Dioda Schottky'ego

Dioda Schottky'ego to półprzewodnikowy element prostownika elektrycznego, w którym jako barierę stosuje się przejście metal-półprzewodnik. W rezultacie uzyskuje się użyteczne właściwości: dużą prędkość i niski spadek napięcia w kierunku do przodu.

Z historii odkrycia diod Schottky'ego

Właściwości rektyfikacyjne przejścia metal-półprzewodnik po raz pierwszy zaobserwował w 1874 r. Ferdinand Brown na przykładzie siarczków. Przekazując prąd w kierunkach do przodu i do tyłu, zauważył różnicę 30%, co zasadniczo przeczyło słynnemu prawu Ohma. Brown nie mógł wyjaśnić, co się dzieje, ale po kontynuowaniu badań odkrył, że opór sekcji jest proporcjonalny do prądu płynącego. Co też wyglądało niecodziennie.

Eksperymenty powtórzone przez fizyków. Na przykład Werner Siemens odnotował podobne właściwości selenu. Brown stwierdził, że właściwości struktury pojawiają się najdobitniej z niewielką ilością kontaktów przymocowanych do kryształu siarczku. Badacz zastosował: drut sprężynowy

• o nacisku 1 kg;
• kontakt rtęciowy;
• podkładka z metalizowanej miedzi.

Tak więc narodziła się dioda punktowa, w 1900 roku uniemożliwiła naszemu rodakowi Popovowi opatentowanie wykrywacza radiowego. W swojej pracy Brown przedstawia badania nad rudą manganu( psilomelanem).Naciskając kontakty do kryształu za pomocą zacisku i izolując gąbkę od części przenoszącej prąd, naukowiec uzyskał doskonałe wyniki, ale w tym czasie nie stwierdzono żadnego efektu. Opisując niezwykłe właściwości siarczku miedzi, Ferdinand stał się początkiem elektroniki półprzewodnikowej.

Do praktycznego zastosowania Brauna odnaleziono podobnie myślących ludzi. Profesor Jagdish Chandra Bose ogłosił 27 kwietnia 1899 roku utworzenie pierwszego detektora / odbiornika do pracy w połączeniu z nadajnikiem radiowym. Użył galeny( tlenku ołowiu) w parze z prostym drutem i złapał fale fal milimetrowych. W 1901 roku opatentował swój pomysł.Możliwe, że pod wpływem plotek o Popowu. Detektor Bosch jest wykorzystywany w pierwszym transatlantyckim programie radiowym Marconiego. Podobny rodzaj urządzenia na krysztale krzemu został opatentowany w 1906 roku przez Greenleaf Witter Pickard.

W swoim przemówieniu na Noblu w 1909 r. Brown zauważył, że nie zrozumiał zasad odkrytego przez siebie zjawiska, ale odkrył szereg materiałów wykazujących nowe właściwości. Jest to wspomniana galena, piryt, pirolusyt, tetraedryt i wiele innych. Wymienione materiały przyciągnęły uwagę z prostego powodu: przewodziły prąd elektryczny, chociaż uważano je za związki pierwiastków układu okresowego. Zanim takie właściwości zostały uznane za prerogatywę prostych metali.

Wreszcie w 1926 roku pojawiły się pierwsze tranzystory z barierą Schottky'ego, a William Bradford Shockley w 1939 roku wprowadził teorię do tego zjawiska. W tym samym czasie Neville Francis Mot wyjaśnił zjawiska zachodzące na styku dwóch materiałów, obliczając prąd dyfuzyjny i dryf głównych nośników ładunku. Walter Schottky uzupełnił teorię, zastępując liniowe pole elektryczne tłumieniem i dodając pomysł dawców jonów znajdujących się w warstwie powierzchniowej półprzewodnika.Ładunek objętościowy w interfejsie pod warstwą metalu został nazwany na cześć naukowca.

Davydov podjął podobne próby podsumowania teorii dla istniejącego faktu w 1939 roku, ale błędnie podał czynniki ograniczające dla prądu i popełnił inne błędy. Najbardziej poprawne wnioski zostały wyciągnięte przez Hansa Albrechta Bethe'a w 1942 r., Który związał prąd z termiczną emisją nośników przez potencjalną barierę na granicy dwóch materiałów. Tak więc nowoczesna nazwa zjawiska i diody powinny być nazwiskiem ostatniego naukowca, teoria Schottky'ego ujawniła wady.

Badania teoretyczne opierają się na trudności pomiaru funkcji pracy elektronów z materiału w próżni. Nawet w przypadku chemicznie obojętnego i stabilnego metalu ze złota pewne wskazania mogą wynosić od 4 do 4,92 eV.Przy wysokiej próżni, przy braku rtęci z pompy lub filmu olejowego, uzyskuje się wartości 5,2 eV.Wraz z rozwojem technologii w przyszłości wartości są bardziej precyzyjne. Innym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie informacji o elektroujemności materiałów w celu prawidłowego przewidywania zdarzeń na granicy przejścia. Wartości te( w skali odpytywania) są znane z dokładnością 0,1 eV.Z tego, co zostało powiedziane, wynika jednoznacznie: dzisiaj nie można właściwie przewidzieć wysokości bariery za pomocą wskazanych metod, a zatem i poprawić właściwości diod Schottky'ego.

Najlepsze sposoby określania wysokości bariery Schottky'ego

Dopuszczalne jest określanie wysokości za pomocą znanego wzoru( patrz rysunek).Gdzie C jest współczynnikiem nieznacznie zależnym od temperatury. Zależność od przyłożonego napięcia Va, pomimo jego złożonego kształtu, jest uważana za prawie liniową.Kątem wykresu jest q / kT.Wysokość bariery jest określana zgodnie z wykresem lnJ versus 1 / T przy stałym napięciu. Obliczenia przeprowadza się pod kątem nachylenia.

Alternatywną metodą jest napromieniowanie przejścia metal-półprzewodnik za pomocą światła. Stosuje się następujące metody:

1. Światło przechodzi przez półprzewodnik.
2. Światło pada bezpośrednio na wrażliwy obszar fotokomórki.

Jeśli energia fotonu spada w szczelinę energii między strefą zabronioną półprzewodnika a wysokością bariery, obserwuje się emisję elektronów z metalu. Gdy parametr jest wyższy od obu tych wartości, prąd wyjściowy gwałtownie rośnie, co jest łatwo zauważalne w konfiguracji eksperymentu. Ta metoda pozwala nam ustalić, że funkcja pracy dla tego samego półprzewodnika, o różnych typach przewodności( n i p), w sumie daje szerokość zabronionej strefy materiału.

Nowym sposobem określania wysokości bariery Schottky'ego jest mierzenie pojemności złącza w zależności od zastosowanego napięcia wstecznego. Wykres pokazuje kształt linii prostej przecinającej oś odciętych w punkcie charakteryzującym żądaną wartość.Wynik eksperymentów silnie zależy od jakości przygotowania powierzchni. Badanie technologicznych metod przetwarzania pokazuje, że wytrawianie w kwasie fluorowodorowym pozostawia na warstwie krzemu warstwę filmu tlenkowego o grubości 10-20 angstremów.

Efekt starzenia jest konsekwentnie odnotowywany. Mniej charakterystyczne diody Schottky'ego powstałe przez odszczepienie kryształu. Wysokości barier różnią się dla konkretnego materiału, w niektórych przypadkach są silnie zależne od elektroujemności metali. Dla arsenku galu czynnik prawie się nie pojawia, w przypadku siarczku cynku odgrywa kluczową rolę.Ale w tym ostatnim przypadku jakość przygotowania powierzchni ma słaby wpływ, ponieważ GaAs jest to niezwykle ważne. Siarczek kadmu znajduje się w położeniu pośrednim w odniesieniu do tych materiałów.

W badaniu okazało się, że większość półprzewodników zachowuje się jak GaAs, w tym krzem. Mead tłumaczył to faktem, że na powierzchni materiału powstaje szereg formacji, w których energia elektronów leży w obszarze jednej trzeciej pasma wzbronionego ze strefy wartościowości. W rezultacie, w kontakcie z metalem, poziom Fermiego w tym drugim ma tendencję do zajmowania podobnej pozycji. Historia powtarza się z każdym przewodnikiem. Jednocześnie wysokość bariery staje się różnicą między poziomem Fermiego a krawędzią pasma przewodnictwa w półprzewodniku.

Silny wpływ elektroujemności metalu obserwuje się w materiałach z wyraźnymi wiązaniami jonowymi. Są to głównie czterowartościowa krzemionka i siarczek cynku. Fakt ten tłumaczy się brakiem formacji, które wpływają na poziom Fermiego w metalu. Podsumowując, należy dodać, że nie powstała wyczerpująca teoria na temat omawianej kwestii.

Zalety diod Schottky

Nie jest tajemnicą, że diody Schottky'ego służą jako prostowniki na wyjściu zasilaczy impulsowych. Producenci spoczywają na tym, że straty mocy i ciepła w tym przypadku są znacznie niższe. Ustalono, że spadek napięcia w bezpośrednim połączeniu diody Schottky'ego jest 1,5 - 2 razy mniejszy niż w każdym rodzaju prostownika. Spróbujmy wyjaśnić przyczynę.

Rozważ pracę normalnego skrzyżowania pn. Gdy materiały stykają się z dwoma różnymi typami przewodnictwa, dyfuzja głównych nośników zaczyna się poza granicę kontaktu, gdzie nie są już głównymi. W fizyce nazywa się to warstwą barierową.Jeśli dodatni potencjał zostanie zastosowany do n-regionu, główne nośniki elektronów natychmiast przyciągną się do wyjścia. Następnie warstwa barierowa rozszerza się, prąd nie płynie. Przy bezpośrednim włączeniu, główni nosiciele, wręcz przeciwnie, atakują warstwę barierową, gdzie aktywnie się z nią rekombinują.Przejście się otwiera, przepływy prądu.

Okazuje się, że ani otwarcie, ani zamknięcie prostej diody nie kończy się niepowodzeniem. Istnieją procesy formowania i eliminacji warstwy barierowej, która wymaga czasu. Dioda Schottky'ego zachowuje się nieco inaczej. Przyłożone napięcie stałe otwiera przejście, ale wtłaczanie otworów w n-półprzewodnik praktycznie nie występuje, bariera dla nich jest duża, jest niewiele takich nośników w metalu. Z odwrotnym włączeniem w silnie domieszkowany półprzewodnik zdolny do przepływu prądu tunelowego. Czytniki

, znane z tematu oświetlenia LED, już wiedzą, że pierwotnie w 1907 r. Henry Joseph Round dokonał odkrycia na wykrywaczu kryształów. Jest to dioda Schottky'ego w pierwszym przybliżeniu: granica metalu i węglika krzemu. Różnica polega na tym, że dzisiaj używają półprzewodników typu n i aluminium.

Dioda Schottky'ego może nie tylko świecić: do tych celów używa złącza pn. Kontakt metal-półprzewodnik nie zawsze staje się prostujący. W tym drugim przypadku nazywane jest omowym i jest zawarte w większości tranzystorów, gdzie jego pasożytnicze skutki są zbyteczne i szkodliwe. To, czym będzie przejście, zależy od wysokości schottky bariery. Przy dużych wartościach parametru, przekraczających energię temperatury, pojawiają się właściwości prostownicze. Właściwości są określane przez różnicę w funkcji pracy metalu( w próżni) i półprzewodnika lub przez powinowactwo elektronowe.

Właściwości przejścia zależą od użytych materiałów i wymiarów geometrycznych.Ładunek objętościowy w tym przypadku jest mniejszy niż wtedy, gdy stykają się dwa półprzewodniki różnych typów, co oznacza, że ​​czas przełączania jest znacznie skrócony. W typowym przypadku mieści się w przedziale od setek ps do dziesiątek ns. Dla konwencjonalnych diod jest co najmniej o rząd wielkości wyższy. Teoretycznie wygląda to na brak wzrostu poziomu bariery przy zastosowaniu odwróconego napięcia.Łatwo wyjaśnić mały spadek napięcia przez fakt, że część przejścia składa się z czystego przewodnika. Faktycznie dla urządzeń zaprojektowanych dla stosunkowo niskich napięć o wartości kilkudziesięciu woltów.

Zgodnie z właściwościami diod Schottky'ego są one szeroko stosowane w przełączaniu zasilaczy urządzeń domowych. Pozwala to zmniejszyć straty, poprawić termiczny tryb działania prostowników. Mały obszar przejścia powoduje niskie napięcia przebicia, które są nieco kompensowane przez wzrost obszaru metalizacji na krysztale, który obejmuje część obszaru izolowanego krzemionką.Ten obszar, przypominający kondensator, po ponownym włączeniu diody zubaża sąsiadujące warstwy z głównymi nośnikami ładunku, znacznie poprawiając wydajność.

Ze względu na swoją prędkość diody Schottky'ego są aktywnie wykorzystywane w układach scalonych w celu wykorzystania wysokich częstotliwości - częstotliwości pracy i synchronizacji.