Schottky diode

Schottky diode er et halvleder elektrisk ensretterelement, hvor en metal-halvleder overgang anvendes som en barriere. Som et resultat opnås nyttige egenskaber: høj hastighed og lavt spændingsfald i fremadgående retning.

Fra historien om opdagelsen af ​​Schottky-dioder

De korrigerende egenskaber ved metal-halvlederovergangen blev først observeret i 1874 af Ferdinand Brown under anvendelse af sulfideksemplet. Passerer strømmen i fremad og omvendt retning, bemærkede han en forskel på 30%, hvilket fundamentalt modsatte Ohms berømte lov. Brown kunne ikke forklare, hvad der skete, men efter at have videreført forskningen fandt han, at modstanden af ​​sektionen er proportional med den nuværende strømning. Som også så usædvanligt.

Eksperimenter gentaget af fysikere. For eksempel bemærkede Werner Siemens lignende egenskaber af selen. Brown fandt ud af, at strukturens egenskaber fremstår tydeligst med en lille mængde kontakter, der er fastgjort til sulfidkrystallet. Forskeren brugte:

• fjederbelastet ledning med et tryk på 1 kg;
• kviksølv kontakt;
• kobber metalliseret pude.

Så punktdioden blev født, forhindrede vores landsmand Popov i 1900 at tage patent på en radiodetektor. I sit eget arbejde præsenterer Brown en undersøgelse af manganmalm( psilomelan).Ved at trykke kontakterne til krystallen med en klemme og isolere svampen fra den nuværende bærende del opnåede forskeren fremragende resultater, men der blev ikke fundet nogen effekt på det tidspunkt. Beskrive de usædvanlige egenskaber ved kobbersulfid, Ferdinand markerede starten på solid state electronics.

For Braun blev praktisk brug fundet af ligesindede mennesker. Professor Jagdish Chandra Bose meddelte den 27. april 1899 oprettelsen af ​​den første detektor / modtager til arbejde i forbindelse med en radiosender. Han brugte galena( blyoxid) i et par med en enkel wire og fanget millimeterbølgebølger. I 1901 patenterede han sit hjernebarn. Det er muligt at under indflydelse af rygter om Popov. Boschdetektoren bruges i Marconis første transatlantiske radioprogram. En lignende type anordning på en siliciumkrystal blev patenteret i 1906 af Greenleaf Witter Pickard.

I sin tale på Nobelprisen i 1909 bemærkede Brown, at han ikke forstod principperne for det fænomen, han opdagede, men han opdagede en række materialer, der udviser nye egenskaber. Dette er den førnævnte galena, pyrit, pyrolusit, tetrahedrit og en række andre. De listede materialer tiltrak opmærksomhed af en simpel grund: de udførte en elektrisk strøm, selvom de blev betragtet som forbindelser af elementerne i det periodiske bord. Før sådanne egenskaber blev betragtet som prerogative for simple metaller.

Endelig, i 1926, viste de første transistorer med en Schottky-barriere, og William Bradford Shockley i 1939 bragte teorien under fænomenet. Samtidig forklarede Neville Francis Mot de fænomener der forekommer ved sammenkrydsningen af ​​de to materialer, beregning af diffusionsstrømmen og driften af ​​hovedladningsbærerne. Walter Schottky supplerede teorien ved at erstatte det lineære elektriske felt med en dæmpning og tilføje en ide om iondonorerne placeret i overfladelaget af en halvleder. Volumenladningen ved grænsefladen under metallaget blev opkaldt efter forskeren.

Davydov lavede tilsvarende forsøg på at opsummere teorien for den eksisterende kendsgerning i 1939, men gav forkert de begrænsende faktorer for den aktuelle og gjorde andre fejl. De mest korrekte konklusioner blev lavet af Hans Albrecht Bethe i 1942, der koblede strømmen til termisk udledning af luftfartsselskaber gennem en potentiel barriere ved grænsen af ​​to materialer. Således skal fænomenets og diodens moderne navn være navnet på den sidste videnskabsmand, Schottky-teorien afslørede fejl.

Teoretiske undersøgelser hviler på vanskeligheden ved at måle elektronernes arbejdsfunktion fra et materiale til et vakuum. Selv for et kemisk inert og stabilt metal af guld varierer visse indikationer fra 4 til 4,92 eV.Med en høj grad af vakuum, i fravær af kviksølv fra en pumpe eller oliefilm, opnås værdier på 5,2 eV.Med udviklingen af ​​teknologi i fremtiden forventes værdierne mere præcist. En anden løsning ville være at bruge information om materialernes elektronegativitet til korrekt at forudse begivenheder ved overgangsgrænsen. Disse værdier( på pollingskalaen) er kendt med en nøjagtighed på 0,1 eV.Ud fra det, der er sagt, er det klart: i dag er det ikke muligt at forudsige korrekt forhøjningen af ​​barrieren ved de angivne metoder og derfor de korrigerende egenskaber ved Schottky dioder.

De bedste måder at bestemme højden på Schottky barrieren

Det er tilladt at bestemme højden med den kendte formel( se figur).Hvor C er en koefficient, der er lidt afhængig af temperaturen. Afhængigheden af ​​den anvendte spænding Va, på trods af den komplekse form, betragtes som næsten lineær. Vinklen på grafen er q / kT.Barrierehøjden bestemmes ifølge plot af lnJ versus 1 / T ved en fast spænding. Beregningen udføres på hældningsvinklen.

Beregninger En alternativ metode er at bestråle metal-halvlederovergangen med lys. Følgende metoder anvendes:

1. Lyset går gennem halvlederen.
2. Lyset falder direkte på fotocellens følsomme område.

Hvis fotonenergien falder inden for energiforbruget mellem halvlederens forbudte zone og barriens højde, observeres elektronemission fra metallet. Når parameteren er højere end begge disse værdier stiger udgangsstrømmen kraftigt, hvilket let kan ses på opsætningen for eksperimentet. Denne metode gør det muligt for os at konstatere, at arbejdsfunktionen for den samme halvleder med forskellige ledningsevne( n og p) i alt giver bredden af ​​materialets forbudte zone.

En ny metode til bestemmelse af højden af ​​Schottky-barrieren er at måle forbindelseskapacitansen afhængigt af den anvendte reversspænding. Grafen viser form af en retlinie, der skærer abscisseaksen ved det punkt, der karakteriserer den ønskede værdi. Resultatet af eksperimenterne afhænger stærkt af overfladebehandlingens kvalitet. Undersøgelsen af ​​teknologiske forarbejdningsmetoder viser, at ætsning i flussyre efterlader et lag af oxidfilm 10-20 angstrom tykt på en siliciumprøve.

Den aldrende effekt er konsekvent noteret. Mindre karakteristisk for Schottky dioder dannet ved at spalte krystallen. Barrierehøjder adskiller sig fra et bestemt materiale, i nogle tilfælde er de stærkt afhængige af metallernes elektronegativitet. For galliumarsenid forekommer faktoren næsten ikke, i tilfælde af zinksulfid spiller en afgørende rolle. Men i sidstnævnte tilfælde har kvaliteten af ​​overfladebehandling en svag effekt, for GaAs er dette ekstremt vigtigt. Cadmiumsulfid er i en mellemstilling med hensyn til disse materialer.

I undersøgelsen viste det sig, at de fleste halvledere opfører sig som GaAs, herunder silicium. Mead forklarede dette ved, at en række formationer dannes på overfladen af ​​materialet, hvor elektronenergien ligger i en tredjedel af båndgabet fra valenszonen. Som følge heraf har Fermi-niveauet i sidstnævnte tendens til at optage en lignende position i kontakt med metalmetoden. Historien gentager sig med enhver vejledning. Samtidig bliver barrierehøjden forskellen mellem Fermi-niveauet og kanten af ​​ledningsbåndet i halvlederen.

. En stærk indflydelse af metallegens elektronegativitet observeres i materialer med udtalte ionbindinger. Disse er primært tetravalent silica og zinksulfid. Denne kendsgerning er forklaret af fraværet af formationer, der påvirker Fermi-niveauet i metal. Afslutningsvis tilføjes, at en udtømmende teori om det problem, der behandles i dag, ikke er oprettet.

Fordele ved Schottky Diodes

Det er ingen hemmelighed, at Schottky dioder tjener som ensretter ved udgangen af ​​switching strømforsyninger. Producenterne hviler på det faktum, at effekttab og varme i dette tilfælde er meget lavere. Det er fastslået, at spændingsfaldet i den direkte forbindelse på Schottky-dioden er 1,5 - 2 gange mindre end i nogen form for ensretter. Lad os forsøge at forklare årsagen.

Overvej arbejdet med en normal pn-junction. Når materialer kommer i kontakt med to forskellige typer af ledningsevne, begynder diffusionen af ​​hovedbærerne ud over kontaktgrænsen, hvor de ikke længere er de vigtigste. I fysikken kaldes dette barrierelaget. Hvis der anvendes et positivt potentiale til n-regionen, vil de primære elektronbærere øjeblikkeligt blive tiltrukket af output. Derefter udvides barrierelaget, strømmen strømmer ikke. Ved direkte tænding går hovedbærerne tværtimod på barrierelaget, hvor de reagerer aktivt med den. Overgangen åbner, nuværende strømmer.

Det viser sig, at hverken åbne eller lukke en simpel diode straks fejler. Der er processer til dannelse og eliminering af barrierelaget, hvilket kræver tid. Schottky-dioden opfører sig lidt anderledes. Den anvendte direkte spænding åbner overgangen, men injektionen af ​​huller i n-halvlederen forekommer stort set ikke, barrieren for dem er stor, der er få sådanne bærere i metal. Med omvendt optagelse i en stærkt doteret halvleder, der kan strømme tunnelstrøm.

Læsere, der er bekendt med emnet LED-belysning, ved allerede, at Henry Joseph Round oprindeligt i 1907 fandt en opdagelse på en krystaldetektor. Dette er en Schottky diode i den første tilnærmelse: grænsen for metal og siliciumcarbid. Forskellen er, at de i dag bruger n-type halvleder og aluminium.

Schottky diode er i stand til ikke kun at lyse: til disse formål bruger de pn-junction. Metal-halvlederkontakten er ikke altid rettet. I sidstnævnte tilfælde kaldes det ohmisk og indgår i de fleste transistorer, hvor dets parasitale virkninger er overflødige og skadelige. Hvad overgangen vil være, afhænger af højden af ​​schottky barrieren. Ved store værdier af parameteren, der overstiger temperaturenergien, vises de korrigerende egenskaber. Egenskaber bestemmes af forskellen i metalets arbejdsfunktion( i vakuum) og halvleder eller ved elektronaffinitet.

Overgangsegenskaberne afhænger af de anvendte materialer og på de geometriske dimensioner. Volumenladningen i dette tilfælde er mindre end når to halvledere af forskellige typer er i kontakt, hvilket betyder, at koblingstiden er signifikant reduceret. I et typisk tilfælde passer det i området fra hundredvis af ps til tiere ns. For konventionelle dioder er mindst en størrelsesorden højere. I teorien ser det ud til, at der ikke er en stigning i barriere niveau med en anvendt revers spænding. Det er let at forklare det lille spændingsfald ved, at en del af overgangen består af en ren leder. Faktisk for enheder konstrueret til relativt lave spændinger på titusindele.

Ifølge Schottky Diodes egenskaber anvendes de i vid udstrækning i pulserende strømforsyninger til husholdningsapparater. Dette gør det muligt at reducere tab, forbedre termisk driftstilstand for ensrettere. Det lille område af overgangen forårsager lave nedbrydningsspændinger, som lidt modregnes af en stigning i metalliseringsområdet på krystallen, som omfatter en del af det siliciumisolerede område. Dette område, der ligner en kondensator, når dioden sættes på igen, impoverisher tilstødende lag med hovedladningsbærere, forbedrer ydeevnen betydeligt.

På grund af deres hurtighed anvendes Schottky-dioder aktivt i integrerede kredsløb med henblik på at anvende høje frekvenser - drifts- og synkroniseringsfrekvenser.