Diodo Schottky

O diodo Schottky é um elemento retificador elétrico semicondutor, onde uma transição de metal-semicondutor é usada como uma barreira. Como resultado, propriedades úteis são adquiridas: alta velocidade e baixa queda de tensão na direção direta.

Da história da descoberta dos diodos Schottky

As propriedades de retificação da transição metal-semicondutor foram observadas pela primeira vez em 1874 por Ferdinand Brown usando o exemplo dos sulfetos. Passando a corrente nas direções para frente e para trás, ele notou uma diferença de 30%, que contradizia fundamentalmente a famosa lei de Ohm. Brown não pôde explicar o que estava acontecendo, mas, tendo continuado a pesquisa, descobriu que a resistência da seção era proporcional à corrente fluindo. Que também parecia incomum.

Experiências repetidas por físicos. Por exemplo, a Werner Siemens observou propriedades similares de selênio. Brown descobriu que as propriedades da estrutura aparecem mais claramente com uma pequena quantidade de contatos presos ao cristal de sulfeto. O pesquisador utilizou: fio de mola

• com pressão de 1 kg;Contato de mercúrio
• ;Almofada metalizada de cobre
• .

Assim, o diodo pontual nasceu, em 1900, impediu o nosso compatriota Popov de obter uma patente para um detector de rádio. Em seu próprio trabalho, Brown apresenta um estudo de minério de manganês( psilomelano).Pressionando os contatos no cristal com um grampo e isolando a esponja da parte que transporta corrente, o cientista obteve excelentes resultados, mas nenhum efeito foi encontrado naquele momento. Descrevendo as propriedades incomuns do sulfeto de cobre, Ferdinand marcou o início da eletrônica de estado sólido.

Para a Braun, o uso prático foi encontrado por pessoas afins. Professor Jagdish Chandra Bose anunciou em 27 de abril de 1899 a criação do primeiro detector / receptor para trabalhar em conjunto com um transmissor de rádio. Ele usou galena( óxido de chumbo) em um par com um fio simples e pegou ondas de ondas milimétricas. Em 1901, ele patenteou sua ideia.É possível que, sob a influência de rumores sobre Popov. O detector Bosch é usado no primeiro programa de rádio transatlântico de Marconi. Um tipo similar de dispositivo em um cristal de silício foi patenteado em 1906 por Greenleaf Witter Pickard.

Em seu discurso no Prêmio Nobel em 1909, Brown observou que não entendia os princípios do fenômeno descoberto por ele, mas descobriu uma série de materiais que exibiam novas propriedades. Esta é a galena acima mencionada, pirita, pirolusita, tetraedrita e vários outros. Os materiais listados atraíram a atenção por uma razão simples: eles conduziram uma corrente elétrica, embora eles fossem considerados compostos de elementos da Tabela Periódica. Antes tais propriedades eram consideradas a prerrogativa de metais simples.

Finalmente, em 1926, os primeiros transistores com uma barreira de Schottky apareceram, e William Bradford Shockley em 1939 trouxe a teoria sob o fenômeno. Ao mesmo tempo, Neville Francis Mot explicou os fenômenos ocorridos na junção dos dois materiais, calculando a corrente de difusão e a deriva dos principais transportadores de carga. Walter Schottky complementou a teoria substituindo o campo elétrico linear por um amortecimento e acrescentando uma ideia dos doadores de íons localizados na camada superficial de um semicondutor. A carga de volume na interface sob a camada de metal foi nomeada em homenagem ao cientista.

Davydov fez tentativas semelhantes para resumir a teoria do fato existente em 1939, mas forneceu incorretamente os fatores limitantes para a corrente e fez outros erros. As conclusões mais corretas foram feitas por Hans Albrecht Bethe em 1942, que ligou a corrente à emissão termiônica de portadores através de uma barreira potencial no limite de dois materiais. Assim, o nome moderno do fenômeno e diodos deve ser o nome do último cientista, a teoria de Schottky revelou falhas.

Os estudos teóricos baseiam-se na dificuldade de medir a função de trabalho dos elétrons de um material para um vácuo. Mesmo para um metal quimicamente inerte e estável de ouro, certas indicações variam de 4 a 4,92 eV.Com um alto grau de vácuo, na ausência de mercúrio de uma bomba ou filme de óleo, são obtidos valores de 5,2 eV.Com o desenvolvimento da tecnologia no futuro, os valores são previstos com maior precisão. Outra solução seria usar informações sobre a eletronegatividade de materiais para prever corretamente os eventos no limite de transição. Estes valores( na escala Polling) são conhecidos com uma precisão de 0,1 eV.Pelo que foi dito fica claro: hoje não é possível prever corretamente a altura da barreira pelos métodos indicados e, portanto, as propriedades retificantes dos diodos de Schottky.

As melhores maneiras de determinar a altura da barreira Schottky

É permitido determinar a altura pela fórmula conhecida( veja a figura).Onde C é um coeficiente ligeiramente dependente da temperatura. A dependência da tensão aplicada Va, apesar de sua forma complexa, é considerada quase linear. O ângulo do gráfico é q / kT.A altura da barreira é determinada de acordo com o gráfico de lnJ versus 1 / T a uma tensão fixa. O cálculo é realizado no ângulo de inclinação. Fórmula

Um método alternativo é irradiar a transição metal-semicondutor com luz. Os seguintes métodos são usados:

1. A luz passa pelo semicondutor.
2. A luz cai diretamente na área sensível da fotocélula.

Se a energia dos fótons cai dentro do intervalo de energia entre a zona proibida do semicondutor e a altura da barreira, a emissão de elétrons do metal é observada. Quando o parâmetro é maior do que ambos os valores, a corrente de saída aumenta acentuadamente, o que é facilmente visto na configuração experimental. Este método nos permite estabelecer que a função de trabalho para o mesmo semicondutor, com diferentes tipos de condutividade( n e p), no total dá a largura da zona proibida do material.

Um novo método para determinar a altura da barreira de Schottky é medir a capacitância de junção dependendo da voltagem reversa aplicada. O gráfico mostra a forma de uma linha reta que intercepta o eixo das abscissas no ponto que caracteriza o valor desejado. O resultado dos experimentos depende fortemente da qualidade da preparação da superfície. O estudo dos métodos de processamento tecnológico mostra que a gravação em ácido fluorídrico deixa uma camada de filme de óxido de 10 a 20 angstroms de espessura em uma amostra de silício.

O efeito do envelhecimento é consistentemente observado. Menos característica dos diodos de Schottky formados pela clivagem do cristal. Barreiras alturas diferem para um determinado material, em alguns casos, eles são fortemente dependentes da eletronegatividade dos metais. Para o arsenieto de gálio, o fator quase não aparece, no caso do sulfeto de zinco desempenha um papel crucial. Mas, no último caso, a qualidade da preparação da superfície tem um efeito fraco, pois o GaAs é extremamente importante. O sulfeto de cádmio está em uma posição intermediária em relação a esses materiais.

No estudo, descobriu-se que a maioria dos semicondutores se comporta como GaAs, incluindo o silício. Mead explicou isso pelo fato de que uma série de formações se forma na superfície do material, onde a energia do elétron se encontra na região de um terço do gap da zona de valência. Como resultado, em contato com o metal, o nível de Fermi no último tende a ocupar uma posição similar. A história se repete com qualquer guia. Ao mesmo tempo, a altura da barreira torna-se a diferença entre o nível de Fermi e a borda da banda de condução no semicondutor.

Uma forte influência da eletronegatividade do metal é observada em materiais com pronunciadas ligações iônicas. Estas são principalmente sílica tetravalente e sulfeto de zinco. Este fato é explicado pela ausência de formações que afetam o nível de Fermi no metal. Em conclusão, acrescente que uma teoria exaustiva sobre a questão em consideração hoje não é criada.

Vantagens dos diodos Schottky

Não é segredo que os diodos Schottky servem como retificadores na saída de fontes de alimentação de comutação. Os fabricantes se baseiam no fato de que a perda de energia e o calor neste caso são muito menores.É estabelecido que a queda de tensão na conexão direta no diodo Schottky é 1,5 a 2 vezes menor do que em qualquer tipo de retificador. Vamos tentar explicar o motivo.

Considere o trabalho de um pn-junção normal. Quando os materiais entram em contato com dois tipos diferentes de condutividade, a difusão dos portadores principais começa além do limite de contato, onde eles não são mais os principais. Na física, isso é chamado de camada de barreira. Se um potencial positivo é aplicado à região n, os principais portadores de elétrons serão imediatamente atraídos para a saída. Em seguida, a camada de barreira se expande, a corrente não flui. Com a inclusão direta, os principais portadores, ao contrário, atacam a camada de barreira, onde se recombinam ativamente com ela. A transição é aberta, fluxos atuais.

Acontece que nem abrir nem fechar um simples diodo falha instantaneamente. Existem processos de formação e eliminação da camada de barreira, o que requer tempo. O diodo Schottky se comporta de maneira ligeiramente diferente. A tensão direta aplicada abre a transição, mas a injeção de furos no n-semicondutor praticamente não ocorre, a barreira para eles é grande, há poucos portadores no metal. Com a inclusão reversa em um semicondutor altamente dopado capaz de fluir corrente de tunelamento. Os leitores do

, familiarizados com o tópico de iluminação por LED, já sabem que, originalmente em 1907, Henry Joseph Round fez uma descoberta em um detector de cristal. Este é um diodo de Schottky na primeira aproximação: o limite do metal e do carboneto de silício. A diferença é que hoje eles usam semicondutores do tipo n e alumínio.

O diodo Schottky não só pode brilhar: para esses propósitos, eles usam o pn-junção. O contato metal-semicondutor nem sempre se torna retificador. Neste último caso, é chamado de ôhmico e está incluído na maioria dos transistores, onde seus efeitos parasitários são supérfluos e nocivos. Qual será a transição depende da altura da barreira schottky. Em valores grandes do parâmetro, excedendo a energia da temperatura, aparecem propriedades de retificação. As propriedades são determinadas pela diferença na função de trabalho do metal( no vácuo) e semicondutor, ou por afinidade eletrônica.

As propriedades de transição dependem dos materiais utilizados e das dimensões geométricas. A carga volumétrica neste caso é menor do que quando dois semicondutores de diferentes tipos estão em contato, o que significa que o tempo de chaveamento é significativamente reduzido. Em um caso típico, ele se encaixa no intervalo de centenas de ps a dezenas de ns. Para diodos convencionais, pelo menos, uma ordem de magnitude maior. Em teoria, isso parece a ausência de um aumento no nível de barreira com uma voltagem reversa aplicada.É fácil explicar a pequena queda de tensão pelo fato de que parte da transição é composta de um condutor puro. Real para dispositivos projetados para tensões relativamente baixas de dezenas de volts.

De acordo com as propriedades dos diodos Schottky, elas são amplamente utilizadas na troca de fontes de alimentação para eletrodomésticos. Isso permite reduzir as perdas, melhorar o modo térmico de operação dos retificadores. A pequena área da transição causa baixas tensões de ruptura, o que é ligeiramente compensado por um aumento na área de metalização no cristal, que engloba uma parte da região isolada de sílica. Esta área, semelhante a um capacitor, quando o diodo é ligado novamente, empobrece as camadas adjacentes com os principais portadores de carga, melhorando significativamente o desempenho.

Devido à sua velocidade, os diodos Schottky são usados ​​ativamente em circuitos integrados destinados a usar altas frequências - freqüências de operação e sincronização.