14.7. Диоды Шоттки
Диоды Шоттки (ДШ) реализуются на основе барьерных выпрямляющих переходов металл - полупроводник. В схемотехнике используются следующие свойства ДШ: меньшее напряжение на диоде при протекании прямого тока и практическое отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник. Например, ДШ, включенный параллельно коллекторному переходу биполярного транзистора, ограничивает паразитную инжекцию неосновных носителей в коллектор. Высокочастотные детекторные ДШ применяются для регистрации радиосигналов на частотах более 1 ГГц.
Электростатический потенциальный барьер всегда возникает на границе полупроводника с металлом. Внутри кристалла потенциальная энергия электронов меньше, чем в вакууме, так как они притягиваются ионами кристаллической решетки. Средняя разность энергий электронов в вакууме и в веществе называется химическим потенциалом. При контакте металла и полупроводника с разными химическими потенциалами происходит переход части электронов в вещество с большим химическим потенциалом, а на границе образуется двойной заряженный слой. Заряд в металле локализирован в моноатомном слое вблизи поверхности, а в полупроводнике ОПЗ простирается в глубь кристалла, так как концентрация заряженных частиц равна концентрации ионизированной примеси (рис. 14.1). В идеальном случае величина потенциального барьера равна разности химических потенциалов. Однако в реальных ДШ на границе присутствуют дефекты структуры в виде поверхностных электронных состояний в запрещенной зоне полупроводника и диэлектрический зазор (окисный слой) между металлом и полупроводником. Величина потенциального барьера при этом несколько отличается от разности химических потенциалов. Типовые значения для величины потенциального барьера в контакте разных металлов со слаболегированным кремнием приведены в табл. 14.1. Сумма высот барьеров определенного металла с кремнием n- и p- типа равна ширине запрещенной зоны (1,12 эВ). Плотность тока в ДШ описывается формулой
,
(14.1)
где T – абсолютная температура; б – барьерный потенциал; m – коэффициент идеальности ВАХ; Т – температурный потенциал; А* – постоянная Ричардсона, зависящая от свойств полупроводника. Для кремния А*= 9,6 105 А/(м2К2); для арсенида галлия А*= 4,4104 А/(м2К2). Коэффициент идеальности m увеличивается с ростом концентрации примеси в полупроводнике и величины диэлектрического зазора в контакте. Практически используются диоды с m от 1,05 до 1,15.
В технологии кремниевых микросхем для ДШ используются те же металлы и процессы, что и для омических контактов – алюминий, силицид платины, силицид титана. Выбор определяется требуемой величиной потенциального барьера.
Дискретные детекторные диоды создаются на основе германия, а высоковольтные выпрямительные ДШ – на основе арсенида галлия. В отличие от диффузионного диода на основе p–n - перехода, край структуры ДШ получается острый. На краю резко возрастают напряженность электрического поля и плотность тока утечки. Для снижения напряженности поля на краю контакта создаются защитные элементы структуры ДШ. Первый вариант – это кольцевой диод на основе p–n - перехода, включенный параллельно ДШ (рис. 14.2). Второй вариант – это полевой электрод с МОП - структурой, расширяющий ОПЗ на краю ДШ и снижающий напряженность поля.
Таблица 14.1