Шоттки диод: принцип работы и характеристики

Введение

Полупроводниковый диод

Диод Шоттки (назван в честь немецкого физика Вальтера Г. Шоттки), также известный как диод с барьером Шоттки или диод с горячими носителями, — это полупроводниковый диод, образованный переходом полупроводника с металлом. Он характеризуется низким прямым падением напряжения и очень быстрым переключением. Детекторы «кошачьих усов», использовавшиеся на заре беспроводной связи, и металлические выпрямители, применявшиеся в ранних силовых установках, можно считать примитивными диодами Шоттки. При приложении достаточного прямого напряжения через диод протекает прямой ток. У кремниевого p–n-диода типичное прямое напряжение составляет 600–700 мВ, в то время как у диода Шоттки – 150–450 мВ. Это более низкое требование к прямому напряжению обеспечивает более высокую скорость переключения и лучшую эффективность системы.

Строительство

Металлический полупроводниковый переход формируется между металлом и полупроводником, создавая барьер Шоттки (вместо полупроводникового перехода, как в обычных диодах). Типичными металлами, используемыми для этой цели, являются молибден, платина, хром или вольфрам, а также некоторые силициды (например, силицид палладия и силицид платины), в то время как полупроводником обычно является кремний n-типа. Металлическая сторона выполняет роль анода, а полупроводник n-типа – роль катода диода, что означает, что обычный ток может протекать от металлической стороны к полупроводниковой, но не в обратном направлении. Этот барьер Шоттки обеспечивает как очень быстрое переключение, так и низкое прямое напряжение. Выбор комбинации металла и полупроводника определяет прямое напряжение диода. Барьеры Шоттки могут формироваться как на полупроводниках n-, так и на полупроводниках p-типа. Однако, p-тип обычно характеризуется значительно более низким прямым напряжением. Поскольку обратный ток утечки резко возрастает при уменьшении прямого напряжения, оно не должно быть слишком низким, поэтому обычно используемый диапазон составляет примерно 0,15–0,45 В, а полупроводники p-типа используются относительно редко. Силицид титана и другие тугоплавкие силициды, способные выдерживать температуры, необходимые для отжига областей истока/стока в процессах CMOS, обычно имеют слишком низкое прямое напряжение, чтобы быть полезными, поэтому процессы, использующие эти силициды, как правило, не предусматривают диоды Шоттки. При увеличении легирования полупроводника ширина обедненной области уменьшается. При ширине ниже определенного значения носители заряда могут туннелировать через обедненную область. При очень высоких уровнях легирования переход перестает функционировать как выпрямитель и превращается в омический контакт. Это позволяет одновременно формировать омические контакты и диоды: диод будет формироваться между силицидом и слабо легированной областью n-типа, а омический контакт – между силицидом и сильно легированной областью n- или p-типа. Слабо легированные области p-типа представляют проблему, поскольку получаемый контакт имеет слишком высокое сопротивление для обеспечения хорошего омического контакта, но слишком низкое прямое напряжение и слишком высокий обратный ток утечки для создания качественного диода. Поскольку края шотткиевского контакта достаточно острые, вокруг них возникает высокий градиент электрического поля, который ограничивает максимальное значение напряжения обратного пробоя. Для рассеивания градиента поля используются различные стратегии, от защитных колец до перекрытия металлизации. Защитные кольца занимают ценную площадь кристалла и в основном используются для больших диодов с высоким напряжением, в то время как перекрывающаяся металлизация в основном применяется для небольших диодов с низким напряжением. Диоды Шоттки часто используются в качестве антинасытительных ограничителей в транзисторах Шоттки. Диоды Шоттки, изготовленные из силицида палладия (PdSi), превосходны благодаря их более низкому прямому напряжению (которое должно быть ниже прямого напряжения перехода база-коллектор). Температурный коэффициент диода Шоттки ниже, чем у перехода база-коллектор, что ограничивает использование PdSi при более высоких температурах. Для мощных диодов Шоттки важными становятся паразитные сопротивления внедренного n+-слоя и эпитаксиального n-слоя. Сопротивление эпитаксиального слоя более существенно, чем для транзистора, поскольку ток должен проходить через всю его толщину. Однако он выполняет функцию распределенного балластного резистора по всей площади перехода и, в обычных условиях, предотвращает локальный термический разгон. По сравнению с мощными p-n диодами, диоды Шоттки менее устойчивы. Переход находится в непосредственном контакте с термически чувствительной металлизацией, поэтому диод Шоттки может рассеивать меньше мощности, чем эквивалентный по размеру p-n диод с глубоким внедренным переходом, прежде чем выйти из строя (особенно при обратном пробое). Относительное преимущество более низкого прямого напряжения диодов Шоттки уменьшается при более высоких прямых токах, где падение напряжения определяется последовательным сопротивлением.

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.

Время восстановления

Наиболее важное различие между p–n диодом и диодом Шоттки – это время обратного восстановления (trr) при переключении диода из проводящего в непроводящее состояние. В p–n диоде время обратного восстановления может составлять от нескольких микросекунд до менее 100 нс для быстрых диодов, и оно в основном ограничено диффузионной емкостью, вызванной минорными носителями заряда, накапливающимися в диффузионной области в проводящем состоянии. Диоды Шоттки значительно быстрее, поскольку являются униполярными устройствами, и их скорость ограничена только емкостью перехода. Время переключения составляет около 100 пс для диодов для малых сигналов и до десятков наносекунд для специальных силовых диодов большой емкости. При переключении p–n перехода также возникает обратный восстановительный ток, который в мощных полупроводниках приводит к увеличению электромагнитных помех (EMI). С диодами Шоттки переключение по существу "мгновенное" с незначительной емкостной нагрузкой, что представляет собой гораздо меньшую проблему. Однако это "мгновенное" переключение не всегда имеет место. В диодах Шоттки с более высоким напряжением, в частности, структура защитного кольца, необходимая для управления геометрией электрического поля пробоя, создает паразитический p–n диод с обычными характеристиками времени восстановления. Пока этот диод защитного кольца не находится в прямом смещении, он добавляет только емкость. Однако, если диод Шоттки достаточно сильно перегрузить, прямое напряжение в конечном итоге приведет к прямому смещению обоих диодов, и фактическое trr (время отключения) значительно изменится. Часто говорят, что диод Шоттки является полупроводниковым прибором на "основных носителях" заряда. Это означает, что если полупроводниковый материал имеет n-тип проводимости, то только n-типы носителей заряда (подвижные электроны) играют существенную роль в нормальной работе прибора. Основные носители заряда быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта с другой стороны диода, становясь свободными электронами. Следовательно, медленная случайная рекомбинация n- и p-типов носителей заряда не происходит, поэтому этот диод может прекратить проводить ток быстрее, чем обычный p–n выпрямительный диод. Это свойство, в свою очередь, позволяет уменьшить площадь прибора, что также способствует более быстрому переключению. Это еще одна причина, по которой диоды Шоттки полезны в импульсных преобразователях мощности: высокая скорость диода означает, что схема может работать на частотах в диапазоне от 200 кГц до 2 МГц, что позволяет использовать небольшие индуктивности и емкости с большей эффективностью, чем это было бы возможно с другими типами диодов. Диоды Шоттки с малой площадью являются основой радиочастотных детекторов и смесителей, которые часто работают на частотах до 50 ГГц.

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.

Ограничения

Наиболее очевидными ограничениями диодов Шоттки являются их относительно низкие допустимые обратные напряжения и относительно высокий обратный ток утечки. Для кремниевых металл-Шоттки диодов обратное напряжение обычно составляет 50 В или меньше. Доступны конструкции с более высоким напряжением (200 В считается высоким обратным напряжением). Обратный ток утечки, увеличиваясь с температурой, приводит к проблеме тепловой неустойчивости. Это часто ограничивает практически применимое обратное напряжение значением значительно ниже номинального. Хотя достижение более высоких обратных напряжений возможно, это сопровождается увеличением прямого напряжения, сопоставимого со стандартными диодами других типов. Такие диоды Шоттки не имеют преимуществ, если только не требуется высокая скорость переключения.

Диод Schottky карбида кремния

Диоды Шоттки, изготовленные из карбида кремния, имеют значительно более низкий обратный ток утечки, чем кремниевые диоды Шоттки, а также более высокое прямое напряжение (около 1,4–1,8 В при 25 °C) и обратное напряжение. По состоянию на 2011 год они были доступны у производителей в исполнениях с обратным напряжением до 1700 В. Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, и температура оказывает незначительное влияние на его коммутационные и тепловые характеристики. При использовании специальной упаковки диоды Шоттки на карбиде кремния могут работать при температурах перехода более 500 К (около 200 °C), что позволяет использовать пассивное радиационное охлаждение в аэрокосмических применениях. Они также полезны в схемах ограничения напряжения и для предотвращения насыщения транзисторов (например, 1N5711). Это обусловлено более высокой плотностью тока в диоде Шоттки.

Защита от переменного тока и разряда

Из-за низкого прямого падения напряжения диода Шоттки, меньше энергии теряется в виде тепла, что делает их наиболее эффективным выбором для применений, критичных к эффективности. Например, они используются в автономных ("не подключенных к сети") фотоэлектрических (PV) системах для предотвращения разряда аккумуляторов через солнечные панели ночью – такие диоды называются "блокирующими". Они также применяются в системах, подключенных к сети, с несколькими параллельно соединенными ветвями, чтобы предотвратить обратный ток от соседних ветвей через затененные ветви в случае выхода из строя "шунтирующих диодов".

Приборы питания в переключенном режиме

Диоды Шоттки также используются в качестве выпрямителей в импульсных источниках питания. Низкое прямое напряжение и быстрое время восстановления способствуют повышению эффективности. Они также могут применяться в схемах "ИЛИ" для питания устройств, имеющих как встроенный аккумулятор, так и вход для сетевого адаптера, или аналогичные конфигурации. Однако высокий обратный ток утечки представляет собой проблему в этом случае, поскольку любая схема контроля напряжения с высоким входным сопротивлением (например, для мониторинга напряжения аккумулятора или определения наличия сетевого адаптера) будет воспринимать напряжение от другого источника питания из-за утечки тока через диод.

Пробные и удерживающие схемы

Диоды Шоттки могут использоваться в схемах выборки-хранения на основе диодного моста. По сравнению с обычными диодными мостами на основе p–n-переходов, диоды Шоттки могут обеспечивать преимущества. Прямо смещенный диод Шоттки не накапливает заряды носителей меньшинства. Это позволяет им переключаться быстрее, чем обычные диоды, что приводит к меньшему времени перехода от этапа выборки к этапу хранения. Отсутствие накопления зарядов носителей меньшинства также снижает ошибку удержания или ошибку выборки, обеспечивая более точный результат выборки на выходе.

Контроль заряда

Благодаря эффективному управлению электрическим полем, диоды Шоттки могут использоваться для точной загрузки или выгрузки отдельных электронов в полупроводниковых наноструктурах, таких как квантовые ямы или квантовые точки.

Назначение

[Файл:SS14 1A DO 214 Диод Шоттки.jpg|thumb|right|Диод Шоттки SS14 в корпусе DO 214AC (SMA) (поверхностный монтаж, версия 1N5819) и компоненты для поверхностного монтажа SS1x (1 А) и SS3x (3 А). Выпрямители Шоттки доступны в различных типах корпусов для поверхностного монтажа. Диоды Шоттки для слабых сигналов, такие как 1N5711, 1SS106, 1SS108 и серии BAT41–43, 45–49, широко используются в высокочастотных приложениях в качестве детекторов, смесителей и нелинейных элементов, и заменили германиевые диоды. Они также подходят для защиты чувствительных устройств от электростатического разряда (ESD), таких как полупроводниковые приборы на основе соединений III–V, лазерные диоды и, в меньшей степени, открытые линии схем КМОП. Полупроводниковые переходы металл-полупроводник Шоттки используются в преемниках семейства логических устройств 7400 TTL – сериях 74S, 74LS и 74ALS, где они применяются в качестве зажимов Бейкера, параллельно с переходом база-коллектор биполярных транзисторов, чтобы предотвратить их насыщение и, тем самым, значительно сократить время отключения.

Альтернативы

Когда требуется меньшее энергопотребление, вместо этого можно использовать MOSFET и схему управления в режиме работы, известном как активное выпрямление. Супердиод, состоящий из p-n-перехода или диода Шоттки и операционного усилителя, обеспечивает почти идеальную диодную характеристику благодаря эффекту отрицательной обратной связи, хотя его применение ограничено частотами, которые может обрабатывать используемый операционный усилитель.

Электроветирование

Электросмачивание может наблюдаться при формировании диода Шотки с использованием капли жидкого металла, например ртути, в контакте с полупроводником, например кремнием. В зависимости от типа и концентрации легирования в полупроводнике, растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. Этот эффект был назван «электросмачиванием Шотки».