Schottky diode

Schottky diode er et halvleder elektrisk likeretterelement, hvor en metall-halvleder overgang brukes som en barriere. Som et resultat oppnås nyttige egenskaper: høyhastighet og lavspenningsfall i fremoverretningen.

Fra historien til oppdagelsen av Schottky-dioder

De likriktende egenskapene til metall-halvledertransisjonen ble først observert i 1874 av Ferdinand Brown ved hjelp av eksemplet av sulfider. Passerte strømmen i frem- og bakveiledningen, bemerket han en forskjell på 30%, som fundamentalt motsatte seg Ohms berømte lov. Brown kunne ikke forklare hva som skjedde, men etter å ha videreført undersøkelsen fant han at motstanden til seksjonen var proporsjonal med dagens strømning. Som også så uvanlig.

Eksperimenter gjentatt av fysikere. For eksempel bemerket Werner Siemens lignende egenskaper selen. Brown fant at egenskapene til strukturen synes tydeligst med en liten mengde kontakter festet til sulfidkrystallet. Forskeren brukte:

• fjærbelastet ledning med et trykk på 1 kg;
• kvikksølv kontakt;
• kobber metallisert pute.

Så punktdioden ble født, i 1900 forhindret vår landsmann Popov fra å ta patent på en radiodetektor. I sitt eget arbeid presenterer Brown en studie av manganmalm( psilomelane).Ved å trykke kontaktene til krystallet med en klemme og isolere svampen fra den nåværende bærende delen, oppnådde forskeren gode resultater, men ingen effekt ble funnet på den tiden. Beskrive de uvanlige egenskapene til kobbersulfid, Ferdinand markerte begynnelsen av solid-state elektronikk.

For Braun ble praktisk bruk funnet av likesinnede mennesker. Professor Jagdish Chandra Bose kunngjorde 27. april 1899 opprettelsen av den første detektoren / mottakeren for å jobbe sammen med en radiosender. Han brukte galena( blyoksid) i et par med en enkel wire og fanget millimeter bølgebølger. I 1901 patenterte han sin hjernebarn. Det er mulig at under påvirkning av rykter om Popov. Bosch-detektoren brukes i Marconis første transatlantiske radioprogram. En lignende type enhet på en silisiumkrystall ble patentert i 1906 av Greenleaf Witter Pickard.

I sin tale på Nobelprisen i 1909 bemerket Brown at han ikke forsto prinsippene om fenomenet som ble oppdaget av ham, men han oppdaget en rekke materialer som viste nye egenskaper. Dette er nevnte galena, pyritt, pyrolusitt, tetrahedrite og en rekke andre. De oppførte materialene tiltrukket seg oppmerksomhet av en enkel grunn: de utførte en elektrisk strøm, selv om de ble betraktet som forbindelser av elementer i det periodiske systemet. Før slike egenskaper ble ansett som prerogative av enkle metaller.

Til slutt, i 1926, oppsto de første transistorene med en Schottky-barriere, og William Bradford Shockley i 1939 brakte teorien under fenomenet. Samtidig forklarte Neville Francis Mot de fenomenene som forekommer ved krysset mellom de to materialene, beregning av diffusjonsstrømmen og driften av hovedladningsbærerne. Walter Schottky supplerte teorien ved å erstatte det lineære elektriske feltet med en demping og legge til en ide om ion-donorene som befinner seg i overflatelaget av en halvleder. Volumladningen ved grensesnittet under metalllaget ble oppkalt etter forskeren.

Davydov gjorde lignende forsøk på å oppsummere teorien for det eksisterende faktum i 1939, men ga feil begrensende faktorer for dagens og gjorde andre feil. De mest riktige konklusjonene ble gjort av Hans Albrecht Bethe i 1942, som koblet strømmen til termisk utslipp av bærere gjennom en potensiell barriere ved grensen til to materialer. Således skulle fenomenets moderne navn og diodene være navnet på den siste forskeren, Schottky-teorien viste feil.

Teoretiske studier hviler på vanskeligheten ved å måle arbeidsfunksjonen til elektroner fra et materiale til et vakuum. Selv for et kjemisk inert og stabilt metall av gull, varierer visse indikasjoner fra 4 til 4,92 eV.Med høy grad av vakuum, i fravær av kvikksølv fra en pumpe eller oljefilm, oppnås verdier på 5,2 eV.Med utviklingen av teknologi i fremtiden, er verdiene forutsatt mer nøyaktig. En annen løsning ville være å bruke informasjon om elektronegativitet av materialer for å korrekt forutsi hendelser ved overgangsgrenen. Disse verdiene( på pollingskalaen) er kjent med en nøyaktighet på 0,1 eV.Fra det som er sagt, er det klart: i dag er det ikke mulig å forutsi riktig høyden av barrieren ved de angitte metoder og derfor rettighetsegenskapene til Schottky dioder.

De beste måtene for å bestemme høyden på Schottky-barrieren

Det er tillatt å bestemme høyden med den kjente formelen( se figur).Hvor C er en koeffisient som er litt avhengig av temperatur. Avhengigheten av den anvendte spenningen Va, til tross for sin komplekse form, anses nesten lineær. Vinkelen på grafen er q / kT.Barrierehøyden bestemmes i henhold til plottet av lnJ versus 1 / T ved en fast spenning. Beregningen utføres på hellingsvinkelen.

Beregninger En alternativ metode er å bestråle metall-halvlederovergangen med lys. Følgende metoder brukes:

1. Lyset går gjennom halvlederen.
2. Lyset faller direkte på fotocellens følsomme område.

Hvis fotonenergien faller innenfor energifallet mellom halvlederens forbudte sone og barrierenes høyde, observeres utslipp av elektroner fra metallet. Når parameteren er høyere enn begge disse verdiene, stiger utgangsstrømmen kraftig, noe som lett kan ses på oppsettet for eksperimentet. Denne metoden gjør det mulig å fastslå at arbeidsfunksjonen for den samme halvleder, med forskjellige typer ledningsevne( n og p), gir totalt bredden på materialets forbudte sone.

En ny metode for å bestemme høyden på Schottky-barrieren er å måle kryss kapasitansen avhengig av den påførte reversspenningen. Grafen viser formen av en rett linje som skjærer abscissen-aksen ved punktet som karakteriserer ønsket verdi. Resultatet av forsøkene er sterkt avhengig av kvaliteten på overflateforberedelsen. Studien av teknologiske prosesseringsmetoder viser at etsningen i flussyre etterlater et lag av oksidfilm 10-20 åm tykk på en silisiumprøve.

Den aldrende effekten er konsekvent notert. Mindre karakteristisk for Schottky-dioder dannet ved å spalte krystallet. Barrierehøyder er forskjellige for et bestemt materiale, i noen tilfeller er de sterkt avhengige av metrones elektronegativitet. For galliumarsenid, forekommer faktoren nesten ikke, i tilfelle sinksulfid spiller en avgjørende rolle. Men i sistnevnte tilfelle har kvaliteten på overflateforberedelsen en svak effekt, for GaAs er dette ekstremt viktig. Kadmiumsulfid er i en mellomposisjon med hensyn til disse materialene.

I studien viste det seg at de fleste halvledere oppfører seg som GaAs, inkludert silisium. Mead forklarte dette ved at en serie formasjoner dannes på overflaten av materialet, hvor elektronenergien ligger i området på en tredjedel av båndgapet fra valenssonen. Som et resultat, i kontakt med metallet, har Fermi-nivået i sistnevnte en tendens til å oppta en lignende posisjon. Historien gjentar seg med noen veileder. Samtidig blir barrierehøyden forskjellen mellom Fermi-nivået og kanten av ledningsbåndet i halvlederen.

Den sterke elektronegativiteten til metallet observeres i materialer med uttalt ioniske bindinger. Disse er først og fremst tetravalent kisel- og sinksulfid. Dette faktum forklares av fraværet av formasjoner som påvirker Fermi-nivået i metallet. Til slutt legger du til at en uttømmende teori om problemet som behandles i dag ikke er opprettet.

Fordeler med Schottky Diodes

Det er ingen hemmelighet at Schottky-dioder fungerer som likerettere ved utgangen av bytte strømforsyninger. Produsenter hviler på at kraftuttap og varme i dette tilfellet er mye lavere. Det er fastslått at spenningsfallet i den direkte tilkoblingen på Schottky-dioden er 1,5 - 2 ganger mindre enn i hvilken som helst type likerettere. La oss prøve å forklare årsaken.

Vurder arbeidet med en normal pn-kryss. Når materialer kommer i kontakt med to forskjellige typer ledningsevne, begynner diffusjon av hovedbærerne utover kontaktgrensen, hvor de ikke lenger er de viktigste. I fysikken kalles dette barrierelaget. Hvis et positivt potensial blir brukt på n-regionen, vil de viktigste elektronbærerne umiddelbart bli tiltrukket av utgangen. Da ekspanderer barrierelaget, strømmen strømmer ikke. Med direkte påkobling går hovedfartsselskapene tvert imot på barrierelaget, hvor de reagerer aktivt med den. Overgangen åpnes, nåværende strømmer.

Det viser seg at hverken åpne eller lukke en enkel diode øyeblikkelig mislykkes. Det er prosesser for dannelse og eliminering av barrierelaget, som krever tid. Schottky-dioden oppfører seg litt annerledes. Den påførte direkte spenningen åpner overgangen, men injeksjonen av hull i n-halvlederen forekommer praktisk talt ikke, barrieren for dem er stor, det er få slike bærere i metallet. Med omvendt inkludering i en sterkt dopet halvleder som kan strømme tunnelstrøm.

Lesere, kjent med temaet LED-belysning, vet allerede at Henry Joseph Round opprinnelig fant en oppdagelse på en krystalldetektor i 1907.Dette er en Schottky diode i den første tilnærmingen: grensen til metallet og silisiumkarbid. Forskjellen er at de i dag bruker n-type halvleder og aluminium.

Schottky diode er i stand til ikke bare å lyse: for disse formål bruker de pn-kryss. Metall-halvlederkontakten blir ikke alltid korrigerende. I sistnevnte tilfelle kalles det ohmisk og inngår i de fleste transistorer, der dets parasitale effekter er overflødige og skadelige. Hva overgangen vil være, avhenger av høyden på schottky barrieren. Ved store verdier av parameteren, som overskrider temperaturenergien, vises korrigerende egenskaper. Egenskaper bestemmes av forskjellen i arbeidsfunksjonen til metallet( i vakuum) og halvleder, eller ved elektronaffinitet.

Overgangseiendommene er avhengige av materialene som brukes og på de geometriske dimensjonene. Volumladningen i dette tilfellet er mindre enn når to halvledere av forskjellige typer er i kontakt, noe som betyr at byttetiden er betydelig redusert. I et typisk tilfelle passer det i området fra hundrevis av ps til titalls ns. For konvensjonelle dioder er det minst en størrelsesorden høyere. I teorien ser dette ut som fraværet av en økning i barriere nivå med en påtrykt revers spenning. Det er lett å forklare det lille spenningsfallet ved at en del av overgangen består av en ren leder. Faktisk for enheter konstruert for relativt lave spenninger med titalls volt.

Ifølge egenskapene til Schottky-dioder brukes de mye i pulserende strømforsyninger for husholdningsapparater. Dette gjør det mulig å redusere tap, forbedre termisk modus for drift av likerettere. Det lille området av overgangen forårsaker lave nedbrytingsspenninger, noe som er litt motvirket av en økning i metalliseringsområdet på krystallet, som omfatter en del av det silisiumisolisolerte området. Dette området, som ligner en kondensator, når dioden slås på igjen, forarmer tilstøtende lag med hovedladningsbærere, forbedrer ytelsen betydelig.

På grunn av deres fart, er Schottky-dioder aktivt brukt i integrerte kretser som tar sikte på å bruke høye frekvenser - drifts- og synkroniseringsfrekvenser.