Выпрямляющий контакт Шоттки

Выпрямляющий контакт Шоттки возникает при соединении металла с полупроводником и характеризуется сильной асимметрией токопрохождения. В отличие от p–n-перехода, где основная роль принадлежит области пространственного заряда в самом полупроводнике, в случае контакта металл–полупроводник критическое значение имеет работа выхода металла и электронное сродство полупроводника. Разность этих величин формирует энергетический барьер, который определяет токовую вольт-амперную характеристику.

При установлении контакта электроны перераспределяются таким образом, чтобы уровни Ферми металла и полупроводника выровнялись. В результате вблизи поверхности полупроводника формируется область обеднения, а энергетические зоны изгибаются, создавая потенциальный барьер. Этот барьер препятствует движению носителей заряда в одном направлении и облегчает его в противоположном, что и придаёт контакту выпрямляющие свойства.

Энергетическая диаграмма контакта

При рассмотрении n-типа полупроводника работа выхода металла Φm и электронное сродство полупроводника χ играют решающую роль. Потенциальный барьер для электронов выражается как

ΦB = Φm − χ.

Если Φm > χ, то образуется выпрямляющий контакт, при котором электроны сталкиваются с барьером, затрудняющим их переход из полупроводника в металл. В случае, когда Φm < χ, формируется омический контакт, не обладающий выпрямляющими свойствами.

Для p-типа полупроводника условия обратные: выпрямление возникает при Φm < χ + Eg, где Eg — ширина запрещённой зоны.

Энергетические диаграммы наглядно показывают, что основное отличие контакта Шоттки от p–n-перехода заключается в природе барьера: здесь он определяется границей металл–полупроводник, а не рекомбинационными процессами на границе областей p и n.

Формирование области пространственного заряда

В области контакта формируется обеднённый слой шириной

$$ W = \sqrt{\frac{2 \varepsilon_s (V_{bi} - V)}{q N_d}}, $$

где εs — диэлектрическая проницаемость полупроводника, Vbi — встроенный потенциал, Nd — концентрация доноров, V — приложенное напряжение, q — заряд электрона.

Эта область играет ключевую роль в установлении характеристик барьера. В отличие от p–n-перехода ширина обеднённого слоя контакта Шоттки меньше при тех же концентрациях примесей, что связано с особенностями выравнивания уровней Ферми и свойствами металл–полупроводниковой границы.

Токопрохождение через барьер Шоттки

Протекание тока в контакте Шоттки определяется термоэлектронной эмиссией носителей через барьер. Токовая зависимость описывается уравнением:

$$ I = I_s \left( e^{\frac{qV}{n kT}} - 1 \right), $$

где

  • Is — ток насыщения,
  • n — идеальность диода (параметр, учитывающий отклонения от идеального механизма эмиссии),
  • k — постоянная Больцмана,
  • T — температура,
  • V — приложенное напряжение.

Ток насыщения определяется выражением

$$ I_s = A^* A T^2 e^{-\frac{q \Phi_B}{kT}}, $$

где A* — эффективная постоянная Ричардсона, A — площадь контакта, ΦB — высота барьера.

Таким образом, высота барьера и температура прямо влияют на величину обратного тока. Контакты Шоттки обычно обладают бо́льшими обратными токами по сравнению с p–n-переходами.

Роль идеальности и отклонения от теоретической модели

В реальных системах параметр идеальности n может отклоняться от единицы. Причинами этого являются:

  • туннелирование носителей через тонкий барьер,
  • наличие поверхностных состояний на границе металл–полупроводник,
  • неоднородности высоты барьера по площади контакта,
  • генерационно-рекомбинационные процессы в обеднённой области.

Значения n обычно лежат в диапазоне 1–2. При n = 1 преобладает термоэлектронная эмиссия, при n > 1 — заметен вклад дополнительных процессов переноса.

Туннельный механизм проводимости

Если концентрация примесей в полупроводнике велика, ширина обеднённого слоя становится настолько малой, что возникает значительная вероятность туннельного перехода электронов через барьер. В этом случае контакт приобретает свойства, близкие к омическому.

Туннельный ток описывается экспоненциальной зависимостью от толщины барьера и в сильнолегированных структурах может преобладать над термоэмиссионным.

Влияние поверхностных состояний

Поверхностные состояния на границе металл–полупроводник могут существенно изменять выпрямляющие свойства. Они захватывают или высвобождают носители заряда, изменяя локальный заряд и фактически фиксируя уровень Ферми на поверхности. Это явление называют «пиннингом уровня Ферми».

При сильном пиннинге высота барьера определяется не столько работой выхода металла, сколько плотностью и энергией поверхностных состояний. В результате меняется предсказуемость свойств контакта и ограничивается возможность регулирования барьера выбором металла.

Основные преимущества и недостатки диодов Шоттки

Преимущества:

  • очень малая времянапряжённая задержка за счёт отсутствия необходимости рекомбинации неосновных носителей,
  • высокая скорость переключения,
  • низкое прямое падение напряжения (обычно 0,2–0,4 В, меньше чем у кремниевых p–n-диодов).

Недостатки:

  • сравнительно высокий обратный ток,
  • более низкое допустимое обратное напряжение по сравнению с p–n-переходами,
  • чувствительность к температуре из-за экспоненциальной зависимости тока насыщения.

Области применения

Выпрямляющие контакты Шоттки широко используются в:

  • быстродействующих выпрямителях,
  • радиочастотной электронике, где важна малая ёмкость перехода,
  • импульсной технике,
  • солнечных элементах, где контакт Шоттки играет роль выпрямляющего узла,
  • микросхемах логики с малым энергопотреблением.

Именно сочетание высокой скорости и малого падения напряжения определяет уникальное место диодов Шоттки среди полупроводниковых приборов.

Оглавление