Бар’єр Шоттки

На межі напівпровідника та металу електрони з напівпровідника можуть переходити в метал і навпаки. Цей процес визначається роботою виходу електронів із металу та напівпровідника (енергією Фермі).

Якщо робота виходу електронів із металу буде більшою за роботу виходу електронів із НП (eφ _{м >} eφ _нп ), то електрони будуть переходити з НП в метал (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Структура бар’єра Шоттки

В цьому разі в приконтактному шарі НП, з якого електрони ідуть у метал, виникає нескомпенсований об’ємний позитивний заряд іонів донорів, тобто НП заряджається позитивно, а метал – негативно. Виникає контактна різниця потенціалів j _к = j _м - j _нп, яка буде протидіяти подальшому переходу електронів.

Це означає, що на межі М-НП виникає перехід, який буде мати випрямні властивості, аналогічні p-n переходу. ВАХ переходів метал-напівпровідник така ж, як і ВАХ p-n переходу.

Опір переходу М-НП залежить від полярності і рівня прикладеної напруги:

- напруга, прикладена “-“ до НП n -типу, а “+” до металу, є прямою, тому потенційний бар’єр для електронів зменшується і струм електронів із НП в метал зростає;

- при зворотній напрузі потенційний бар’єр зростає і струм стає малим.

Таким чином, діод Шоттки – це такий НП діод, робота якого заснована на явищах на межі переходу метал - НП.

Особливістю діода Шоттки є те, що в ньому немає нагромадження зарядів в базі, як у звичайному діоді, тому що весь прямий струм, який проходить з напівпровідника в метал, створюється електронами, концентрація яких менша за концентрацію електронів в металі, крім того у такій структурі немає дифузії і рекомбінації.

Отже, перевагами діодів Шоттки є:

- мале падіння напруги в прямому напрямку (0,2…0,3В);

- мала дифузійна ємність (завдяки малому нерівноважному заряду);

- велика швидкодія (межова частота до 500 ГГц);

- високий ККД;

- висока теплова стійкість (Т до 500° С);

- малий коефіцієнт шуму.

На основі структури Шоттки створюють діоди, транзистори та ІМС. Їх використовують в детекторах і змішувачах, помножувачах і перетворювачах надвисокочастотного діапазону, при перемиканні, в потужних випрямних діодах. Залежність ємності зворотнозміщеного переходу Шоттки від напруги дозволяє використовувати його як конденсатор для електричної підстройки частоти коливального контуру.

7.4. Пробій р-n переходу

Збільшення зворотної напруги, прикладеної до р-n структури, може при- вести до її пробою, який проявляється у різкому зростанні струму.

Пробій може бути:

- електричним (при зворотній напрузі);

- тепловим (при прямій напрузі);

- змішаним.

Тепловий пробій.

Виникає внаслідок порушення рівноваги між теплом, що виділяється у р-n переході і теплом, що відводиться від нього. При підвищенні температури починається термічна іонізація атомів кристалічних ґрат, яка призводить до теплового розмноження носіїв зарядів, а тому збільшується концентрація неосновних носіїв зарядів, зменшується опір переходу і зростає зворотній струм. Це в свою чергу веде до подальшого розігріву структури. Процес зростає лавинно, тому струм збільшується стрибком, виникає незворотна зміна структури і р-n перехід виходить з ладу –порушується однобічна провідність

Р _під = U _зв • I _зв Р _від = ,

де Р _під – потужність, що підводиться,

Р _від –потужність, що відводиться,

Т _n – температура переходу,

Т _о – температура зовнішнього середовища,

R _т – тепловий опір, визначається перепадом температур, необхідним для відводу тепла від переходу в зовнішнє середовище.

Звідси можна знайти максимальне допустиме значення зворотної напруги.

U _зв =

Тобто допустима зворотна напруга буде тим вища, чим менший зворотній струм переходу, тепловий опір і температура середовища та чим вища допустима температура переходу. В момент пробою спад напруги на переході буде U (рис.5.6)

Рис. 7.7. ВАХ діоду при пробою

Тепловий пробій спостерігається переважно у германієвих переходах. Зворотній струм силіцієвих переходів настільки малий, що тепловий пробій в них практично неможливий.

Електричний пробій

Є три види електричного пробою: лавинний, тунельний, поверхневий.

Лавинний пробій спостерігається при широкому p-n переході (більшим за довжину вільного пробігу електрона). В цьому випадку електрони під дією сильного електричного поля іонізують атоми НП у переході. У результаті цього виникають нові електрони, які іонізують інші атоми і т.д. Виникає лавинний процес (ударна іонізація), різко збільшується зворотний струм переходу. Якщо струм крізь перехід обмежений опором зовнішнього контуру і потужність, яка виділяється на переході малі, то пробій може бути оборотний. В іншому випадку електричний пробій може перейти у тепловий.

Тунельний пробій виникає при великій концентрації домішок у р та n -областях структур (порядку 10¹⁹ см ^–3), що визначає велику напруженість поля на вузькому р-n переході. В цьому випадку рівень Фермі буде у зоні провідності (для n - області) і у валентній зоні (для р - області). Такий НП називають виродженим. По обидва боки переходу будуть однакові енергетичні рівні, тому носії заряду переходять із одної області у другу без витрати енергії.

Електрони рухаються у бік р-n – переходу під дією прямої напруги і проходять крізь нього (ніби крізь тунель), навіть не витрачаючи енергії.

Поверхневий пробій виникає там, де перехід δ виходе на поверхню НП кристалу і наявності поверхневого поля, що збільшує напруженість поля у поверхневих шарах переходу. Наприклад, при наявності на поверхні позитивного заряду електрони із n - області притягуються до поверхні, заповнюючи частину області р-n переходу, що призводить до зменшення товщини переходу δ¹ у поверхневих шарах і збільшенню ймовірності пробою (рис.7.8).

Рис.7.8. Поверхневий пробій