Особенности расчета диода Шотки

В выпрямляющем контакте, который называют диодом Шоттки, электропроводность обусловлена основными носителями заряда. По этой причине диоду Шоттки свойственна высокая скорость переходных процессов, что позволяет использовать его для создания быстродействующих переключателей. К тому же у диода Шоттки низкое (по отношению к кремниевому p-n-переходу) напряжение отпирания, что в совокупности с первой особенностью дает диоду Шоттки два положительных отличия от диодов на p-n-переходе. Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику диода Шоттки, имеет вид

, (2.6)

где А - площадь контакта; - эффективная постоянная Ричардсона;

m^* - эффективная масса электрона; h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана;

n - коэффициент неидеальности, который находится экспериментальным путем
(лежит в пределах 1,02...1,15).

Или , (2.7)

где ток насыщения диода Шотки.

Как уже отмечалось, отсутствие инжекции неосновных носителей в базу диода (дырок в n - полупроводник), а, следовательно, отсутствие эффектових накопления и рассасывания позволяет использовать диоды Шоттки в сверхвысокочастотном (гигагерцовом) диапазоне. Но если при определенных условиях в состоянии термодинамического равновесия концентрация дырок на границе металл - полупроводник превысит граничную концентрацию электронов, то в плоскости контакта образуется слой с инверсной проводимостью. В этом случае нельзя игнорировать инжекцию дырок в n- базу из инверсного слоя со всеми ее последствиями в аспекте частотных ограничений. Чтобы этого не произошло, как показывают расчеты, необходимо выбирать материал полупроводника с большим отношением μ_n/μ_p и достаточно сильно его легировать. Но большая концентрация доноров может привести к наличию туннельного тока I_T при обратном смещении диода (см. рис.2.1, д).

Другая причина, ограничивающая верхнюю частоту использования диодов Шоттки, обусловлена инжекцией горячих электронов как в полупроводник (при обратном смещении диода), так и в металл (при прямом смещении диода). Время, необходимое для уравниваниясредних энергий инжектируемых и равновесных электронов (время "выстывания" электронов), котороеможно оценить как отношение длины свободного пробега электронов к его скорости насыщения, колеблется в зависимости от знака смещения диода в пределах t = 10^-11…10^-13 c. По этой причине инерционность более сильно проявляется при обратном смещении диода, поскольку длина свободного пробега электронов в полупроводнике больше, чем в металле.

И, наконец, к числу основных причин, ограничивающих частоту диодов Шоттки, относится процесс перезаряда барьерной емкости диода. Ее величина , где - барьерная емкость контакта, - сопротивление базы диода (объемное сопротивление слоя полупроводника). Расчетная величина постоянной времени в лучших конструкциях диодов Шоттки находится в пределах c, но может оказаться больше из-за влияния паразитных элементов реального прибора (сопротивление контактов и подводящих проводов, спин-эффекта и т.д.). В реальных приборах из-за концентрации электрических силовых линий вблизи углов пробой при обратном смещении происходит при сравнительно малой величине (порядка 15 В). Существует несколько модификаций конструкций, улучшающих обратную характеристику диода, одна из которых, использующее диффузионное охранное кольцо, приведена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Конструкция диода Шоттки с диффузионным охранным кольцом

 

Из уравнения (2.7) для данного значения прямого тока падение напряжения на диоде задается выражением

, (2.8)

где ток насыщения I_sш определяется выражением (2.7).

Для миллиамперного диапазона токов у алюминиевых диодов Шоттки, изготовленных из кремния n-типа, величина равна приблизительно 0,45 В.

Для кремниевого p-n-перехода в этом же диапазоне прямого тока (см. 2.8) U^*» 0,7 В, так как величина тока насыщения кремниевого p-n-перехода I_s» 10^-13…10^-14А намного меньше величины I_sш.

Это свойство диода Шоттки используется для создания быстродействующих логических схем, в которых за счет включения в цепь коллектор - база диода Шоттки напряжение на коллекторе относительно базы фиксируется не более 0,45 В, что не дает транзистору перейти в режим насыщения. Подробнее об это будет рассмотрено в разделе 3.