотность прямого тока, чтосвязано, во-первых, с меньшим прямым напряжением и, во-вторых, с хорошим теплоотводомот выпрямляющего перехода Шотки. Действительно, металлический слой, находящийсяс одной стороны перехода Шотки, по своей теплопроводности превосходит любойсильнолегированный слой полупроводника. По этим же причинам выпрямительныедиоды Шотки должны выдерживать значительно большие перегрузки по току посравнению с аналогичными диодами с p-n-переходом на основе того же самогополупроводникового материала.
Ещё однаособенность диодов Шотки заключается в идеальности прямой ветви ВАХ – прямаяветвь ВАХ соответствует выражению: />. При этом с изменением прямоготока в пределах нескольких порядков зависимость /> близка к линейной, или впоказателе экспоненты при изменении тока не появляется дополнительныхмножителей. Учитывая эту особенность, диоды Шотки можно использовать в качествебыстродействующих логарифмических элементов.
На рис. 2показаны ВАХ кремниевого диода Шотки 2Д219, рассчитанного на максимальнодопустимый прямой ток 10 А. Прямое напряжение на диоде при максимальнодопустимом прямом токе не более 0,6 В, максимально допустимое обратноенапряжение для диода 2Д219Б 20 В. Эти диоды допускают прохождениеимпульсов тока длительностью до 10 мс с периодом повторения не менее 10 минс амплитудой, в 25 раз превышающей максимально допустимый прямой ток. Диодырассчитаны на частоту выпрямляемого тока 0,2 МГц.
диод устройство полупроводник шотки
/>
Рис. 2.ВАХ кремниевого диода Шотки 2Д219 при разных температурах
Импульсныедиоды Шотки
Исходнымполупроводниковым материалом для этих диодов может быть, так же как и длявыпрямительных диодов Шотки, кремний или арсенид галлия. Но предпочтение здесьдолжно быть отдано арсениду галлия, так как в этом материале время жизнинеосновных носителей заряда может быть менее /> с. Несмотря на практическоеотсутствие инжекции неосновных носителей заряда через переход Шотки при еговключении в прямом направлении (что уже было отмечено ранее), при большихпрямых напряжениях и плотностях прямого тока существует, конечно, некотораясоставляющая прямого тока, связанная с инжекцией неосновных носителей заряда вполупроводник. Поэтому требование малости времени жизни неосновных носителей висходном полупроводниковом материале остается и для импульсных диодов Шотки.
Арсенидгаллия пока не удаётся получить с малой концентрацией дефектов, в результатечего арсенид-галлиевые диоды имеют относительно малые значения пробивныхнапряжений, далёкие от теоретически возможных. Это является существеннымнедостатком для выпрямительных диодов, но не столь важно для импульсных диодов,так как большая часть импульсных схем – это низковольтные схемы.
Выпускаемыепромышленностью арсенид-галлиевые импульсные диоды Шотки (3А527А, 3А530Б и др.)предназначены для использования в импульсных схемах пико- и наносекундногодиапазона. В отличие от выпрямительных диодов Шотки они имеют значительноменьшие площади выпрямляющих переходов. Поэтому общая емкость этих диодов непревышает 1 пФ даже при нулевом постоянном напряжении смещения.
Список используемойлитературы
1) Полупроводниковыеприборы, 2006 г. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин
2) Полупроводниковыесверхвысокочастотные диоды, 1983 г. М.С. Гусятинер, А.И. Горбачев.