Устройство, принцип действия, условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика диода

Титульный лист
СОДЕРЖАНИЕ
1. Устройство, принцип действия, условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика диода Шоттки………………………………...3
2.Эффект Шоттки………………………………………………………………..10
1. Устройство, принцип действия, условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика диода ШотткиДио́д Шо́ттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В специальной литературе часто используется более полное название — Диод с барьером Шоттки.
В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n-переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n-перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n-переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, то есть они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной ёмкостью.
Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), реже — на основе германия (Ge). Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода Шоттки. В первую очередь — это величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе металл-полупроводник. При использовании диода Шоттки в качестве детектора она определяет его чувствительность, а при использовании в смесителях — необходимую мощность гетеродина. Поэтому чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2…0,9 эВ.
Огромное количество диодов Шоттки изготавливаются по планарной технологии с  эпитаксиальным n-слоем, на поверхности которого создают оксидный слой, в котором образуются окна для формирования барьера. В роли последнего используются такие металлы: молибден, титан, платина, никель. По всей площади контактной области формируется кольцо кремния р-типа (рисунок 1а), которое будет служить уменьшением краевых токов утечки. Также конструкция, приведенная на рисунке 1б, обладает повышенной устойчивостью к действию разряда статического электричества. Это следует из принципа работы, который заключается в том, что объемные токи утечки замыкаются на обедненной области р-n-перехода, тем самым уменьшая электрическое поле на границе раздела металл-полупроводник при прямом смещении, области пространственного р-n-переходов имеют минимальную ширину, и вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода близка к ВАХ типовой конструкции диода.
Рисунок 1 а,б – Структура диода ШотткиДопустимое обратное напряжение выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 вольтами (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяются в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц — нескольких десятков вольт.
Устройство диода Шоттки имеет отличие от других элементов того же назначения использованием барьером в виде перехода между металлом и полупроводником. У аналогов обычно работает с этой же целью p-n переход. Так в первом случае имеется односторонняя электропроводность. В зависимости от того, какой конкретно металл выбран для перехода в элементе, различаются и характеристики элемента. Чаще всего выбирается кремний, возможно применение арсенида галлия. Реже могут применяться сплавы вольфрама, платины и других материалов.
Кремний — самый распространенный и надежный элемент в диодах Шоттки, с ним конструкция надежно работает в условиях высокой мощности. Изделие стабильнее в работе, чем другие полупроводниковые аналоги, а простота изготовления и устройства диода Шоттки делают его очень доступным вариантом.
Принцип работы диода Шоттки основан на особенностях барьера. Эффект Шоттки при контакте компонентов, из которых выполнен непосредственно полупроводник и металл заключается в образовании бедного электронами участка. Последний имеет вентильные характеристики, аналогичные p-n взаимодействию. Контактный слой останавливает носителей заряда. По сравнению с другими типами полупроводниковых вентилей такое решение обладает:
минимальным обратным током;
стремящейся к нулю собственной емкостью;
обратным напряжением самой низкой допустимой величины;
при прямом включении — меньшим снижением напряжения (до 0.5 В в сравнении с 2-3 В в случае аналога).
В переходной зоне нет лишних носителей заряда. Благодаря этому там не возникают диффузии и рекомбинации, что наблюдается в контактных слоях p-n перехода. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами.
На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так (рисунок 2):
Рисунок 2 – Диод Шоттки на схемах
Кроме такого обозначения, на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (рисунок 3):
Рисунок 3 – Сдвоенный диод ШотткиСдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.
Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.
Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.
К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.
К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.
В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.
Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.
Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых приборов:
МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временны́ми характеристиками (так как представляет собой обычный диод на p-n переходе, образуемый областями стока и подложкой, объединённой с истоком), использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни килогерц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.
Так называемые ORing-диоды и ORing-сборки — силовые диоды и диодные сборки, применяемые для объединения параллельных источников питания общей нагрузки в устройствах повышенной надёжности (логическое ИЛИ по питанию). Отличаются особо низким, нормируемым прямым падением напряжения. Например, специализированный миниатюрный диод MBR140 (30 В, 1 А) при токе 100 мА имеет прямое падение напряжения не более 360 мВ при +25 °C и 300 мВ при +85 °C. ORing-диоды характеризуются относительно большой площадью p-n-перехода и низкими удельными плотностями тока.
Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, смещенного в прямом направлении, определяется формулой 1:
(1)
которая по форме совпадает с ВАХ р-n-перехода, однако ток  J0  гораздо выше, чем Js (типовые значения диода Шоттки Al-Si при 25 С J0 = 1.6 *10-5А/см2, а для р-n-перехода при Nd=Na=1016А/см3, Js=10-10А/см2)
При прямом смещении диода Шоттки к прямому падению напряжения на переходе добавляется напряжение на самом полупроводнике. Сопротивление этой области содержит две составляющие:  сопротивление слаболегированной эпитаксиальной пленки (n—) и сопротивление сильнолегированной подложки (n+). Для диода Шоттки с низким допустимым напряжением (менее 40 В) эти два сопротивления оказываются одного порядка, поскольку n+ область значительно длиннее (n—) области (примерно 500 и 5 мкм, соответственно). Общее сопротивление кремния площадью 1 см2 составляет в таком случае   от 0,5 до 1 мОм, создавая падение напряжения в полупроводнике от 50 до 100 мВ при токе 100А.
Если диод Шоттки выполняется на допустимое обратное напряжение более 40 В, сопротивление слаболегированной области возрастает очень быстро, поскольку для создания более высокого напряжения требуется более протяженная слаболегированная область и еще более низкая концентрация носителей. В результате оба фактора приводят к возрастанию сопротивления (n—) области диода.
2. Эффект ШотткиЭмиссии электронов из металла препятствует потенциальный барьер, образованный из электрических сил изображения. Снижение этого барьера по мере увеличения прилагаемого внешнего электрического поля называется эффектом Шоттки. Рассмотрим сначала систему металл-вакуум. Минимальная энергия, которую необходимо передать электрону на уровне Ферми чтобы он покинул металл, называется работой выхода qφm (φm измеряется в электронвольтах). Для типичных металлов величина qφm колеблется в районе 2-6 эВ и чувствительна к загрязнению поверхности.
Электрон, который находится в условиях вакуума на некотором расстоянии x от поверхности металла, индуцирует на поверхности положительный заряд. Сила притяжения между электроном и этим индуцированным поверхностным зарядом равна по величине силе притяжения к эффективному положительному заряду + q, который называют зарядом изображения. Эта сила, которая также называется силой изображения, равна:
где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Работа, которую нужно совершить чтобы переместить электрон из бесконечности в точку x, равна:
Эта работа отвечает потенциальной энергии электрона на расстоянии x от поверхности. Зависимость W(x), обычно изображается на диаграммах прямой линией.
Если в системе есть внешнее электрическое поле E, то потенциальная энергия электрона WP будет равна сумме:
эВ.
Снижение барьера Шоттки Δφ и расстояние xm, при котором величина потенциала достигает максимума, определяется из условия . Откуда находим:
см,
В.
Из этих уравнений находим значение снижения барьера и расстояние: Δφ = 0,12 В, xm = 60 При E = 105 1/см и Δφ = 1,2 В, xm = 10 При E = 107 В/см. В результате, сильное электрическое поле вызывает значительное снижение барьера Шоттки. Вследствие этого эффективная работа выхода из металла для термоэлектронной эмиссии qφB уменьшается.
Полученные выше результаты могут быть перенесены на системы металл-полупроводник. В данном случае электрическое поле E заменяется полем в полупроводнике вблизи границы раздела (где он достигает своего максимального значения), а диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 заменяется диэлектрической проницаемостью полупроводника (εs), то есть:
Значение (εs) может отличаться от статической диэлектрической проницаемости полупроводника. Это связано с тем, что если время пролёта электрона от поверхности раздела металл-полупроводник в точку xm (xm — точка, где потенциальная энергия достигает своего максимальному значению) меньше времени диэлектрической релаксации полупроводника, то последний не успевает поляризоваться. Поэтому экспериментальные значение диэлектрической проницаемости могут быть меньшими статической (низкочастотной) проницаемости. В кремнии эти величины практически совпадают между собой.
Эффективная диэлектрическая проницаемость ∈s∈0 для контакта золото-кремний определённая по результатам фотоэлектрических измерений. На практике имеем, что эффективная диэлектрическая проницаемость сил изображения находится в диапазоне 11,5 - 12,5. При ∈s∈0 = 12 расстояние xm меняется от 10 до 50А в диапазоне изменений электрического поля около E=103 * 105 В/см.
Если учесть, что скорость носителей около 107 см/с, их время пролёта будет 10-14 – 5*10-14с. Оказывается, что диэлектрическая проницаемость, полученная при учёте силы изображения, близко к значений проницаемости (~12) для электромагнитного излучения соответствующих частот (с длиной волны 3-15 мкм). Поскольку диэлектрическая проницаемость кремния практически постоянна в диапазоне частот от нуля, соответствующей длине волны λ = 1, в пролёта электрона через обеднённый слой решётка успевает поляризоваться. Поэтому значение диэлектрической проницаемости, полученные в фотоэлектрических и оптических опытах, близки друг к другу. Германий и арсенид галлия имеют аналогичные частотные зависимости диэлектрической проницаемости. Поэтому можно предположить, что в случае этих полупроводников значение диэлектрической проницаемости, определяющего силы изображения, в указанном выше интервале полей примерно совпадает со статичными значениями.
Эффект Шоттки используется в полупроводниковой технике и реализован в т. н. диодах Шоттки, имеющих высокие частотные характеристики.