2.14.7 Диоды Шоттки в структурах бпт

Односторонняя проводимость контакта между металлом и полупроводником хронологически была обнаружена еще в конце 19-го века. Однако в отсутствие технологических методов формирования контактов с воспроизводимыми свойствами исследование и практическое применение таких контактов было возобновлено в конце 50-х начале 60-х годов 20-го столетия. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в производстве как дискретных, так и интегрированных в конструкции микросхем приборов с барьером Шоттки, расчетные модели для проектирования этих приборов во многом достаточно схематичны. На рисунках 2.33,а, б изображены две модификации перехода Шоттки на кремнии n-типа проводимости. Модификация перехода, изображенная на рисунке 2.33, а, имеет недостатком пониженное обратное напряжение вследствие сильного искривления силовых линий по краю контакта анодной металлизации с полупроводниковым слоем n-типа. В модификации перехода, изображенной на рисунке 2.33, б, анодная область перехода Шоттки окружена кольцом легированной р-области и соответственно классическим шунтирующим p-n-переходом. Допустимое обратное напряжение в этой модификации исполнения перехода определяется по соотношению, применяемому для резких несимметричных переходов с концентрацией примеси, соответствующей легированию базы. Шунтирующий p-n-переход защитного кольца в области прямых смещений перехода Шоттки оказывает незначительное влияние на деформацию прямой ветви его ВАХ из-за различия напряжений спрямления на величину порядка 0,2 В, но может существенно ухудшать динамические свойства перехода Шоттки. Ухудшение динамических свойств связано с увеличением барьерной емкости и влияния, хотя и слабой, инжекции неосновных носителей шунтирующим p-n-переходом. Вольт-амперная характеристика перехода Шоттки в первом приближении представляется выражением [4, 8]

I = SIoш[exp (U/φ_T) –1], (2.96)

где приняты следующие обозначения:

Ioш = AT² exp (–φ_мn/φ_Т) — плотность тока насыщения перехода Шоттки, см²;

S — площадь перехода Шоттки, см²;

А= 4πm^*qk²/h³— постоянная Ричардсона, А = 120 [А/(см²К²)];

Т — абсолютная температура, К;

φ_мn — разность работ выхода материалов перехода Шоттки (металла и полупроводника или, иначе, потенциальный барьер для основных носителей заряда полупроводника базы), эВ;

φ_Т = k×T/q — термический потенциал, В;

m^* — эффективная масса электрона полупроводника, кг;

k — физическая константа Больцмана, Дж/К;

h — физическая константа Планка, Джсек;

U— внешнее напряжение на переходе Шоттки, В.

Примечание. Постоянная Ричардсона (А), определяемая по приведенному выше выражению, от свойств материала базы зависит исключительно через эффективную массу носителей заряда. Eе значение для кремния n-типа равно

А = 120×0,55 =66 [А/(см²К²)],

а для кремния р-типа

А = 120×0,33 =39,6 [А/(см²К²)].

Пользуясь выражением (2.96), несложно получить напряжение спрямления для перехода Шоттки. Так как потенциальный барьер в контактах Шоттки снижается в сравнении с переходами классического типа на однородном полупроводнике примерно в два раза, то плотность тока насыщения Ioш в контактах Шоттки на (3—5) порядков превышает аналогичный параметр классических p-n-переходов. Поэтому напряжение спрямления переходов Шоттки примерно в два раза ниже, чем у классических переходов, что расширило спектр схемотехнических решений для микрозлектронных устройств.

Условием образования выпрямляющего перехода Шоттки является образование обеднённой носителями заряда области в зоне контакта металла с полупроводниковой основой (базой). Это условие выполняется для полупроводника n-типа в качестве базы при заданной температуре, если разность (Емs) работ выхода электронов из металла Ем и полупроводника Еп больше нуля. Для полупроводника р-типа в качестве базы разность Емп работ выхода электронов должна быть меньше нуля.

Для эффективной компенсации проводимости контактного перехода в результате термоэлектронной эмиссии концентрация легирующих примесей принимается для кремния не более (1–5)10¹⁷см^–3.

Зонные диаграммы выпрямляющих переходов Шоттки на полупроводниках n- и р-типа для состояния термодинамического равновесия изображены на рисунках 2.34, а, б соответственно. На рисунке 2.34, а энергия Еn соответ-ствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для основных электронов, а энергия Ер на рисунке 2.34, б соответствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для основных дырок. Уровни этих барьеров изменяются внешним источником энергии (источником напряжения при переходе от энергии к электрическим потенциалам). Прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике n-типа соответствует подключение «+» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Еn. Аналогично прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике р-типа соответствует подключение «–» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Ер.

Контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для электронов полупроводника) перехода металл-кремний n-типа определяется по формуле

Еn = Ем – [Еп – k∙T∙Ln(Nd/n_i)],

а контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для заполнения состояний валентной зоны) перехода металл-крем-ний р-типа определяется по формуле

Ep = Eм – [Еп + k∙T∙Ln(Nа/n_i)].

В приведенных выражениях положительному знаку левой части соответствует знак «+» на металлическом электроде контакта для прямого включения контакта.

Усреднённые значения работы выхода (φ₀) электронов из ряда чистых материалов и экспериментально контролируемых значений потенциального барьера (φ_b) для кремния разного типа проводимости, разной кристаллографической ориентации при удельных сопротивлениях (0,4-1,0)Ом приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Материал	Mo	Ca	Ni	Ag	Al	Cu	Ba	Au	Pt	Si	Ge
φ0, эВ	4,3	2,8	4,5	4,3	4,25	4,4	2,49	4,3	5,32	4,7	4,8
φb, эВ n-тип	0,59	–	0,67- 0,70	0,67	0,68- 0,8	0,61- 0,68	0,43	0,8	0,85	–	–
φb, эВ р-тип	–	–	–	0,47	0,48	0,5	0,6	0,25	–	–	–

Как следует из таблицы 2.4 соответствие расчётных значений с экспериментальными значениями не высокое, что объясняется несовершенством моделей описания, не учитывающих действие разнообразных иных факторов.

Потенциальный барьер для неосновных дырок перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе n-типа можно определить по формуле

Ep_n = (Ез/2) + kT∙ Ln (Nd/n_i) > En + 0,2∙q . (2.97а)

Аналогично потенциальный барьер для неосновных электронов перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе р-типа можно определить по формуле

En_p = (Ез/2) + kT∙ Ln (Na/n_i) > Ep + 0,2∙q . (2.97 б)

В формулах (2.97) обозначения Nd и Na соответствуют усреднённым концентрациям легирующих доноров для базы n-типа и акцепторов для базы р-типа соответственно. Различие в потенциальных барьерах в 0,2 эВ должно обеспечить различие токов определяемых основными и неосновными носителями заряда на три-четыре порядка. В реальных переходах Шоттки из-за несовершенства структуры контакта, проявления эффектов туннелирования носителей через тонкие барьеры результаты реализации позитивных свойств в значительной степени определяется достижениями технологии производства. Вероят-ность влияния туннелирования носителей заряда сквозь барьер повышается, как известно, при уменьшении ширины барьера dш.

Ширина барьера определяется по выражению

dш = {[2∙ε∙εo/(q∙Nd)][(Еn/q) – U – φ_Т]}^0,5, (2.98)

аналогичному выражению (2.25) и снижается при повышении степени легирования базы перехода. В формуле (2.98) напряжение U принимается с положительным знаком при прямом включении, а при обратном включении — с отрицательным знаком.

Напряжение пробоя при перехода можно оценить по формуле

Uпроб ≤ ε×εo×(Екрп)²/(2q×Nd), (2.99)

а удельная барьерная емкость по формуле

Сб= ε×εo/dш.

Расчетная модель перехода Шоттки отображается электрической схемой замещения, аналогичной изображенной на рисунке 2.32, для диода на основе p-n-перехода с исключением из нее диффузионной емкости Сдиф.

Значения сопротивлений элементов схемы Rш, Rэ, Rдиф, тока генератора Iг, напряжения спрямления Uo определяются с применением расчетных выражений (2.91) — (2.96). Сопротивление электродов Rэ и емкость изолирующего слоя Си определяются по расчетным соотношениям, рассмотренным для объемных и контактных областей, на примерах БПТ и диодов на основе перехода. Условное графическое обозначение перехода Шоттки (без элементов изоляции от несущего основания) показано на рисунке 2.35.

Граничная частота перехода Шоттки оценивается по формуле

ω_ш = (Rэ×Сб)^–1, (2.100)

при выполнении условия

Rдиф = φ_T / Id.>> Rэ,

ограничивающего ток Id прямо смещенного перехода.

В структуре с охранным кольцом (см. рис. 2.33, б) с учетом шунтирующего перехода между охранным кольцом и базой перехода Шоттки граничную плотность тока перехода Шоттки, при которой преобладающим является поток основных носителей, можно задать неравенством [4]

Io = Ioш×[exp (U/φ_T) –1]≤ (2–3)×Iп,

где пороговая плотность тока Iп

Iп = q×Nb×Dn/Xb.

Граничная частота перехода Шоттки, определяемая накоплением неосновных носителей в базе, оценивается по формуле

ω_н = Nb×Ioш/q×n_i² ×Xb

и для эффективной реализации свойств перехода по быстродействию должна удовлетворять условию

ω_н ≥ ω_ш,

которое обеспечивается компромиссным выбором концентрации легирующей примеси в базе перехода (Nb), толщины базы (Xb) и материла контактной пары с пониженным значением φ_мп.