Лекция 6 часть 2

6.2. Принцип действия, параметры и характеристики диода Шоттки и p-i-n диода

Физические исследования контакта металл - полупроводник стимулировались прогрессом в области точечно-контактных полупроводниковых выпрямителей. В предвоенные годы немецкий ученый Шоттки получил основные математические соотношения, описывающие электрические характеристики этого контакта, вследствие чего подобную структуру стали называть барьером Шоттки. Однако многие замечательные свойства, предсказываемые теорией для барьера Шоттки, практически наблюдать не удалось из-за очень резкого отличия точечных диодов от идеализированной модели (значительные механические напряжения в приконтактной области, наличие промежуточных окисных слоев, мультиконтактность и т. п.). Этим, а также большими успехами приборов с p-n-переходами и объясняется тот ограниченный интерес в отношении исследований контакта металл - полупроводник и создания приборов на его основе.

Рис. 6.1. Схема контакта металл - полупроводник (а) и его энергетическая диаграмма при нулевом (б), прямом (г) и обратном (д) смещении

Лишь в последние годы в связи с небывалыми успехами полупроводниковой технологии стало возможным получение структур, близких к идеальному барьеру Шоттки, и практическое конструирование на этой основе различных приборов. Это обусловливает тот огромный интерес, который проявляют к барьеру Шоттки специалисты в области физики, технологии и применения полупроводниковых приборов.

Рассмотрим особенности работы диода с барьером Шоттки на основе контакта металла с полупроводником n-типа. для случая, когда работа выхода металла f0м больше, чем работа выхода ?0п полупроводника (рис. 6.1 а). При образовании контакта электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. При этом полупроводник оказывается заряженным положительно, а возникающее внутреннее электрическое поле препятствует переходу электронов в металл. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов Uк =j0м - j0п.

Благодаря разности работ выхода металла и полупроводника между ними происходит обмен электронами. Электроны из полупроводника, имеющего меньшую работу выхода, переходят в металл с большей работой выхода. В равновесном состоянии (рис. 6.1 а) металл заряжается отрицательно, в результате чего возникает электрическое поле, прекращающее однородный переход электронов.

Из-за резкого различия концентраций свободных электронов по обе стороны от контакта практически все падение напряжения приходится на приконтактную область полупроводника. Приложенное внешнее напряжение изменяет высоту барьера лишь со стороны полупроводника. Электроны зоны проводимости отталкиваются возникшим контактным нолем. Создается обедненный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей. Около контакта вследствие изгиба границ зон полупроводник n-типа переходит вполупроводник p-типа.

Распределение электрического поля (рис. 6.1 в) и объемного заряда в этом случае описывается теми же уравнениями, что и для резкого p-n-перехода. В полупроводнике возникает область, обедненная основными носителями заряда с пониженной проводимостью, ширина которой lп зависит от уровня легирования полупроводника. В состоянии равновесия поток электронов (основных носителей полупроводника) в металл уравновешивается потоком электронов из металла в полупроводник.

При прямом смещении (рис. 6.1 г) потенциальный барьер со стороны полупроводника понижается и число переходов электронов в металл увеличивается. При обратном смещении (рис. 6.1 д), напротив, ток из полупроводника уменьшается, стремясь с ростом напряжения к нулю. Ток электронов из металла все время остается неизменным: роль его незначительна при прохождении прямого тока, им же обусловлен ток утечки при обратном смещении. Величина этого обратного тока в приборах с барьером Шоттки порядка единиц микроампер.

В реальных контактах линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла наблюдается редко ввиду того, что на поверхности полупроводника из-за ее неидеальности имеются поверхностные заряды. При нанесении металла такой поверхностный заряд экранирует влияние металла, вследствие чего высота потенциального барьера в основном определяется состоянием поверхности полупроводника. Кроме того, на свойства контакта металл - полупроводник влияют токи утечки, токи генерации - рекомбинации носителей заряда в обедненной области и возможность туннельного перехода электронов в случае сильнолегированного полупроводника. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа

где a - коэффициент "неидеальности". При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения. Особенностью выпрямляющих контактов металл - полупроводник, отличающих их от p-n-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.

Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. Время восстановления обратного сопротивления с диодом Шоттки при использовании кремния и золота - примерно 10 нс и меньше.

Достоинством диода Шоттки при современном уровне технологии является также то, что его вольт-амперная характеристика оказывается очень близкой к характеристике идеализированного p-n-перехода. В формуле (6.1) коэффициент n близок к единице (a =1,04), в то время как у обычных диодов a =1,5-2,5. Это означает, что прямая ветвь характеристики диода Шоттки идет круче, чем у обычных диодов.

Шумы диода Шоттки определяются дробовым шумом и тепловым шумом последовательного сопротивления областей и контактов. Вследствие малого влияния неосновных носителей на процессы в диоде Шоттки вклад генерационно-рекомбинационных шумов в дробовый шум оказывается незначительным. Кроме того, уменьшается последовательное сопротивление областей диода, так как одна из областей является металлом. Поэтому уровень шумов диода Шоттки оказывается меньше, чем в аналогичных по применению точечных диодах на p-n-переходах.

Применяются диоды Шоттки в качестве детекторных и смесительных диодов вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Изготавливаются они из арсенида галлия. Для уменьшения емкости диаметр контакта уменьшается до 1 мкм и менее. Смесители на диодах Шоттки используются до 300 ГГц. На частоте 170 ГГц коэффициент шума диода Шоттки Кш = 4,8-5,5 дБ, а охлаждение до 20 К снижает его примерно вдвое.

Диоды с барьером Шоттки могут быть использованы для умножения и преобразования частот. Умножение может быть основано как на нелинейной зависимости сопротивления диода от напряжения (нелинейное сопротивление), так и на нелинейной зависимости емкости от напряжения (нелинейная емкость). Эффективность умножения при использовании диода Шоттки на основе арсенида галлия примерно в 3 раза выше, чем у кремниевых диодов с прижимным контактом при одинаковых с ним входной частоте (3 - 4 ГГц) и кратности умножения (три). Особенно существенны преимущества диода Шоттки при преобразовании слабых сигналов. Эти диоды используются также и как быстродействующие переключательные диоды.

Варианты разновидностей диодов Шоттки приведены на рис. 6.2.

а) меза-диод; б) планарный диод; в) мультиконтактная структура;

г) планарный диод с балочным выводом.

Диоды с барьером Шоттки широко используются в качестве детекторных и смесительных СВЧ диодов, вытесняя традиционные точечные диоды. При этом наилучшее сочетание параметров удается достигнуть при использовании арсенида галлия - материала, характеризующегося большей подвижностью основных носителей заряда по сравнению с кремнием. На рис. 6.3. показана структура СВЧ-диода Шоттки из арсенида галлия. Диоды Шоттки позволяют значительно уменьшить коэффициент шума. В них использован выпрямляющий контакт между полупроводником и металлом, в котором ток переносится основными носителями. Эти диоды обладают наименьшей способностью накопления неравновесных носителей заряда. Серийные образцы диодов Шоттки на частоте 50 ГГц, имеют уровень шумов и потерь менее 5 и 3,5 dB соответственно. Кроме того диоды Шоттки значительно более стойки к выгоранию, чем точечные приборы.

Успехи гибридной технологии (сочетание барьера Шоттки с p-n переходом ) позволили создавать мощные высокочастотные выпрямители, которые широко применяются в малогабаритных и интегральных "бестрансформаторных" источниках питания и солнечных батареях.

Предельная частота СВЧ-диодов Шоттки доведена до 500 ГГц.

Рис. 6.3. СВЧ-диод с переходом Шоттки на арсениде галлия:
1- SiO2; 2 -омический контакт; 3 - полосковая линия из золота; 4 - n+GaAs;5 - nGaAs; 6 -контакт перехода Шоттки

Подытоживая сказанное выше, перечислим основные преимущества барьера Шоттки по сравнению с р-п переходом:

1. Относительная простота варьирования высоты потенциального барьера без изменения свойств полупроводника за счет выбора соответствующего металла.

2. Высокая крутизна вольтамперной характеристики (a=1, тогда как для p-n переходов на кремнии типично a=1,5), обусловливающая лучшие детектирующие свойства.

3. Малая инерционность как в детекторном режиме, так и в режиме переключения (на 1-2 порядка меньше, чем у самых "быстрых" легированных золотом кремниевых диодов с p-n переходом).

4. Малый уровень шумов (справедливо вплоть до f •1012 Гц, тогда как в случае p-n перехода частотная зависимость дробового шума определяется механизмом диффузии и рекомбинации неосновных носителей заряда).

5. Принципиальная возможность получения меньших (по сравнению с приборами с p-n переходами) значений последовательного электрического сопротивления и теплового сопротивления, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой сильно легированный слой полупроводника.

6. Резкое различие оптических свойств металла и полупроводника (значительно более резкое, чем в случае полупроводников n- и p-типов проводимости), позволяющее создавать ряд оригинальных фотоэлектрических приборов.

7. Технологическая простота, сочетающаяся с широтой возможностей (изготовление в однотипных процессах различных - выпрямляющих и омических - контактов).

8. Принципиальная совместимость методов изготовления контактов металл - полупроводник с технологией интегральных схем.