Диод Шотки

 

Учёт этих противоречивых требований к концентрации примесей в исходном полупроводнике приводит к необходимости создания двухслойной  базы диода Шоттки (рис. 3). Основная часть кристалла – подложка толщиной около 0,2 мм – содержит большую концентрацию примесей и имеет малое удельное сопротивление. Тонкий монокристаллический слой того же самого полупроводника (толщиной в несколько микрометров) с той же электропроводностью n-типа может быть получен на поверхности подложки методом эпитаксиального наращивания. Концентрация доноров в эпитаксиальном слое должна быть значительно меньше, чем концентрация доноров в подложке.

 

 

Рис. 3. Варианты структур диодов Шоттки с двухслойной базой

 

 

 

В качестве исходного полупроводникового материала для выпрямительных диодов Шоттки можно использовать кремний или арсенид галлия. Однако в эпитаксиальных слоях арсенида галлия не удаётся пока достичь малой концентрации дефектов и достаточно низкой концентрации доноров. Поэтому пробивное напряжение диодов Шотки на основе арсенида галлия оказывается низким, что является существенным недостатком для выпрямительных диодов.

 

Металлический электрод на эпитаксиальный слой полупроводника обычно наносят методом испарения в  вакууме с последующим осаждением на поверхность эпитаксиального  слоя. Перед нанесением металлического электрода целесообразно методами фотолитографии создать окна в оксидном слое на поверхности полупроводника. Так легче получить выпрямляющий переход Шотки необходимой площади и конфигурации.

 

Выпрямительные низкочастотные диоды предпочтительнее изготовлять  с p-n-переходом. Выпрямительные диоды  Шоттки в области низких частот могут в перспективе иметь преимущество перед диодами с p-n-переходом, связанное с простотой изготовления.

 

Наибольшие преимущества перед диодами с p-n-переходом диоды  Шоттки должны иметь при выпрямлении больших токов высокой частоты. Здесь кроме лучших частотных свойств диодов Шоттки следует отметить такие их особенности: меньшее прямое напряжение из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей заряда полупроводника; большая максимально допустимая плотность прямого тока, что связано, во-первых, с меньшим прямым напряжением и, во-вторых, с хорошим теплоотводом от выпрямляющего перехода Шоттки. Действительно, металлический слой, находящийся с одной стороны перехода Шоттки, по своей теплопроводности превосходит любой сильнолегированный слой полупроводника. По этим же причинам выпрямительные диоды Шоттки должны выдерживать значительно большие перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с p-n-переходом на основе того же самого полупроводникового материала.

 

Ещё одна особенность диодов Шотки заключается в идеальности прямой ветви ВАХ. При этом с изменением прямого тока в пределах нескольких порядков зависимость близка к линейной, или в показателе экспоненты при изменении тока не появляется дополнительных множителей. Учитывая эту особенность, диоды Шоттки можно использовать в качестве быстродействующих логарифмических элементов.

 

На рис. 4 показаны ВАХ кремниевого диода Шоттки 2Д219, рассчитанного на максимально допустимый прямой ток 10 А. Прямое напряжение на диоде при максимально допустимом прямом токе не более 0,6 В, максимально допустимое обратное напряжение для диода 2Д219Б 20 В. Эти диоды допускают прохождение импульсов тока длительностью до 10 мс с периодом повторения не менее 10 мин с амплитудой, в 25 раз превышающей максимально допустимый прямой ток. Диоды рассчитаны на частоту выпрямляемого тока 0,2 МГц.

 

диод устройство полупроводник  Шотки

Рис. 4. ВАХ кремниевого диода Шоттки 2Д219 при разных температурах

 

Импульсные диоды Шоттки

 

Исходным полупроводниковым  материалом для этих диодов может  быть, так же как и для выпрямительных диодов Шоттки, кремний или арсенид галлия. Но предпочтение здесь должно быть отдано арсениду галлия, так как в этом материале время жизни неосновных носителей заряда может быть менее  с. Несмотря на практическое отсутствие инжекции неосновных носителей заряда через переход Шоттки при его включении в прямом направлении (что уже было отмечено ранее), при больших прямых напряжениях и плотностях прямого тока существует, конечно, некоторая составляющая прямого тока, связанная с инжекцией неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому требование малости времени жизни неосновных носителей в исходном полупроводниковом материале остается и для импульсных диодов Шотки.

Главный недостаток диодов Шоттки — большой обратный ток утечки. Он имеет экспоненциальную зависимость от температуры и возрастает при повышении температуры и обратного напряжения. Максимальный ток утечки определяется технологией производства диодов. Чем выше декларируемые номинальное обратное напряжение диода и максимальная температура перехода, тем меньше утечка.

Глава 3.  Применение диодов Шоттки.

Рассмотрим вариант газочувствительной активной структуры, при котором возможно использование органических материалов, несмотря на их недостатки.Предпологается, что селективные покрытия будут нанесены на завершающей стадии изготовления ЧЭ, после всех технологических процессов. В качестве такой газочувствительной структуры рассматривался диод Шоттки с развитым периметром, т.е. когда отношение длины периметра к площади перехода металл-полупроводник достаточно велико. Тогда краевые эффекты начинают играть большую роль, и с уменьшением размеров элемента влияние краев возрастает [1].

Рассмотрим влияние различных газов на характеристики поверхностных диодов Шоттки, выявить наиболее «газочувствительные» параметры. В нашем случае газочувствительным являлся торцевой барьер Шоттки, т. е краевая составляющая диода.

На рис. 5 показана структура диода Шоттки с протяженным периметром.

В принципе, диод с сильно развитым периметром можно рассматривать  как состоящий из двух параллельно  включенных диодов — объемного и торцевого (рис. 6). В этом случае изменение окружающей атмосферы не должно влиять на характеристики объемной части, которая закрыта металлом, а воздействовать только на периферийную область.

 

 

Рис. 5. Диод Шоттки с развитым периметром (решетчатая структура), вид сверху и сбоку

 

1 — кремниевая подложка, 2 — защитный окисел, 3 — селективная  пленка, 4 — область, вскрытая  в окисле, 5 — выпрямляющий контакт  (решетчатый диод Шоттки), 6 — омический  контакт.

 

Рис. 6. Параллельное включение двух составляющих диода Шоттки с развитым периметром: торцевая (или поверхностная) (Сп, Rп) и объемная (Соб, Rоб)

 

 

 

Для исследования влияния  краевых эффектов на газочувствительные свойства диодов Шоттки, на кремниевых пластинах методами планарной технологии были сформированы: различные диоды Шоттки: решетчатые диоды с протяженным периметром, диоды со сплошным выпрямляющим контактом, выходящие на поверхность края которых защищены окислом. В качестве контакта использовались алюминий или никель с подслоем ванадия. Диоды формировались на кремнии п- и р-типа проводимости. Дополнительно на кристаллах размещались резистивный нагреватель и измеритель температуры.

 

Как показали измерения, на прямых вольтамперных характеристиках (ВАХ) практически никаких изменений  при изменении окружающего газового состава не наблюдалось. Напротив, для  обратных токов характерны значительные изменения при смене газового состава.

 

На рис. 7 и 8 показаны обратные характеристики диодов, сформированных на подложках р- и п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

 

Измерения проводились при  температуре 60 оС. При меньшей температуре велико влияние физически сорбированной воды. При большей температуре уменьшается адсорбционная способность.

 

Рис. 7. Обратные токи диодов Шоттки, сформированных на подложке р-типа проводимости, при различных внешних воздействиях

 

 

Рис. 8. Обратные характеристики диодов Шоттки, сформированных на подложке п-типа проводимости при различных внешних воздействиях.

 

 

 

На рис. 9 показана зависимость изменения обратного тока ДШ от напряжения при воздействии углекислого газа (100 ppm). При этом наблюдалась хорошая повторяемость результатов (рис. 10).

 

 

Рис. 9. Зависимость обратного тока от напряжения для диодов Шоттки с развитым периметром (кольцевой диод) 1 — темновой ток; 2 — ток при дневном свете; 3 — ток в присутствии СО2 (дневной свет).

 

 

Рис. 10. Изменение обратного тока диода Шоттки с развитым периметром при циклическом воздействии СО2 (напряжение 5 В) 1) при воздействии СО2, 2) при снятии воздействия СО2.

 

 

 

Как видно из рисунков влияние  окружающей атмосферы сильно влияет на характеристики диодов. Притом влияние  это достаточно велико. Для диодов со сплошным контактом таких зависимостей не наблюдается. Поэтому измерения  по дифференциальной схеме, когда в  одно плечо включен диод со сплошным выпрямляющим контактом, а в другое — диод с развитым периметром могут  дать определенные сведения о составе  среды. При таком включении диодов будут скомпенсированы температурные  и прочие воздействия (рис. 11).

 

Для получения избирательного отклика, на диоды, после завершения всех технологических операций, селективные  органические покрытия могут быть нанесены методом напыления, пульверизации  или по Ленгмюр-Блоджетт технологии. Основное требование к покрытиям, чтобы их сопротивление было достаточно большим для исключения шунтирования переходов по поверхности. Покрытие всей поверхности ЧЭ высокоомной селективной пленкой дополнительно стабилизирует, защищает поверхность. А при распайке выводов точечное механическое и температурное воздействие приводит к удалению пленки только с контактов.

 

 

Рис. 11. Температурные зависимости обратного тока для 1 — диода Шоттки с развитым, открытым периметром, 2 — для диода Шоттки, периметр которого «сидит» на защитном окисле.

Таким образом, предлагаемая структура — торцевой (или вертикальный) диод Шоттки может быть успешно использована в качестве ЧЭ газодетекторов.

Глава 4. Производство диодов Шоттки.

Производители диодов Шоттки постоянно повышают максимально допустимое обратное напряжение этих приборов. Десять лет назад диоды Шотки можно было использовать только в преобразователях с выходным напряжением 5 или 12 В. В настоящее время их производят по арсенид-галлиевой и карбид-кремниевой технологиям с более высоким номинальным напряжением. Максимальное обратное напряжение кремниевых диодов Шотки — порядка 150 В, что делает их пригодными для универсальных первичных источников питания с напряжением 48 В,  в телекоммуникационных системах. Пиковое обратное напряжение арсенид-галлиевых диодов достигает 300 В, что позволяет использовать их при выходном напряжении 100 В. Прямое падение напряжения для арсенид-галлиевых диодов Шотки составляет обычно 0.8 В. Как правило, с этим не возникает проблем, так как ток в высоковольтных источниках питания обычно намного меньше, чем в низковольтных.

 

До недавнего времени  в повышающих преобразователях применялись  только высоковольтные ультрабыстрые  или FRED-диоды. Значительное время прямого  и обратного восстановления этих диодов ограничивало их применение частотами 100...300 кГц. Максимальное обратное напряжение карбид-кремниевых диодов Шоттки, производимых фирмами Advanced Power Technologies, Infineon и Сгее, достигает 1200 В. Производители предполагают, что следующие поколения карбид-кремниевых диодов будут выдерживать напряжения до 2000 В. Типовое прямое падение напряжения у карбид-кремниевых диодов составляет: 1.5 В — для 600-вольтовых диодов и 3.0 В — для 1200-вольтовых диодов, поэтому рассеивание мощности на них выше, чем на диодах FRED, при одном и том же уровне тока. Значительная доля потерь FRED является следствием эффекта обратного восстановления, тогда как в карбид-кремниевых диодах Шотки на первом месте стоят потери из-за снижения проводимости при высоких температурах. Тем не менее карбид-кремниевые диоды способны выдерживать значительно более высокие температуры, чем кремниевые диоды, при одном и том же размере кристалла. Прямое напряжение имеет положительный температурный коэффициент, поэтому можно запараллеливать карбид-кремниевые диоды с целью повышения предельно допустимого тока. Ещё одно преимущество карбид-кремниевых диодов заключается в том, что обратный ток утечки имеет гораздо меньшую зависимость от температуры, чем у кремниевых или арсенид-галлиевых диодов.

 

Поскольку в диодах Шотки практически отсутствует эффект прямого или обратного восстановления   применение карбид-кремниевых диодов позволяет цепям коррекции коэффициента мощности работать на частотах свыше 500 кГц. Это позволяет намного уменьшить габариты дросселей и повысить производительность. Упрощается также фильтрация электромагнитных помех, так как компоненты фильтра могут быть гораздо меньше при одинаковой степени ослабления помех. Использование: при изготовлении низкобарьерных диодов Шоттки на арсениде галлия. Сущность изобретения: в способе изготовления диода Шоттки, включающем фотолитографию рисунка барьерной области, нанесение на эту область многокомпонентной металлической пленки методом вакуумного термического напыления и термообработку металлической пленки с последующим охлаждением, в качестве металлической пленки используют эвтектический сплав Au-Ge, который наносят на холодную подложку с последующей взрывной литографией металлизации барьерной области. Масса навески сплава Аu-Ge составляет одну четвертую часть массы навески, используемой для изготовления омического контакта этого же диода. Термообработку полученной структуры проводят при температуре 390-410 С ⁰в течение 10-60 с, время нагрева составляет 0,7-1,5 мин, время охлаждения 20-60 с. Техническим результатом изобретения является создание способа, позволяющего улучшить высокочастотные свойства диода.