Диод Шоттки (названный в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки ), также известный как барьерный диод Шоттки или диод с горячими носителями , представляет собой полупроводниковый диод , образованный соединением полупроводника с металлом . Он имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. Детекторы «кошачьи усы», использовавшиеся на заре беспроводной связи , и металлические выпрямители, использовавшиеся в первых энергетических приложениях, можно считать примитивными диодами Шоттки.
Когда приложено достаточное прямое напряжение, ток течет в прямом направлении. Кремниевый p – n-диод имеет типичное прямое напряжение 600–700 мВ, а прямое напряжение Шоттки составляет 150–450 мВ. Это более низкое требование к прямому напряжению обеспечивает более высокую скорость переключения и лучшую эффективность системы.
Между металлом и полупроводником образуется переход металл- полупроводник, создающий барьер Шоттки (вместо перехода полупроводник-полупроводник, как в обычных диодах). Типичными используемыми металлами являются молибден, платина, хром или вольфрам, а также некоторые силициды (например, силицид палладия и силицид платины ), тогда как полупроводником обычно является кремний n-типа. [1] Металлическая сторона действует как анод , а полупроводник n-типа действует как катод диода; это означает, что обычный ток может течь от металлической стороны к полупроводниковой, но не в противоположном направлении. Этот барьер Шоттки обеспечивает как очень быстрое переключение, так и низкое прямое падение напряжения.
Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Полупроводники как n-, так и p-типа могут создавать барьеры Шоттки. Однако p-тип обычно имеет гораздо более низкое прямое напряжение. Поскольку обратный ток утечки резко возрастает с уменьшением прямого напряжения, он не может быть слишком низким, поэтому обычно используемый диапазон составляет около 0,15–0,45 В, а полупроводники p-типа используются лишь изредка. Силицид титана и другие тугоплавкие силициды, которые способны выдерживать температуры, необходимые для отжига истока/стока в КМОП-процессах, обычно имеют слишком низкое прямое напряжение, чтобы их можно было использовать, поэтому в процессах с использованием этих силицидов обычно не используются диоды Шоттки. [ нужны разъяснения ]
С увеличением легирования полупроводника ширина обедненной области уменьшается. Ниже определенной ширины носители заряда могут туннелировать через область обеднения. При очень высоких уровнях легирования переход больше не ведет себя как выпрямитель и становится омическим контактом. Это можно использовать для одновременного формирования омических контактов и диодов, поскольку диод образуется между силицидом и слаболегированной областью n-типа, а омический контакт образуется между силицидом и сильнолегированной областью n- или p-типа. . Слегка легированные области p-типа создают проблему, поскольку полученный контакт имеет слишком высокое сопротивление для хорошего омического контакта, но слишком низкое прямое напряжение и слишком высокую обратную утечку для создания хорошего диода.
Поскольку края контакта Шоттки довольно острые, вокруг них возникает высокий градиент электрического поля, что ограничивает величину порога напряжения обратного пробоя. Используются различные стратегии: от защитных колец до наложения металлизации для распределения градиента поля. Защитные кольца занимают ценную площадь кристалла и используются в основном для более крупных высоковольтных диодов, тогда как перекрывающаяся металлизация используется в основном для меньших низковольтных диодов.
Диоды Шоттки часто используются в качестве ограничителей антинасыщения в транзисторах Шоттки . Диоды Шоттки, изготовленные из силицида палладия (PdSi) [ необходимы пояснения ] превосходны из-за их более низкого прямого напряжения (которое должно быть ниже, чем прямое напряжение перехода база-коллектор). Температурный коэффициент Шоттки ниже коэффициента перехода B–C, что ограничивает использование PdSi при более высоких температурах.
Для мощных диодов Шоттки важное значение приобретают паразитные сопротивления скрытого слоя n+ и эпитаксиального слоя n-типа. Сопротивление эпитаксиального слоя более важно, чем для транзистора, так как ток должен проходить по всей его толщине. Однако он выполняет функцию распределенного балластного резистора по всей площади перехода и в обычных условиях предотвращает локальный тепловой разгон.
По сравнению с силовыми p–n-диодами диоды Шоттки менее прочны. Переход находится в непосредственном контакте с термочувствительной металлизацией; Таким образом, диод Шоттки может рассеивать меньшую мощность, чем его аналог p – n эквивалентного размера с глубоко спрятанным переходом, прежде чем выйти из строя (особенно во время обратного пробоя). Относительное преимущество более низкого прямого напряжения диодов Шоттки уменьшается при более высоких прямых токах, когда в падении напряжения преобладает последовательное сопротивление. [2]
Наиболее важным отличием p–n- диода от диода Шоттки является время обратного восстановления (trr ) , когда диод переключается из проводящего состояния в непроводящее. В ap-n-диоде время обратного восстановления может составлять от нескольких микросекунд до менее 100 нс для быстрых диодов и в основном ограничивается диффузионной емкостью, вызванной неосновными носителями, накопленными в диффузионной области во время проводящего состояния. [3] Диоды Шоттки значительно быстрее, поскольку они являются униполярными устройствами, и их скорость ограничивается только емкостью перехода. Время переключения составляет ~100 пс для слабосигнальных диодов и до десятков наносекунд для специальных силовых диодов большой емкости. При переключении p–n-перехода также возникает обратный ток восстановления, который в мощных полупроводниках вносит повышенный шум ЭМИ . У диодов Шоттки переключение происходит по существу «мгновенно» с лишь небольшой емкостной нагрузкой, что не вызывает особого беспокойства.
Такое «мгновенное» переключение происходит не всегда. В частности, в устройствах Шоттки более высокого напряжения структура защитного кольца, необходимая для управления геометрией поля пробоя, создает паразитный p-n-диод с обычными характеристиками времени восстановления. Пока этот диод защитного кольца не смещен в прямом направлении, он добавляет только емкость. Однако если переход Шоттки задействован достаточно сильно, прямое напряжение в конечном итоге сместит оба диода вперед, и фактическое значение t rr будет сильно затронуто.
Часто говорят, что диод Шоттки представляет собой полупроводниковый прибор с « основной несущей ». Это означает, что если полупроводниковое тело является легированным n-типом, то только носители n-типа (подвижные электроны ) играют существенную роль в нормальной работе устройства. Основные носители быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта на другой стороне диода и становятся свободно движущимися электронами . Следовательно, не происходит медленной случайной рекомбинации носителей n- и p-типа, так что этот диод может прекратить проводимость быстрее, чем обычный выпрямительный диод p – n . Это свойство, в свою очередь, позволяет уменьшить площадь устройства, что также способствует более быстрому переходу. Это еще одна причина, по которой диоды Шоттки полезны в импульсных преобразователях мощности : высокая скорость диода означает, что схема может работать на частотах в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц, что позволяет использовать небольшие катушки индуктивности и конденсаторы с большей эффективностью. чем было бы возможно с другими типами диодов. Диоды Шоттки малой площади — сердце ВЧ- детекторов и смесителей , которые часто работают на частотах до 50 ГГц.
Наиболее очевидными ограничениями диодов Шоттки являются их относительно низкие номинальные значения обратного напряжения и относительно высокий обратный ток утечки . Для кремниево-металлических диодов Шоттки обратное напряжение обычно составляет 50 В или меньше. Доступны некоторые конструкции с более высоким напряжением (200 В считается высоким обратным напряжением). Обратный ток утечки, поскольку он увеличивается с температурой, приводит к проблеме тепловой нестабильности . Это часто ограничивает полезное обратное напряжение значительно ниже фактического номинала.
Хотя достижимы более высокие обратные напряжения, они будут обеспечивать более высокое прямое напряжение, сравнимое с другими типами стандартных диодов. Такие диоды Шоттки не будут иметь никаких преимуществ [4] , если не требуется высокая скорость переключения.
Диоды Шоттки, изготовленные из карбида кремния , имеют гораздо меньший обратный ток утечки, чем кремниевые диоды Шоттки, а также более высокое прямое напряжение (около 1,4–1,8 В при 25 ° C) и обратное напряжение. По состоянию на 2011 год [обновлять]они выпускались производителями в вариантах до 1700 В обратного напряжения. [5]
Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, и температура мало влияет на его коммутационные и тепловые характеристики. Диоды Шоттки из карбида кремния в специальной упаковке могут работать при температуре перехода более 500 К (около 200 °C), что позволяет осуществлять пассивное радиационное охлаждение в аэрокосмической отрасли. [5]
В то время как стандартные кремниевые диоды имеют падение напряжения в прямом направлении около 0,7 В, а германиевые диоды — 0,3 В, падение напряжения на диодах Шоттки при прямом смещении около 1 мА находится в диапазоне от 0,15 В до 0,46 В (см. 1N5817 [6] и 1N5711). [7] ), что делает их полезными для ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзисторов . Это связано с более высокой плотностью тока в диоде Шоттки.
Из-за низкого падения напряжения в прямом направлении диоды Шоттки тратят меньше энергии в виде тепла, что делает их наиболее эффективным выбором для приложений, чувствительных к эффективности. Например, они используются в автономных («автономных») фотоэлектрических (PV) системах для предотвращения разряда батарей через солнечные панели в ночное время и называются «блокировочными диодами». Они также используются в системах, подключенных к сети, с несколькими цепочками, соединенными параллельно, чтобы предотвратить протекание обратного тока из соседних цепочек через заштрихованные цепочки в случае выхода из строя «обходных диодов».
Диоды Шоттки также используются в качестве выпрямителей в импульсных источниках питания . Низкое прямое напряжение и быстрое время восстановления приводят к повышению эффективности.
Их также можно использовать в цепях питания « ИЛИ » в изделиях, которые имеют как внутреннюю батарею , так и вход сетевого адаптера или аналогичные устройства. Однако в этом случае высокий обратный ток утечки представляет собой проблему, поскольку любая схема измерения напряжения с высоким импедансом (например, контролирующая напряжение батареи или определяющая наличие сетевого адаптера) будет видеть напряжение от другого источника питания через диод. утечка.
Диоды Шоттки можно использовать в схемах выборки и хранения на основе диодных мостов . По сравнению с обычными диодными мостами на основе p – n-перехода диоды Шоттки могут предложить преимущества. Диод Шоттки с прямым смещением не имеет накопителя заряда неосновных носителей. Это позволяет им переключаться быстрее, чем обычные диоды, что приводит к меньшему времени перехода от этапа выборки к этапу удержания. Отсутствие хранения заряда неосновных носителей также приводит к меньшему шагу удержания или ошибке выборки, что приводит к более точной выборке на выходе. [8]
Благодаря эффективному управлению электрическим полем диоды Шоттки можно использовать для точной загрузки или выгрузки одиночных электронов в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы или квантовые точки. [9]
Обычно встречающиеся диоды Шоттки включают выпрямители серии 1N58xx , такие как части сквозного типа 1N581x (1 А ) и 1N582x (3 А), [6] [11] и поверхностно-частотные SS1x (1 А) и SS3x (3 А). монтировать детали. [10] [12] Выпрямители Шоттки доступны в различных вариантах корпусов для поверхностного монтажа . [13] [14]
Слабосигнальные диоды Шоттки, такие как 1N5711, [7] , 1N6263, [15] 1SS106, [16] 1SS108, [17] и серии BAT41–43, 45–49 [18], широко используются в высокочастотных приложениях в качестве детекторы, смесители и нелинейные элементы и заменили германиевые диоды. [19] Они также подходят для защиты от электростатического разряда (ESD) чувствительных устройств, таких как полупроводниковые приборы III-V , лазерные диоды и, в меньшей степени, открытые линии КМОП- схем.
Переходы металл-полупроводник Шоттки используются в преемниках семейства логических устройств 7400 TTL , сериях 74S, 74LS и 74ALS, где они используются в качестве зажимов Бейкера параллельно с переходами коллектор-база биполярных транзисторов для предотвращения их насыщения. , тем самым значительно сокращая задержки выключения.
Если требуется меньше рассеиваемой мощности, вместо этого можно использовать МОП-транзистор и схему управления в режиме работы, известном как активное выпрямление .
Супердиод , состоящий из pn-диода или диода Шоттки и операционного усилителя , обеспечивает почти идеальную характеристику диода за счет эффекта отрицательной обратной связи, хотя его использование ограничено частотами, которые может обрабатывать используемый операционный усилитель.
Электросмачивание можно наблюдать, когда диод Шоттки формируется с использованием капли жидкого металла, например ртути , в контакте с полупроводником, например кремнием . В зависимости от типа легирования и плотности полупроводника растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. [20] Этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки». [21]
Пиковое рабочее обратное напряжение выпрямителей Шоттки редко превышает 100 В, поскольку устройства, умеренно превышающие этот номинальный уровень, приводят к прямому напряжению, равному или превышающему эквивалентные выпрямители с pn-переходом.
