Schottky-Diode

Die

-Schottky-Diode ist ein Halbleiter-Gleichrichterelement, bei dem ein Metall-Halbleiter-Übergang als Barriere verwendet wird. Dadurch werden nützliche Eigenschaften erhalten: hohe Geschwindigkeit und niedriger Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung.

Aus der Geschichte der Entdeckung der Schottky-Dioden

Die gleichrichtenden Eigenschaften des Metall-Halbleiter-Übergangs wurden erstmals 1874 von Ferdinand Brown am Beispiel von Sulfiden beobachtet. Als er die Strömung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung passierte, stellte er einen Unterschied von 30% fest, was im Wesentlichen dem berühmten Gesetz von Ohm widersprach. Brown konnte nicht erklären, was geschah, aber nachdem er die Forschung fortgesetzt hatte, stellte er fest, dass der Widerstand des Abschnitts proportional zum fließenden Strom ist. Was auch ungewöhnlich aussah.

Von Physikern wiederholte Experimente. Zum Beispiel stellte Werner Siemens ähnliche Eigenschaften von Selen fest. Brown fand heraus, dass die Eigenschaften der Struktur am deutlichsten mit einer kleinen Menge von Kontakten am Sulfidkristall erscheinen. Der Forscher verwendete:

• -Federdraht mit einem Druck von 1 kg;
• Quecksilberkontakt;
• Kupfer metallisiertes Pad.

Als die Punktdiode geboren wurde, hinderte unser Landsmann Popov 1900 die Patentierung eines Funkdetektors. In seiner eigenen Arbeit präsentiert Brown eine Studie über Manganerz( Psilomelan).Durch Drücken der Kontakte auf den Kristall mit einer Klemme und Isolieren des Schwamms vom stromführenden Teil erzielte der Wissenschaftler hervorragende Ergebnisse, jedoch wurde zu diesem Zeitpunkt keine Wirkung festgestellt. Ferdinand beschrieb die ungewöhnlichen Eigenschaften von Kupfersulfid und markierte den Beginn der Festkörperelektronik.

Für Braun wurde die praktische Anwendung von Gleichgesinnten gefunden. Professor Jagdish Chandra Bose gab am 27. April 1899 die Schaffung des ersten Detektors / Empfängers bekannt, der in Verbindung mit einem Funksender arbeitet. Er benutzte Galena( Bleioxid) in einem Paar mit einem einfachen Draht und fing Millimeterwellen auf. Im Jahr 1901 patentierte er sein geistiges Kind. Es ist möglich, dass unter dem Einfluss von Gerüchten über Popov. Der Bosch-Detektor wird in Marconis erstem transatlantischem Radioprogramm verwendet. Ein ähnliches Gerät auf einem Siliziumkristall wurde 1906 von Greenleaf Witter Pickard patentiert.

In seiner Rede beim Nobelpreis von 1909 bemerkte Brown, dass er die Prinzipien des von ihm entdeckten Phänomens nicht verstand, aber er entdeckte eine Reihe von Materialien, die neue Eigenschaften aufweisen. Dies ist das oben erwähnte Galena, Pyrit, Pyrolusit, Tetrahedrit und eine Anzahl anderer. Die aufgeführten Materialien erregen aus einem einfachen Grund die Aufmerksamkeit: Sie leiteten elektrischen Strom, obwohl sie als Verbindungen der Elemente des Periodensystems betrachtet wurden. Bevor solche Eigenschaften als das Vorrecht einfacher Metalle angesehen wurden.

Schließlich erschienen 1926 die ersten Transistoren mit einer Schottky-Barriere, und William Bradford Shockley brachte 1939 die Theorie unter das Phänomen. Gleichzeitig erklärte Neville Francis Mot die Phänomene, die an der Verbindung der beiden Materialien auftreten, und berechnet den Diffusionsstrom und die Drift der Hauptladungsträger. Walter Schottky ergänzte die Theorie, indem er das lineare elektrische Feld durch eine Dämpfung ersetzte und eine Vorstellung von den Ionendonoren in der Oberflächenschicht eines Halbleiters hinzufügte. Die Volumenladung an der Grenzfläche unter der Metallschicht wurde nach dem Wissenschaftler benannt.

Davydov hat ähnliche Versuche unternommen, um die Theorie für die bestehende Tatsache im Jahr 1939 zusammenzufassen, gab jedoch fälschlicherweise die einschränkenden Faktoren für den Strom an und machte andere Fehler. Die zutreffendsten Schlussfolgerungen wurden von Hans Albrecht Bethe im Jahr 1942 gemacht, der den Strom mit der thermionischen Emission von Ladungsträgern durch eine potenzielle Barriere an der Grenze zweier Materialien verknüpft hat. Daher sollte der moderne Name des Phänomens und der Dioden der Name des letzten Wissenschaftlers sein, der die Schottky-Theorie aufgedeckt hat.

Theoretische Untersuchungen beruhen auf der Schwierigkeit, die Austrittsarbeit von Elektronen von einem Material in ein Vakuum zu messen. Selbst für ein chemisch inertes und stabiles Goldmetall variieren bestimmte Indikationen von 4 bis 4,92 eV.Bei einem hohen Vakuum werden in Abwesenheit von Quecksilber aus einer Pumpe oder einem Ölfilm Werte von 5,2 eV erhalten. Mit der Entwicklung der Technologie in der Zukunft werden die Werte genauer vorhergesagt. Eine andere Lösung wäre, Informationen über die Elektronegativität von Materialien zu verwenden, um Ereignisse an der Übergangsgrenze korrekt vorherzusagen. Diese Werte( auf der Polling-Skala) sind mit einer Genauigkeit von 0,1 eV bekannt. Aus dem, was gesagt wurde, ist klar: Heute ist es unmöglich, die Höhe der Barriere durch die angegebenen Methoden und damit die gleichrichtenden Eigenschaften von Schottky-Dioden richtig vorherzusagen.

Die beste Methode zur Bestimmung der Höhe der Schottky-Barriere

Es ist zulässig, die Höhe anhand der bekannten Formel zu bestimmen( siehe Abbildung).Dabei ist C ein von der Temperatur leicht abhängiger Koeffizient. Die Abhängigkeit von der angelegten Spannung Va wird trotz ihrer komplexen Form als nahezu linear angesehen. Der Winkel der Grafik beträgt q / kT.Die Barrierehöhe wird gemäß der Auftragung von lnJ gegen 1 / T bei fester Spannung bestimmt. Die Berechnung erfolgt über den Neigungswinkel.

-Berechnungen Eine alternative Methode ist die Bestrahlung des Metall-Halbleiter-Übergangs mit Licht. Die folgenden Methoden werden verwendet:

1. Das Licht tritt durch den Halbleiter.
2. Das Licht fällt direkt auf den empfindlichen Bereich der Fotozelle.

Wenn die Photonenenergie in die Energielücke zwischen der verbotenen Zone des Halbleiters und der Höhe der Barriere fällt, wird die Emission von Elektronen aus dem Metall beobachtet. Wenn der Parameter über diesen beiden Werten liegt, steigt der Ausgangsstrom stark an, was beim Setup für das Experiment leicht erkennbar ist. Mit dieser Methode kann festgestellt werden, dass die Austrittsarbeit für denselben Halbleiter mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen( n und p) insgesamt die Breite der verbotenen Zone des Materials ergibt.

Eine neue Methode zur Bestimmung der Höhe der Schottky-Barriere besteht darin, die Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit von der angelegten Sperrspannung zu messen. Die Grafik zeigt die Form einer geraden Linie, die die Abszissenachse an dem Punkt schneidet, der den gewünschten Wert kennzeichnet. Das Ergebnis der Versuche hängt stark von der Qualität der Oberflächenvorbereitung ab. Die Untersuchung technologischer Verarbeitungsverfahren zeigt, dass beim Ätzen in Flusssäure eine Oxidschicht mit einer Dicke von 10–20 Angström auf einer Siliziumprobe verbleibt.

Der Alterungseffekt wird durchgängig festgestellt. Weniger charakteristisch für Schottky-Dioden, die durch Spalten des Kristalls gebildet werden. Barrierenhöhen unterscheiden sich für ein bestimmtes Material, zum Teil sind sie stark von der Elektronegativität von Metallen abhängig. Bei Galliumarsenid tritt der Faktor fast nicht auf, bei Zinksulfid spielt dies eine entscheidende Rolle. Im letzteren Fall hat die Qualität der Oberflächenvorbereitung jedoch einen schwachen Effekt. Für GaAs ist dies äußerst wichtig. Cadmiumsulfid befindet sich bezüglich dieser Materialien in einer Zwischenstellung.

In der Studie stellte sich heraus, dass sich die meisten Halbleiter wie GaAs verhalten, einschließlich Silizium. Mead erklärte dies mit der Tatsache, dass sich auf der Oberfläche des Materials eine Reihe von Formationen gebildet hat, wo die Elektronenenergie im Bereich eines Drittels der Bandlücke von der Valenzzone liegt. Infolgedessen neigt das Fermi-Niveau im Metall dazu, in Kontakt mit dem Metall eine ähnliche Position einzunehmen. Die Geschichte wiederholt sich mit jedem Führer. Zur gleichen Zeit wird die Barrierenhöhe zur Differenz zwischen dem Fermi-Pegel und der Kante des Leitungsbandes im Halbleiter.

: Bei Materialien mit ausgeprägten Ionenbindungen wird ein starker Einfluss der Elektronegativität des Metalls beobachtet. Dies sind hauptsächlich vierwertige Kieselsäure und Zinksulfid. Diese Tatsache wird durch das Fehlen von Formationen erklärt, die den Fermi-Gehalt im Metall beeinflussen. Abschließend fügen Sie hinzu, dass keine erschöpfende Theorie über das derzeit behandelte Thema erstellt wird.

Vorteile von Schottky-Dioden

Es ist kein Geheimnis, dass Schottky-Dioden als Gleichrichter am Ausgang von Schaltnetzteilen dienen. Die Hersteller verlassen sich darauf, dass der Verlust und die Wärmeentwicklung in diesem Fall viel geringer sind. Es wird festgestellt, dass der Spannungsabfall bei der direkten Verbindung an der Schottky-Diode 1,5 - 2-fach geringer ist als bei Gleichrichtertypen. Versuchen wir den Grund zu erklären.

Betrachten Sie die Arbeit eines normalen PN-Übergangs. Beim Kontakt von Materialien mit zwei verschiedenen Leitfähigkeitstypen beginnt die Diffusion der Hauptträger über die Kontaktgrenze hinaus, wo sie nicht mehr die Hauptgrenzwerte sind. In der Physik wird dies als Sperrschicht bezeichnet. Wenn ein positives Potential an den n-Bereich angelegt wird, werden die Hauptelektronenträger sofort vom Ausgang angezogen. Dann dehnt sich die Sperrschicht aus, der Strom fließt nicht. Beim direkten Einschalten treten die Hauptträger dagegen auf die Sperrschicht auf, wo sie sich aktiv mit ihr rekombinieren. Der Übergang öffnet sich, Strom fließt.

Es stellt sich heraus, dass weder das Öffnen noch das Schließen einer Diode sofort ausfällt. Es gibt Prozesse der Bildung und Beseitigung der Sperrschicht, was Zeit erfordert. Die Schottky-Diode verhält sich etwas anders. Die angelegte Gleichspannung öffnet den Übergang, aber die Injektion von Löchern in den n-Halbleiter tritt praktisch nicht auf, die Barriere für sie ist groß, es gibt nur wenige solche Träger im Metall. Mit dem umgekehrten Einschluss in einen stark dotierten Halbleiter kann Tunnelstrom fließen. Leser von

, die mit dem Thema LED-Beleuchtung vertraut sind, wissen bereits, dass Henry Joseph Round 1907 eine Entdeckung mit einem Kristalldetektor gemacht hatte. Dies ist in erster Näherung eine Schottky-Diode: die Grenze zwischen Metall und Siliziumkarbid. Der Unterschied ist, dass heute n-Halbleiter und Aluminium verwendet werden. Die

-Schottky-Diode kann nicht nur leuchten: Sie verwenden für diese Zwecke einen pn-Übergang. Der Metall-Halbleiter-Kontakt wird nicht immer gleichgerichtet. Im letzteren Fall wird es als ohmsch bezeichnet und ist in den meisten Transistoren enthalten, wo seine parasitären Effekte überflüssig und schädlich sind. Was der Übergang sein wird, hängt von der Höhe der Schottky-Barriere ab. Bei großen Werten des Parameters, die die Temperaturenergie überschreiten, treten gleichrichtende Eigenschaften auf. Eigenschaften werden durch den Unterschied in der Austrittsarbeit des Metalls( im Vakuum) und des Halbleiters oder durch die Elektronenaffinität bestimmt.

Die Übergangseigenschaften hängen von den verwendeten Materialien und den geometrischen Abmessungen ab. Die Volumenladung ist in diesem Fall geringer als wenn zwei Halbleiter unterschiedlichen Typs in Kontakt sind, was bedeutet, dass die Schaltzeit erheblich reduziert wird. In einem typischen Fall passt es in den Bereich von Hunderten von ps bis zu Dutzenden von ns. Bei herkömmlichen Dioden ist es mindestens eine Größenordnung höher. Theoretisch sieht dies wie das Fehlen einer Erhöhung des Barrierepegels bei einer angelegten Sperrspannung aus. Der geringe Spannungsabfall lässt sich leicht dadurch erklären, dass ein Teil des Übergangs aus einem reinen Leiter besteht. Tatsächlich für Geräte, die für relativ niedrige Spannungen von mehreren zehn Volt ausgelegt sind.

Entsprechend den Eigenschaften von Schottky-Dioden werden sie häufig in gepulsten Stromversorgungen für Haushaltsgeräte eingesetzt. Dadurch können Verluste reduziert und die thermische Betriebsweise von Gleichrichtern verbessert werden. Der kleine Bereich des Übergangs verursacht niedrige Durchbruchspannungen, die durch eine Vergrößerung des Metallisierungsbereichs auf dem Kristall, der einen Teil des mit Kieselsäure isolierten Bereichs umgibt, geringfügig aufgehoben wird. Dieser Bereich ähnelt einem Kondensator, wenn die Diode wieder eingeschaltet wird, und macht benachbarte Schichten mit Hauptladungsträgern arm, wodurch die Leistung erheblich verbessert wird.

Aufgrund ihrer Geschwindigkeit werden Schottky-Dioden aktiv in integrierten Schaltungen verwendet, die auf die Verwendung hoher Frequenzen abzielen - Betriebs- und Synchronisationsfrequenzen.