Schottky diode

Schottky diode är ett halvledarelektrisk likriktarelement, där en metall-halvledarövergång används som en barriär. Som ett resultat erhålls användbara egenskaper: hög hastighet och lågspänningsfall i framriktningen.

Från historien om upptäckten av Schottky-dioder

De likriktande egenskaperna hos metall-halvledarövergången observerades först 1874 av Ferdinand Brown med användning av sulfidexemplet. Passerade strömmen framåt och bakåt, noterade han en skillnad på 30%, vilket fundamentalt motsatte sig Ohms berömda lag. Brown kunde inte förklara vad som hände, men efter att ha fortsatt forskningen fann han att motståndet i sektionen var proportionellt mot det nuvarande flödet. Som också såg ovanligt.

Experiment upprepade av fysiker. Till exempel noterade Werner Siemens liknande egenskaper hos selen. Brown fann att strukturens egenskaper framträdde tydligast med en liten mängd kontakter bundna till sulfidkristallen. Forskaren använde:

• fjäderbelastad tråd med ett tryck på 1 kg;
• -kvicksilverkontakt;
• koppar metalliserad kudde.

Så att punktdioden föddes, hindrade 1919 vår landsmanna Popov att ta patent på en radiodetektor. I sitt eget arbete presenterar Brown en studie av manganmalm( psilomelan).Genom att trycka kontakterna i kristallen med en klämma och isolera svampen från den strömbärande delen, fick forskaren goda resultat men ingen effekt hittades. Beskrivande de ovanliga egenskaperna hos kopparsulfid, Ferdinand markerade början av solid state electronics.

För Braun användes praktiska användningen av likasinnade personer. Professor Jagdish Chandra Bose meddelade den 27 april 1899 skapandet av den första detektorn / mottagaren för att fungera i samband med en radiosändare. Han använde galena( blyoxid) i ett par med en enkel tråd och fångade millimetervågvågor.1901 patenterade han sitt hjärnbarn. Det är möjligt att under inverkan av rykten om Popov. Boschdetektorn används i Marconis första transatlantiska radioprogram. En liknande typ av anordning på en kiselkristall patenterades 1906 av Greenleaf Witter Pickard.

I sitt tal vid Nobelpriset 1909 noterade Brown att han inte förstod principerna för det fenomen som han upptäckte men upptäckte ett antal material som uppvisade nya egenskaper. Detta är ovan nämnda galena, pyrit, pyrolusit, tetrahedrit och ett antal andra. De listade materialen uppmärksammades av en enkel anledning: de utförde en elektrisk ström, även om de ansågs föreningar av element i det periodiska systemet. Innan sådana egenskaper betraktades som prerogativet av enkla metaller.

Slutligen, 1926, uppträdde de första transistorerna med en Schottky-barriär, och William Bradford Shockley 1939 tog teorin under fenomenet. Samtidigt förklarade Neville Francis Mot de fenomen som förekommer vid korsningen av de två materialen, beräknar diffusionsströmmen och driften hos huvudladdningsbärarna. Walter Schottky kompletterade teorin genom att ersätta det linjära elektriska fältet med en dämpning och lägga till en uppfattning om jondonorerna som ligger i ytskiktet hos en halvledare. Volymladdningen vid gränssnittet under metallskiktet namngav forskaren.

Davydov gjorde liknande försök att sammanfatta teorin för det befintliga faktum 1939, men gav felaktigt de begränsande faktorerna för dagens och gjorde andra fel. De mest korrekta slutsatserna gjordes av Hans Albrecht Bethe 1942, som kopplade strömmen till termiska utsläpp av bärare genom ett potentiellt hinder vid gränsen för två material. Således bör fenomenets och diodernas moderna namn vara den sista forskarens namn, Schottky-teorin avslöjade brister.

Teoretiska studier ligger på svårigheten att mäta arbetsfunktionen hos elektroner från ett material till ett vakuum.Även för en kemiskt inert och stabil metall av guld varierar vissa indikationer från 4 till 4,92 eV.Med en hög grad av vakuum, i frånvaro av kvicksilver från en pump eller oljefilm, erhålles värden på 5,2 eV.Med framtidens utveckling av tekniken förutses värdena mer exakt. En annan lösning skulle vara att använda information om materialens elektronegativitet för att korrekt förutsäga händelser vid övergångsgränsen. Dessa värden( på pollningsskalan) är kända med en noggrannhet av 0,1 eV.Från det som sagts är det tydligt: ​​idag är det inte möjligt att korrekt beräkna barriärens höjd med de angivna metoderna och därigenom likriktningsegenskaperna hos Schottky-dioder.

De bästa sätten att bestämma höjden på Schottky-barriären

Det är tillåtet att bestämma höjden med den kända formeln( se figur).Där C är en koefficient som är något beroende av temperatur. Beroendet av den applicerade spänningen Va, trots sin komplexa form, anses nästan linjär. Vinkeln på grafen är q / kT.Barriärhöjden bestäms enligt plot av lnJ mot 1 / T vid en fast spänning. Beräkningen utförs på lutningsvinkeln.

Beräkningar En alternativ metod är att bestråla metall-halvledarövergången med ljus. Följande metoder används:

1. Ljuset passerar genom halvledaren.
2. Ljuset faller direkt på fotocellens känsliga område.

Om fotonenergin faller inom energiklyftan mellan halvledarens förbjudna zon och barriärens höjd, observeras elektronutsläpp från metallen. När parametern är högre än båda dessa värden stiger utströmmen kraftigt, vilket lätt kan påpekas i inställningen för experimentet. Denna metod tillåter oss att fastställa att arbetsfunktionen för samma halvledare, med olika typer av ledningsförmåga( n och p) totalt ger bredden av materialets förbjudna zon.

En ny metod för att bestämma höjden på Schottky-barriären är att mäta klyftkapacitansen beroende på den applicerade backspänningen. Diagrammet visar formen av en rak linje som skär abscissaaxeln vid den punkt som karakteriserar önskat värde. Resultatet av experimenten beror starkt på ytbehandlingens kvalitet. Studien av tekniskt bearbetningsmetoder visar att etsningen i fluorvätesyror lämnar ett lager av oxidfilm 10-20 ångar tjocka på ett kiselprov.

Den åldrande effekten är konsekvent noterad. Mindre karaktäristiska för Schottky dioder bildade genom att klyva kristallen. Barriärhöjder skiljer sig åt ett visst material, i vissa fall är de starkt beroende av metallernas elektronegativitet. För galliumarsenid förefaller faktorn nästan inte, i fallet med zinksulfid spelar en avgörande roll. Men i det senare fallet har kvaliteten på ytbehandlingen en svag effekt, för GaAs är detta extremt viktigt. Kadmiumsulfid ligger i ett mellanläge med avseende på dessa material.

I studien visade sig att de flesta halvledare beter sig som GaAs, inklusive kisel. Mead förklarade detta genom det faktum att en serie formationer bildas på ytan av materialet, där elektronenergin ligger i en tredjedel av bandgapet från valenszonen. Som ett resultat, i kontakt med metallen tenderar Fermi-nivån i den senare att uppta en liknande position. Historien upprepar sig med någon guide. Samtidigt blir barriärhöjden skillnaden mellan Fermi-nivån och kanten på ledningsbandet i halvledaren.

. Ett starkt inflytande av metallens elektronegativitet observeras i material med uttalade jonbindningar. Dessa är främst tetravalent kiseldioxid och zinksulfid. Detta faktum förklaras av avsaknaden av formationer som påverkar Fermi-nivån i metallen. Sammanfattningsvis lägg till att en uttömmande teori om det aktuella problemet i dag inte skapas.

Fördelar med Schottky Diodes

Det är ingen hemlighet att Schottky-dioder fungerar som likriktare vid utgången av strömbrytare. Tillverkare vilar på det faktum att strömförlust och värme i detta fall är mycket lägre. Det är uppenbart att spänningsfallet i den direkta anslutningen på Schottky-dioden är 1,5-2 gånger mindre än i någon typ av likriktare. Låt oss försöka förklara orsaken.

Tänk på arbetet med en normal pn-korsning. När material kommer i kontakt med två olika typer av konduktivitet, börjar diffusionen av huvudbärarna bortom kontaktgränsen, där de inte längre är de viktigaste. I fysiken kallas detta barriärskiktet. Om en positiv potential appliceras på n-regionen, kommer de huvudsakliga elektronbärarna omedelbart att lockas till utgången. Då expanderar barriärskiktet, strömmen strömmar inte. Med direkt inklusion attackerar huvudbärarna tvärtom barriärskiktet, där de aktivt rekombineras med den.Övergången öppnas, nuvarande flöden.

Det visar sig att varken öppna eller stänga en enkel diod direkt misslyckas. Det finns processer för bildande och eliminering av barriärskiktet, vilket kräver tid. Schottky-dioden beter sig något annorlunda. Den applicerade likspänningen öppnar övergången, men injektionen av hål i n-halvledaren uppträder praktiskt taget, barriären för dem är stor, det finns få sådana bärare i metallen. Med omvänd införlivning i en kraftigt dopad halvledare som kan strömma tunnlingsströmmen.

Läsare, bekanta med ämnet LED-belysning, vet redan att, ursprungligen 1907, gjorde Henry Joseph Round en upptäckt på en kristalldetektor. Detta är en Schottky-diod i den första approximationen: gränsen för metallen och kiselkarbid. Skillnaden är att de idag använder n-typ halvledare och aluminium.

Schottky-dioden kan inte bara glöda: för dessa ändamål använder de pn-korsning. Metall-halvledarkontakten blir inte alltid rättande. I det senare fallet kallas det ohmiskt och ingår i de flesta transistorer, där dess parasitiska effekter är överflödiga och skadliga. Vad övergången kommer att vara beror på höjden på schottky barriären. Vid stora värden av parametern, som överskrider temperaturenergin, visas likriktningsegenskaper. Egenskaper bestäms av skillnaden i metallets arbetsfunktion( i vakuum) och halvledare, eller genom elektronaffinitet.

Övergångsegenskaperna beror på materialet och de geometriska dimensionerna. Volymavgiften i detta fall är mindre än när två halvledare av olika slag är i kontakt, vilket innebär att omkopplingstiden minskas betydligt. I ett vanligt fall passar det i intervallet från hundratals ps till tiotals ns. För konventionella dioder är åtminstone en storleksordning högre. I teorin ser det ut som om det inte finns en ökning av barriärnivån med en applicerad backspänning. Det är lätt att förklara det lilla spänningsfallet genom att en del av övergången består av en ren ledare. Faktiskt för anordningar konstruerade för relativt låga spänningar av tiotals volt.

Enligt egenskaperna hos Schottky-dioder används de i stor utsträckning vid byte av strömförsörjning för hushållsapparater. Detta möjliggör att minska förluster, förbättra det termiska driftsättet för likriktare. Det lilla området för övergången medför låga nedbrytningsspänningar, vilket är något kompenserat av en ökning i metalliseringsområdet på kristallen, vilket omfattar en del av den kiseldioxidisolerade regionen. Detta område, som liknar en kondensator, när dioden sätts på igen, förarmar intilliggande lager med huvudladdningsbärare, vilket förbättrar prestanda avsevärt.

På grund av sin hastighet används Schottky-dioder aktivt i integrerade kretsar som syftar till att använda högfrekvenser - drift- och synkroniseringsfrekvenser.