4 Диод Шоттки (+4 стр

2.2.3. Диоды Шоттки

Широкое применение в полупроводниковых СВЧ приборах находят выпрямляющие контакты типа металл–полупроводник, называемые также барьерами Шоттки (названы в честь немецкого физика Вальтера Шоттки — Walter Schottky) .

Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Рис. 2.14. Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ 2.730-73

Рассмотрим контакт металла с полупровод­ником n–типа для случая, когда работа выхода металла Ф_м больше, чем работа выхода полупроводника Ф_п (рис. 2.15, а). При образовании контакта электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. При этом полупроводник оказывается заряженным положительно, а возникающее внутреннее электрическое поле препятствует переходу электронов в металл. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов (рис. 2.15, б).

Распределение электрического поля (рис. 2.15, в) и объемного заряда в этом случае описывается теми же уравнениями, что и для резкого p-n перехода. В полупроводнике возникает область, обедненная основ­ными носителями заряда с пониженной проводимостью, ширина которой L_п зависит от уровня легирования полупроводника. В равновесном состоянии потоки электронов из металла в полупроводник и в обратном направлении одинаковы и ток через контакт отсутствует.

Если к контакту приложить внешнее напряжение отрицательной полярностью к полупроводнику n–типа, то высота потенциального барьера для электронов со стороны полупроводника снизится (рис. 2.15, г). Поток электронов из полупроводника в металл будет расти при уве­личении прямого напряжения. Высота потенциального барьера для электронов, находящихся в металле, при этом практически не изменится. При обратном смещении высота потенциального барьера для электро­нов полупроводника увеличится (рис.2.15,д) и их движение через переход прекратится. Таким образом, рассмотренный контакт металла с полупроводником n–типа будет выпрямляющим.

Рис. 2.15. Схема контакта металл - полупроводник (а) и его энергетическая диаграмма при нулевом (б), пря­мом (г) и обратном (д) смещении

В реальных контактах линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла наблюдается редко ввиду того, что на поверхности полупроводника из-за его неидеальной поверхности, имеются поверх­ностные заряды. При нанесении металла такой поверхностный заряд экранирует влияние металла, вследствие чего высота потенциального барьера в основном определяется состоянием поверхности полупро­водника. Кроме того, на свойства контакта металл – полупроводник влияют токи утечки, токи генерации – рекомбинации носителей заряда в обедненной области и возможность туннельного перехода электро­нов в случае сильнолегированного полупроводника.

При обратном сме­щении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения Особенностью выпрямляющих контактов металл – полупроводник, отличающих их от р–n переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.

Таким образом, в переходе с барьером Шоттки отсутствует накопление неосновных носителей в базовой области и, следовательно, диффузион­ная емкость. Выпрямляющие контакты металл – полупроводник харак­теризуются только барьерной емкостью, которая зависит от площади контакта, концентрации примеси в полупроводнике и напряжения смещения. Накопление носителей заряда в базовой области не происходит, это обусловливает высокое быстродействие приборов с барьером Шоттки по сравнению с приборами, в которых используются свойства р–n переходов. Поэтому у приборов с барьером Шоттки более высокие предельные рабочие частоты.

Если работа выхода металла меньше работы выхода полупровод­ника n–типа, то контакт будет невыпрямляющим, так как вблизи него образуется область с повышенной концентрацией основных носителей заряда, то есть слой с повышенной проводимостью. При раз­личной полярности приложенного напряжения слой с повышенной проводимостью вблизи контакта сохраняется, что обусловливает малое сопротивление контакта по сравнению с сопротивлением полупроводни­кового материала.

Достоинства и недостатки Диода Шоттки

В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки.

Барьер Шоттки, также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс.

Недостатки

При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от обычных кремниевых p-n диодов, которые переходят в режим обратимого^[1] пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства.

Диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых p-n диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для 30CPQ150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода у диодов Шоттки может возникнуть тепловая положительная обратная связь, приводящая к тепловому пробою его полупроводниковой структуры.

 Лит.: Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973

4