Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы - файл mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы
скачать (483.7 kb.)
Доступные файлы (1):
mikrovolno_poluprovod_pribori.doc1409kb.29.05.2003 11:50скачать

mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ЛЕКЦИЯ № 6


Диод Шоттки, p-i-n диод


  1. Концептуальная диаграмма.

  2. Принцип действия, параметры и характеристики диода Шоттки и р-i-n диода.

  3. Контрольные вопросы.


6.1. Концептуальная диаграмма




6.2. Принцип действия, параметры и характеристики диода Шоттки и р-i-n диода
6.2.1. Диод Шоттки

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


а)



б)



в)



г)



д)




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


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

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

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

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

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

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

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

(6.1)

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

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

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

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

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

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

Варианты разновидностей диодов Шоттки приведены на рис. 6.2.





а)

б)





в)

г)

Рис.6. 2. Разновидности выпрямляющих структур диодов Шоттки:

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

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

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

Предельная частота СВЧ-диодов Шоттки доведена до 500 ГГц.



Рис. 6.3. СВЧ-диод с переходом Шоттки на арсениде галлия:

1— SiO2; 2 —омический контакт; 3 — полосковая линия из золота; 4 — n+GaAs;

5 — nGaAs; 6 —контакт перехода Шоттки
Подытоживая сказанное выше, перечислим основные преимущества барьера Шоттки по сравнению с р-п пере­ходом:

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

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

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

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

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

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

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

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

6.2.2. p-i-n диод

p-i-n-диод (рис. 6.4. а) состоит из трех чередующихся облас­тей: с дырочной, собственной и электронной проводимостью. Между сильно легированными областями с дырочной и электронной электропроводностью находится i-область с концентрацией носителей, близкой к кон­центрации pi и ni в собственном полупроводнике (рис. 6.4. б). Кон­центрации носителей в р-области рр и пр , а в n-области nn и рп

При подаче прямого напряжения в i-область одновременно инжек­тируются дырки из р-области и электроны из n-области. Сопро­тивление i-области и всего диода становится малым, его значение определяется посто­янным током, протекающим через диод.. При обрат­ном напряжении дырки и электроны экстрагируются из i-области в p- и n-области соответственно. Уменьшение концентрации носи­телей в i-области приводит к увеличению сопротивления i-об-ласти и всего диода. Такая зависимость сопротивления p-i-n-диода от на­пряжения объясняет эффективность его применения в качестве мощного выпрямительного диода, у которого должны быть малое прямое и большое обратное, сопротивления. Разработка p-i-n-диодов с малой емкостью позволила использовать их в СВЧ диапазоне.

Дифференциальное сопротивление p-i-n-диода при изменении знака напряжения изменяется на несколько порядков, в то время как емкость диода, определяемая в основном шириной i-области, изменяется незначительно. Слабая зависимость емкости от напряжения расширяет возможности использования p-i-n-диодов в СВЧ схемах с колебательными системами.





а)

б)

Рис. 6.4. Структура и области легирования p-i-n диода
На рис. 6.5 показано расположение энергетических зон в диоде типа p-i-n. На границе между соседними областями образуются запирающие слои. Контактная разность потенциалов между обла­стями p и n в диоде в этом случае такая же, как и в отсутствие об­ласти i. При приложении обратного напряжения сопротивление i-области увеличивается, так как электрическое поле отсасывает из нее носители, что ведет к увеличению падения напря-жения, созда­ваемого в ней обратным током. При приложении прямого напря­жения, наобо-рот, сопротивление i-области уменьшается из-за инжекции в нее электронов из n-области и дырок из р-области, поэто­му падение напряжения в i-области уменьшается.

Диод типа p-i-n предназначен для схем мощных выпрямителей и СВЧ переключате­лей. Для получения большого выпрямленного напряже­ния нужно обеспечить высокое допустимое об­ратное напряжение Uобр, а для получения большого выпрямленного то­ка — малое прямое со­противление диода. Эти два требования взаимно противоречивы. Высокое Uобр можно по­лучить путем увеличения толщины p-n-перехода, для чего следует уменьшить примесную проводимость p- и n-областей. Но при этом увеличивается сопротивление материала полупроводника, что име­ет существенное значение в случае работы диода при больших прямых токах. Указанное противоречие можно устранить, если между p- и n-областями) расположить область из высокоомного ма­териала с очень малой концентрацией примесей, близкой к собст­венному полупроводнику, что обеспечит высокое значение Uобр. В то же время области р и п выполняют с большой концентрацией акцепторных и донорных примесей, благодаря чему сопротивление этих областей диода может быть малым. На границе между обла­стями концентрация примесей должна резко изменяться.


а)



б)



в)






Рис. 6.5. Диаграмма энергетических зон диода типа p-i-n:

а) в состоянии равновесия;

б) при обрат­ном напряжении;

в) при прямом напряже­нии

На рис. 6.6 показана p-i-n-структура одного из наиболее широко применяемых в промышленности переключающих СВЧ-диодов.

Диод типа p-i-n изготовляется путем диффузии акцепторной и донорной примесей с противоположных сторон пластины кремния с соб­ственной электропроводностью, который имеет высокое сопротивление.



Рис. 6.6. Структура p-i-n-диода
При низких частотах диод типа р-i-п об­наруживает выпрямительные свойства, ана­логичные обычному p-n-переходу. Однако при более высоких частотах накопление за­ряда в области i препятствует выпрямле­нию. Таким образом, когда к диоду при­кладывается прямое напряжение смеще­ния, он работает как переменное сопротив­ление, зависящее от величины напряжения. Когда к диоду прикладывается обрат­ное напряжение, то наблюдается постепен­ное уменьшение последовательного сопротивления ввиду увеличения ширины обедненного слоя. Это увеличение ширины продолжается до тех пор, пока не произойдет пробой и проводимость быстро уве­личится.

В СВЧ диапазоне p-i-n-диоды используются для создания пере­ключающих цепей (СВЧ мультиплексоров), переменных и ступенчатых аттенюаторов, амп­литудных модуляторов, плавных и ступенчатых фазовращателей. Например, для создания ступенчатого фазовращателя (широко применяемых в фазированных антенных решетках) p-i-n-диоды включаются с определенным интервалом в линию передачи. Переключатели на p-i-n-диодах устойчивы в работе и имеют малые потери на СВЧ. Недостатками p-i-n-диодов является меньшее, чем у диодов Шоттки, быстродействие и отсутствие усиления.

Выпускаются р-i-n-диоды с разными толщиной i-слоя, площадью структуры, рассеиваемой мощностью и быстродействием. Емкость полупроводниковых структур обычно лежит в интервале от 0,1 до 3 пФ.

В мощных p-i-n-диодах для СВЧ диапазона ширина i-области делается большой (0,1—0,5 мм), чтобы они могли работать при больших амплитудах напряжения (свыше 1 кВ) и импульсной мощности 10 кВт и более. Большая ширина i-области позволяет также увеличить площадь сечения диода без существенного возрастания емкости, улучшить теплоотвод и поднять среднюю рабочую мощность. Диоды с большой толщиной i слоя на частотах СВЧ-диапазона не являются выпрямителями, но могут быть использованы для управления СВЧ- мощностью в качестве переключательных диодов. Их сопротивление изменяется под действием внешнего низкочастотного напряжения.

Следует заметить, что p-i-n-диоды применяются как при малых уровнях мощности, так и на больших мощностях, достигающих сотен ватт в непрерывном режиме и сотен киловатт в импульсе.
6.3. Контрольные вопросы:


  1. Особенности работы диода Шоттки.

  2. Основные преимущества барьера Шоттки.

  3. Каково расположение энергетических зон в p-i-n диоде в состоянии равновесия, при прямом и обратном смещении? Поясните.

  4. Где применяются p-i-n диоды?



1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации