Глава 3. Применение диодов Шоттки

Глава 1. Диоды.

Дио́д (от др.-греч. δις[1] — два и -од[2] означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов, ниже перечислены некоторые из них. Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80 , кремниевые до 120-150 , арсенид-галлиевые до 150 .

Основные параметры выпрямительных диодов: максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности; средний выпрямленный ток; пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса; среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока; средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях; дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

 

 

Глава 2. Диод Шоттки

Диод Шоттки – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником

Эффект Шотки возникает при контакте металла с полупроводниковым материалом. В самых старых диодах (точечных) использовалось металлическое остриё. В металле при его соприкосновении с полупроводником образуется область пространственного заряда, что позволяет току течь в одном направлении, но не пропускает его в другом. Диоды Шотки являются развитием этой технологии. Современные диоды Шотки имеют структуру, изображённую на Рис.1

Рис.1 Структура современного диода Шоттки

 

 

Выпрямительный переход создаётся слоем металла (обычно золота, платины, алюминия или палладия), нанесённого на поверхность слаболегированного полупроводника. Применяемый металл и уровень легирования влияют на характеристики выпрямления. Свойство выпрямления возникает вследствие разности энергетических уровней материалов. Тыльная сторона полупроводника легируется сильнее, а контакт с обратной стороны называется омическим, так как энергетические уровни материалов очень близки, и область контакта по своим свойствам напоминает резистор. Ток течёт через диод Шотки вследствие того, что под воздействием прямого напряжения смещения p-n-перехода электроны в металле преодолевают потенциальный барьер. Поэтому диоды Шоттки называются также диодами с «горячими» носителями заряда.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис 2. Схема контакта металл - полупроводник (а) и его энергетическая диаграмма при нулевом (б), прямом (г) и обратном (д) смещении

 

Рассмотрим особенности работы диода с барьером Шоттки на основе контакта металла с полупроводником n-типа для случая, когда работа выхода металла больше, чем работа выхода полупроводника (Рис 2 а). При образовании контакта электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. При этом полупроводник оказывается заряженным положительно, а возникающее внутреннее электрическое поле препятствует переходу электронов в металл. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов Uк=Aп-Ам (Ап и Ам работа выхода полупроводника и металла соответственно).

Благодаря разности работ выхода металла и полупроводника между ними происходит обмен электронами. Электроны из полупроводника, имеющего меньшую работу выхода, переходят в металл с большей работой выхода. В равновесном состоянии (рис. 2 а) металл заряжается отрицательно, в результате чего возникает электрическое поле, прекращающее однородный переход электронов.

Из-за резкого различия концентраций свободных электронов по обе стороны от контакта практически все падение напряжения приходится на приконтактную область полупроводника. Приложенное внешнее напряжение изменяет высоту барьера лишь со стороны полупроводника. Электроны зоны проводимости отталкиваются возникшим контактным полем. Создается обедненный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей. Около контакта вследствие изгиба границ зон полупроводник n-типа переходит в полупроводник p-типа.

Распределение электрического поля (рис. 2 в) и объемного заряда в этом случае описывается теми же уравнениями, что и для резкого p-n-перехода. В полупроводнике возникает область, обедненная основными носителями заряда с пониженной проводимостью, ширина которой зависит от уровня легирования полупроводника. В состоянии равновесия поток электронов (основных носителей полупроводника) в металл уравновешивается потоком электронов из металла в полупроводник.

При прямом смещении (рис. 2 г) потенциальный барьер со стороны полупроводника понижается и число переходов электронов в металл увеличивается. При обратном смещении (рис. 2 д), напротив, ток из полупроводника уменьшается, стремясь с ростом напряжения к нулю. Ток электронов из металла все время остается неизменным: роль его незначительна при прохождении прямого тока, им же обусловлен ток утечки при обратном смещении. Величина этого обратного тока в приборах с барьером Шоттки порядка единиц микроампер.

 

В реальных контактах линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла наблюдается редко ввиду того, что на поверхности полупроводника из-за её неидеальности, имеются поверхностные заряды. При нанесении металла такой поверхностный заряд экранирует влияние металла, вследствие чего высота потенциального барьера в основном определяется состоянием поверхности полупроводника. Кроме того, на свойства контакта металл - полупроводник влияют токи утечки, токи генерации - рекомбинации носителей заряда в обедненной области и возможность туннельного перехода электронов в случае сильнолегированного полупроводника.

Диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. Время восстановления обратного сопротивления с диодом Шоттки при использовании кремния и золота - примерно 10 нс и меньше.

Достоинством диода Шоттки при современном уровне технологии является также то, что его вольт-амперная характеристика оказывается очень близкой к характеристике идеализированного p-n-перехода.

Ток в полупроводниковом материале представляет собой поток электронов. Электроны — основные носители заряда, и скорость протекания тока выше, чем p-материале плоскостного диода. Поэтому диоды Шоттки — самые быстродействующие из всех диодов. Поскольку в области перехода отсутствуют неосновные носители заряда, диод запирается сразу же, как только прикладываемое напряжение снижается до нуля. Однако процесс заряда ёмкости перехода вызывает протекание обратного тока. Эта ёмкость весьма мала, поэтому и обратный ток имеет чрезвычайно низкую величину. Диоды Шотки характеризуются практически нулевым временем прямого и обратного восстановления, потому что их проводимость не зависит от неосновных носителей заряда.

Прямое падение напряжения у кремниевого диода Шоттки очень мало, обычно порядка 0.2...0.45 В. Падение напряжения пропорционально максимальному обратному напряжению. Например, падение напряжения на диоде с обратным напряжением 10 В может составлять всего лишь 0.3 В. Чем выше максимальное обратное напряжение и номинальный ток, тем больше прямое падение напряжения вследствие увеличения толщины n-слоя. Диод с повышенной предельно допустимой температурой имеет большее прямое падение напряжения, которое уменьшается с понижением температуры перехода. Этот отрицательный температурный коэффициент по току позволяет снизить рассеивание мощности, но усложняет параллельное включение диодов.

Для многих видов диодов (таких как выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды, импульсные диоды и т.д.), основным физическим процессом, ограничивающим диапазон рабочих частот, оказывался процесс накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода. Другой физический процесс – перезаряд барьерной ёмкости выпрямляющего электрического перехода – имел в рассмотренных диодах второстепенное значение и сказывался на их частотных свойствах только при определенных условиях. Поэтому были выдвинуты требования к конструкции и технологии изготовления диодов, выполнение которых обеспечивало бы ускорение рассасывания накопленных в базе за время действия прямого напряжения неосновных носителей заряда. Понятно, что если исключить инжекцию неосновных носителей заряда при работе диода, то не было бы накопления этих неосновных носителей в базе и соответственно относительно медленного процесса их рассасывания. Здесь можно перечислить несколько возможностей практически полного устранения инжекции неосновных носителей заряда при сохранении выпрямительных свойств полупроводниковых диодов.

1. Использование в качестве выпрямляющего электрического перехода (гетероперехода), т.е. электрического перехода, образованного в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. Инжекция неосновных носителей при прямом включении будет отсутствовать при выполнении ряда условий и, в частности, при одинаковом типе электропроводности полупроводников, образующих гетеропереход. Этот способ устранения инжекции неосновных носителей заряда пока не нашел широкого применения в промышленном производстве монокристаллических полупроводниковых диодов из-за технологических трудностей.

2. Использование для выпрямления эффекта туннелирования.

3. Инвертирование диодов, т.е. использование для выпрямления только обратной ветви ВАХ вместе с участком, соответствующим лавинному пробою. Этот способ не нашёл применения из-за необходимости иметь для каждого диода своё напряжение смещения, почти равное напряжению пробоя. Кроме того, в начальной стадии лавинного пробоя в диоде возникают шумы.

4. Использование выпрямляющего перехода Шоттки, т.е. выпрямляющего электрического перехода, образованного в результате контакта между металлом и полупроводником. На таком переходе высота потенциального барьера для электронов и дырок может существенно отличаться. Поэтому при включении выпрямляющего перехода Шоттки в прямом направлении прямой ток возникает благодаря движению основных носителей заряда полупроводника в металл, а носители другого знака (неосновные для полупроводника) практически не могут прейти из металла в полупроводник из-за высокого для них потенциального барьера на переходе.

Таким образом, на основе выпрямляющего перехода Шоттки могут быть созданы выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами.

 

Выпрямительные диоды Шоттки

 

На частотные свойства диодов Шоттки основное влияние должно оказывать время перезарядки барьерной ёмкости перехода. Постоянная времени перезарядки зависит и от сопротивления базы диода. Поэтому выпрямляющий переход Шоттки целесообразнее создавать на кристалле полупроводника с электропроводностью n-типа – подвижность электронов больше подвижности дырок. По той же причине должна быть большой и концентрация примесей в кристалле полупроводника.

Однако толщина потенциального барьера Шоттки, возникающего в полупроводнике вблизи границы раздела с металлом, должна быть достаточно большой. Только при большой толщине потенциального барьера (перехода Шоттки) можно будет, во-первых, устранить вероятность туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер, во-вторых, получить достаточные значении пробивного напряжения и, в-третьих, получить меньшие значения удельной (на единицу площади) барьерной ёмкости перехода. А толщина перехода или потенциального барьера зависит от концентрации примесей в полупроводнике: чем больше концентрация примесей, тем тоньше переход. Отсюда следует противоположное требование меньшей концентрации примесей в полупроводнике.

Учёт этих противоречивых требований к концентрации примесей в исходном полупроводнике приводит к необходимости создания двухслойной базы диода Шоттки (рис. 3). Основная часть кристалла – подложка толщиной около 0,2 мм – содержит большую концентрацию примесей и имеет малое удельное сопротивление. Тонкий монокристаллический слой того же самого полупроводника (толщиной в несколько микрометров) с той же электропроводностью n-типа может быть получен на поверхности подложки методом эпитаксиального наращивания. Концентрация доноров в эпитаксиальном слое должна быть значительно меньше, чем концентрация доноров в подложке.

 

 

Рис. 3. Варианты структур диодов Шоттки с двухслойной базой

 

 

 

В качестве исходного полупроводникового материала для выпрямительных диодов Шоттки можно использовать кремний или арсенид галлия. Однако в эпитаксиальных слоях арсенида галлия не удаётся пока достичь малой концентрации дефектов и достаточно низкой концентрации доноров. Поэтому пробивное напряжение диодов Шотки на основе арсенида галлия оказывается низким, что является существенным недостатком для выпрямительных диодов.

Металлический электрод на эпитаксиальный слой полупроводника обычно наносят методом испарения в вакууме с последующим осаждением на поверхность эпитаксиального слоя. Перед нанесением металлического электрода целесообразно методами фотолитографии создать окна в оксидном слое на поверхности полупроводника. Так легче получить выпрямляющий переход Шотки необходимой площади и конфигурации.

Выпрямительные низкочастотные диоды предпочтительнее изготовлять с p-n-переходом. Выпрямительные диоды Шоттки в области низких частот могут в перспективе иметь преимущество перед диодами с p-n-переходом, связанное с простотой изготовления.

Наибольшие преимущества перед диодами с p-n-переходом диоды Шоттки должны иметь при выпрямлении больших токов высокой частоты. Здесь кроме лучших частотных свойств диодов Шоттки следует отметить такие их особенности: меньшее прямое напряжение из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей заряда полупроводника; большая максимально допустимая плотность прямого тока, что связано, во-первых, с меньшим прямым напряжением и, во-вторых, с хорошим теплоотводом от выпрямляющего перехода Шоттки. Действительно, металлический слой, находящийся с одной стороны перехода Шоттки, по своей теплопроводности превосходит любой сильнолегированный слой полупроводника. По этим же причинам выпрямительные диоды Шоттки должны выдерживать значительно большие перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с p-n-переходом на основе того же самого полупроводникового материала.

Ещё одна особенность диодов Шотки заключается в идеальности прямой ветви ВАХ. При этом с изменением прямого тока в пределах нескольких порядков зависимость близка к линейной, или в показателе экспоненты при изменении тока не появляется дополнительных множителей. Учитывая эту особенность, диоды Шоттки можно использовать в качестве быстродействующих логарифмических элементов.

На рис. 4 показаны ВАХ кремниевого диода Шоттки 2Д219, рассчитанного на максимально допустимый прямой ток 10 А. Прямое напряжение на диоде при максимально допустимом прямом токе не более 0,6 В, максимально допустимое обратное напряжение для диода 2Д219Б 20 В. Эти диоды допускают прохождение импульсов тока длительностью до 10 мс с периодом повторения не менее 10 мин с амплитудой, в 25 раз превышающей максимально допустимый прямой ток. Диоды рассчитаны на частоту выпрямляемого тока 0,2 МГц.

 

диод устройство полупроводник Шотки

Рис. 4. ВАХ кремниевого диода Шоттки 2Д219 при разных температурах

 

Импульсные диоды Шоттки.

Исходным полупроводниковым материалом для этих диодов может быть, так же как и для выпрямительных диодов Шоттки, кремний или арсенид галлия. Но предпочтение здесь должно быть отдано арсениду галлия, так как в этом материале время жизни неосновных носителей заряда может быть менее с. Несмотря на практическое отсутствие инжекции неосновных носителей заряда через переход Шоттки при его включении в прямом направлении (что уже было отмечено ранее), при больших прямых напряжениях и плотностях прямого тока существует, конечно, некоторая составляющая прямого тока, связанная с инжекцией неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому требование малости времени жизни неосновных носителей в исходном полупроводниковом материале остается и для импульсных диодов Шотки.

Главный недостаток диодов Шоттки — большой обратный ток утечки. Он имеет экспоненциальную зависимость от температуры и возрастает при повышении температуры и обратного напряжения. Максимальный ток утечки определяется технологией производства диодов. Чем выше декларируемые номинальное обратное напряжение диода и максимальная температура перехода, тем меньше утечка.

Глава 3. Применение диодов Шоттки.

Рассмотрим вариант газочувствительной активной структуры, при котором возможно использование органических материалов, несмотря на их недостатки.Предпологается, что селективные покрытия будут нанесены на завершающей стадии изготовления ЧЭ, после всех технологических процессов. В качестве такой газочувствительной структуры рассматривался диод Шоттки с развитым периметром, т.е. когда отношение длины периметра к площади перехода металл-полупроводник достаточно велико. Тогда краевые эффекты начинают играть большую роль, и с уменьшением размеров элемента влияние краев возрастает [1].

Рассмотрим влияние различных газов на характеристики поверхностных диодов Шоттки, выявить наиболее «газочувствительные» параметры. В нашем случае газочувствительным являлся торцевой барьер Шоттки, т. е краевая составляющая диода.

На рис. 5 показана структура диода Шоттки с протяженным периметром.

В принципе, диод с сильно развитым периметром можно рассматривать как состоящий из двух параллельно включенных диодов — объемного и торцевого (рис. 6). В этом случае изменение окружающей атмосферы не должно влиять на характеристики объемной части, которая закрыта металлом, а воздействовать только на периферийную область.

 

 

Рис. 5. Диод Шоттки с развитым периметром (решетчатая структура), вид сверху и сбоку

 

1 — кремниевая подложка, 2 — защитный окисел, 3 — селективная пленка, 4 — область, вскрытая в окисле, 5 — выпрямляющий контакт (решетчатый диод Шоттки), 6 — омический контакт.

 

Рис. 6. Параллельное включение двух составляющих диода Шоттки с развитым периметром: торцевая (или поверхностная) (Сп, Rп) и объемная (Соб, Rоб)

 

 

 

Для исследования влияния краевых эффектов на газочувствительные свойства диодов Шоттки, на кремниевых пластинах методами планарной технологии были сформированы: различные диоды Шоттки: решетчатые диоды с протяженным периметром, диоды со сплошным выпрямляющим контактом, выходящие на поверхность края которых защищены окислом. В качестве контакта использовались алюминий или никель с подслоем ванадия. Диоды формировались на кремнии п- и р-типа проводимости. Дополнительно на кристаллах размещались резистивный нагреватель и измеритель температуры.

Как показали измерения, на прямых вольтамперных характеристиках (ВАХ) практически никаких изменений при изменении окружающего газового состава не наблюдалось. Напротив, для обратных токов характерны значительные изменения при смене газового состава.

На рис. 7 и 8 показаны обратные характеристики диодов, сформированных на подложках р- и п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

Измерения проводились при температуре 60 оС. При меньшей температуре велико влияние физически сорбированной воды. При большей температуре уменьшается адсорбционная способность.

 

Рис. 7. Обратные токи диодов Шоттки, сформированных на подложке р-типа проводимости, при различных внешних воздействиях

 

 

Рис. 8. Обратные характеристики диодов Шоттки, сформированных на подложке п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

 

 

 

На рис. 9 показана зависимость изменения обратного тока ДШ от напряжения при воздействии углекислого газа (100 ppm). При этом наблюдалась хорошая повторяемость результатов (рис. 10).

 

 

Рис. 9. Зависимость обратного тока от напряжения для диодов Шоттки с развитым периметром (кольцевой диод) 1 — темновой ток; 2 — ток при дневном свете; 3 — ток в присутствии СО2 (дневной свет).

 

 

Рис. 10. Изменение обратного тока диода Шоттки с развитым периметром при циклическом воздействии СО2 (напряжение 5 В) 1) при воздействии СО2, 2) при снятии воздействия СО2.

 

 

 

Как видно из рисунков влияние окружающей атмосферы сильно влияет на характеристики диодов. Притом влияние это достаточно велико. Для диодов со сплошным контактом таких зависимостей не наблюдается. Поэтому измерения по дифференциальной схеме, когда в одно плечо включен диод со сплошным выпрямляющим контактом, а в другое — диод с развитым периметром могут дать определенные сведения о составе среды. При таком включении диодов будут скомпенсированы температурные и прочие воздействия (рис. 11).

Для получения избирательного отклика, на диоды, после завершения всех технологических операций, селективные органические покрытия могут быть нанесены методом напыления, пульверизации или по Ленгмюр-Блоджетт технологии. Основное требование к покрытиям, чтобы их сопротивление было достаточно большим для исключения шунтирования переходов по поверхности. Покрытие всей поверхности ЧЭ высокоомной селективной пленкой дополнительно стабилизирует, защищает поверхность. А при распайке выводов точечное механическое и температурное воздействие приводит к удалению пленки только с контактов.

 

 

Рис. 11. Температурные зависимости обратного тока для 1 — диода Шоттки с развитым, открытым периметром, 2 — для диода Шоттки, периметр которого «сидит» на защитном окисле.

Таким образом, предлагаемая структура — торцевой (или вертикальный) диод Шоттки может быть успешно использована в качестве ЧЭ газодетекторов.