Диоды Шотки
Диоды Шотки обладают идеальными импульсными параметрами. Они выполняются на основе контакта металл – полупроводник. Рассмотрим образование такого контакта и его свойства (рис. 1.23). При контакте металла 1 с полупроводником 3 между ними возникает слой 2, который в зависимости от соотношения работы выхода электронов в металле и полупроводнике и от типа электропроводности полупроводника может быть обогащенным, инверсным или обедненным.
Рис. 1.23. Диод Шотки
Рассмотрим случай, когда контакт металла образован с полупроводником n-типа, при этом работа выхода электронов в металле Ам больше работы выхода электронов в полупроводнике Аn (под работой выхода электронов понимают работу, соответствующую разности энергий между уровнем Ферми в веществе и уровнем энергии вне вещества около его поверхности, т.е. энергии, соответствующей потолку верхней свободной зоны). При образовании идеального контакта происходит диффузия электронов из полупроводника в металл, металл заряжается отрицательно, а в приконтактной области полупроводника образуется слой, обедненный основными носителями заряда, заряженный положительно неподвижными ионами доноров. За счет этого возникают электрическое поле, напряженность которого направлена в сторону от полупроводника к металлу, и потенциальный барьер, Поле препятствует дальнейшему движению электронов в металл, поэтому в состоянии равновесия уровень Ферми для металла и для полупроводника становится единым. Образованный слой располагается в полупроводнике, так как он обладает удельным сопротивлением значительно большим, чем удельное сопротивление металла.
При прямом включении (плюсом на металл, минусом на полупроводник) высота потенциального барьера снижается, сопротивление образованного слоя уменьшается и через него электроны (основные носители для полупроводника) переходят в металл. Так как при этом инжекции дырок из металла в полупроводник не происходит, прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда полупроводника.
При обратном включении источника высота потенциального барьера повышается и его могут преодолевать только дырки (неосновные носители заряда для полупроводника), так как поле образованного слоя для них является ускоряющим. Поток дырок в металл создает обратный ток. Но так как концентрация дырок мала, то обратный ток также мал.
Образованный на границе между металлом и полупроводником слой располагается в полупроводнике у границы с металлом. Этот слой – запирающий, обладает выпрямляющим свойством. Он – неинжектирующий, что является большим преимуществом перед обычным p-n-переходом. Кроме того, в таком контакте можно обеспечить незначительную барьерную емкость. Эти уникальные свойства контакта металл – полупроводник позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы) с идеальными характеристиками для работы в импульсных схемах.
Потенциальный барьер, полученный на контакте металл – полупроводник, часто называют барьером Шотки, а диоды на его основе – диодами Шотки (их условное обозначение в схемах представлено на рис. 1.23). Базой диода является тонкий слой толщиной 1-1,5 мкм высокоомного полупроводника n-типа. Его наносят методом эпитаксиальной технологии на подложку – пластинку низкоомного полупроводника того же типа n+ (так обозначают область с более высокой удельной проводимостью). Для обеспечения идеального контакта между металлом и полупроводником металл напыляют в вакууме на слой n-полупроводника. В качестве материала полупроводника чаще всего используют n-Si, а в качестве металла – Аl, Аu, Мo и др. При этом исходят из того, что работа выхода металла должна быть больше работы выхода кремния. Из-за отсутствия инжекции в базу неосновных носителей в ней не происходят процессы накопления и рассасывания зарядов. Барьерная емкость вследствие малой площади и большой ширины запирающего слоя мала, она не превышает 1 пФ, поэтому длительность переходных процессов, обусловленная в диодах Шотки только перезарядкой барьерной емкости, составляет десятые доли наносекунды. Диоды Шотки можно использовать для работы на частотах до десятков гигагерц.