Диод Шоттки (названный в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки ), также известный как диод с барьером 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 ранних силовых приложениях, можно считать примитивными диодами Шоттки.
При подаче достаточного прямого напряжения ток течет в прямом направлении. Кремниевый p–n-диод имеет типичное прямое напряжение 600–700 мВ, тогда как прямое напряжение диода Шоттки составляет 150–450 мВ. Это более низкое требование к прямому напряжению позволяет повысить скорость переключения и эффективность системы.
Переход металл -полупроводник образуется между металлом и полупроводником, создавая 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; то есть обычный ток может течь со стороны металла на сторону полупроводника, но не в обратном направлении. Этот барьер Шоттки приводит как к очень быстрому переключению, так и к низкому прямому падению напряжения.
Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Как n-, так и p-типа полупроводники могут создавать барьеры Шоттки. Однако p-тип обычно имеет гораздо более низкое прямое напряжение. Поскольку обратный ток утечки резко увеличивается с понижением прямого напряжения, он не может быть слишком низким, поэтому обычно используемый диапазон составляет около 0,15–0,45 В, а p-тип полупроводников используются лишь изредка. Силицид титана и другие тугоплавкие силициды, которые способны выдерживать температуры, необходимые для отжига истока/стока в процессах КМОП, обычно имеют слишком низкое прямое напряжение, чтобы быть полезными, поэтому процессы, использующие эти силициды, обычно не предлагают диоды Шоттки. [ необходимо разъяснение ]
При повышенном легировании полупроводника ширина обедненной области уменьшается. Ниже определенной ширины носители заряда могут туннелировать через обедненную область. 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 будет образовываться между силицидом и слаболегированной областью n-типа, а омический контакт будет образовываться между силицидом и сильнолегированной областью n- или p-типа. Слаболегированные области p-типа представляют собой проблему, поскольку полученный контакт имеет слишком высокое сопротивление для хорошего омического контакта, но слишком низкое прямое напряжение и слишком высокую обратную утечку, чтобы сделать хороший диод.
Поскольку края контакта Шоттки довольно острые, вокруг них возникает сильное электрическое поле, которое ограничивает величину порога обратного пробивного напряжения. Используются различные стратегии, от защитных колец до перекрытия металлизации для уменьшения поля. Защитные кольца занимают ценную площадь кристалла и используются в основном для более крупных высоковольтных диодов, в то время как перекрывающаяся металлизация используется в основном с более мелкими низковольтными диодами.
Диоды Шоттки часто используются в качестве антинасыщающих зажимов в транзисторах Шоттки . Диоды Шоттки, изготовленные из силицида палладия (PdSi) [ необходимо разъяснение ] , превосходны из-за их более низкого прямого напряжения (которое должно быть ниже прямого напряжения перехода база-коллектор). Температурный коэффициент Шоттки ниже коэффициента перехода B–C, что ограничивает использование PdSi при более высоких температурах.
Для мощных диодов Шоттки паразитные сопротивления скрытого n+ слоя и эпитаксиального n-слоя становятся важными. Сопротивление эпитаксиального слоя важнее, чем для транзистора, поскольку ток должен пересекать всю его толщину. Однако он служит распределенным балластным резистором по всей площади перехода и в обычных условиях предотвращает локальный тепловой разгон.
По сравнению с мощными p–n-диодами диоды Шоттки менее прочные. Переход находится в прямом контакте с термочувствительной металлизацией; поэтому диод Шоттки может рассеивать меньше мощности, чем эквивалентный по размеру p–n-аналог с глубоко заглубленным переходом, прежде чем выйти из строя (особенно при обратном пробое). Относительное преимущество более низкого прямого напряжения диодов Шоттки уменьшается при более высоких прямых токах, где падение напряжения определяется последовательным сопротивлением. [2]
Самым важным отличием p–n- диода от диода Шоттки является время обратного восстановления (t rr ), когда диод переключается из проводящего в непроводящее состояние. В ap–n-диоде время обратного восстановления может составлять от нескольких микросекунд до менее 100 нс для быстрых диодов, и оно в основном ограничено 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 ограничена только емкостью перехода. Время переключения составляет ~100 пс для малосигнальных диодов и до десятков наносекунд для специальных мощных диодов высокой мощности. При переключении p–n-перехода также возникает ток обратного восстановления, который в мощных полупроводниках приводит к увеличению электромагнитных помех. При использовании диодов Шоттки переключение происходит по сути «мгновенно» с незначительной емкостной нагрузкой, что не вызывает особых проблем.
Такое «мгновенное» переключение происходит не всегда. В частности, в устройствах Шоттки с более высоким напряжением структура защитного кольца, необходимая для управления геометрией поля пробоя, создает паразитный p–n-диод с обычными характеристиками времени восстановления. Пока этот защитный кольцевой диод не смещен в прямом направлении, он добавляет только емкость. Однако, если переход Шоттки достаточно сильно возбужден, прямое напряжение в конечном итоге сместит оба диода в прямом направлении, и фактическое значение t rr будет сильно изменено.
Часто говорят, что диод Шоттки является полупроводниковым устройством с « основными носителями ». Это означает, что если полупроводниковое тело является легированным n-типом, то только носители n-типа (подвижные электроны ) играют значительную роль в нормальной работе устройства. Основные носители быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта с другой стороны диода, чтобы стать 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 использовать меньшую площадь устройства, что также обеспечивает более быстрый переход. 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 индукторы и конденсаторы с большей эффективностью, чем это было бы возможно с другими типами диодов. Диоды Шоттки малой площади являются основой радиочастотных 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 до значения, значительно ниже фактического номинала.
Хотя более высокие обратные напряжения достижимы, они будут представлять более высокое прямое напряжение, сравнимое с другими типами стандартных диодов. Такие диоды Шоттки не будут иметь никаких преимуществ [4], если только не требуется большая 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 были доступны от производителей в вариантах до 1700 В обратного напряжения. [5]
Карбид кремния имеет высокую теплопроводность, а температура мало влияет на его коммутационные и тепловые характеристики. При специальной упаковке диоды Шоттки из карбида кремния могут работать при температурах перехода более 500 К (около 200 °C), что позволяет использовать пассивное радиационное охлаждение в аэрокосмических приложениях. [5]
В то время как стандартные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,7 В, а германиевые диоды — 0,3 В, падение напряжения диодов 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 в приложениях ограничения напряжения и предотвращения насыщения транзистора . Это связано с более высокой плотностью тока в диоде Шоттки.
Низкое прямое падение напряжения диода Шоттки хорошо подходит для энергоэффективных приложений, поскольку мало энергии тратится на нагрев. Это делает их полезными в качестве блокировочных диодов в автономных («внесетевых») фотоэлектрических (PV) системах, которые предотвращают разрядку батарей через солнечные панели ночью. Они также используются в системах, подключенных к сети, с несколькими параллельно подключенными цепочками , чтобы предотвратить обратный ток, протекающий от соседних цепочек через затененные цепочки, если обходные диоды вышли из строя.
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 схемах питания " ИЛИ " в продуктах, которые имеют как внутреннюю батарею , так и вход сетевого адаптера или что-то подобное. Однако в этом случае высокий обратный ток утечки представляет собой проблему, поскольку любая высокоомная схема измерения напряжения (например, мониторинг напряжения батареи или обнаружение наличия сетевого адаптера) будет видеть напряжение от другого источника питания через утечку диода.
Диоды Шоттки могут использоваться в схемах выборки и хранения на основе диодных мостов . По сравнению с обычными диодными мостами на основе p–n-перехода диоды Шоттки могут иметь преимущества. Прямосмещенный диод Шоттки не имеет никакого накопления заряда неосновных носителей. Это позволяет им переключаться быстрее, чем обычным диодам, что приводит к меньшему времени перехода от этапа выборки к этапу удержания. Отсутствие накопления заряда неосновных носителей также приводит к меньшему этапу удержания или ошибке выборки, что приводит к более точной выборке на выходе. [8]
Благодаря эффективному управлению электрическим полем диоды Шоттки могут использоваться для точной загрузки или выгрузки отдельных электронов в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы или квантовые точки. [9]
Обычно встречающиеся диоды Шоттки включают выпрямители серии 1N58xx , такие как 1N581x (1 A ) и 1N582x (3 A) для сквозного монтажа, [6] [11] и SS1x (1 A) и SS3x (3 A) для поверхностного монтажа. [10] [12] Выпрямители Шоттки доступны в многочисленных стилях корпусов для поверхностного монтажа . [13] [14]
Малосигнальные 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 детекторов, смесителей и нелинейных элементов и заменили германиевые диоды. [19] Они также подходят для защиты от электростатического разряда (ESD) чувствительных устройств, таких как полупроводниковые приборы III-V групп , лазерные диоды и, в меньшей степени, открытые линии КМОП- схем.
Переходы металл-полупроводник Шоттки используются в последователях семейства логических устройств ТТЛ 7400 , сериях 74S, 74LS и 74ALS, где они используются в качестве зажимов Бейкера параллельно переходам коллектор-база биполярных транзисторов для предотвращения их насыщения, тем самым значительно сокращая задержки их выключения.
Если требуется меньшее рассеивание мощности, 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 диодную характеристику благодаря эффекту 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 в полупроводнике, распространение капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. [20] Этот эффект был назван «электросмачиванием Шоттки». [21]
Выпрямители Шоттки редко превышают 100 вольт в своем рабочем пиковом обратном напряжении, поскольку устройства, немного превышающие этот уровень номинала, будут давать прямые напряжения, равные или превышающие таковые у эквивалентных выпрямителей с pn-переходом.
