Schottky-diode

Schottky-diode is een halfgeleider elektrisch gelijkrichterelement, waarbij een metaal-halfgeleiderovergang als een barrière wordt gebruikt. Dientengevolge worden nuttige eigenschappen verkregen: hoge snelheid en lage spanningsval in de voorwaartse richting.

Uit de geschiedenis van de ontdekking van Schottky-diodes

De gelijkrichtende eigenschappen van de overgang tussen metaal en halfgeleider werden voor het eerst waargenomen in 1874 door Ferdinand Brown met behulp van het voorbeeld van sulfiden. Door de stroom in voorwaartse en achterwaartse richting door te geven, noteerde hij een verschil van 30%, wat fundamenteel in tegenspraak was met de beroemde wet van Ohm. Brown kon niet uitleggen wat er aan de hand was, maar nadat hij het onderzoek had voortgezet, ontdekte hij dat de weerstand van de sectie evenredig was aan de stroming. Wat ook ongebruikelijk leek.

Experimenten herhaald door natuurkundigen. Werner Siemens merkte bijvoorbeeld vergelijkbare eigenschappen van selenium op. Brown vond dat de eigenschappen van de structuur het duidelijkst lijken met een kleine hoeveelheid contacten die aan het sulfidekristal zijn bevestigd. De onderzoeker gebruikte:

• veerbelaste draad met een druk van 1 kg;
• kwikcontact;
• koperen gemetalliseerde pad.

Dus de puntdiode was geboren, in 1900 verhinderde onze landgenoot Popov om patent te nemen op een radiodetector. In zijn eigen werk presenteert Brown een onderzoek naar mangaanerts( psilomelaan).Door de contacten met een klem tegen het kristal te drukken en de spons te isoleren van het stroomvoerende deel, behaalde de wetenschapper uitstekende resultaten, maar op dat moment werd er geen effect gevonden. De Ferdinand beschrijft de ongebruikelijke eigenschappen van kopersulfide en markeerde het begin van solid-state elektronica.

Voor Braun is praktisch gebruik gevonden door gelijkgestemde mensen. Professor Jagdish Chandra Bose kondigde op 27 april 1899 de oprichting aan van de eerste detector / ontvanger om te werken in combinatie met een radiozender. Hij gebruikte galena( loodoxide) in een paar met een eenvoudige draad en ving millimetergolfgolven. In 1901 patenteerde hij zijn geesteskind. Het is mogelijk dat onder invloed van geruchten over Popov. De Bosch-detector wordt gebruikt in het eerste transatlantische radioprogramma van Marconi. Een soortgelijk apparaat op een siliciumkristal werd gepatenteerd in 1906 door Greenleaf Witter Pickard.

In zijn toespraak tot de Nobelprijs in 1909 merkte Brown op dat hij de principes van het door hem ontdekte fenomeen niet begreep, maar hij ontdekte een aantal materialen met nieuwe eigenschappen. Dit is de eerder genoemde galena, pyriet, pyrolusiet, tetrahedriet en een aantal andere. De opgesomde materialen trokken om een ​​eenvoudige reden de aandacht: ze voerden een elektrische stroom, hoewel ze werden beschouwd als verbindingen van elementen uit het periodiek systeem. Voordat dergelijke eigenschappen werden beschouwd als het voorrecht van eenvoudige metalen.

Uiteindelijk, in 1926, verschenen de eerste transistors met een Schottky-barrière en William Bradford Shockley bracht in 1939 de theorie onder het fenomeen. Tegelijkertijd verklaarde Neville Francis Mot de verschijnselen die zich voordeden op de kruising van de twee materialen, de diffusiestroom en de drift van de belangrijkste ladingsdragers berekenend. Walter Schottky vulde de theorie aan door het lineaire elektrische veld te vervangen door een demping en een idee toe te voegen van de ionendonoren in de oppervlaktelaag van een halfgeleider. De volumelading op de interface onder de metaallaag is vernoemd naar de wetenschapper.

Davydov deed soortgelijke pogingen om de theorie voor het bestaande feit in 1939 samen te vatten, maar gaf ten onrechte de beperkende factoren voor de stroom en maakte andere fouten. De meest correcte conclusies zijn gemaakt door Hans Albrecht Bethe in 1942, die de stroom heeft gekoppeld aan de thermionische emissie van dragers via een potentiële barrière op de grens van twee materialen. Dus de moderne naam van het fenomeen en de diodes zou de naam van de laatste wetenschapper moeten zijn, de Schottky-theorie onthulde tekortkomingen.

Theoretische studies berusten op de moeilijkheid om de werkfunctie van elektronen uit een materiaal in een vacuüm te meten. Zelfs voor een chemisch inert en stabiel metaal van goud, variëren bepaalde indicaties van 4 tot 4,92 eV.Met een hoge mate van vacuüm, bij afwezigheid van kwik uit een pomp of oliefilm, worden waarden van 5,2 eV verkregen. Met de ontwikkeling van technologie in de toekomst worden de waarden nauwkeuriger voorzien. Een andere oplossing zou zijn om informatie over de elektronegativiteit van materialen te gebruiken om gebeurtenissen op de overgangsgrens correct te voorspellen. Deze waarden( op de Polling-schaal) zijn bekend met een nauwkeurigheid van 0,1 eV.Van wat gezegd is, is het duidelijk: vandaag is het niet mogelijk om de hoogte van de barrière correct te voorspellen met de aangegeven methoden en daarmee de rectificerende eigenschappen van Schottky-diodes.

De beste manieren om de hoogte van de Schottky-barrière te bepalen

Het is toegestaan ​​om de hoogte te bepalen volgens de bekende formule( zie figuur).Waarbij C een coëfficiënt is die enigszins afhankelijk is van de temperatuur. De afhankelijkheid van de aangelegde spanning Va, ondanks zijn complexe vorm, wordt als bijna lineair beschouwd. De hoek van de grafiek is q / kT.De barrièrehoogte wordt bepaald volgens de grafiek van lnJ versus 1 / T op een vaste spanning. Berekening wordt uitgevoerd op de hellingshoek.

-berekeningen Een alternatieve methode is om de metaal-halfgeleiderovergang met licht te bestralen. De volgende methoden worden gebruikt:

1. Het licht passeert de halfgeleider.
2. Het licht valt direct op het gevoelige gebied van de fotocel.

Als de foton energie wordt in de spleet tussen de energie bandspleet van de halfgeleider en de barrièrehoogte waargenomen emissie van elektronen van het metaal. Wanneer de parameter hoger is dan deze beide waarden, stijgt de uitgangsstroom sterk, wat eenvoudig merkbaar is bij de instelling van het experiment. Deze methode maakt het mogelijk vast te stellen dat voor hetzelfde werkfunctie van een halfgeleider, met verschillende geleidingstypen( n en p), op tot een breedte van de verboden band van het materiaal.

Een nieuwe methode voor het bepalen van de hoogte van de Schottky-barrière is het meten van de junctiecapaciteit, afhankelijk van de toegepaste omgekeerde spanning. De grafiek toont de vorm van een rechte lijn die de abscisas snijdt op het punt dat de gewenste waarde kenmerkt. Het resultaat van de experimenten is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de oppervlaktevoorbereiding. De studie van technologische verwerkingsmethoden laat zien dat het etsen in waterstoffluoride een laag oxidelaag met een dikte van 10 - 20 angstrom op een siliciummonster laat.

Het verouderingseffect wordt consequent genoteerd. Minder kenmerkend voor Schottky-dioden gevormd door het splitsen van het kristal. Barrièrehoogten verschillen voor een bepaald materiaal, in sommige gevallen zijn ze sterk afhankelijk van de elektronegativiteit van metalen. Voor galliumarsenide speelt de factor bijna niet, in het geval van zinksulfide speelt een cruciale rol. Maar in het laatste geval heeft de kwaliteit van de oppervlaktevoorbereiding een zwak effect, voor GaAs is dit uitermate belangrijk. Cadmiumsulfide bevindt zich in een tussenpositie ten opzichte van deze materialen.

In de studie bleek dat de meeste halfgeleiders zich gedragen als GaAs, inclusief silicium. Mead verklaarde dit door het feit dat een reeks formaties op het oppervlak van het materiaal wordt gevormd, waarbij de elektronenenergie in het gebied van een derde van de bandafstand van de valentiezone ligt. Dientengevolge, in contact met het metaal, neigt het Fermi-niveau in de laatste ertoe een vergelijkbare positie in te nemen. De geschiedenis herhaalt zich met elke gids. Tegelijkertijd wordt de barrièrehoogte het verschil tussen het Fermi-niveau en de rand van de geleidingsband in de halfgeleider.

Een sterke invloed van de elektronegativiteit van het metaal wordt waargenomen in materialen met uitgesproken ionische bindingen. Dit zijn voornamelijk tetravalent silica en zinksulfide. Dit feit wordt verklaard door de afwezigheid van formaties die het Fermi-niveau in het metaal beïnvloeden. Tot slot, voeg eraan toe dat er geen exhaustieve theorie over het onderwerp dat vandaag wordt besproken, is gecreëerd.

voordelen van Schottky diodes

algemeen bekend dat Schottky diodes gelijkrichter uitgangspuls voedingen. Fabrikanten berusten op het feit dat vermogensverlies en hitte in dit geval veel lager zijn. Vast staat dat de spanningsval in de directe aansluiting op de Schottky-diode 1,5 - 2 keer minder is dan in gelijk welk type gelijkrichter. Laten we de reden proberen uit te leggen.

Beschouw het werk van een normale pn-overgang. Wanneer materialen in contact komen met twee verschillende soorten geleidbaarheid, begint de diffusie van de hoofddragers voorbij de contactgrens, waar ze niet langer de belangrijkste zijn. In de natuurkunde wordt dit de barrièrelaag genoemd. Als een positief potentieel wordt toegepast op het n-gebied, zullen de hoofdelektrodendragers direct worden aangetrokken door de uitvoer. Vervolgens expandeert de barrièrelaag, stroomt de stroom niet. Bij directe inclusie vallen de hoofddragers daarentegen de barrièrelaag aan, waar ze actief daarmee recombineren. De overgang wordt geopend, huidige stroomt.

Het blijkt dat noch een open, noch een eenvoudige diode direct faalt. Er zijn processen van vorming en eliminatie van de barrièrelaag, die tijd vereist. De Schottky-diode gedraagt ​​zich iets anders. De toegepaste gelijkspanning opent de overgang, maar de injectie van gaten in de n-halfgeleider vindt praktisch niet plaats, de barrière daarvoor is groot, er zijn weinig dergelijke dragers in het metaal. Met de omgekeerde opname in een zwaar gedoteerde halfgeleiders kan tunneling stroom vloeien.

Lezers, bekend met het onderwerp LED-verlichting, weten al dat Henry Joseph Round, oorspronkelijk in 1907, een ontdekking deed op een kristaldetector. Dit is een Schottky-diode in de eerste benadering: de grens van het metaal en siliciumcarbide. Het verschil is dat ze tegenwoordig n-type halfgeleiders en aluminium gebruiken.

Schottky-diode kan niet alleen gloeien: voor deze doeleinden gebruiken ze pn-junction. Het metaal-halfgeleidercontact wordt niet altijd gelijkgericht. In het laatste geval wordt het ohms genoemd en is het opgenomen in de meeste transistors, waar de parasitaire effecten overbodig en schadelijk zijn. Wat de overgang zal zijn, hangt af van de hoogte van de schottky-barrière. Bij grote waarden van de parameter die de temperatuursenergie overschrijden, verschijnen er rectificerende eigenschappen. Eigenschappen worden bepaald door het verschil in de werkfunctie van het metaal( in vacuüm) en halfgeleider, of door elektronenaffiniteit.

De overgangseigenschappen zijn afhankelijk van de gebruikte materialen en de geometrische afmetingen. De volumelading is in dit geval minder dan wanneer twee halfgeleiders van verschillende typen in contact zijn, wat betekent dat de schakeltijd aanzienlijk wordt verkort. In een typisch geval past het in het bereik van honderden ps tot tientallen ns. Voor conventionele diodes minstens een orde van grootte hoger. In theorie lijkt dit op de afwezigheid van een verhoging van het barrière-niveau met een toegepaste omgekeerde spanning. Het is eenvoudig om de kleine spanningsdaling te verklaren door het feit dat een deel van de overgang bestaat uit een zuivere geleider. Werkelijk voor apparaten die zijn ontworpen voor relatief lage spanningen van tientallen volt.

Volgens de eigenschappen van Schottky-diodes worden ze veel gebruikt in schakelende voedingen voor huishoudelijke apparaten. Dit maakt het mogelijk verliezen te verminderen, de thermische werkingsmodus van gelijkrichters te verbeteren. Het kleine gebied van de overgang veroorzaakt lage doorslagspanningen, hetgeen enigszins wordt gecompenseerd door een toename in het metallisatiegebied op het kristal, dat een deel van het siliciumoxide-geïsoleerde gebied omvat. Dit gebied, dat lijkt op een condensator, verlaagt, wanneer de diode weer wordt ingeschakeld, aangrenzende lagen met hoofdladingsdragers, waardoor de prestaties aanzienlijk worden verbeterd.

Vanwege hun snelheid worden Schottky-diodes actief gebruikt in geïntegreerde schakelingen die zijn gericht op het gebruik van hoge frequenties - werkings- en synchronisatiefrequenties.