Барьер шоттки принцип работы: принцип работы, устройство и маркировка

Содержание

принцип работы, устройство и маркировка

Диод Шоттки был создан немецким физиком, инженером Вальтером Шоттки в 30-х годах прошлого века. Им было замечено, что электрическое поле влияет на свободные электроны, тем самым заставляя их вылетать из зоны проводимости. Буквально, это выглядит как выход из твердого тела. Эта зависимость получила свое название в честь ее первооткрывателя, то есть самого Вальтера Шоттки. В научной литературе подобное явление называется эффектом Шоттки.

В зоне контакта это приводит к появлению слоя, который содержит малое количество электронов и имеет выраженные вентильные свойства. Спустя некоторое время, они стали использоваться в электротехнике, в создании различного оборудования. В статье подробно описаны все особенности строения диода, сфера его применения и как он используется. В дополнении, статья содержит видеоролик и научную статья по выбранной теме.

Диод Шоттки.

Диод Шоттки.

Металл и полупроводник: особенности контакта

В контактной области полупроводниковых и металлических материалов эффект Шоттки приводит к образованию в полупроводнике слоя, сильно обеднённого электронами. Он обладает вентильными свойствами, присущими полупроводниковому p-n-переходу. Эта зона представляет собой преграду для носителей заряда, поэтому данные радиокомпоненты часто называют диодами с барьером Шоттки.

Элементы отличаются от обычных полупроводниковых вентилей следующими качествами:

  1. пониженное падение напряжения при прямом смещении;
  2. незначительная собственная ёмкость;
  3. малый обратный ток;
  4. низкое допустимое обратное напряжение.

При прямом смещении разность потенциалов на диоде Шоттки не превышает 0,5 В, тогда как на обычном выпрямительном вентиле падение напряжения составляет около 2-3 В. Это объясняется небольшим сопротивлением переходного участка между полупроводником и металлом. В таблице ниже представлены характеристики диодов Шоттки. Как работает диод с барьером Шоттки

Как работает диод с барьером Шоттки

Хорошие частотные характеристики диодов Шоттки обусловлены отсутствием в переходной зоне неосновных носителей заряда. Из-за этого в контактной области не протекают обычные для чисто полупроводникового p-n-перехода процессы диффузии и рекомбинации дырок и электронов.

Следовательно, собственная ёмкость этого слоя стремится к нулю. Данное свойство делает диоды с барьером Шоттки предпочтительными для использования в высоко- и сверхвысокочастотных схемах, а также аппаратуре с импульсными режимами работы – всевозможных цифровых устройствах, системах управления электроникой и импульсных блоках питания.

Низковольтные диоды

Особенность диодов Шоттки состоит в том, что они являются низковольтными. Если приложенная разность потенциалов превышает некоторый допустимый уровень, то в соответствии с квантовыми законами происходит пробой, который в обычном полупроводниковом радиокомпоненте может быть туннельным, лавинным или тепловым. После первых двух диод восстанавливается и продолжает исправно работать. Тепловой пробой означает фатальную поломку.

Мост из диодов Шоттки

Мост из диодов Шоттки

 

Однако чувствительность этих радиокомпонентов не всегда является их недостатком. Например, благодаря этой характеристике диоды с барьером Шоттки используются в особо чувствительных гетеродинах, которые получают способность обрабатывать радиосигналы очень малой мощности.

Основные параметры:

  1. Максимальное постоянное обратное напряжение;
  2. Максимальное импульсное обратное напряжение;
  3. Максимальный (средний) прямой ток;
  4. Максимальный импульсный прямой ток;
  5. Постоянное прямое напряжение на диоде при заданном прямом токе через него;
  6. Обратный ток диода при предельном обратном напряжении;
  7. Максимальная рабочая частота диода;
  8. Время обратного восстановления;
  9. Общая емкость диода.

В диодах с барьером Шоттки пробой всегда бывает только тепловым. Такова особенность металло-полупроводникового перехода. При большом обратном смещении элемент выходит из строя и нуждается в замене. Этим, кстати, объясняется сильная чувствительность диодов Шоттки к статическому электричеству – при их монтаже и обслуживании радиоаппаратуры с этими элементами необходимо заземлять спецодежду и инструменты.

Диод Шоттки на электросхеме

Диод Шоттки на электросхеме

Производство диодов Шоттки

В качестве полупроводниковой составляющей используются стандартные материалы – кремний, германий и арсенид галлия. На них в процессе изготовления радиокомпонентов напыляются такие металлы, как золото, серебро, палладий, вольфрам. Именно эти элементы таблицы Менделеева обеспечивают достаточно высокий потенциальный барьер, определяющий функциональность диодов Шоттки. Германиевые радиокомпоненты показывают высокую устойчивость к изменению температурного режима, поэтому данный материал чаще кремния и арсенида галлия используется при производстве диодов для мощных схем питания. Зато кремниевые и галлиевые элементы демонстрируют лучшие частотные параметры.

Материал в тему: Что такое кондесатор

Диоды Шоттки в блоках питания

В системных блоках питания, диоды Шоттки используются для выпрямления тока каналов +3.3В и +5В, а, как известно, величина выходных токов этих каналов составляет десятки ампер, что приводит к необходимости очень серьезно относиться к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь. Решение этих вопросов способно значительно увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.

Итак, для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при переключении, в самых сильноточных каналах (+3.3В и +5В), где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используются диоды Шоттки. Применение диодов Шоттки в этих каналах обусловлено следующими соображениями:

  • Диод Шоттки является практически безынерционным прибором с очень малым временем восстановления обратного сопротивления, что приводит к уменьшению обратного вторичного тока и к уменьшению броска тока через коллекторы силовых транзисторов первичной части в момент переключения диода. Это в значительной степени снижает нагрузку на силовые транзисторы, и, как результат, увеличивает надежность блока питания.
  • Прямое падение напряжения на диоде Шоки также очень мало, что при величине тока 15–30 А обеспечивает значительный выигрыш в КПД.

Так как в современных блоках питания очень мощным становится и канал напряжения +12В, то применение диодов Шоттки в этом канале также дало бы значительный энергетический эффект, однако их применение в канале +12В нецелесообразно. Это связано с тем, что при обратном напряжении свыше 50В (а в канале +12В обратное напряжение может достигать величины и 60В) диоды Шоттки начинают плохо переключаться (слишком долго и при этом возникают значительные обратные токи утечки), что приводит к потере всех преимуществ их применения. Поэтому в канале +12В используются быстродействующие кремниевые импульсные диоды.

Устройства диода.

Устройства диода.

Хотя промышленностью сейчас выпускаются диоды Шоттки и с большим обратным напряжением, но их использование в блоках питания считается нецелесообразным по разным причинам, в том числе и экономического плана. Но в любых правилах имеются исключения, поэтому в отдельных блоках питания можно встретить диодные сборки Шоттки и в каналах +12В. В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки представляют собой, как правило, диодные сборки из двух диодов (диодные полумосты), что однозначно повышает технологичность и компактность блоков питания, а также улучшает условия охлаждения диодов. Использование отдельных диодов, а не диодных сборок, является сейчас показателем низкокачественного блока питания.

Проявление неисправностей диодов Шоттки

Как уже отмечалось, неисправность диодов Шоттки является одной из основных проблем современных блоков питания. Так по каким же предварительным признакам можно предположительно определить их неисправность? Таких признаков несколько. Во-первых, при пробоях и утечках вторичных выпрямительных диодов, как правило, срабатывает защита, и блок питания не запускается. Это может проявляться по-разному:

  • При включении блока питания вентилятор «дергается», т. е. совершает несколько оборотов и останавливается; после этого выходные напряжения полностью отсутствуют, т. е. источник питания блокируется.
  • После включения блока питания вентилятор «дергается» постоянно, на выходах блока питания можно наблюдать пульсации напряжения, т. е. защита срабатывает периодически, но блок питания при этом полностью не блокируется.
  • Признаком неисправности диодов Шоттки является чрезвычайно сильный разогрев вторичного радиатора, на котором они установлены.
  • Признаком утечки диодов Шоттки может являться самопроизвольное выключение блока питания, а значит и компьютера, при увеличении нагрузки (например, при запуске программ, обеспечивающих 100% загрузку процессора), а также невозможность запустить компьютер после «апгрейда», хотя мощность блока питания является достаточной.

Кроме того, необходимо осознавать, что в блоках питания с плохой и непродуманной схемотехникой, утечки выпрямительных диодов приводят к перегрузкам первичной цепи и к всплескам тока через силовые транзисторы, что может стать причиной их отказа. Таким образом, профессиональный подход к ремонту блоков питания, диктует обязательную проверку вторичных выпрямительных диодов при каждой замене силовых транзисторов-ключей первичной части блока питания.

Материал по теме: Что такое реле времени

Диагностика диодов Шоттки

Проверка и точная диагностика диодов Шоттки, на практике, является достаточно непростым делом, т. к. многое здесь определяется типом используемого измерительного прибора и опытом подобных измерений, хотя определить обычный пробой одного или двух диодов диодной сборки Шоттки не составляет особого труда. Для этого необходимо выпаять диодную сборку и проверить тестером оба диода согласно схеме на рис. 5. При подобной диагностике тестер необходимо установить в режим проверки диодов. Неисправный диод в обоих направлениях покажет одинаковое сопротивление (как правило, очень малое, т. е. покажет короткое замыкание), что и указывает на его непригодность для дальнейшего использования. Однако явные пробои диодных сборок в практике встречаются очень и очень редко.

Как работает диод с барьером Шоттки

В основном же, приходится иметь дело с утечками (причем зачастую с тепловыми утечками) диодов Шоттки. А вот утечки, выявить таким способом невозможно. «Утекающий» диод при проверках тестером в режиме «диод» является в подавляющем большинстве случаев полностью исправным. Гарантированную точность диагностики, на наш взгляд, позволяет дать только такой метод, как замена диода на заведомо исправный аналогичный прибор.

Но все-таки, выявить «подозрительный» диод можно попытаться с помощью методики, заключающейся в измерении сопротивления его обратного перехода. Для этого будем пользоваться не режимом проверки диодов, а обычным омметром.

Внимание! При использовании этой методики следует помнить, что разные тестеры могут давать отличающиеся показания, что объясняется различием самих тестеров.

Итак, устанавливаем предел измерений на значение [20К] и измеряем обратное сопротивление диода (рис. 6). Как показывает практика, исправные диоды на этом пределе измерений должны показывать бесконечно большое сопротивление.

Принцип работы диода Шоттки.

Принцип работы диода Шоттки.

Если же при измерении выявляется некоторое, как правило, небольшое сопротивление (2–10 КОм), то такой диод можно считать «очень подозрительным» и его лучше заменить, или хотя бы проверить методом замены. Если же проводить проверку на пределе измерений [200К], то даже исправные диоды могут показывать в обратном направлении очень небольшое сопротивление (единицы и десятки кОм), поэтому и рекомендуется использовать предел [20К]. Естественно, что на больших пределах измерений (2 Мом, 20 Мом и т. д.) даже абсолютно исправный диод оказывается полностью открытым, т. к. его p-n переходу прикладывается слишком высокое (для диодов Шоттки) обратное напряжение. На пределе [200К] можно проводить проверку сравнительным методом, т. е. брать гарантированно-исправный диод, измерять его обратное сопротивление и сравнивать с сопротивлением проверяемого диода. Значительные отличия в этих измерениях будут указывать на необходимость замены диодной сборки.

Иногда встречаются ситуации, когда выходит из строя только один из диодов сборки. В этом случае неисправность также легко выявляется методом сравнения обратного сопротивления двух диодов одной сборки. Диоды одной сборки должны иметь одинаковое сопротивление. Предложенную методику можно дополнить еще и проверкой на термическую устойчивость. Суть этой проверки заключается в следующем. В тот момент времени, когда проверяется сопротивление обратного перехода на пределе измерений [20K] (см. предыдущий абзац), необходимо коснуться разогретым паяльником контактов диодной сборки, обеспечивая тем самым прогрев ее кристалла.

Неисправная диодная сборка практически мгновенно начинает «плыть», т. е. ее обратное сопротивление начинает очень быстро уменьшаться, в то время как исправная диодная сборка достаточно долго удерживает обратное сопротивление на бесконечно большом значении. Эта проверка очень важна, т. к. при работе диодная сборка сильно нагревается (не зря же ее размещают на радиаторе) и вследствие нагрева изменяет свои характеристики. Рассмотренная методика обеспечивает проверку устойчивости характеристик диодов Шоттки к температурным колебаниям, ведь увеличение температуры корпуса до 100 или 125°C увеличивает значение обратного тока утечки в сто раз (см. данные табл. 1).

Вот так можно попытаться проверить диод Шоттки, однако предложенными методиками не стоит злоупотреблять, т. е. не следует проводить проверки на слишком большом пределе измерений сопротивления и слишком сильно разогревать диод, т. к. теоретически, все это может привести к повреждению диода.

Кроме того, из-за возможности отказа диодов Шоттки под действием температуры, необходимо строго соблюдать все рекомендуемые условия пайки (температурный режим и время пайки). Хотя надо отдать должное производителям диодов, так как многие из них добились того, что монтаж сборок можно осуществлять при высокой температуре 250 °C в течение 10 секунд.

Заключение

В статье описаны все аспекты работы и устройства диода Шоттки. Еще больше информации можно найти в статье Устройство высоковольтных диодов Шоттки. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.xprt.ru

www.eandc.ru

www.texnic.ru

Следующая

ПолупроводникиЧто такое полупроводниковые диоды и как они устроены

ШОТТКИ БАРЬЕР — это… Что такое ШОТТКИ БАРЬЕР?

— потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащем с металлом; исследован В. Шоттки (W. Schottky) в 1939. Для возникновения Ш. б. необходимо, чтобы работы выхода электронов из металла Ф M и полупроводника Ф п были разными. При контакте полупроводника n -типа проводимости с металлом, имеющим Ф М п, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, т. к. электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно (при контакте полупроводника р- типа проводимости с металлом, обладающим Ф М п, металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно). Возникающая при установлении равновесия между металлом и полупроводником контактная разность потенциалов равна: U к = (Ф М п)/ е, где е — заряд электрона. Из-за большой электропроводности металла электрич. поле в него не проникает, и разность потенциалов U к создаётся в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрич. поля в этом слое таково, что энергия осн. носителей заряда в нём больше, чем в толще полупроводника. Это означает, что в полупроводнике n -типа энергетич. зоны в приконтактной области изгибаются вверх, а в полупроводнике p -типа — вниз (рис.). В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при Ф M п для полупроводника n -типа или при Ф M п для полупроводника p -типа возникает Ш. б. высотой Ф o.

255008-17.jpg

Энергетическая схема контакта металл — полупровод ник: а -полупроводник n -типа и металл до сближения; б и в — идеальный контакт металла с полупроводни ком n— и p -типов; г — реальный контакт металла с полу проводником n -типа; M — металл; П -полупроводник; Д-диэлектрическая прослойка; 255008-18.jpg -уровни энергии электрона у потолка валентной зоны, у дна зо ны проводимости и в вакууме; 255008-19.jpg -энергия Ферми; Ф п работа выхода электрона из полупроводника, Ф M — из металла; U к разность потенциалов в приповерхност ном слое полупроводника.

В реальных структурах металл — полупроводник это соотношение не выполняется, т. к. в поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрич. прослойке, часто возникающей между металлом и полупроводником, обычно есть локальные электронные состояния; находящиеся в них электроны экранируют влияние металла так, что внутр. поле в полупроводнике определяется этими поверхностными состояниями и высота Ш. б. зависит от Ф M менее резко, чем это может быть получено из приведённой выше ф-лы. Как правило, наибольшей высотой обладают Ш. б., получаемые нанесением на полупроводник n -типа плёнки Au. На высоту Ш. б. оказывает также влияние сила «электрич. изображения» (см. Шоттки эффект).

Ш. б. обладает выпрямляющими свойствами. Ток через Ш. б. при наложении внеш. электрич. поля создаётся почти целиком осн. носителями заряда. Величина тока определяется скоростью прихода носителей из объёма к поверхности, в случае полупроводника с высокой подвижностью носителей — током термоэлектронной эмиссии.

Контакты металл — полупроводник с Ш. б. используются в СВЧ-детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и др. приборах.

Лит.: Стриха В. И., Бузанева E. В., Радзиевский И. А., Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки, M., 1974; Стриха В. И., Теоретические основы работы контакта металл — полупроводник, К., 1974; Милнс А., Фойхт Д., Гетеропереходы и переходы металл — полупроводник, пер. с англ., M., 1975.

T. M. Лифшиц.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Принцип работы диода Шоттки, как его проверить и чем заменить

В большом семействе полупроводников есть так называемый диод Шоттки. Он назван по фамилии учёного Shottky, открывшего этот эффект. В радиоэлектронике занимает свою нишу благодаря своим параметрам. Что это за прибор и чем он отличается от обычных обсуждаем ниже.

Что такое диод Шоттки и в чем его отличия

Диоды Шоттки (Shottky) могут выглядеть так

Содержание статьи

Основные характеристики диодов

Для начала вспомним, что такое обычный диод и как он работает. Это полупроводниковый прибор, который стоит из двух зон. При определённых условиях через этот переход перемещаются электроны.

Как работает диод шоттки

Устройство и обозначение диода

Основное свойство элемента — он пропускает ток в одном направлении, и не пропускает в другом. Диоды Шоттки имеет такие же характеристики, как и обычные. На некоторых заострим внимание поподробнее. Это падение напряжения, обратный ток, обратное напряжение, частота.

Диод Шоттки отличается от обычных кремниевых диодов

Диод Шоттки делают из кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и редко — на основе германия (Ge). Металл в соединении с полупроводником определяет многие параметры диода. Этим металлом, может быть, золото (Au), ралладий (Pd), платина (Pt), вольфрам (W) которые наносятся на полупроводники.

А также как и обычный диод соединение полупроводник-металл обладает односторонней проводимостью с рядом положительных, а также отрицательных качеств.

вольт амперная характеристика диода шоттки

Вольт-амперная характеристика диода шоттки

Вольт-амперная характеристика диода Шоттки отличается от обычного полупроводникового большей нелинейностью.

Что дает использование соединения металл-полупроводник? Два положительных момента:

    1. Очень небольшое падение напряжения на прямом переходе — 0,2-0,4 В. Для кремниевого диода «среднее» значение этого параметра — 0,7 В.  Правда, малое падение напряжения имеют только приборы с небольшим напряжением пробоя — до 100 В. Для более мощных это падение только чуть ниже, чем у кремниевых.
    2. Высокое быстродействие. То есть, он быстро меняет своё состояние. Переход из открытого состояния в закрытое и обратно происходит за очень короткий промежуток времени и определяется только барьерной ёмкостью. Их применяют в системах коммутации, где важна скорость реакции.
Что такое диод Шоттки

Что такое диод Шоттки и как он обозначается на схеме

Есть у них и минусы. При повышении температуры у них значительно возрастает обратный ток.

Второй недостаток — при превышении максимально допустимого обратного напряжения происходит необратимый пробой. То есть, прибор выходит из строя. Есть и ещё один минус — малое падение прямого напряжения только у диодов Шоттки с малым напряжением пробоя (до сотни вольт). У вариантов с более высоким напряжением потери сравнимы с кремниевыми.

Применение в электронике

Такие свойства, как быстродействие и малое падение напряжения позволяет использовать диоды Шоттки в высокочастотных схемах. Например, в силовых высокочастотных выпрямителях (до сотен килогерц), где они работают как высокочастотные выпрямители. Применяют их и в усилителях звука, так как по сравнению с обычными диодами они дают меньший уровень помех.

ОБласто применения широкая, но заменять ими обычные стоит на всегда

Если вы посмотрите на плату источника питания, точно увидите диод Шоттки

Ещё одна область применения — составная часть более сложных полупроводниковых приборов. Например, МОП — транзисторы, диодные сборки и силовые диоды со встроенным диодом Шоттки имеют лучшие характеристики.

Сфера применения изделий велика, но наиболее часто их применяют в блоках питания компьютеров. А также в схемах для модуляции света в приёмниках излучения, солнечных батареях.

Условное обозначение и характеристики

На схеме диод Шоттки имеет особое обозначение. Отличие от обычного состоит в том, что перекладина у треугольника имеет загнутые края. Не один, как у стабилитрона, а оба. И края эти загнуты в разные стороны. На рисунке приведено обозначение по ГОСТу.

Как обозначается диод Шоттки на схеме

Диод Шоттки на схеме: условное обозначение

Про характеристики уже говорили. Это три основных параметра:

  • Падение напряжения при прямом переходе. Для диодов Шоттки оно ниже, чем у обычных кремневых. При мощности обратного пробоя до 100 В оно будет порядка 0,2-0,4 В (у кремниевых в среднем 0,6–07 В).
  • Напряжение пробоя. Обычное значение — до 200 В, но есть и изделия с напряжением более 1000 вольт.
  • Пример технических характеристик диодов Шоттки

    Параметры популярной серии диодов Шоттки 1N58**

  • Обратный ток. В нормальных условиях (до 20 °C) он не слишком велик — порядка 0,05 мА, но при повышении температуры резко повышается.

Приведённые параметры — средние. Есть довольно серьёзный разбег и для каждого случая можно подобрать нужные характеристики по каждому из пунктов. Иногда ещё важен такой параметр, как скорость переключения (быстродействие).

Виды диодов Шоттки

В настоящее время в электронных устройствах обычно применяют именно этот тип диодов. Бывают следующих видов:

  • Одинарные.
  • Сдвоенные
    • с общим анодом;
    • с общим катодом; Диоды Шоттки могут быть в

      Два варианта корпусов для сдвоенных диодов Шоттки

    • последовательно соединенные.

Сдвоенные диоды Шоттки (или диодные сборки) выполнены в одном корпусе, похожи на силовые ключи, имеют три вывода. Диоды в сборке имеют одинаковые или очень близкие параметры, так как выполняются в одном технологическом цикле.

Внешний вид некоторых серий диодов Шоттки

Часто диоды Шоттки выглядят именно так, но есть еще и в виде обычных диодов и СМД варианты. Как видите, на пластиковых стоит обозначение связки двух диодов — с общим анодом

Деталь имеет обычный корпус в виде небольших цилиндров с двумя проволочными выводами. Катод помечен полосой.

Таблица названий и характеристик

Диоды Шоттки выпускаются определёнными сериями. Не так много производителей в мире, несколько десятков серий. В таблице собраны наиболее часто встречающиеся элементы отечественного и импортного производства (некитайского).

Отечественные диоды ШотткиИмпортные диоды ШотткиU max, VImax, АТип
1N581720-25 1 Одинарный
1N582020-25 3Одинарный
КД269 А, АС20-25 5Одинарный/сдвоенный
КД238АС20-25 7,5Сдвоенный
КД270 А, АС20-25 7,5Одинарный/сдвоенный
КД271 А, АС20-25 10Одинарный/сдвоенный
КД272 А, АС SR162020-25 15Одинарный/сдвоенный
КД273 А, АС20-25 20Одинарный/сдвоенный
1N581830-351Одинарный
1N582130-353Одинарный
КД638 А, АС30-355Сдвоенные
КД238 А, АС30-357,5Сдвоенные
10TQ0.530-3510Одинарный
12TQ03530-3515Одинарный
20TQ03530-3520Одинарный
SR503030-3550Сдвоенные
1N581940-451Одинарный
1N582240-453Одинарный
КД638 АСSR54040-455Одинарный
КД238 АС6TQ04540-457.5Сдвоенные
10TQ04540-4510Одинарный
12TQ04540-4515Одинарный
20TQ04540-4520Одинарный
SR350503Одинарный
КД269 Б, БС505Одинарный/сдвоенный
КД270 Б, БСSR850507.5Одинарный/сдвоенный
КД271 Б, БС5010Одинарный/сдвоенный
КД272 Б, БС5015Одинарный/сдвоенный
КД273 Б, БС18TQ0505020Одинарный/сдвоенный
SR160601Одинарный
SR360603Одинарный
КД638 БСSR560605Сдвоенные
КД636 АСSR16606015Сдвоенные
КД637 АС6025Сдвоенные
КД269 В, ВС50SQ080755Одинарный/сдвоенный
КД270 В, ВС8TQ060757,5Одинарный/сдвоенный
КД271 В, ВС7510Одинарный/сдвоенный
КД272 В, ВС7515Одинарный/сдвоенный
КД273 В, ВС7520Одинарный/сдвоенный
30CPQ807530Сдвоенные
11DQ0990-1001.1Одинарный
31DQ1090-1003.3Одинарный
КД638 ВС90-1005Сдвоенные
КД269 Г, ГС50SQ10090-1005Одинарный/сдвоенный
КД270 Г, ГС8TQ10090-1007.5Одинарный/сдвоенный
КД271 Г, ГС90-10010Одинарный/сдвоенный
КД272 Г, ГС90-10015Одинарный/сдвоенный
КД273 Г, ГС90-10020Одинарный/сдвоенный
30CPQ10090-10030Сдвоенные
КД638 ГС1505Сдвоенные
КД269 Д, ДС1505Одинарный/сдвоенный
КД638 ДС1505Сдвоенные
КД270 Д, ДС1507,5Одинарный/сдвоенный
КД271 Д, ДС10CTQ15015010Одинарный/сдвоенный
КД636 БС15015Сдвоенные
КД272 Д, ДС15015Одинарный/сдвоенный
КД273 Д, ДС15020Одинарный/сдвоенный
КД637 БС15025Одинарный/сдвоенный
30CPQ150, SF30315030Сдвоенные
UF4003, SF142001Одинарный
SF242002Одинарный
SF34, HER3032003Одинарный
КД369 Е, ЕС2005Одинарный/сдвоенный
КД638 ЕС2005Сдвоенные
КД270 Е, ЕС2007,5Одинарный/сдвоенный
КД271 Е, ЕС20010Одинарный/сдвоенный
КД272 Е, ЕС20015Одинарный/сдвоенный
КД638 ВС20015Сдвоенные
КД273 Е, ЕС20020Одинарный/сдвоенный
КД637 ВС20025Сдвоенные
SF304, 30EPF0220030Одинарный
UF4004. SF164001Одинарный
SF264002Одинарный
SF26, HER3054003Одинарный
КД640 А, АС4008Одинарный/сдвоенный
КД271 К, КС, К110ETF0440010Одинарный/сдвоенный
КД272 К, КС, К116CTU0440015Одинарный/сдвоенный
КД641 А, АС40015Одинарный/сдвоенный
КД636ГС40015Сдвоенные
КД273К, КС, К140020Одинарный/сдвоенный
КД637ГС30CPF0440025 (30)Сдвоенные
КД640 Б, БС5008Одинарный/сдвоенный
КД640 Е, ЕС5008Одинарный/сдвоенный
КД271 Л, ЛС, Л150010Одинарный/сдвоенный
КД272 Л, ЛС, Л150015Одинарный/сдвоенный
КД640 Б, БС50015Одинарный/сдвоенный
КД640 Е, ЕС50015Одинарный/сдвоенный
КД273 Л, ЛС, Л150020Одинарный/сдвоенный
UF4005, SF176001Одинарный
SF276002Одинарный
SF37, HER3066003Одинарный
HFA04TB606004Одинарный
КД640 В, ВСHFA08TB60, HFA08pB606008Одинарный/сдвоенный
КД271, М, МС, М110ETF0660010Одинарный/сдвоенный
КД636 ДС60012Сдвоенные
КД272, М, МС, М160015Одинарный/сдвоенный
КД641В, ВС60015Одинарный/сдвоенный
КД273, М, МС, М160020Одинарный/сдвоенный
КД637 ДС60025Сдвоенные
30СPF0660030Одинарный/сдвоенный
40EPF0660040Одинарный
60EPF0660060Одинарный
КД640 Г, ГС7008Одинарный/сдвоенный
КД640 Г, ГС70015Одинарный/сдвоенный
UF4006, SF188001Одинарный
SF288002Одинарный
SF38, HER3078003Одинарный
КД636 ЕС80012Сдвоенные
КД637 ЕС20ETF0880025Сдвоенные
UF4007, SF191000-12001Одинарный
SF291000-12002Одинарный
SF39, HER3081000-12003Одинарный
HFA06TB1201000-12006Одинарный
HFA08TB120, HFA06PB1201000-12008Одинарный
20ETF121000-120020Одинарный
30ETF121000-120030Одинарный/сдвоенный
60ETF121000-120060Одинарный

Для удобства они отсортированы по напряжению пробоя. Внутри группы прямой ток идет по возрастающей. Так удобнее ориентироваться.

Диод Шоттки обозначается почти также как обычный. Разница в перекладинке - она имеет "крылья"

Отличия в графическом изображении диода Шоттки и обычного

Некоторые из перечисленных супербыстрые: SF 17/18/19 в группе с высоким обратным напряжением (от 600 В). В группе с напряжением пробоя 400 В их несколько — всё по списку начиная от тока 8А. Такая же картина наблюдается с пробоем на 300 В. В этой группе почти все отличатся высоким быстродействием. Только три позиции (UF4003 и SF 24 и 34) имеют «нормальную» для диодов Шоттки скорость срабатывания. Она всё равно намного выше, чем у обычных кремниевых деталей.

Если проанализировать таблицу, можно заметить, что диоды с малым обратным током почти без исключений импортного производства.

Как проверить

Вообще, он проверяется как обычный диод. Проверка основана на том, что они в одном направлении пропускают ток и имеют малое сопротивление, во втором ток не пропускают и сопротивление имеют высокое — почти обрыв.

Чтобы проверить диод Шоттки мультиметром, переводим его в режим прозвонки. Прикладываем щупы к выводам проверяемой детали. В одном положении должно «звониться», поменяв щупы, должна получить обрыв. Если «звонится» и в любом положении щупов — переход пробит и диод неисправен. Но никакие другие характеристики мультиметром вы не проверите. Можно только сказать работает он или пробит, а также где анод и катод.

Проверка диода Шоттки

Можно проверить диод Шоттки имея обычный мультиметр. В обратном положении должен показывать «обрыв».

Где анод, а где катод? Анод там где положительный щуп, катод — где земляной при таком положении когда диод ток пропускает. В обычном исполнении (КД) катод там, где корпус имеет расширение.

Проверить исправность диода Шоттки вообще не проблема, если имеете универсальный тестер. В слоты вставляем ножки детали и нажимаем на кнопку тестирования. На экране должен высветиться символ диода и характеристики, которыми он обладает. Перечень характеристик зависит от модели измерителя, но падение напряжения на прямом переходе, напряжение пробоя и обратный ток должны быть обязательно. А ещё вам распишут, к какому слоту подключён анод, а к какому катод. Если он сдвоенный, то и общий коллектор/база будут прописаны.

Чем заменить

Заменить диод диодом Шоттки вполне возможно, лишь бы подходил по основным характеристикам, напряжение и ток. А вот обратная замена нежелательна. Дело в том, что Шоттки в силу своих характеристик, меньше греются. При такой замене он быстро выйдет из строя. Конечно если проанализировать схему, то можно подобрать аналог с запасом по мощности.

ШОТТКИ БАРЬЕР • Большая российская энциклопедия

ШО́ТТКИ БАРЬЕ́Р, по­тен­ци­аль­ный барь­ер, об­ра­зую­щий­ся в слое по­лу­про­вод­ни­ка, гра­ни­ча­щем с ме­тал­лом. Ис­сле­до­ван В. Шотт­ки в 1939. Для воз­ник­но­ве­ния Ш. б. долж­ны раз­ли­чать­ся ра­бо­ты вы­хо­да элек­тро­нов из ме­тал­ла (Φм) и по­лу­про­вод­ни­ка (Φп). При кон­так­те по­лу­про­вод­ни­ка n-ти­па с ме­тал­лом при ус­ло­вии Φмп ме­талл за­ря­жа­ет­ся от­ри­ца­тель­но, а по­лу­про­вод­ник – по­ло­жи­тель­но, т. к. элек­тро­нам лег­че пе­рей­ти из по­лу­про­вод­ни­ка в ме­талл, чем об­рат­но (при кон­так­те по­лу­про­вод­ни­ка р-ти­па с ме­тал­лом при Φмп ме­талл за­ря­жа­ет­ся по­ло­жи­тель­но, а по­лу­про­вод­ник – от­ри­ца­тель­но). Воз­ни­каю­щая кон­такт­ная раз­ность по­тен­циа­лов рав­на: Uк= (Φмп)/е, где е – за­ряд элек­тро­на. Из-за боль­шой элек­тро­про­вод­но­сти ме­тал­ла элек­трич. по­ле в не­го не про­ни­ка­ет и раз­ность по­тен­циа­лов Uк соз­да­ёт­ся в при­по­верх­но­ст­ном слое по­лу­про­вод­ни­ка. На­прав­ле­ние элек­трич. по­ля в этом слое та­ко­во, что энер­гия осн. но­си­те­лей за­ря­да в нём боль­ше, чем в тол­ще по­лу­про­вод­ни­ка. Это оз­на­ча­ет, что в по­лу­про­вод­ни­ке n-ти­па энер­ге­тич. зо­ны в при­кон­такт­ной об­лас­ти из­ги­ба­ют­ся вверх, а в по­лу­про­вод­ни­ке p-ти­па – вниз. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет Ш. б. вы­со­той Φoмп в по­лу­про­вод­ни­ке n-ти­па вбли­зи кон­так­та с ме­тал­лом при Φмп и вы­со­той Φoпм в по­лу­про­вод­ни­ке p-ти­па при Φмп.

Ш. б. об­ла­да­ет вы­прям­ляю­щи­ми свой­ст­ва­ми. Элек­трич. ток че­рез Ш. б. при на­ло­же­нии внеш­не­го элек­трич. по­ля соз­да­ёт­ся поч­ти це­ли­ком осн. но­си­те­ля­ми за­ря­да. Ве­ли­чи­на то­ка оп­ре­де­ля­ет­ся ско­ро­стью при­хо­да но­си­те­лей за­ря­да из объ­ё­ма к по­верх­но­сти; в по­лу­про­вод­ни­ках с вы­со­кой под­виж­но­стью но­си­те­лей за­ря­да – то­ком тер­мо­элек­трон­ной эмис­сии.

Кон­так­ты «ме­талл – по­лу­про­вод­ник» с Ш. б. ис­поль­зу­ют­ся в по­лу­про­вод­ни­ко­вых дио­дах (см. Шотт­ки ди­од), СВЧ-де­тек­то­рах и сме­си­те­лях, тран­зи­сто­рах, фо­то­дио­дах и др.

Диод Шоттки: открытие, высота барьера, преимущества

Диод Шоттки – это полупроводниковый электрический выпрямительный элемент, где в качестве барьера используется переход металл-полупроводник. В результате приобретаются полезные свойства: высокое быстродействие и малое падение напряжения в прямом направлении.

Из истории открытия диодов Шоттки

Выпрямительные свойства перехода металл-полупроводник впервые замечены в 1874 году Фердинандом Брауном на примере сульфидов. Пропуская ток в прямом и обратном направлении, он отметил разницу в 30%, что в корне противоречило известному закону Ома. Браун не смог объяснить происходящего, но, продолжив исследования, установил, что и сопротивление участка пропорционально протекающему току. Что также выглядело необычно.

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод

Опыты повторились физиками. К примеру, Вернер Сименс отметил похожие свойства селена. Браун установил, что свойства конструкции проявляются наиболее ярко при небольшом размере контактов, приложенных к кристаллу сульфида. Исследователь применял:

  • подпружиненную проволоку с давлением 1 кг;
  • ртутный контакт;
  • металлизированную медью площадку.

Так на свет появился точечный диод, в 1900 году помешавший нашему соотечественнику Попову взять патент на детектор для радио. В собственных работах Браун излагает исследования марганцевой руды (псиломелана). Прижав контакты к кристаллу струбциной и изолировав губки от токонесущей части, учёный получил превосходные результаты, но применения эффекту в то время не нашлось. Описав, необычные свойства сульфида меди, Фердинанд положил начало твердотельной электронике.

За Брауна практическое применение нашли единомышленники. Профессор Джагдиш Чандра Бос сообщил 27 апреля 1899 года о создании первого детектора-приёмника для работы в паре с радиопередатчиком. Он использовал галенит (оксид свинца) в паре с простым проводом и поймал волны миллиметрового диапазона. В 1901 году запатентовал своё детище. Не исключено, что под влиянием слухов о Попове. Детектор Боса использован в первой трансатлантической радиопередаче Маркони. Аналогичного рода устройства на кристалле кремния запатентовал в 1906 году Гринлиф Уиттер Пиккард.

Гринлиф Уиттер Пиккард

Гринлиф Уиттер Пиккард

В своей речи на вручении Нобелевской премии в 1909 году Браун отметил, что не понимает принципов открытого им явления, зато обнаружил целый ряд материалов, проявляющих новые свойства. Это уже упомянутый выше галенит, пирит, пиролюзит, тетраэдрит и ряд прочих. Перечисленные материалы привлекли внимание по простой причине: проводили электрический ток, хотя считались соединениями элементов таблицы Менделеева. Прежде подобные свойства считались прерогативой простых металлов.

Наконец, в 1926 году уже появились первые транзисторы с барьером Шоттки, а теорию под явление подвёл Уильям Брэдфорд Шокли в 1939 году. Тогда же Невилл Франсис Мот объяснил явления, происходящие в на стыке двух материалов, вычислив ток диффузии и дрейфа основных носителей заряда. Вальтер Шоттки дополнил теорию, заменив линейное электрическое поле затухающим и добавив представление о донорах ионов, расположенных в приповерхностном слое полупроводника. Объёмный заряд на границе раздела под слоем металла назвали именем учёного.

Схожие попытки подведения теории под имеющийся факт предпринимал Давыдов в 1939 году, но неправильно дал лимитирующие факторы для тока и допустил прочие ошибки. Самые правильные выводы сделал Ханс Альбрехт Бете в 1942 году, увязавший ток с термоэлектронной эмиссией носителей сквозь потенциальный барьер на границе двух материалов. Таким образом, современное название явления и диодов должно бы носить имя последнего учёного, теория Шоттки обнаруживала изъяны.

Учёный Шоттки

Учёный Шоттки

Теоретические исследования упираются в сложность измерения работы выхода электронов из материала в вакуум. Даже для химически инертного и стабильного металла золота определённые показания разнятся от 4 до 4,92 эВ. При высокой степени вакуума, в отсутствие ртути от насоса или масляной плёнки, получаются значения в 5,2 эВ. С развитием технологии в будущем предвидятся значения точнее. Иным вариантом решения станет использование сведений об электроотрицательности материалов для правильного предсказания событий на границе перехода. Эти величины (по шкале Поллинга) известны с точностью до 0,1 эВ. Из сказанного понятно: сегодня правильно предсказать высоту барьера по указанным методикам и, следовательно, выпрямительные свойства диодов Шоттки не представляется возможным.

Лучшие способы определения высоты барьера Шоттки

Высоту допустимо определить по известной формуле (см. рис). Где С – коэффициент, слабо зависящий от температуры. Зависимость от приложенного напряжения Va, несмотря на сложную форму считается почти линейной. Угол наклона графика составляет q/ kT. Высоту барьера определяют по графику зависимости lnJ от 1/Т при фиксированном напряжении. Расчёт ведётся по углу наклона.

Формула для расчётов

Формула для расчётов

Альтернативный метод состоит в облучении перехода металл-полупроводник светом. Используются способы:

  1. Свет проходит через толщу полупроводника.
  2. Свет падает прямо на чувствительную площадку фотоэлемента.

Если энергия фотона укладывается в промежуток энергий между запрещённой зоной полупроводника и высотой барьера, наблюдается эмиссия электронов из металла. Когда параметр выше обоих указанных величин, выходной ток резко возрастает, что легко заметно на установке для эксперимента. Указанный метод позволяет установить, что работы выхода для одинакового полупроводника, с разными типами типами проводимости (n и p), в сумме дают ширину запрещённой зоны материала.

Новым методом для определения высоты барьера Шоттки служит измерение ёмкости перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. График показывает вид прямой, пересекающей ось абсцисс в точке, характеризующей искомую величину. Результат экспериментов сильно зависит от качества подготовки поверхности. Изучение технологических методов обработки показывает, что травление в плавиковой кислоте оставляет на образце из кремния слой оксидной плёнки толщиной 10 – 20 ангстрем.

Неизменно отмечается эффект старения. Меньше характерен для диодов Шоттки, образованных путём скола кристалла. Высоты барьеров отличаются для конкретного материала, в отдельных случаях сильно зависят от электроотрицательности металлов. Для арсенида галлия фактор почти не проявляется, в случае с сульфидом цинка играет решающую роль. Зато в последнем случае слабое действие оказывает качество подготовки поверхности, для GaAs это крайне важно. Сульфид кадмия находится в промежуточном положении относительно указанных материалов.

При исследовании оказалось, что большинство полупроводников ведёт себя подобно GaAs, включая кремний. Мид объяснил это тем, что на поверхности материала образуется ряд формаций, где энергия электронов лежит в области трети запрещённой зоны от зоны валентности. В результате при контакте с металлом уровень Ферми в последнем стремится занять схожее положение. История повторяется с любым проводником. Одновременно высота барьера становится разницей между уровнем Ферми и краем зоны проводимости в полупроводнике.

Сильное влияние электроотрицательности металла наблюдается в материалах с ярко выраженными ионными связями. Это прежде всего четырёхвалентный оксид кремния и сульфид цинка. Объясняется указанный факт отсутствием формаций, влияющих на уровень Ферми в металле. В заключение добавим, что исчерпывающей теории по поводу рассматриваемого вопроса сегодня не создано.

Преимущества диодов Шоттки

Не секрет, что диоды Шоттки служат выпрямителями на выходе импульсных блоков питания. Производители упирают на то, что потери мощности и нагрев в этом случае намного ниже. Установлено, что падение напряжения при прямом включении на диоде Шоттки меньше в 1,5 – 2 раза, нежели в любом типе выпрямителей. Попробуем объяснить причину.

Рассмотрим работу обычного p-n-перехода. При контакте материалов с двумя разными типами проводимости начинается диффузия основных носителей за границу контакта, где они уже не основные. В физике это называется запирающим слоем. Если на n-область подать положительный потенциал, основные носители электроны моментально притянутся в выводу. Тогда запирающий слой расширится, ток не течёт. При прямом включении основные носители, напротив, наступают на запирающий слой, где активно с ним рекомбинируют. Переход открывается, течёт ток.

Выходит, ни открыть, ни закрыть простой диод мгновенно не получится. Идут процессы образования и ликвидация запирающего слоя, требующие времени. Диод Шоттки ведёт себя чуть по-иному. Приложенное прямое напряжение открывает переход, но инжекции дырок в n-полупроводник практически не происходит, барьер для них велик, в металле таких носителей мало. При обратном включении в сильно легированных полупроводниках способен течь туннельный ток.

Читатели, ознакомленные с темой Светодиодное освещение, уже в курсе, что первоначально в 1907 году Генри Джозеф Раунд сделал открытие на кристаллическом детекторе. Это диод Шоттки в первом приближении: граница металла и карбида кремния. Разница в том, что сегодня используют полупроводник n-типа и алюминий.

Диод Шоттки умеет не только светиться: для этих целей используют p-n-переход. Контакт металл-полупроводник не всегда становится выпрямляющим. В последнем случае называется омическим и входит в состав большинства транзисторов, где его паразитные эффекты излишни и вредны. Каким будет переход, зависит от высоты барьера Шоттки. При больших значениях параметра, превышающих температурную энергию, появляются выпрямительные свойства. Свойства определяется разностью работы выхода металла (в вакууме) и полупроводника, либо электронным сродством.

Свойства перехода зависят от применяемых материалов и от геометрических размеров. Объёмный заряд в рассматриваемом случае меньше, нежели при контакте двух полупроводников разного типа, значит, время переключения значительно снижается. В типичном случае укладывается в диапазон от сотен пс до десятков нс. Для обычных диодов минимум на порядок выше. В теории это выглядит как отсутствие повышения уровня барьера при приложенном обратном напряжении. Легко объяснить и малое падение напряжения тем, что часть перехода составлена чистым проводником. Актуально для приборов, рассчитанных на сравнительно низкие напряжения в десятки вольт.

Сообразно свойствам диодов Шоттки они находят широкое применение в импульсных блоках питания для бытовой техники. Это позволяет снизить потери, улучшить тепловой режим работы выпрямителей. Малая площадь перехода обусловливает низкие напряжения пробоя, что слегка компенсируется увеличением площади металлизации на кристалле, охватывающей часть изолированной оксидом кремния области. Эта площадь, напоминающая конденсатор, при обратном включении диода обедняет прилегающие слои основными носителями заряда, значительно улучшая показатели.

Благодаря быстродействию диоды Шоттки активно применяются в интегральных схемах, нацеленных на использование высоких частот – рабочих и частот синхронизации.

Диод с барьером шоттки что это такое

Диод Шоттки – это полупроводниковый электрический выпрямительный элемент, где в качестве барьера используется переход металл-полупроводник. В результате приобретаются полезные свойства: высокое быстродействие и малое падение напряжения в прямом направлении.

Из истории открытия диодов Шоттки

Выпрямительные свойства перехода металл-полупроводник впервые замечены в 1874 году Фердинандом Брауном на примере сульфидов. Пропуская ток в прямом и обратном направлении, он отметил разницу в 30%, что в корне противоречило известному закону Ома. Браун не смог объяснить происходящего, но, продолжив исследования, установил, что и сопротивление участка пропорционально протекающему току. Что также выглядело необычно.

Диод с барьером шоттки что это такое

Опыты повторились физиками. К примеру, Вернер Сименс отметил похожие свойства селена. Браун установил, что свойства конструкции проявляются наиболее ярко при небольшом размере контактов, приложенных к кристаллу сульфида. Исследователь применял:

  • подпружиненную проволоку с давлением 1 кг;
  • ртутный контакт;
  • металлизированную медью площадку.

Так на свет появился точечный диод, в 1900 году помешавший нашему соотечественнику Попову взять патент на детектор для радио. В собственных работах Браун излагает исследования марганцевой руды (псиломелана). Прижав контакты к кристаллу струбциной и изолировав губки от токонесущей части, учёный получил превосходные результаты, но применения эффекту в то время не нашлось. Описав, необычные свойства сульфида меди, Фердинанд положил начало твердотельной электронике.

За Брауна практическое применение нашли единомышленники. Профессор Джагдиш Чандра Бос сообщил 27 апреля 1899 года о создании первого детектора-приёмника для работы в паре с радиопередатчиком. Он использовал галенит (оксид свинца) в паре с простым проводом и поймал волны миллиметрового диапазона. В 1901 году запатентовал своё детище. Не исключено, что под влиянием слухов о Попове. Детектор Боса использован в первой трансатлантической радиопередаче Маркони. Аналогичного рода устройства на кристалле кремния запатентовал в 1906 году Гринлиф Уиттер Пиккард.

Диод с барьером шоттки что это такое

Гринлиф Уиттер Пиккард

В своей речи на вручении Нобелевской премии в 1909 году Браун отметил, что не понимает принципов открытого им явления, зато обнаружил целый ряд материалов, проявляющих новые свойства. Это уже упомянутый выше галенит, пирит, пиролюзит, тетраэдрит и ряд прочих. Перечисленные материалы привлекли внимание по простой причине: проводили электрический ток, хотя считались соединениями элементов таблицы Менделеева. Прежде подобные свойства считались прерогативой простых металлов.

Наконец, в 1926 году уже появились первые транзисторы с барьером Шоттки, а теорию под явление подвёл Уильям Брэдфорд Шокли в 1939 году. Тогда же Невилл Франсис Мот объяснил явления, происходящие в на стыке двух материалов, вычислив ток диффузии и дрейфа основных носителей заряда. Вальтер Шоттки дополнил теорию, заменив линейное электрическое поле затухающим и добавив представление о донорах ионов, расположенных в приповерхностном слое полупроводника. Объёмный заряд на границе раздела под слоем металла назвали именем учёного.

Схожие попытки подведения теории под имеющийся факт предпринимал Давыдов в 1939 году, но неправильно дал лимитирующие факторы для тока и допустил прочие ошибки. Самые правильные выводы сделал Ханс Альбрехт Бете в 1942 году, увязавший ток с термоэлектронной эмиссией носителей сквозь потенциальный барьер на границе двух материалов. Таким образом, современное название явления и диодов должно бы носить имя последнего учёного, теория Шоттки обнаруживала изъяны.

Диод с барьером шоттки что это такое

Теоретические исследования упираются в сложность измерения работы выхода электронов из материала в вакуум. Даже для химически инертного и стабильного металла золота определённые показания разнятся от 4 до 4,92 эВ. При высокой степени вакуума, в отсутствие ртути от насоса или масляной плёнки, получаются значения в 5,2 эВ. С развитием технологии в будущем предвидятся значения точнее. Иным вариантом решения станет использование сведений об электроотрицательности материалов для правильного предсказания событий на границе перехода. Эти величины (по шкале Поллинга) известны с точностью до 0,1 эВ. Из сказанного понятно: сегодня правильно предсказать высоту барьера по указанным методикам и, следовательно, выпрямительные свойства диодов Шоттки не представляется возможным.

Лучшие способы определения высоты барьера Шоттки

Высоту допустимо определить по известной формуле (см. рис). Где С – коэффициент, слабо зависящий от температуры. Зависимость от приложенного напряжения Va, несмотря на сложную форму считается почти линейной. Угол наклона графика составляет q/ kT. Высоту барьера определяют по графику зависимости lnJ от 1/Т при фиксированном напряжении. Расчёт ведётся по углу наклона.

Диод с барьером шоттки что это такое

Формула для расчётов

Альтернативный метод состоит в облучении перехода металл-полупроводник светом. Используются способы:

  1. Свет проходит через толщу полупроводника.
  2. Свет падает прямо на чувствительную площадку фотоэлемента.

Если энергия фотона укладывается в промежуток энергий между запрещённой зоной полупроводника и высотой барьера, наблюдается эмиссия электронов из металла. Когда параметр выше обоих указанных величин, выходной ток резко возрастает, что легко заметно на установке для эксперимента. Указанный метод позволяет установить, что работы выхода для одинакового полупроводника, с разными типами типами проводимости (n и p), в сумме дают ширину запрещённой зоны материала.

Новым методом для определения высоты барьера Шоттки служит измерение ёмкости перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. График показывает вид прямой, пересекающей ось абсцисс в точке, характеризующей искомую величину. Результат экспериментов сильно зависит от качества подготовки поверхности. Изучение технологических методов обработки показывает, что травление в плавиковой кислоте оставляет на образце из кремния слой оксидной плёнки толщиной 10 — 20 ангстрем.

Неизменно отмечается эффект старения. Меньше характерен для диодов Шоттки, образованных путём скола кристалла. Высоты барьеров отличаются для конкретного материала, в отдельных случаях сильно зависят от электроотрицательности металлов. Для арсенида галлия фактор почти не проявляется, в случае с сульфидом цинка играет решающую роль. Зато в последнем случае слабое действие оказывает качество подготовки поверхности, для GaAs это крайне важно. Сульфид кадмия находится в промежуточном положении относительно указанных материалов.

При исследовании оказалось, что большинство полупроводников ведёт себя подобно GaAs, включая кремний. Мид объяснил это тем, что на поверхности материала образуется ряд формаций, где энергия электронов лежит в области трети запрещённой зоны от зоны валентности. В результате при контакте с металлом уровень Ферми в последнем стремится занять схожее положение. История повторяется с любым проводником. Одновременно высота барьера становится разницей между уровнем Ферми и краем зоны проводимости в полупроводнике.

Сильное влияние электроотрицательности металла наблюдается в материалах с ярко выраженными ионными связями. Это прежде всего четырёхвалентный оксид кремния и сульфид цинка. Объясняется указанный факт отсутствием формаций, влияющих на уровень Ферми в металле. В заключение добавим, что исчерпывающей теории по поводу рассматриваемого вопроса сегодня не создано.

Преимущества диодов Шоттки

Не секрет, что диоды Шоттки служат выпрямителями на выходе импульсных блоков питания. Производители упирают на то, что потери мощности и нагрев в этом случае намного ниже. Установлено, что падение напряжения при прямом включении на диоде Шоттки меньше в 1,5 – 2 раза, нежели в любом типе выпрямителей. Попробуем объяснить причину.

Рассмотрим работу обычного p-n-перехода. При контакте материалов с двумя разными типами проводимости начинается диффузия основных носителей за границу контакта, где они уже не основные. В физике это называется запирающим слоем. Если на n-область подать положительный потенциал, основные носители электроны моментально притянутся в выводу. Тогда запирающий слой расширится, ток не течёт. При прямом включении основные носители, напротив, наступают на запирающий слой, где активно с ним рекомбинируют. Переход открывается, течёт ток.

Выходит, ни открыть, ни закрыть простой диод мгновенно не получится. Идут процессы образования и ликвидация запирающего слоя, требующие времени. Диод Шоттки ведёт себя чуть по-иному. Приложенное прямое напряжение открывает переход, но инжекции дырок в n-полупроводник практически не происходит, барьер для них велик, в металле таких носителей мало. При обратном включении в сильно легированных полупроводниках способен течь туннельный ток.

Читатели, ознакомленные с темой Светодиодное освещение, уже в курсе, что первоначально в 1907 году Генри Джозеф Раунд сделал открытие на кристаллическом детекторе. Это диод Шоттки в первом приближении: граница металла и карбида кремния. Разница в том, что сегодня используют полупроводник n-типа и алюминий.

Диод Шоттки умеет не только светиться: для этих целей используют p-n-переход. Контакт металл-полупроводник не всегда становится выпрямляющим. В последнем случае называется омическим и входит в состав большинства транзисторов, где его паразитные эффекты излишни и вредны. Каким будет переход, зависит от высоты барьера Шоттки. При больших значениях параметра, превышающих температурную энергию, появляются выпрямительные свойства. Свойства определяется разностью работы выхода металла (в вакууме) и полупроводника, либо электронным сродством.

Свойства перехода зависят от применяемых материалов и от геометрических размеров. Объёмный заряд в рассматриваемом случае меньше, нежели при контакте двух полупроводников разного типа, значит, время переключения значительно снижается. В типичном случае укладывается в диапазон от сотен пс до десятков нс. Для обычных диодов минимум на порядок выше. В теории это выглядит как отсутствие повышения уровня барьера при приложенном обратном напряжении. Легко объяснить и малое падение напряжения тем, что часть перехода составлена чистым проводником. Актуально для приборов, рассчитанных на сравнительно низкие напряжения в десятки вольт.

Сообразно свойствам диодов Шоттки они находят широкое применение в импульсных блоках питания для бытовой техники. Это позволяет снизить потери, улучшить тепловой режим работы выпрямителей. Малая площадь перехода обусловливает низкие напряжения пробоя, что слегка компенсируется увеличением площади металлизации на кристалле, охватывающей часть изолированной оксидом кремния области. Эта площадь, напоминающая конденсатор, при обратном включении диода обедняет прилегающие слои основными носителями заряда, значительно улучшая показатели.

Благодаря быстродействию диоды Шоттки активно применяются в интегральных схемах, нацеленных на использование высоких частот — рабочих и частот синхронизации.

Диод с барьером шоттки что это такое

Диоды Шоттки: описание, принцип работы, схема, основные параметры, применение, характеристики

Диод с барьером шоттки что это такое

В конце 30-х годов XX века немецкий физик Вальтер Шоттки обнаружил, что внешнее электрическое поле заставляет свободные электроны покидать зону проводимости и в буквальном смысле выходить из твёрдого тела. Данная квантовая зависимость впоследствии была названа именем её первооткрывателя и теперь известна, как эффект Шоттки.

Несмотря на то, что открытие германского учёного относится к области теоретической физики, оно находит применение в практической радиотехнике и лежит в основе функциональности таких радиокомпонентов, как диоды Шоттки. Их отличие от обычных электрических вентилей заключается в отсутствии классического полупроводникового p-n-перехода. Его роль играет контакт между полупроводником и металлом.

Металл и полупроводник: особенности контакта.

В контактной области полупроводниковых и металлических материалов эффект Шоттки приводит к образованию в полупроводнике слоя, сильно обеднённого электронами. Он обладает вентильными свойствами, присущими полупроводниковому p-n-переходу. Эта зона представляет собой преграду для носителей заряда, поэтому данные радиокомпоненты часто называют диодами с барьером Шоттки.

Элементы отличаются от обычных полупроводниковых вентилей следующими качествами:
  1. пониженное падение напряжения при прямом смещении;
  2. незначительная собственная ёмкость;
  3. малый обратный ток;
  4. низкое допустимое обратное напряжение.

При прямом смещении разность потенциалов на диоде Шоттки не превышает 0,5 В, тогда как на обычном выпрямительном вентиле падение напряжения составляет около 2-3 В. Это объясняется небольшим сопротивлением переходного участка между полупроводником и металлом.

Хорошие частотные характеристики диодов Шоттки обусловлены отсутствием в переходной зоне неосновных носителей заряда. Из-за этого в контактной области не протекают обычные для чисто полупроводникового p-n-перехода процессы диффузии и рекомбинации дырок и электронов. Следовательно, собственная ёмкость этого слоя стремится к нулю. Данное свойство делает диоды с барьером Шоттки предпочтительными для использования в высоко- и сверхвысокочастотных схемах, а также аппаратуре с импульсными режимами работы – всевозможных цифровых устройствах, системах управления электроникой и импульсных блоках питания.

Барьер Шоттки — это… Что такое Барьер Шоттки?

Барье́р Шо́ттки (или Шо́тки, (англ. Schottky barrier)) — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника: [1].

Описание

Назван по имени немецкого ученого Вальтера Шоттки (W. Schottky), исследовавшего такой барьер в 1939 году. Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. При сближении полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода , металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Напротив, при сближении полупроводника p-типа с металлом, обладающим меньшей , металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов:

, где  — заряд электрона.

Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов создается в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нем больше, чем в толще полупроводника. В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при для полупроводника n-типа, или при для полупроводника p-типа возникает потенциальный барьер.

В реальных структурах металл-полупроводник соотношение не выполняется, так как на поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрической прослойке, часто образующейся между металлом и полупроводником, обычно имеются поверхностные состояния.

Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шотки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.[1]

Диоды, использующие этот барьер, называются диодами Шоттки или диодами с барьером Шоттки (ДШБ). Существуют также транзисторы Шоттки.

Примечания

Литература

Работа выпрямителя с барьером Шоттки и его применение

Диод Шоттки или выпрямитель с барьером Шоттки назван в честь немецкого физика Вальтера Х. Шоттки. Это полупроводниковый диод, в конструкции которого используется металл на переходе полупроводника. Он имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. На заре беспроводной связи использовались детекторы кошачьих усов, а в первых источниках питания использовались металлические выпрямители, которые можно было измерять на примитивных диодах Шоттки. Несмотря на то, что в сегодняшней перспективе высокотехнологичной электроники эти диоды имеют несколько применений.Фактически, это один из старейших на самом деле полупроводниковых приборов. Как устройство металл-полупроводник, его применение можно проследить до 1900 года, когда детекторы кристаллов, детекторы кошачьих усов и тому подобное были фактически диодами с барьером Шоттки.

Выпрямитель с барьером Шоттки?

Выпрямительный диод с барьером Шоттки — это электронный компонент, который обычно используется в радиочастотных приложениях, таких как смеситель или детекторный диод. Этот диод также используется в силовых приложениях, таких как выпрямитель, из-за его характеристик, таких как низкое прямое падение напряжения, важное для более низких уровней потерь мощности по сравнению с обычными диодами с PN переходом.


Schottky Barrier Rectifier Schottky Barrier Rectifier Выпрямитель с барьером Шоттки

Символ диода Шоттки аналогичен условному обозначению основной схемы диода. Этот символ диода отличается от других видов диодов добавлением двух дополнительных ножек на полосе символа.

Schottky Barrier Rectifier Symbol Schottky Barrier Rectifier Symbol Выпрямитель с барьером Шоттки Символ

Конструкция барьерного диода Шоттки

В этом диоде соединение, созданное между металлом и полупроводником, образует барьер Шоттки, т.е. металлическая сторона выполняет роль анода, а полупроводник n-типа работает как катод.Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Полупроводники p-типа и n-типа могут увеличивать барьеры Шоттки, но полупроводник p-типа имеет низкий контраст прямого напряжения по сравнению с полупроводником n-типа.

Construction of Schottky Barrier Diode Construction of Schottky Barrier Diode Конструкция диода с барьером Шоттки

Как мы знаем, прямое напряжение обратно пропорционально выходному току, то есть, если это напряжение низкое, то обратный ток утечки высок, что нежелательно.Вот почему в этом диоде мы используем полупроводниковый материал n-типа. Типичными металлами, используемыми в сборке диода с барьером Шоттки, являются платина, вольфрам или хром, молибден, силицид палладия, силицид платины, золото и т. Д.

Работа диода с барьером Шоттки

Как показано на рисунке ниже, когда напряжение подается на диод таким образом, чтобы металл был + Ve по отношению к полупроводнику. Это униполярное устройство, поскольку в нем электроны в качестве основных носителей заряда по обе стороны от перехода.Когда эти два соприкасаются, электроны начинают течь в обоих направлениях через границу раздела металл-полупроводник.

PCBWay PCBWay
Working of Schottky Barrier Diode Working of Schottky Barrier Diode Работа диода с барьером Шоттки

Следовательно, нет формы обедненной области около перехода, то есть нет большого тока от металла к полупроводнику в обратном смещении. Из-за времени электронно-дырочной рекомбинации задержка в переходных диодах отсутствует. Полупроводники N-типа обладают превосходящей потенциальной энергией по сравнению с электронами металлов.Повышенное напряжение на диоде будет против встроенного потенциала и упростит протекание тока.

Преимущества и недостатки

Диоды Шоттки используются во многих приложениях, где другие типы диодов также не работают. Они предлагают ряд преимуществ, в том числе следующие.

  • Низкое напряжение включения
  • Быстрое время восстановления
  • Низкая емкость перехода
  • Высокая эффективность и высокая плотность тока
  • Эти диоды работают на высоких частотах.
  • Эти диоды генерируют меньше ненужных шумов, чем диод с PN переходом
  • Главный недостаток диода Шоттки заключается в том, что он генерирует больший обратный ток насыщения, чем диод с pn переходом.
Характеристики VI
  • VI характеристики диода Шоттки показаны на рисунок ниже. Вертикальная линия на рисунке означает протекание тока в диоде, а горизонтальная линия означает напряжение, приложенное к диоду.
  • Вольт-амперные характеристики этого диода приблизительно соответствуют диоду с фазовым переходом.Но прямое падение напряжения этого диода очень мало по сравнению с диодом с P-N переходом.
  • Прямое падение напряжения диода Шоттки составляет от 0,2 до 0,3 В, тогда как прямое падение напряжения кремниевого диода с P-N переходом составляет от 0,6 до 0,7 В.
  • Если напряжение прямого смещения превышает 0,2 или 0,3 вольта, то через диод начинает течь ток.
  • В этом диоде обратный ток насыщения происходит при очень низком напряжении по сравнению с кремниевым диодом.
V-I Characteristics of Schottky Diode Vs Normal Diode V-I Characteristics of Schottky Diode Vs Normal Diode VI Характеристики диода Шоттки по сравнению с нормальным диодом
Применения диода Шоттки

Диоды Шоттки используются для многих целей, включая следующие:

  • Диоды Шоттки используются в качестве выпрямителей в схемах приложений большой мощности
  • Используются диоды Шоттки в различных приложениях, таких как ВЧ, питание, сигнал обнаружения, логические схемы
  • Диоды Шоттки играют важную роль в схемах из GaAs
  • Диоды Шоттки, используемые в автономной фотоэлектрической системе (фотоэлектрической) для предотвращения разряда аккумуляторов через солнечные панели в ночное время а также в системе сетевого подключения.
  • Диоды Шоттки используются в устройствах ограничения напряжения.

Итак, это все о работе выпрямителей с барьером Шоттки и их применении. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, при любых сомнениях относительно этой статьи или реализации каких-либо электрических проектов, пожалуйста, дайте свои ценные предложения в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова основная функция диода Шоттки?

.

Принцип работы диода Шоттки Инструменты

Что такое диод Шоттки?

Диод Шоттки, также известный как диод с горячей несущей, представляет собой полупроводниковый диод, который имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения. Нормальный диод будет иметь падение напряжения от 0,6 до 1,7 В, в то время как падение напряжения на диоде Шоттки обычно составляет от 0,15 до 0.45 вольт. Это меньшее падение напряжения обеспечивает лучшую эффективность системы и более высокую скорость переключения. В диоде Шоттки между полупроводником и металлом образуется переход полупроводник-металл, создавая барьер Шоттки. Полупроводник N-типа действует как катод, а металлическая сторона действует как анод диода. Этот барьер Шоттки приводит как к низкому прямому падению напряжения, так и к очень быстрому переключению.

schottky diode symbol schottky diode symbol

Рис. Символ диода Шоттки

Диоды Шоттки — это сильноточные диоды, используемые в основном в высокочастотных устройствах и устройствах с быстрым переключением.Они также известны как диоды с горячей несущей. Термин горячие носители происходит от более высокого уровня энергии электронов в n-области по сравнению с электронами в металлической области. Символ диода Шоттки показан на рисунке выше. Диод Шоттки формируется путем соединения легированной полупроводниковой области (обычно n-типа) с таким металлом, как золото, серебро или платина. Вместо p-n-перехода существует переход металл-полупроводник, как показано на рисунке ниже. Прямое падение напряжения обычно составляет около 0,3 В, потому что здесь нет области истощения, как в диоде с pn переходом.

schottky diode working principle schottky diode working principle

Диод Шоттки работает только с большинством несущих. Здесь нет неосновных носителей и, следовательно, нет обратного тока утечки, как в других типах диодов. Металлическая область сильно занята электронами зоны проводимости, а полупроводниковая область n-типа слабо легирована. При прямом смещении электроны с более высокой энергией в n-области инжектируются в металлическую область, где они очень быстро отдают свою избыточную энергию. Поскольку нет неосновных носителей, как в обычном выпрямительном диоде, происходит очень быстрая реакция на изменение смещения.Schottky — это быстросменный диод, и большинство его приложений используют это свойство. Его можно использовать в высокочастотных приложениях и во многих цифровых схемах для уменьшения времени переключения.

schottky-diode schottky-diode

Эквивалентная схема диода Шоттки приведена ниже. нормальный диод с PN переходом со следующими исключениями

VI characteristics of Schottky diode VI characteristics of Schottky diode

Прямое падение напряжения диода с барьером Шоттки низкое по сравнению с обычным диодом с PN переходом.Прямое падение напряжения диода с барьером Шоттки из кремния показывает прямое падение напряжения от 0,3 до 0,5 вольт.

Прямое падение напряжения увеличивается с увеличением концентрации легирования полупроводника n-типа.

VI характеристики диода с барьером Шоттки более крутые по сравнению с VI характеристиками нормального диода с PN переходом из-за высокой концентрации носителей тока.

Преимущества

Диоды Шоттки используются во многих приложениях, где другие типы диодов также не работают.Они обладают рядом преимуществ:

  • Низкое напряжение включения: Напряжение включения диода составляет от 0,2 до 0,3 В для кремниевого диода против 0,6–0,7 В для стандартного кремниевого диода. Благодаря этому он имеет примерно такое же напряжение включения, что и германиевый диод.
  • Быстрое время восстановления: Быстрое время восстановления из-за небольшого количества накопленного заряда означает, что его можно использовать для приложений высокоскоростного переключения.
  • Низкая емкость перехода: Ввиду очень маленькой активной области, часто в результате использования точечного контакта провода на кремнии, уровни емкости очень малы.

Преимущества диода Шоттки означают, что его характеристики во многих областях могут намного превосходить характеристики других диодов.

Главный недостаток

Основным недостатком диода Шоттки является то, что он имеет относительно высокий обратный ток. Из-за металлического полупроводникового перехода он более подвержен утечке тока при обратном подключении напряжения.Кроме того, диоды Шоттки обычно имеют низкое максимальное обратное напряжение. Как правило, они имеют максимальное значение 50 В или меньше. Помните, что обратное напряжение — это значение, при котором диод выйдет из строя и начнет проводить большой ток при обратном подключении напряжения (от катода к аноду). Это означает, что диоды Шоттки не могут выдерживать большое обратное напряжение без пробоя и проведения большого количества тока. И даже до достижения этого максимального обратного значения он все равно будет пропускать небольшое количество тока.

В зависимости от применения и использования схемы это может оказаться важным или нет.

Приложения

Диоды с барьером Шоттки широко используются в электронной промышленности, находя множество применений в качестве диодных выпрямителей. Его уникальные свойства позволяют использовать его в ряде приложений, где другие диоды не могут обеспечить такой же уровень производительности. В частности, он используется в следующих областях:

  • ВЧ смеситель и детекторный диод : Диод Шоттки нашел свое применение в радиочастотных приложениях благодаря своей высокой скорости переключения и высокочастотной способности.В связи с этим диоды с барьером Шоттки используются во многих высокоэффективных кольцевых смесителях диодов. В дополнение к этому, их низкое напряжение включения, высокая частота и низкая емкость делают их идеальными в качестве ВЧ-детекторов.
  • Выпрямитель мощности: Диоды с барьером Шоттки также используются в приложениях с высокой мощностью в качестве выпрямителей. Их высокая плотность тока и низкое прямое падение напряжения означают, что тратится меньше энергии, чем при использовании обычных диодов с PN переходом. Это повышение эффективности означает, что необходимо рассеивать меньше тепла, и в конструкцию можно включить меньшие радиаторы.
  • Силовые схемы ИЛИ: Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях, где нагрузка приводится в действие двумя отдельными источниками питания. Одним из примеров может быть источник питания от сети и источник питания от батареи. В этих случаях необходимо, чтобы питание от одного источника не поступало на другой. Этого можно добиться с помощью диодов. Однако важно, чтобы любое падение напряжения на диодах было минимальным для обеспечения максимальной эффективности. Как и во многих других приложениях, этот диод идеально подходит для этого ввиду низкого прямого падения напряжения.Диоды Шоттки, как правило, имеют высокий обратный ток утечки. Это может привести к проблемам с любыми используемыми цепями датчиков. Пути утечки в цепи с высоким импедансом могут привести к ошибочным показаниям. Поэтому это должно быть учтено в схемотехнике.
.Принцип работы диода Шоттки

— Учебное пособие по проектированию

Что такое диод Шоттки?

Диод Шоттки, также известный как диод с горячей несущей, представляет собой полупроводниковый диод, который имеет низкое прямое падение напряжения и очень быстрое переключение. Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения. Нормальный диод будет иметь падение напряжения от 0,6 до 1,7 В, в то время как падение напряжения на диоде Шоттки обычно находится в пределах 0.15 и 0,45 вольт. Это меньшее падение напряжения обеспечивает лучшую эффективность системы и более высокую скорость переключения. В диоде Шоттки между полупроводником и металлом образуется переход полупроводник-металл, создавая барьер Шоттки. Полупроводник N-типа действует как катод, а металлическая сторона действует как анод диода. Этот барьер Шоттки приводит как к низкому прямому падению напряжения, так и к очень быстрому переключению.

Schottky Diode Symbol

Рис. Символ диода Шоттки

Диоды Шоттки

— это сильноточные диоды, которые используются в основном в высокочастотных устройствах с быстрым переключением.Они также известны как диоды с горячей несущей. Термин горячие носители происходит от более высокого уровня энергии электронов в n-области по сравнению с электронами в металлической области. Символ диода Шоттки показан на рисунке выше. Диод Шоттки формируется путем соединения легированной полупроводниковой области (обычно n-типа) с таким металлом, как золото, серебро или платина. Вместо p-n-перехода существует переход металл-полупроводник, как показано на рисунке ниже. Прямое падение напряжения обычно составляет около 0,3 В, потому что здесь нет области истощения, как в диоде с pn переходом.

Schottky Diode Construction & Working

Диод Шоттки работает только с мажоритарными носителями. Здесь нет неосновных носителей и, следовательно, нет обратного тока утечки, как в других типах диодов. Металлическая область сильно занята электронами зоны проводимости, а полупроводниковая область n-типа слабо легирована. При прямом смещении электроны с более высокой энергией в n-области инжектируются в металлическую область, где они очень быстро отдают свою избыточную энергию. Поскольку нет неосновных носителей, как в обычном выпрямительном диоде, происходит очень быстрая реакция на изменение смещения.Schottky — это быстросменный диод, и большинство его приложений используют это свойство. Его можно использовать в высокочастотных приложениях и во многих цифровых схемах для уменьшения времени переключения.

Schottky Diode

Эквивалентная схема диода Шоттки приведена ниже,

Equivalent circuit of schottky diode

VI характеристики диода с барьером Шоттки

Из VI характеристик очевидно, что VI характеристики диода с барьером Шоттки аналогичны нормальному диоду с PN переходом за следующими исключениями.

VI characteristics of Schottky barrier diode

Прямое падение напряжения на диоде с барьером Шоттки низкое по сравнению с обычным диодом с PN переходом.Прямое падение напряжения диода с барьером Шоттки из кремния показывает прямое падение напряжения от 0,3 до 0,5 вольт.

Прямое падение напряжения увеличивается с увеличением концентрации легирования полупроводников n-типа.

ВИ-характеристики диода с барьером Шоттки более крутые по сравнению с ВИ-характеристиками нормального диода с PN переходом из-за высокой концентрации носителей тока.

Преимущества

Диоды Шоттки

используются во многих приложениях, где другие типы диодов не работают.У них есть ряд преимуществ:

  • Низкое напряжение включения: Напряжение включения для диода составляет от 0,2 до 0,3 В для кремниевого диода по сравнению с 0,6 до 0,7 В для стандартного кремниевого диода. Благодаря этому он имеет примерно такое же напряжение включения, что и германиевый диод.
  • Быстрое время восстановления: Быстрое время восстановления из-за небольшого количества накопленного заряда означает, что его можно использовать для приложений высокоскоростного переключения.
  • Низкая емкость перехода: Ввиду очень маленькой активной области, часто в результате использования точечного контакта на кремнии, уровни емкости очень малы.

Преимущества диода Шоттки означают, что его характеристики могут намного превосходить характеристики других диодов во многих областях.

Главный недостаток

Главный недостаток диода Шоттки заключается в том, что он имеет относительно высокий обратный ток.Из-за металлического полупроводникового перехода он более подвержен утечке тока при обратном подключении напряжения. Кроме того, диоды Шоттки обычно имеют низкое максимальное обратное напряжение. Как правило, они имеют максимальное значение 50 В или меньше. Помните, что обратное напряжение — это значение, при котором диод выйдет из строя и начнет проводить большой ток при обратном подключении напряжения (от катода к аноду). Это означает, что диоды Шоттки не могут выдерживать большое обратное напряжение без пробоя и проведения большого количества тока.И даже до достижения этого максимального обратного значения он все равно будет пропускать небольшое количество тока.

В зависимости от области применения и использования схемы это может оказаться важным или нет.

Приложения

Диоды с барьером Шоттки широко используются в электронной промышленности, находя множество применений в качестве диодного выпрямителя. Его уникальные свойства позволяют использовать его в ряде приложений, где другие диоды не могут обеспечить такой же уровень производительности.В частности, он используется в таких областях, как:

  • ВЧ смеситель и детекторный диод : Диод Шоттки нашел свое применение в радиочастотных приложениях благодаря своей высокой скорости переключения и высокочастотной способности. В связи с этим диоды с барьером Шоттки используются во многих высокоэффективных кольцевых смесителях диодов. В дополнение к этому, их низкое напряжение включения, высокая частота и низкая емкость делают их идеальными в качестве ВЧ-детекторов.
  • Выпрямитель мощности: Диоды с барьером Шоттки также используются в приложениях с высокой мощностью в качестве выпрямителей.Их высокая плотность тока и низкое прямое падение напряжения означают, что тратится меньше энергии, чем при использовании обычных диодов с PN переходом. Это повышение эффективности означает, что необходимо рассеивать меньше тепла, и в конструкцию можно включить меньшие радиаторы.
  • Силовые схемы ИЛИ: Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях, где нагрузка приводится в действие двумя отдельными источниками питания. Одним из примеров может быть источник питания от сети и источник питания от батареи. В этих случаях необходимо, чтобы питание от одного источника не поступало на другой.Этого можно добиться с помощью диодов. Однако важно, чтобы любое падение напряжения на диодах было минимальным для обеспечения максимальной эффективности. Как и во многих других областях применения, этот диод идеально подходит для этого ввиду низкого прямого падения напряжения. Диоды Шоттки имеют тенденцию иметь высокий обратный ток утечки. Это может привести к проблемам с любыми используемыми цепями датчиков. Пути утечки в цепи с высоким импедансом могут привести к ошибочным показаниям. Поэтому это должно быть учтено в схемотехнике.
Engineering Tutorial Ключевые слова:
  • Учебное пособие по диоду Шоттки
  • Принцип работы диода Шоттки
  • Рабочий принцип диода Шоттки
  • Принцип работы диода Шоттки
  • Работа диода Шоттки
  • Диод Шоттки 5252f pdf
  • диод Шоттки эквивалентная схема
  • pdf диод шоттки
  • диод шоттки учебник
  • диоды шоттки легирующий кремний
,

Внедрение диодов с барьером Шоттки (SBD) в стандартном процессе CMOS для биомедицинских приложений

1. Введение

Стоимость, размер, срок службы и безопасность являются важными параметрами при разработке биомедицинской системы на основе RFID, особенно если приемник является имплантированным устройством.

Для уменьшения размера и увеличения срока службы приемник может быть реализован без батарей, что характеризует пассивную метку. Следовательно, необходима радиочастотная связь для создания пути связи между базовым блоком и транспондером.Через ссылку и соответствующий протокол можно обмениваться информацией и доставлять энергию к имплантату для его активации. На рис. 1 показана типичная топология RFID, применяемая в биомедицинских приложениях (Brandl et al, 2005).

Рис. 1.

Типичная система RFID.

Как можно заметить, энергия передается парой связанных катушек. Для безопасности пациентов важно поддерживать наведенные электромагнитные поля на более низком уровне, чтобы избежать повреждения тканей из-за повышения локальной температуры.Удельная скорость поглощения (SAR) представляет собой прямые измерения электрического поля (косвенное измерение магнитного поля) и наведенной плотности тока над тканями человека в месте расположения имплантата. Изменение температуры во времени указывает на местный коэффициент нагрева. Оба соотношения приведены в (Pradier et al, 2005):

SAR = σ | E | 2ρ [WKg] E1

dTdt = SARc [C0s] E2

где σ, ρ и c представляют собой проводимость, ткань человека массовая плотность и удельная теплоемкость соответственно в месте расположения имплантата. E — напряженность падающего электрического поля (RMS). Основываясь на уравнениях (1) и (2), безопасное значение мощности, передаваемой РЧ-линией, составляет 10 мВт / см 2 .

Помимо уменьшения стоимости и размеров, микроэлектроника также позволяет реализовать схемы транспондера в одном кристалле. Самые низкие цены могут быть достигнуты при использовании недорогой стандартной КМОП-технологии.

Внешние схемы транспондера включают выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный, чтобы обеспечить нерегулируемое питание метки.В КМОП-технологии для реализации схемы выпрямителя используются транзисторы NMOS и PMOS (чаще одного каждого типа) в различных топологиях. Однако недостатком этих устройств является наличие порогового напряжения включения (Vth), которое может потребовать большего наведенного напряжения в катушке приемника. Хотя технология CMOS минимизировала геометрию транзисторов, напряжение V-го не уменьшается с той же скоростью. Использование диода с барьером Шоттки — SBD является альтернативным способом разработки схемы выпрямителя с целью повышения ее эффективности.Более эффективный выпрямитель снизит падение напряжения между входом метки и остальной схемой, тем самым уменьшив потребность в мощности передатчика. Для низких уровней токов, которые обычно встречаются в таких приложениях, падение напряжения SBD может быть ниже, чем напряжение Vth КМОП.

SBD нелегко реализовать на основе стандартной технологии CMOS, но после нескольких корректировок в процессе маскирования его можно реализовать. В этой работе представлена ​​последовательность масок для реализации SBD в процессах CMOS и обсуждается простая модель этого устройства.

2. Обычные выпрямительные схемы

В основном системы RFID можно разделить на три основные группы: активные, полупассивные и пассивные метки. Активная метка включает встроенные батареи в качестве основного источника энергии для автономной работы. Полупассивные метки также зависят от батареи для запуска, однако необходимая энергия для линии связи обеспечивается считывателем. С другой стороны, пассивная метка извлекает всю мощность из сигнала, передаваемого считывателем, поэтому нет необходимости в бортовом источнике питания.Эта автономная способность пассивных тегов предлагает некоторые интересные особенности, такие как низкая стоимость производства, повышенная надежность и более длительный срок службы без обслуживания. Последнее очень важно с учетом хирургических процедур, связанных с имплантированным устройством.

Для пассивной метки требуется блок схемы для получения мощности, передаваемой от базового блока (известного как считыватель) с помощью радиочастотного сигнала. Этот вид схемы представляет собой преобразователь RF-DC или, проще говоря, схему выпрямителя.

В основном для пассивных меток важно иметь высокоэффективное преобразование РЧ в постоянный ток (РЧ энергия, принимаемая меткой, быстро уменьшается в зависимости от расстояния от считывающего устройства), а также желательно стабильное питание на выпрямителе. вывод.

Доступная мощность на метке антенны (P AVAIL ) может быть выражена как (Kotani and Takashi, 2009):

PAVAIL = (λ4πd) 2PEIRPGTAGE3

, где λ — длина волны радиочастотного канала, d — расстояние между базовым блоком и меткой, P EIRP — эффективная мощность изотропного излучения передатчика базового блока, а G TAG — усиление антенны метки. Эффективная мощность изотропного излучения определяется нормативными актами, например, 4 Вт для протокола электронного кода продукта (EPC) в Северной Америке.

Усиление теговой антенны в основном определяется ее площадью. Обычно G TAG составляет около 1,64 для дипольного типа λ /2.

В этом сценарии производительность схемы выпрямителя, оцениваемая с точки зрения эффективности преобразования энергии (PCE), должна быть как можно большей. PCE можно выразить как:

PCErect = PoutPinE4

, где P out — это выходная цепь питания постоянного тока, а P в — это принимаемая входная РЧ мощность.

Путем объединения ур.(3) и (4), и учитывая наличие согласования импеданса, можно указать достижимую мощность RFID-метки:

Ptag = PEIRPGTAGPCErect (λ4πd) 2E5

Анализируя уравнение (5) очевидно, что PCE является наиболее интересной переменной для манипулирования как способ получить, например, увеличение дальности связи d .

В типичном выпрямителе RF-DC PCE в основном ухудшается в результате двух различных механизмов: прямого падения напряжения в переключателях (замкнутого в связи с конечным сопротивлением включения этих переключателей) и их токов утечки.

Хотя в типичных реализациях преобразования ВЧ-постоянный ток также присутствуют паразитные элементы, которые способствуют снижению эффективности выпрямителя, они играют роль второго порядка.

Выпрямительные схемы для RFID-меток обычно представляют собой выпрямители на основе Диксона и разработаны с использованием КМОП-транзисторов. Должно быть ясно, что приложения RFID чувствительны к стоимости и площади, а схемы тегов часто реализуются в технологиях CMOS, которые предлагают высокий уровень интеграции и относительно низкую стоимость.

Падение напряжения на диодном транзисторе приблизительно равно пороговому напряжению (В th ) МОП-транзистора.В литературе представлено несколько предложений по снижению порогового напряжения, известное как «Отмена V th ». Одна из них, внешняя компенсация V th (EVC), была предложена для полупассивной метки и зависит от напряжения смещения затвора, которое генерируется схемой переключаемого конденсатора. Поскольку операция переключается, для нее требуется внешний источник питания и схема синхронизации, и она не может быть применена к RFID пассивного типа.

Также была предложена внутренняя отмена V th (IVC).В этом случае напряжение смещения затвора генерируется внутри из выходного напряжения постоянного тока схемой генерации смещения. Эта схема хорошо работает в условиях большой входной мощности, но не иначе, поскольку напряжения смещения затвора генерируются механизмом деления напряжения. Что касается эффективности, схема IVC рассеивает дополнительную мощность из-за постоянного тока, что приводит к небольшому ухудшению характеристик PCE.

Self-V th -cancelation (SVC) имеет ту же топологию схемы выпрямителя CMOS с диодным подключением, за исключением того, что затворы транзистора nMOS и транзистора PMOS подключены к выходу и клемме заземления соответственно.Это соединение максимально увеличивает напряжение затвора истока транзисторов NMOS и PMOS, другими словами, пороговые напряжения уменьшаются на ту же величину, что и выходное напряжение постоянного тока. SVC обеспечивает лучший PCE, чем реализации EVC и IVC (Hashemi et al, 2012).

На рис. 2 и 3 показаны примеры обычного выпрямителя с КМОП-диодом и КМОП-выпрямителя с собственной компенсацией V th .

Рис. 2. Схема выпрямителя обычного типа КМОП

.

Рис. 3. Схема выпрямителя CMOS

с самоподавляющим шумом.

Еще один выпрямитель — это КМОП-выпрямитель с четырьмя транзисторами, который превосходит выпрямители на основе КМОП-диодов, даже когда для уменьшения напряжения включения диодов используется метод компенсации статического напряжения V . В этой конфигурации сопротивление КМОП-транзисторов в открытом состоянии уменьшается за счет увеличения напряжения затвор-исток V GS , а обратная утечка уменьшается за счет изменения полярности V DS в перекрестно связанных структурах.На рис. 4 показан пример выпрямителя с четырьмя транзисторами.

Рис. 4. КМОП-выпрямитель с четырьмя транзисторами

(КМОП-выпрямитель с дифференциальным приводом).

Недостатком топологии с четырьмя транзисторами и ячейками является то, что она плохо работает, когда принимаемая ВЧ мощность находится в диапазоне нескольких мкВт. Эта проблема более выражена, когда метка реализована в недорогих КМОП технологиях, где пороговое напряжение транзисторов NMOS и PMOS находится в диапазоне нескольких сотен мВ.Существует вероятность того, что транзисторы могут не включиться полностью, и эффективность выпрямителя может сильно снизиться.

Использование диодов с барьером Шоттки в обычных выпрямителях Диксона считалось привлекательным решением из-за более низкого прямого падения напряжения Шоттки и высокой скорости переключения. Хотя такие устройства не поддерживаются почти во всех технологиях CMOS, это можно сделать с небольшими изменениями потока маски. В этой главе будет показана эта процедура на недорогой КМОП-технологии.

На рис. 5 показана основная концепция обычного выпрямителя Диксона с SBD.

Рис. 5.

Базовая схема выпрямителя Диксона с SBD.

3. Кремниевый диод с барьером Шоттки (SBD)

Контакт металл-полупроводник (также называемый барьерным диодом Шоттки) имеет некоторые особенности, которые позволяют использовать его в высокочастотных приложениях и системах, которые должны работать при низких уровнях напряжения. Эти особенности, в основном, заключаются в низком уровне накопления неосновного заряда во время коммутации, что приводит к высокой скорости переключения и низкому падению напряжения между его выводами.Низкое напряжение включения, быстрое время восстановления и низкая емкость перехода — это преимущества SBD перед другими типами PN-диодов. Это основные причины, по которым SBD так популярны в радиочастотных приложениях. На рис. 6 показана диаграмма энергетических зон для такого контакта при тепловом равновесии. В этой работе, поскольку мы использовали процесс TSMC, металл — алюминий, а полупроводник — N-тип, умеренно легированный, полученный диффузией N Well (Janan et al, 2006), (Rainee and Philip, 2003) (Avenin, 1996 ).

Как можно видеть, существует нарастание контактного потенциала V bi , выраженное как:

Vbi = ϕBN − kTqln (NCND) E6

, где kT / q — тепловое напряжение (25.9 мВ при T = 300K), N C — эффективная плотность состояний (постоянная для данной температуры) в зоне проводимости, N D — уровень легирования донора и φ BN — максимальная высота потенциального барьера (Streetman, 1980).

Рис. 6. Диаграмма энергетических зон

для контакта металл-полупроводник.

Ур. (3) показывает, что встроенное напряжение V bi может быть уменьшено, если используется полупроводник с легированием от умеренного до слабого.Принимая во внимание идеальные значения для работы выхода металла (φ M ≈4,28 В) и сродства к электрону полупроводника (χ ≈ 4 В), барьер φ BN может составлять всего 280 мВ. Учитывая, тем не менее, ур. (3) встроенное напряжение V bi может быть дополнительно уменьшено путем регулирования уровня легирования N D .

Необходимо оценить концентрацию легирования N D , чтобы использовать ур.(3) для получения Vbi . Для этой процедуры используется C-V кривая для структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-конденсатор). На рисунках 7 и 8 показаны типичный МДП конденсатор (с полупроводником N-типа) и C-V кривая соответственно.

Рис. 7.

Конденсатор металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Рис. 8.

MIS Кривая C-V.

Кривая C-V может быть получена путем моделирования транзистора PMOS с параметрами модели TSMC, как показано на рис. 9.

Рис. 9.

PMOS-транзистор, используемый для построения кривой C-V.

В этом моделировании резисторы R1 и R2 очень большие, чтобы ограничить действие PMOS в области канала. Источник постоянного тока переключается от отрицательного к положительному значениям напряжения для проверки всех областей работы МОП-конденсатора, образованного затвором, изолятором и каналом. Источник переменного тока может быть настроен на низкие или высокие частоты; следовательно, можно получить поведение кривой C-V, как показано на рис.4.

Площадь конденсатора (A) определяется геометрическими размерами W и L транзистора PMOS.

Следующие уравнения используются для извлечения концентрации легирования N D рекурсивным образом:

WD = (CmaxCmin − 1) ε0εSACmaxE7

ND = 4εSϕFqWD2E8

ϕl9

, где W D — глубина обедненной области, образованной в контакте, ε 0 и ε S — диэлектрическая проницаемость вакуума и кремния, соответственно, A площадь контакта (с учетом параллельного пластинчатый конденсатор).

ВАХ структуры металл-полупроводник аналогична переходу P + N. В режиме прямого смещения (металл подключен к положительному напряжению, а полупроводник подключен к земле) устройство включается при напряжении всего 0,28 В. Структура металл-полупроводник обеспечивает большую плотность тока из-за меньшего встроенного потенциала, а также природы термоэлектронной эмиссии по сравнению с диффузией P + N. Также на границе раздела «металл-полупроводник» наблюдается явление снижения энергии барьера для излучения носителей заряда, вызванное силой изображения, в присутствии электрического поля.Чтобы понять это явление, рассмотрим электрон в вакууме и на расстоянии от металлической поверхности. Положительный заряд будет индуцирован на металле на расстоянии -a от поверхности, в результате чего между ними возникнет сила притяжения. Эта сила известна как сила изображения и связана с потенциальной энергией изображения, которая соответствует потенциальной энергии электрона на расстоянии a от металла. При приложении внешнего поля эти две составляющие энергии вместе снижают барьер Шоттки.Таким образом, при высоких полях барьер Шоттки значительно понижается. Согласно термоэмиссии, предложенной (Sze, 1981), прямые ВАХ могут быть представлены как:

ID = ISexp (−qϕBNkT) [exp (−qϕBNkT) −1] E10

, где I S — ток насыщения, φ BN — высота барьера Шоттки, q — единичный заряд, k — постоянная Больцмана и T — абсолютная температура.Когда обратное смещение применяется к структуре Шоттки, электроны обедняются на стороне полупроводника. По мере увеличения обратного напряжения в устройстве металл-полупроводник может произойти пробой, аналогичный пробою PN-перехода. Обратносмещенная ВАХ нашего диода Шоттки демонстрирует характеристики «мягкого» пробоя с напряжением пробоя примерно 5 В.

4. Реализация SBD в недорогих КМОП технологиях

При изготовлении диодов с барьером Шоттки существуют две основные схемы структур.Это может быть обычная структура, которая формируется только путем перекрытия металла над полупроводником, или конфигурация пальца, которая оптимизирует (уменьшает) последовательное сопротивление устройства. Защитные кольца связаны с этими устройствами и перекрывают всю структуру SBD, чтобы избежать защелкивания и отделить SBD от других цепей тегов, которые выполняют аналоговые и / или цифровые функции.

Этот пункт направлен на исследование конфигурации Шоттки с пальцами для приложений в области высоких частот с целью повышения эффективности преобразования энергии.Будут описаны изменения в процессе маскирования недорогой CMOS-технологии, в частности, процесс TSMC (Тайваньская компания по производству полупроводников) с длиной канала 0,35 мкм. Описанные здесь процедуры могут быть применены к другим аналогичным технологиям.

Шаблон слоев, показанный на рис. 10, будет использоваться в последовательности процесса.

Рисунок 10.

Layer Pattern.

Будет продемонстрирована разработка многопирального SBD, так как он предлагает лучшие электрические характеристики.На рис. 11 показан простой вид устройства с двумя пальцами.

Рис. 11.

Двухпальцевая конструкция SBD.

Обратите внимание, что анод соответствует контакту металл-полупроводник, тогда как катод соответствует омическому контакту. Процесс SBD в стандартной CMOS представлен на следующих рисунках. На рис. 12 (a) и (b) показаны кремний P-типа (подложка) и выращенный оксид (фактически диоксид кремния, SiO 2 ) соответственно.

Рисунок 12.

Пластина типа P и оксидная пластина.

После выращивания оксида кремния маска Nwell (# 42) используется для создания лунки типа N. Размеры маски определяют максимальный размер стержня диода. После этого шага создается новый слой оксида кремния. На рис. 13 (a) и (b) показаны эти шаги.

Рис. 13.

a) N лунка в пластине P-типа, (b) N лунка в пластине P-типа после повторного роста оксида кремния

Следующим шагом является маска ACTIVE (# 43), отвечающая за определение области распространения материалов типа P +.Они соответствуют защитному кольцу, окружающему устройство SBD, как показано на рис. 14.

Рис. 14.

Защитное кольцо с диффузией P +.

Затем маска NPLUS (# 45) используется для омического контакта, то есть диффузии N + по скважине N-типа. Этот контакт образует катод диода. Количество контактов, устанавливаемых на этом этапе, напрямую зависит от количества выводов диода. На этом этапе также открывается отверстие в оксиде (переходное отверстие) над колодцем N-типа для формирования анода диода (маска № 48).Рис. 15 (a) и (b) показывают эти шаги.

Рис. 15.

a) Отверстие над диффузией N + (катод) и P + (защитное кольцо). (b) Через отверстие типа n для формирования анода диода.

Чтобы получить доступ к катоду Шоттки, аноду и защитному кольцу, необходимо нанести материал проводника. Маска МЕТАЛЛ1 (# 49) используется для определения областей контакта. Этот шаг показан на рис. 16.

Рис. 16.

Определение металла для контактов в диоде.

Наконец, маски VIA (# 50) и METAL2 (# 51) используются для доступа к металлическому слою, который контактирует с анодом, катодом и защитным кольцом.Таким образом, была использована следующая последовательность масок:

Маска NWELL (# 42)

Маска ACTIVE (# 43)

Маска NPLUS (# 45)

Маска CONTACT (# 25)

Маска METAL1 (# 49 )

Маска VIA (# 50)

Маска МЕТАЛЛ2 (# 51)

На Рис. 17 (a) показан окончательный вид (аналогичный Рис. 7), а на Рис. 17 (b) показана фотография SBD.

Рисунок 17.

а) Схема SBD и (б) фотография SBD.

Каждая маска, используемая для формирования SBD, показана на рис.18. Последовательность маски должна просматриваться снизу вверх.

Рисунок 18.
Маски

SBD в стандартном процессе CMOS

5. Модель малого сигнала SBD

Самым важным различием между структурами Шоттки и PN является отсутствие емкости перехода, которая значительно сокращает время восстановления электронов. Из предыдущих объяснений теперь можно построить эквивалентную модель схемы малого сигнала SBD, как показано на рисунке 19.

Рисунок 19.

Эквивалентная схема малосигнального SBD.

В этой эквивалентной схеме емкость (C GEOM ) возникает из-за геометрии устройства пальцев и демонстрирует паразитную емкость между двумя портами встречно-штыревыми пальцами диода Шоттки. Эта емкость находится в пределах от 0,1 до 1 пФ.

Сопротивление r d и емкость C Дж относятся к области истощения, равны соответственно:

rD = dV_dIE11

и

CJ = A [qNDεs_2 (Vbi − V)] 1 / 2E12

, где q — электрический заряд, а В, — напряжение, приложенное к SBD.

В частности, для условия нулевого смещения, т.е. е. V = 0, уравнение (5) записывается как:

CJ (0) = A [qNDεs_2 (ϕB − Vt)] 1 / 2E13

Резистор r d фактически является инкрементным значением и может быть извлечено по кривой IV Шоттки в прямом смещении в области до деградации, вызванной последовательным сопротивлением R S . Как высокоскоростное устройство, диод Шоттки имеет низкую диффузионную емкость и в условиях прямого смещения (Philippe, 2002).

Важно отметить параметр A (площадь стыка), присутствующий в уравнениях (5) и (6).Этот параметр соответствует области анодных пальцев внутри скважины N, если смотреть сверху, как показано на Рис. 20.

Рис. 20.

Параметр A (область).

Как можно видеть, A — это сумма всех площадей ( A 1 + A 2 +… A n ), соответствующих n анодным пальцам, которые находятся внутри колодца N. Площадь катодных пальцев не учитывается для емкости перехода, поскольку они связаны с омическими контактами.

Завершая модель, последовательное сопротивление (R s ) представляет омические контакты и нейтральную область сопротивления полупроводника. Обычно оно находится в диапазоне десятков Ом (от 10 до 200 Ом). Паразитная последовательная индуктивность (L s ) может составлять всего 0,01 нГн и влияет на устройство при работе на очень высоких частотах (диапазон ГГц). SBD, изготовленный по стандартной технологии CMOS, имеет такие преимущества, как низкое последовательное сопротивление и малая паразитная емкость.

6.Результаты измерений

SBD были распространены в трех различных версиях; с 5 пальцами, 10 пальцами и 15 пальцами. На рис. 21 показан прототип микросхемы, на котором можно наблюдать различные тестовые схемы.

В таблице 1 показаны основные расчетные параметры слабого сигнала из набора измерений постоянного тока. Представленные значения взяты в среднем по 40 образцам. Эти параметры можно использовать для оптимизации окончательной геометрии SBD.

r D [Ом] C J (0) [пФ]
5 пальцев 227 0.4
10 пальцев 103 0,8
15 пальцев 79 1,2

Таблица 1.

Параметры малого сигнала SBD.

На рис. 22 показана ВАХ для трех диффузных SBD. Кривые представляют собой среднее значение для 40 образцов. Для токов низкого уровня, как и в случае имплантируемых устройств, напряжение включения SBD находится в диапазоне от 200 до 300 мВ. Это в соответствии с ур.(3) с учетом типовых значений.

Рисунок 21.

Прототип микросхемы.

Рисунок 22.

Характеристики SBD IV.

Основная цель на этом этапе — проверить процесс изготовления. Как можно заметить, такое устройство можно изготовить по стандартной КМОП-технологии, и его можно оптимизировать с помощью геометрических аспектов.

Обратите внимание, что это устройство является частью более сложной системы. Повышение эффективности разговора между переменным и постоянным током может обеспечить интеграцию всей схемы, которую можно даже имплантировать.В настоящее время ведутся исследования и разработки во многих важных биомедицинских приложениях, которые зависят от имплантированных систем, например:

  • Чип, используемый для измерения уровня глюкозы.

  • Микросхема для оценки уровня кислорода.

  • Чип для измерения концентрации креатина в крови, который используется в качестве основного индикатора функции почек.

  • Чип для индикации присутствия раковых белков в крови.

  • Чип, используемый для хранения личной даты и медицинской карты, начиная с группы крови и заканчивая историей пациента. В случае возникновения чрезвычайной ситуации чип может спасти жизни, поскольку сокращает время на определение группы крови, аллергии, хронические заболевания и предоставление всех медицинских записей.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *