Шоттки диоды: принцип жұмысы және қолданылуы

Кіріспе

Жартылай өткізгіш диод

Шотки диоды (неміс физигі Уолтер Х. Шоткидің есімімен аталған), сондай-ақ Шотки кедергілік диоды немесе ыстық тасымалдаушы диод деп те аталады, ол жартылай өткізгіш пен металлдың қосылысынан түзілген жартылай өткізгіш диод. Оның алғашқы бағыттағы кернеудің төмендеуі төмен және өте жылдам қосқыш қасиеттері бар. Сымсыз байланыстың алғашқы күндерінде қолданылған «мысық мұрты» детекторлары және алғашқы қуат қолданыстарындағы металл түзеткіштері примитивті Шотки диодтары деп есептелуі мүмкін. Қол жеткілікті алғашқы кернеу қолданғанда, ток алғашқы бағытта өтеді. Кремнийлі p–n диодының әдеттегі алғашқы кернеуі 600–700 мВ, ал Шотки диодының алғашқы кернеуі 150–450 мВ құрайды. Бұл төменгі алғашқы кернеу талабы жоғары қосқыш жылдамдықтарына және жүйенің тиімділігін жақсартуға мүмкіндік береді.

Құрылыс

Металл мен жартылай өткізгіш арасында металл-жартылай өткізгіш түйіспесі қалыптасады, бұл Шотки кедергісін тудырады (дәстүрлі диодтардағыдай жартылай өткізгіш-жартылай өткізгіш түйіспесінің орнына). Типтік металдар – молибден, платина, хром немесе вольфрам, сондай-ақ кейбір силицидтер (мысалы, палладий силициді және платина силициді), ал жартылай өткізгіш әдетте n-типті кремний болады. Металл жағы анод, ал n-типті жартылай өткізгіш диодтың катоды рөлінде әрекет етеді; яғни, ток металл жағынан жартылай өткізгіш жағына ағуы мүмкін, бірақ кері бағытта емес. Бұл Шотки кедергісі өте жылдам қосқыштарды және төменгі тікелей кернеуді қамтамасыз етеді. Диодтың тікелей кернеуін металл мен жартылай өткізгіштің комбинациясы анықтайды. Шотки кедергілері n және p-типті жартылай өткізгіштерде де пайда болуы мүмкін. Дегенмен, p-типтің тікелей кернеуі әдетте айтарлықтай төмен болады. Кері ағын тікелей кернеудің төмендеуімен күрт өсетіндіктен, ол тым төмен болмауы керек, сондықтан қолданылатын диапазон шамамен 0,15–0,45 В, ал p-типті жартылай өткізгіштер көбінесе қолданылмайды. Титан силициді және CMOS процестерінде көз/дренажды отқа жағу үшін қажетті температураға төтеп бере алатын басқа да отқа төзімді силицидтер көбінесе пайдалы болу үшін тым төмен тікелей кернеуге ие, сондықтан осы силицидтерді қолданатын процестер әдетте Шотки диодтарын ұсынбайды. Жартылай өткізгіштің допингі артуымен, тозу аймағының ені төмендейді. Белгілі бір еннен төмен заряд тасымалдаушылар тозу аймағы арқылы туннельдеуі мүмкін. Допинг деңгейі өте жоғары болғанда, түйіс енді түзеткіш ретінде әрекет етпейді және омдық контактіге айналады. Бұл диод пен омдық контактіні бір уақытта жасау үшін пайдаланылуы мүмкін, себебі силицид пен аз допингтелген n-типті аймақ арасында диод, ал силицид пен көп допингтелген n немесе p-типті аймақ арасында омдық контакті пайда болады. Аз допингтелген p-типті аймақтар мәселе тудырады, себебі нәтижесіндегі контакті жақсы омдық контакті үшін тым жоғары кедергіге ие, бірақ жақсы диод жасау үшін тым төмен тікелей кернеуге және тым жоғары кері ағынға ие. Шотки контактісінің жиектері өте өткір болғандықтан, олардың айналасында жоғары электр өрісі градиенті пайда болады, бұл кері бұзылу кернеуінің шегін шектейді. Өріс градиентін тарату үшін қорғау сақиналарынан бастап, металдандырудың жабылуына дейін әртүрлі стратегиялар қолданылады. Қорғау сақиналары құнды чиптік аумақты тұтынады және негізінен үлкен, жоғары кернеулі диодтар үшін қолданылады, ал металдандырудың жабылуы негізінен кішкентай, төмен кернеулі диодтар үшін қолданылады. Шотки диодтары көбінесе Шотки транзисторларында антиқанығу қысқыштары ретінде қолданылады. Палладий силицидінен (PdSi) жасалған Шотки диодтары төмен тікелей кернеуінің (негіз-коллекторлық түйіспен салыстырғанда төмен болуы керек) арқасында өте жақсы. Шотки температуралық коэффициенті негіз-коллекторлық түйістің коэффициентінен төмен, бұл жоғары температурада PdSi қолдануды шектейді. Қуатты Шотки диодтары үшін көмілген n+ қабатының және эпитаксиалдық n-типті қабатының паразиттік кедергілері маңызды. Эпитаксиалдық қабаттың кедергісі транзисторға қарағанда маңыздырақ, себебі ток оның бүкіл қалыңдығын кесіп өтуі керек. Алайда, ол түйістің бүкіл ауданы бойынша таралған балласттық кедергі ретінде қызмет етеді және қалыпты жағдайларда жергілікті жылулық қашуды болдырмайды. Қуатты pn диодтарымен салыстырғанда, Шотки диодтары аз сенімді. Түйіс жылуға сезімтал металдандырумен тікелей байланыста болады; сондықтан Шотки диоды (әсіресе кері бұзылу кезінде) істен шығу алдында терең көмілген түйісі бар тең өлшемді pn диодына қарағанда аз қуатты таратып жібере алады. Шотки диодтарының төмен тікелей кернеуінің салыстырмалы артықшылығы жоғары тікелей токтарда азаяды, онда кернеудің төмендеуіне сериялық кедергі басым болады.

A metal–semiconductor junction is formed between a metal and a semiconductor, creating a Schottky barrier (instead of a semiconductor–semiconductor junction as in conventional diodes). Typical metals used are molybdenum, platinum, chromium or tungsten, and certain silicides (e. g., palladium silicide and platinum silicide), whereas the semiconductor would typically be n type silicon. The metal side acts as the anode, and n type semiconductor acts as the cathode of the diode; meaning conventional current can flow from the metal side to the semiconductor side, but not in the opposite direction. This Schottky barrier results in both very fast switching and low forward voltage drop. The choice of the combination of the metal and semiconductor determines the forward voltage of the diode. Both n and p type semiconductors can develop Schottky barriers. However, the p type typically has a much lower forward voltage. As the reverse leakage current increases dramatically with lowering the forward voltage, it cannot be too low, so the usually employed range is about 0.15–0.45 V, and p type semiconductors are employed only rarely. Titanium silicide and other refractory silicides, which are able to withstand the temperatures needed for source/drain annealing in CMOS processes, usually have too low a forward voltage to be useful, so processes using these silicides therefore usually do not offer Schottky diodes. With increased doping of the semiconductor, the width of the depletion region drops. Below a certain width, the charge carriers can tunnel through the depletion region. At very high doping levels, the junction does not behave as a rectifier any more and becomes an ohmic contact. This can be used for the simultaneous formation of ohmic contacts and diodes, as a diode will form between the silicide and lightly doped n type region, and an ohmic contact will form between the silicide and the heavily doped n or p type region. Lightly doped p type regions pose a problem, as the resulting contact has too high a resistance for a good ohmic contact, but too low a forward voltage and too high a reverse leakage to make a good diode. As the edges of the Schottky contact are fairly sharp, a high electric field gradient occurs around them, which limits how large the reverse breakdown voltage threshold can be. Various strategies are used, from guard rings to overlaps of metallization to spread out the field gradient. The guard rings consume valuable die area and are used primarily for larger higher voltage diodes, while overlapping metallization is employed primarily with smaller low voltage diodes. Schottky diodes are often used as antisaturation clamps in Schottky transistors. Schottky diodes made from palladium silicide (PdSi) are excellent due to their lower forward voltage (which has to be lower than the forward voltage of the base collector junction). The Schottky temperature coefficient is lower than the coefficient of the B–C junction, which limits the use of PdSi at higher temperatures. For power Schottky diodes, the parasitic resistances of the buried n+ layer and the epitaxial n type layer become important. The resistance of the epitaxial layer is more important than it is for a transistor, as the current must cross its entire thickness. However, it serves as a distributed ballasting resistor over the entire area of the junction and, under usual conditions, prevents localized thermal runaway. In comparison with the power p–n diodes, the Schottky diodes are less rugged. The junction is in direct contact with the thermally sensitive metallization; a Schottky diode can therefore dissipate less power than an equivalent size p–n counterpart with a deep buried junction before failing (especially during reverse breakdown). The relative advantage of the lower forward voltage of Schottky diodes is diminished at higher forward currents, where the voltage drop is dominated by the series resistance.

Қайта қалпына келтіру уақыты

Pn диоды мен Schottky диоды арасындағы ең маңызды айырмашылық – диод өткізгіш күйден өткізбейтін күйге ауысқандағы кері қалпына келтіру уақыты (trr). Pn диодында кері қалпына келтіру уақыты бірнеше микросекундқа дейін, ал жылдам диодтар үшін 100 нс-ден кем болуы мүмкін, және ол негізінен өткізгіш күйде диффузиялық аймақта жинақталған азшылық тасымалдаушыларынан туындайтын диффузиялық сыйымдылықпен шектеледі. Schottky диодтары бірполярлы құрылғылар болғандықтан, олардың жылдамдығы тек қосылыс сыйымдылығымен ғана шектеледі. Кіші сигналдық диодтар үшін ауысу уақыты ~100 пс, ал арнайы жоғары қуатты диодтар үшін ондаған наносекундқа дейін жетеді. Pn торабының коммутациясы кезінде кері қалпына келтіру тогы да пайда болады, бұл жоғары қуатты жартылай өткізгіштерде EMI шуының күшеюіне әкеледі. Schottky диодтарымен коммутациялау негізінен «жедел» болады, тек аз ғана сыйымдық жүктемесімен, бұл алаңдаушылық тудырмайды. Бұл «жедел» ауысу әрқашан бола бермейді. Жоғары кернеулі Schottky құрылғыларында, әсіресе, бұзылу өрісінің геометриясын басқару үшін қажетті қорғау сақинасының құрылымы, әдеттегі кері қалпына келтіру уақыты сипаттамаларына ие паразиттік pn диодын жасайды. Егер бұл қорғау сақинасының диоды алға қарай бұрмаланбаса, ол тек сыйымдылықты ғана арттырады. Бірақ егер Schottky торабы жеткілікті күшпен қозғалса, алға қарайғы кернеу екі диодты да алға қарай бұрып, нақты trr (өшіру уақыты) айтарлықтай өзгереді. Көпте солай делінеді, Schottky диоды – «көпшілік тасымалдаушылар» жартылай өткізгіш құрылғысы. Бұл жартылай өткізгіш корпусы n типіне допингтелген болса, құрылғының қалыпты жұмысында тек n типіндегі тасымалдаушылар (көшкінді электрондар) маңызды рөл атқарады дегенді білдіреді. Көпшілік тасымалдаушылар диодтың екінші жағындағы металл контактісінің өткізгіш қабатына жылдам енгізіліп, еркін қозғалатын электрондарға айналады. Сондықтан n және p типіндегі тасымалдаушылардың баяу, кездейсоқ рекомбинациясы болмайды, сондықтан бұл диод обыкновенный pn түзетуші диодқа қарағанда жылдам өткізгіштікті тоқтатуға қабілетті. Бұл қасиет, өз кезегінде, құрылғының кішкентай аумағын қамтамасыз етеді, бұл да жылдам ауысуға мүмкіндік береді. Осы себепті Schottky диодтары коммутациялық режимдегі қуат түрлендіргіштерінде пайдалы: диодтың жоғары жылдамдығы схеманың 200 кГц-тан 2 МГц-қа дейінгі жиіліктерде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бұл басқа диод түрлеріне қарағанда тиімдірек кішкентай индукторлар мен конденсаторларды пайдалануға мүмкіндік береді. Кішкентай аумақты Schottky диодтары – 50 ГГц-қа дейінгі жиіліктерде жұмыс істейтін радиожиілік детекторлары мен араластырғыштардың негізгі бөлігі болып табылады.

The most important difference between the p–n diode and the Schottky diode is the reverse recovery time (trr) when the diode switches from the conducting to the non conducting state. In a p–n diode, the reverse recovery time can be in the order of several microseconds to less than 100 ns for fast diodes, and it is mainly limited by the diffusion capacitance caused by minority carriers accumulated in the diffusion region during the conducting state. Schottky diodes are significantly faster since they are unipolar devices and their speed is only limited by the junction capacitance. The switching time is ~100 ps for the small signal diodes, and up to tens of nanoseconds for special high capacity power diodes. With p–n junction switching, there is also a reverse recovery current, which in high power semiconductors brings increased EMI noise. With Schottky diodes, switching is essentially "instantaneous" with only a slight capacitive loading, which is much less of a concern. This "instantaneous" switching is not always the case. In higher voltage Schottky devices, in particular, the guard ring structure needed to control breakdown field geometry creates a parasitic p–n diode with the usual recovery time attributes. As long as this guard ring diode is not forward biased, it adds only capacitance. If the Schottky junction is driven hard enough however, the forward voltage eventually will bias both diodes forward and actual trr (time to turn its status OFF) will be greatly impacted. It is often said that the Schottky diode is a "majority carrier" semiconductor device. This means that if the semiconductor body is a doped n type, only the n type carriers (mobile electrons) play a significant role in the normal operation of the device. The majority carriers are quickly injected into the conduction band of the metal contact on the other side of the diode to become free moving electrons. Therefore, no slow random recombination of n and p type carriers is involved, so that this diode can cease conduction faster than an ordinary p–n rectifier diode. This property, in turn, allows a smaller device area, which also makes for a faster transition. This is another reason why Schottky diodes are useful in switch mode power converters: the high speed of the diode means that the circuit can operate at frequencies in the range 200 kHz to 2 MHz, allowing the use of small inductors and capacitors with greater efficiency than would be possible with other diode types. Small area Schottky diodes are the heart of RF detectors and mixers, which often operate at frequencies up to 50 GHz.

Шектеулер

Шоттки диодтарының ең айқын шектеулері – олардың салыстырмалы түрде төмен кері кернеу көрсеткіштері және салыстырмалы түрде жоғары кері ағыны. Кремнийлі металл Шоттки диодтары үшін кері кернеу әдетте 50 В немесе одан кем болады. Кейбір жоғары кернеулі конструкциялар да бар (200 В жоғары кері кернеу деп есептеледі). Кері ағын температурамен өскендіктен, жылулық тұрақсыздық мәселесіне алып келеді. Бұл көбінесе пайдалы кері кернеуді нақты көрсеткіштен әлдеқайда төменге дейін шектейді. Кері кернеуді жоғарылатуға болатын болса да, ол стандартты диодтардың басқа түрлерімен салыстырылатын жоғары тікелей кернеуге ие болады. Мұндай Шоттки диодтары, егер үлкен ауысу жылдамдығы қажет болмаса, ешқандай артықшылық бермейді.

Кремний карбиді Шотки диоды

Кремний карбидінен жасалған Шотки диодтарының кері ток ағыны кремний Шотки диодтарына қарағанда әлдеқайда төмен, сондай-ақ олардың алға бағытталған кернеуі жоғары (шамамен 1,4–1,8 В 25 °C-та) және кері кернеуге төзімділігі де жоғары. 2011 жылдан бастап олар өндірушілерден 1700 В кері кернеуге дейінгі нұсқаларда қолжетімді болды. Кремний карбидінің жылу өткізгіштігі жоғары, сондықтан температура оның коммутациялық және жылулық сипаттамаларына аз әсер етеді. Арнайы корпуста кремний карбиді Шотки диодтары 500 К-тан жоғары (шамамен 200 °C) түйіспе температурасында жұмыс істей алады, бұл әуе-ғарыш саласында пассивті радиациялық салқындатуға мүмкіндік береді. (мысалы, 1N5711) және оларды кернеуді шектеу және транзистордың қанығуына жол бермеу үшін пайдалануға болады. Бұл Шотки диодындағы ток тығыздығының жоғары деңгейімен байланысты.

Кері ток пен разрядты қорғау

Шотки диодтарының төмен алдыңғы кернеуінің төмендеуіне байланысты, энергияның аз бөлігі жылу ретінде ысырап болады, бұл оларды тиімділікке сезімтал қолданулар үшін ең тиімді таңдауға айналдырады. Мысалы, олар түнде күн панельдері арқылы аккумуляторлардың разрядталуын болдырмау үшін автономды ("желіден тыс") фотоэлектрлік (ФЭ) жүйелерде қолданылады, оларды "тоқтату диодтары" деп атайды. Сонымен қатар, "байпасс диодтары" бұзылған жағдайда, көлеңке түскен тізбектер арқылы жанындағы тізбектерден кері ток ағынын болдырмау үшін параллель қосылған бірнеше тізбектері бар желілік жүйелерде де қолданылады.

Қосылған режимдегі қуат көздері

Шоттки диодтары коммутациялық режимдегі қуат көздерінде түзетушілер ретінде де қолданылады. Төменгі алға бағытталған кернеу және жылдам қалпына келтіру уақыты тиімділікті арттырады. Олар сондай-ақ, ішкі батареясы мен желілік адаптері бар немесе осыған ұқсас құрылғылардағы қуат көзін "немесе" (OR) схемаларында қолданылуы мүмкін. Дегенмен, жоғары кері ағып кету тогы бұл жағдайда қиындық тудырады, себебі кез келген жоғары кедергілі кернеуді сезгіш тізбек (мысалы, батарея кернеуін бақылау немесе желілік адаптердің қосылғандығын анықтау) диодтың ағып кетуі арқылы екінші қуат көзінен кернеуді байқай алады.

Үлгі және ұстап тұру схемалары

Шоттки диодтары диодты көпір негізіндегі үлгіні сақтап тұру тізбектерінде қолданылуы мүмкін. Қалыпты p-n торапты диодты көпірлермен салыстырғанда, Шоттки диодтары артықшылықтар бере алады. Тікелей бағытта жұмыс істейтін Шоттки диодында аз мөлшердегі заряд тасымалдаушылардың жиналуы болмайды. Бұл оларға қалыпты диодтарға қарағанда жылдамрақ ауысуға мүмкіндік береді, нәтижесінде үлгіден ұстап алу кезеңіне өту уақыты төмендейді. Аз мөлшердегі заряд тасымалдаушылардың жиналмауы сондай-ақ ұстап алу кезеңіндегі қателіктерді немесе үлгі алу қатесін азайтады, нәтижесінде шығыста дәлірек үлгі алынады.

Зарядтауды басқару

Электр өрісін тиімді басқару қабілетіне байланысты, Шоттки диодтары кванттық ұңғымалар немесе кванттық нүктелер сияқты жартылай өткізгіш наноқұрылымдардағы жеке электрондарды дәл жүктеуге немесе түсіруге қолданылуы мүмкін.

Тағайындау

[[File:SS14 1A DO 214 Schottky диоды. jpg|thumb|right|SS14 Schottky диоды DO 214AC (SMA) корпусында (1N5819-дың беткі монтаждау нұсқасы) және SS1x (1 А) және SS3x (3 А) беткі монтаждау бөліктері көрсетілген. Schottky тікшілгіштері көптеген беткі монтаждау пакеттерінің түрлерінде қол жетімді. 1N5711, 1SS106, 1SS108 және BAT41–43, 45–49 сериялары сияқты кішкентай сигналдық Schottky диодтары жоғары жиілікті қолданыстарда детекторлар, араластырғыштар және сызықтық емес элементтер ретінде кеңінен қолданылады және германий диодтарын ығыстырды. Олар сондай-ақ III-V жартылай өткізгіш құрылғылары, лазерлік диодтар және CMOS схемаларының ашық сызықтары сияқты сезімтал құрылғыларды электростатикалық разрядтан (ESD) қорғауға да жарамды. Schottky металл-жартылай өткізгіштік байланыстар 7400 TTL логикалық құрылғылар отбасының, 74S, 74LS және 74ALS серияларының ізбасарларында қолданылады, онда олар биполярлық транзисторлардың коллектор-негіз байланыстарымен параллель Бейкер қысқыштары ретінде қолданылады, осылайша олардың қанығуына жол бермейді, соның салдарынан олардың өшіру уақытын едәуір қысқартады.

Баламалар

Қуатты аз жұмсау қажет болғанда, активті түзету деп аталатын жұмыс режимінде MOSFET және басқару тізбегін қолдануға болады. pn-диод немесе Шотки диоды және операциялық күшейткіштен құралған супердиод, теріс кері байланыс әсерінен диодтың дерлік мінсіз сипаттамасын қамтамасыз етеді, алайда оның қолданылуы пайдаланылған операциялық күшейткіштің өңдей алатын жиіліктерімен шектеледі.

Электрмен қату

Электроылғалдану (электровлажнение) Шотки диоды сұйық металл тамшысы, мысалы, сынап, жартылай өткізгішпен, мысалы, кремниймен жанасқанда байқалады. Жартылай өткізгіштегі допингтің түрі мен концентрациясына байланысты тамшының таралуы, сынап тамшысына қолданылатын кернеудің шамасы мен таңбасына байланысты өзгереді. Бұл құбылыс "Шотки электроылғалдануы" (электровлажнение) деп аталады.