Schottky est un élément redresseur électrique à semi-conducteur, dans lequel une transition métal-semi-conducteur sert de barrière. En conséquence, des propriétés utiles sont acquises: vitesse élevée et faible chute de tension dans le sens aller.
De l'histoire de la découverte des diodes Schottky
Les propriétés de redressement de la transition métal-semi-conducteur ont été observées pour la première fois en 1874 par Ferdinand Brown en utilisant l'exemple des sulfures. Passant le courant dans les deux sens, il a noté une différence de 30%, ce qui était fondamentalement contraire à la célèbre loi d’Ohm. Brown ne pouvait pas expliquer ce qui se passait, mais, après avoir poursuivi les recherches, il avait constaté que la résistance de la section était proportionnelle au courant. Ce qui a également semblé inhabituel.
Diode de redressement
Expériences répétées par des physiciens. Par exemple, Werner Siemens a noté des propriétés similaires au sélénium. Brown a constaté que les propriétés de la structure apparaissent le plus clairement avec une petite quantité de contacts attachés au cristal de sulfure. Le chercheur a utilisé: un fil à ressort
- avec une pression de 1 kg;
- contact au mercure;Tampon
- en cuivre métallisé.
La diode ponctuelle est née. En 1900, notre compatriote Popov n’a pas obtenu un brevet pour un détecteur radio. Dans son propre travail, Brown présente une étude du minerai de manganèse( psilomélane).En pressant les contacts sur le cristal à l'aide d'une pince et en isolant l'éponge de la pièce sous tension, le scientifique a obtenu d'excellents résultats, mais aucun effet n'a été constaté à ce moment-là.Décrivant les propriétés inhabituelles du sulfure de cuivre, Ferdinand a marqué le début de l'électronique à l'état solide.
Pour Braun, l'utilisation pratique a été découverte par des personnes partageant les mêmes idées. Le professeur Jagdish Chandra Bose a annoncé le 27 avril 1899 la création du premier détecteur / récepteur à fonctionner conjointement avec un émetteur radio. Il a utilisé la galène( oxyde de plomb) en paire avec un simple fil et a capté des ondes millimétriques. En 1901, il a breveté son invention. Il est possible que sous l'influence de rumeurs sur Popov. Le détecteur Bosch est utilisé dans le premier programme radio transatlantique de Marconi. Un type similaire d'appareil sur un cristal de silicium a été breveté en 1906 par Greenleaf Witter Pickard.
Greenleaf Witter Pickard
Dans son discours au prix Nobel de 1909, Brown déclara qu'il ne comprenait pas les principes du phénomène découvert par lui, mais découvrit un certain nombre de matériaux présentant de nouvelles propriétés. Il s’agit de la galène, de la pyrite, de la pyrolusite, de la tétraédrite et de nombreuses autres espèces susmentionnées. Les matériaux énumérés ont attiré l'attention pour une raison simple: ils ont conduit un courant électrique, bien qu'ils aient été considérés comme des composés d'éléments du tableau périodique. Avant, de telles propriétés étaient considérées comme l'apanage des métaux simples.
Enfin, en 1926, les premiers transistors à barrière de Schottky font leur apparition. William Bradford Shockley introduit en 1939 la théorie sous le phénomène. En même temps, Neville Francis Mot expliqua les phénomènes se produisant à la jonction des deux matériaux, en calculant le courant de diffusion et la dérive des principaux porteurs de charge. Walter Schottky a complété la théorie en remplaçant le champ électrique linéaire par un amortissement et en ajoutant une idée des donneurs d'ions situés dans la couche de surface d'un semi-conducteur. La charge volumique à l'interface sous la couche métallique a été nommée d'après le scientifique.
Davydov fit des tentatives similaires pour résumer la théorie du fait existant en 1939, mais donna de manière incorrecte les facteurs limitants pour le courant et fit d'autres erreurs. Les conclusions les plus correctes ont été tirées par Hans Albrecht Bethe en 1942, qui a lié le courant à l'émission thermionique de porteurs à travers une barrière potentielle à la limite de deux matériaux. Ainsi, le nom moderne du phénomène et des diodes devrait être le nom du dernier scientifique, la théorie de Schottky a révélé des défauts.
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Les études théoriques reposent sur la difficulté de mesurer le travail d'électrons d'un matériau dans le vide. Même pour un métal d'or chimiquement inerte et stable, certaines indications varient de 4 à 4,92 eV.Avec un haut vide, en l'absence de mercure provenant d'une pompe ou d'un film d'huile, des valeurs de 5,2 eV sont obtenues. Avec le développement de la technologie à l'avenir, les valeurs sont prévues avec plus de précision. Une autre solution serait d'utiliser des informations sur l'électronégativité des matériaux pour prédire correctement les événements à la frontière de la transition. Ces valeurs( sur l'échelle de scrutation) sont connues avec une précision de 0,1 eV.Il ressort clairement de ce qui a été dit qu’aujourd’hui, il n’est pas possible de prédire correctement la hauteur de la barrière à l’aide des méthodes indiquées et, par conséquent, des propriétés de rectification des diodes Schottky.
Les meilleurs moyens de déterminer la hauteur de la barrière de Schottky
Il est permis de déterminer la hauteur à l'aide de la formule connue( voir figure).Où C est un coefficient légèrement dépendant de la température. La dépendance à la tension appliquée Va, malgré sa forme complexe, est considérée comme presque linéaire. L'angle du graphique est q / kT.La hauteur de la barrière est déterminée en fonction de la courbe de InJ contre 1 / T à une tension fixe. Le calcul est effectué sur l'angle d'inclinaison. Formule
pour les calculs
Une autre méthode consiste à irradier la transition métal-semi-conducteur avec de la lumière. Les méthodes suivantes sont utilisées:
- La lumière traverse le semi-conducteur.
- La lumière tombe directement sur la zone sensible de la photocellule.
Si l'énergie des photons tombe dans l'intervalle d'énergie entre la zone interdite du semi-conducteur et la hauteur de la barrière, on observe une émission d'électrons à partir du métal. Lorsque le paramètre est supérieur à ces deux valeurs, le courant de sortie augmente fortement, ce qui est facilement perceptible lors de la configuration de l'expérience. Cette méthode permet d’établir que le travail fonctionne pour un même semi-conducteur, avec différents types de conductivité( n et p), donne au total la largeur de la zone interdite du matériau.
Une nouvelle méthode pour déterminer la hauteur de la barrière de Schottky consiste à mesurer la capacité de jonction en fonction de la tension inverse appliquée. Le graphique montre la forme d'une ligne droite coupant l'axe des abscisses au point caractérisant la valeur souhaitée. Le résultat des expériences dépend fortement de la qualité de la préparation de la surface. L’étude des méthodes technologiques de traitement montre que la gravure dans l’acide fluorhydrique laisse une couche de film d’oxyde d’une épaisseur de 10 à 20 angströms sur un échantillon de silicium.
L'effet de vieillissement est systématiquement noté.Moins caractéristique des diodes Schottky formées par le clivage du cristal. Les hauteurs de barrière diffèrent d'un matériau à l'autre. Dans certains cas, elles dépendent fortement de l'électronégativité des métaux. Pour l’arséniure de gallium, le facteur n’apparaît quasiment pas, le sulfure de zinc joue un rôle crucial. Mais dans ce dernier cas, la qualité de la préparation de la surface a un effet faible, car le GaAs est extrêmement important. Le sulfure de cadmium occupe une position intermédiaire par rapport à ces matériaux.
Dans l'étude, il s'est avéré que la plupart des semi-conducteurs se comportent comme du GaAs, y compris le silicium. Mead a expliqué cela par le fait qu’une série de formations se forme à la surface du matériau, l’énergie électronique se situant au voisinage d’un tiers de la bande interdite de la zone de valence. De ce fait, au contact du métal, le niveau de Fermi dans ce dernier tend à occuper une position similaire. L'histoire se répète avec n'importe quel guide. Dans le même temps, la hauteur de barrière devient la différence entre le niveau de Fermi et le bord de la bande de conduction dans le semi-conducteur.
: on observe une forte influence de l'électronégativité du métal dans les matériaux à liaisons ioniques prononcées. Ce sont principalement de la silice tétravalente et du sulfure de zinc. Ce fait s'explique par l'absence de formations qui affectent le niveau de Fermi dans le métal. En conclusion, ajoutons qu’une théorie exhaustive sur la question examinée aujourd’hui n’est pas créée.
Avantages des diodes Schottky
Ce n’est un secret pour personne que les diodes Schottky servent de redresseurs à la sortie des alimentations à découpage. Les fabricants s’appuient sur le fait que, dans ce cas, la perte de puissance et la chaleur sont beaucoup moins importantes. Il est établi que la chute de tension dans la connexion directe sur la diode Schottky est 1,5 à 2 fois inférieure à celle de tout type de redresseur. Essayons d'expliquer la raison.
Considérons le travail d'une jonction pn normale. Lorsque des matériaux entrent en contact avec deux types de conductivité différents, la diffusion des porteurs principaux commence au-delà de la limite de contact, où ils ne sont plus les principaux. En physique, on appelle cela la couche barrière. Si un potentiel positif est appliqué à la région n, les principaux porteurs d'électrons seront instantanément attirés par la sortie. Ensuite, la couche barrière se dilate, le courant ne circule pas. Avec l'inclusion directe, les transporteurs principaux, au contraire, attaquent la couche barrière, où ils se recombinent activement avec elle. La transition s'ouvre, le courant circule.
Il s'avère que ni ouvrir ni fermer une simple diode échoue instantanément. Il existe des processus de formation et d'élimination de la couche barrière, ce qui nécessite du temps. La diode Schottky se comporte légèrement différemment. La tension continue appliquée ouvre la transition, mais l'injection de trous dans le n-semi-conducteur ne se produit pratiquement pas, la barrière pour eux est grande, il y a peu de tels porteurs dans le métal. Avec l'inclusion inverse dans un semi-conducteur fortement dopé capable de faire passer un courant tunnel. Les lecteurs
, habitués au sujet de l'éclairage LED, savent déjà qu'à l'origine, en 1907, Henry Joseph Round avait découvert un détecteur de cristal. Il s’agit d’une diode Schottky en première approximation: la limite du métal et du carbure de silicium. La différence est qu'aujourd'hui ils utilisent des semi-conducteurs de type n et de l'aluminium. La diode Schottky
peut non seulement briller: elle utilise pour cela des jonctions pn. Le contact métal-semi-conducteur ne devient pas toujours rectifiant. Dans ce dernier cas, il est appelé ohmique et est inclus dans la plupart des transistors, où ses effets parasites sont superflus et nocifs. La transition dépend de la hauteur de la barrière de Schottky. Aux valeurs élevées du paramètre, dépassant l'énergie de la température, des propriétés de rectification apparaissent. Les propriétés sont déterminées par la différence de travail du métal( sous vide) et du semi-conducteur, ou par affinité électronique.
Les propriétés de transition dépendent des matériaux utilisés et des dimensions géométriques. Dans ce cas, la charge volumique est inférieure à celle utilisée lorsque deux semi-conducteurs de types différents sont en contact, ce qui réduit considérablement le temps de commutation. Dans un cas typique, il va de quelques centaines de ps à plusieurs dizaines de ns. Pour les diodes classiques, au moins un ordre de grandeur supérieur. En théorie, cela ressemble à l'absence d'augmentation du niveau de barrière avec une tension inverse appliquée. Il est facile d'expliquer la faible chute de tension par le fait qu'une partie de la transition est composée d'un conducteur pur. Réel pour les appareils conçus pour des tensions relativement basses de plusieurs dizaines de volts.
Selon les propriétés des diodes Schottky, elles sont largement utilisées dans les alimentations à découpage pour appareils ménagers. Cela permet de réduire les pertes, d'améliorer le mode de fonctionnement thermique des redresseurs. La petite zone de la transition provoque de faibles tensions de claquage, légèrement compensées par une augmentation de la surface de métallisation sur le cristal, qui englobe une partie de la région isolée à la silice. Cette zone, qui ressemble à un condensateur, lorsque la diode est rallumée, appauvrit les couches adjacentes avec les porteurs de charge principaux, améliorant ainsi considérablement les performances.
En raison de leur rapidité, les diodes Schottky sont activement utilisées dans les circuits intégrés destinés à utiliser les hautes fréquences - fréquences de fonctionnement et de synchronisation.
