Вольт-амперні характеристики діода Шотткі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Мета курсового проекту - поглиблення і розширення теоретичних знань в галузі фізики твердотільної електроніки; формування навичок орієнтування в потоці науково-технічної інформації і використання фізичних законів в своїй галузі техніки з метою застосування сучасних, найбільш ефективних методів розрахунку і засобів обчислювальної техніки; розвинення навичок користування спеціальною науковою і довідковою літературою.

Проект вміщує формулювання завдання, детальний аналіз предметної області, розрахунки струму насичення, вплив коефіцієнту не ідеальності переходу, за допомогою системи Mathcad виконані розрахунки залежності ВАХ діода Шотткі за різних умов.

Барєр Шотткі, діод Гшотткі, електрон, дірка, носії заряду, струм, напруга, арсенід галлію, частота, напівпровідник, генерація, рекомбінація, електричне поле.

Зміст

Реферат

Вступ

1. Теоретична частина

1.1 Властивості діодів Шотткі

1.2 Структура діода Шотткі

1.3 Властивості і методи вимірювання контактів метал/напівпровідник

1.4 Ідеальний контакт метал / напівпровідник

1.5 Вольт-амперна характеристика ідеального контакту

1.6 Способи формування діодів з контактом метал / напівпровідник

1.7 Хімічні та електрохімічні методи осадження металів на поверхню напівпровідникових структур

1.8 Вакуумні методи осадження металів на поверхню напівпровідників

1.9 Фізичні принципи осадження шарів на поверхні напівпровідників

1.10 Застосування діодів Шотткі

2. Практична частина

2.1 Вихідні дані

2.2 Розрахунок залежності I(U)

2.3 Розрахунок ВАХ діода при 3-х різних температурах

2.4 Розрахунок ВАХ діода при зміні m-фактора в діапазоні (m=2…3)

2.5 Розрахунок ВАХ діода при зміні напруженість поля в діапазоні (е=10⁵…10⁹)

Висновки

Перелік посилань

Вступ

Діод Шотткі - це напівпровідниковий діод, випрямні властивості якого засновані на використанні випрямляючого електричного переходу між металом і напівпровідником. Названий на честь німецького фізика Вальтера Шотткі. Діоди Шотткі використовують перехід метал-напівпровідник в якості бар'єру Шотткі (замість p-n переходу, як у звичайних діодів).

У діодах Шотткі в якості бар'єру Шотткі використовується перехід метал-напівпровідник, на відміну від звичайних діодів, де використовується рn-перехід. Перехід метал-напівпровідник володіє рядом особливих властивостей (відмінних від властивостей напівпровідникового p-n переходу). До них відносяться: знижене падіння напруги при прямому включенні, високий струм витоку, дуже маленький заряд зворотного відновлення. Останнє пояснюється тим, що в порівнянні із звичайним р-n переходом у таких діодів відсутня дифузія, пов'язана з інжекцією неосновних носіїв, тобто вони працюють тільки на основних носіях, а їх швидкодію визначається тільки бар'єрною ємністю.

Діоди Шотткі виготовляються зазвичай на основі кремнію (Si), або арсеніду галію (GaAs), рідше - на основі германію (Ge). Вибір металу для контакту з напівпровідником визначає багато параметрів діода Шотткі. У першу чергу - це величина контактної різниці потенціалів, що утворюється на межі метал-напівпровідник. При використанні діода Шотткі в якості детектора вона визначає його чутливість, а при використанні в змішувачах - необхідну потужність гетеродина. Тому найчастіше використовуються метали Ag, Au, Pt, Pd, W, які наносяться на напівпровідник і дають величину потенційного бар'єру 0,2 еВ ... 0,9 еВ.

Допустима зворотна напруга випускаючих діодів Шотткі обмежено 1200 вольт (CSD05120 і аналоги), на практиці більшість діодів Шотткі застосовується в низьковольтних ланцюгах при зворотному напрузі порядку одиниць і декількох десятків вольт.

Діод Шоттки є одним із базових елементів сучасної мікроелектроніки. Характерною особливістю діодів Шоттки є висока швидкодія, що визначає області застосування в НВЧ інтегральних схемах: як елементи НЕМТ-транзисторів на основі GaAs, а також для підвищення швидкодії транзисторів Si. В останні 10 років розроблені світловипромінюючі діоди Шотткі метал / GaAs для застосувань в оптоелектроніці, в якості джерела оптичного випромінювання ближнього ІЧ діапазону. Незважаючи на те, що діод Шоттки є уніполярним приладом, можливість застосування його в якості джерела випромінювання показана ще в 70-х роках. Завданням, було підвищення ефективності електролюмінесценції діодів Шотткі за рахунок різних обробок структур, а також за рахунок підвищення інжекції неосновних носіїв. Останнім часом область застосування діодів Шотткі була значно розширена: починаючи з 2000 х років у світовій літературі можна відзначити тенденції значного підвищення інтересу до дослідження контактів метал / напівпровідник для застосування в приладах на спін-поляризованих носіях. Такі прилади розробляються в рамках спінтроніки - нового напряму в електроніці, що розробляє прилади підвищеної ефективності і низького енергоспоживання. Основна увага приділяється вдосконаленню технології формування для створення найбільш якісної межі розділу, а також пошуку нових матеріалів для створення діода Шотткі.

В основу технології діода Шотткі покладений контакт металу і напівпровідника, що призводить до утворення потенційного бар'єру. З точки зору фізики ідеальний контакт метал / напівпровідник є найпростішою модельної структурою. Дослідження вольтамперних і вольтфарадних характеристик діодів Шотткі застосовується для оцінки властивостей діодів і ступеня відхилення механізмів струмопереносу від ідеальних моделей.

1. Теоретична частина

1.1 Властивості діодів Шотткі

Падіння напруги на діод Шотткі при його прямому включенні становить 0,2-0,4 вольт, в той час, як для звичайних, наприклад кремнієвих діодів, це значення порядку 0,6-0,7 вольт. Настільки мале падіння напруги на діоді, при його прямому включенні, притаманне тільки діодам Шотткі з максимальною зворотною напругою порядку десятків вольт, однак при підвищенні прикладеної напруги, падіння напруги на діоді Шотткі стає порівнянним з кремнієвим діодом, що може обмежувати застосування діодів Шоттки.

Теоретично діод Шотткі може володіти низькою електричною ємністю бар'єру Шотткі. Відсутність р-n переходу дозволяє підвищити робочу частоту. Ця властивість використовується в логічних інтегральних мікросхемах, де діодами Шотткі шунтуються переходи база-колектор транзисторів. У силовій електроніці малий час відновлення дозволяє будувати випрямлячі на частоти в сотні кГц і вище. Наприклад, у діода MBR4015 (15 В, 40 А), призначеного для випрямлення високочастотної напруги, час відновлення дорівнює 10 кВ / мкс.

Завдяки зазначеним вище перевагам, випрямлячі на діодах Шотткі відрізняються від випрямлячів на звичайних діодах зниженим рівнем перешкод, тому вони кращі в аналогових вторинних джерелах живлення.

Навіть при короткочасному перевищенні максимально допустимого значення зворотної напруги діод Шотткі необоротно виходить з ладу, на відміну від звичайних кремнієвих діодів, які переходять в режим оборотного пробою, за умови, що розсіюється кристалом діода потужність не перевищує допустимих значень, після падіння напруги діод повністю відновлює свої властивості.

Діоди Шотткі характеризуються підвищеними (щодо звичайних кремнієвих діодів р-n) зворотними струмами, зростаючими з ростом температури кристала. Для 30CPQ150 зворотний струм при максимальній зворотній напрузі змінюється від 0,12 мА при +25 ° С до 6,0 мА при +125 ° C. У низьковольтних діодів в корпусах ТО220 зворотний струм може перевищувати сотні міліампер (MBR4015 - до 600 мА при +125 ° С). Незадовільні умови тепловідводу при роботі діода Шотткі з високими струмами призводять до його теплового пробою.

1.2 Структура діода Шотткі

Однак діоди Шотткі з паралельними контактами характеризуються наступним недоліком: нанесення другого матеріалу контакту вимагає попередньої обробки відкритої поверхні кремнію, під час якої відбувається її забруднення металевими домішками першого матеріалу контакту. У сучасних системних блоках живлення комп'ютерів діоди Шотткі застосовують, як правило, у вигляді діодних зборок (діодні напівмости), що підвищує технологічність і компактність пристроїв, а також покращує умови охолодження діодів. Діодні збірки випускаються, в основному, в трьох типах корпусів: ТО-220 (менш потужні збірки з робочими струмами до 20-25 А), ТО-247 (більш потужні збірки з робочими струмами 30-40 А), ТО-ЗР (потужні збірки) і ТО-263 (для поверхневого монтажу).

1.3 Властивості і методи вимірювання контактів метал / напівпровідник

Формування контакту метал / напівпровідник може вважатися однією з найбільш простих операцій напівпровідникової технології. Відомо велика кількість способів осадження металевих шарів на поверхні напівпровідника. У той же час властивості контакту метал / напівпровідник істотно залежать від умов і застосовуваного методу напилення. При цьому складність формування ідеального кордону розділу між металом і напівпровідником залишається основною проблемою технології діодів Шотткі. У зв'язку з цим теоретичні моделі, що описують властивості контактів, зазнають істотних змін в залежності від факторів, що обумовлюють властивості кордону розділу. Нижче описана базова теорія контакту метал / напівпровідник з урахуванням впливу основних факторів, супутніх формуванню шарів.

1.4 Ідеальний контакт метал / напівпровідник

Розглянемо ідеальний контакт металу і напівпровідника (для визначеності візьмемо напівпровідник n-типу провідності). Ідеалізація моделі полягає в тому, що не враховуються енергетичні стани на поверхні напівпровідника, а також можливість наявності природного оксиду. На (рис.1.3) показані зонні діаграми металу і напівпровідника в перший момент контакту, а також після встановлення рівноваги в системі. На зонної діаграмі металу зображується рівень Фермі, що розділяє заповнені і незаповнені стану в дозволеної зоні.

Рисунок 1.3 - Зонні діаграми контакту метал / напівпровідник.

На зонній діаграми контакту метал / напівпровідник n- типу (а-г) і p-типу (д-з) в перший момент зіткнення (а, в, д, ж) і в рівновазі (б, г, е, з). Літерами позначені: Фт (s) - робота виходу з металу (напівпровідника); Ec - дно зони провідності; Ev - стеля валентної зони, Fm (s) - рівень Фермі в металі (напівпровіднику), F - загальний рівень Фермі після встановлення рівноваги. Випадки (б, е) відповідають формуванню збідненого шару напівпровідника, (гз) - шару, збагаченого основними носіями.

На зонної діаграмі напівпровідника зображується стелю валентної зони і дно зони провідності, а також рівень Фермі, який для напівпровідника n-типу лежить поблизу дна зони провідності. До утворення контакту положення енергії Фермі в металі і напівпровіднику можуть відрізнятися один від одного. Для правильного зіставлення прийнято відображати енергетичні рівні щодо якогось рівня енергії, загального для металу і напівпровідника. Таким рівнем вважається енергія вільного електрона у вакуумі. Різниця між енергією вільного електрона у вакуумі і енергією Фермі називається роботою виходу. Робота виходу (ц) - це мінімальна енергія, яку потрібно повідомити електрону в твердому тілі для його виходу в стан спокою поза поверхні металу (так званий рівень вакууму). З погляду наведеної формулювання для невиродженого напівпровідника найкоректніше відраховувати роботу виходу не від рівня Фермі, а від дна зони провідності (рис.1.3) (або від стелі валентної зони для напівпровідника р-типу). Проте різниця енергій між рівнем Фермі і дном зони провідності набагато менше, ніж робота виходу, поетом прийнято відраховувати значення ц від положення рівня Фермі. Різниця роботи виходу металу і напівпровідника визначає властивості контакту в ідеальному діоді Шотткі.

1.5 Вольтамперная характеристика ідеального контакту

Розглянемо контакт металу і напівпровідника n-типу провідності, утворює збіднений шар. Зонна діаграма такого контакту зображена на (рис.1.3.а, б). Нагадаємо, що в умовах рівноваги електрони для переходу в метал з напівпровідника повинні подолати потенційний бар'єр. При не дуже низьких температурах найбільш імовірним механізмом протікання струму є термоелектронна емісія. Термоелектронною еміссіею - називається процес подолання електронами потенційного бар'єру за рахунок теплової енергії.

Внаслідок розподілу електронів за швидкостями (по енергії) навіть при середній температурі деякі носії набувають енергії, достатньої для подолання потенційного бар'єру. В умовах рівноваги термоемісійний струм електронів з напівпровідника в метал компенсується зворотним струмом з металу в напівпровідник, а також струмом неосновних носіїв. При додатку до металу негативного потенціалу (по відношенню до напівпровідника) до контакту підводиться зовнішнє поле, що збігається за напрямком з полем ОПЗ. Під дією цього поля електрони витісняються ще глибше в обсяг напівпровідника, тоді товщина збідненої області збільшується, підвищується потенційний бар'єр. При цьому ускладнюється струм електронів через межу розділу.

У названій полярності напруги можливий струм неосновних носіїв (в даному випадку дірок) з напівпровідника в метал. В силу малій концентрації неосновних носіїв (згідно відомому співвідношенню струм неосновних носіїв порівняно малий. До порівняно високих значень напруги величина цього струму практично не змінюється (рис.1.4). Таку полярність напруги називають зворотним зміщенням діода.

Рисунок 1.4. - Схематичне зображення вольт амперної характеристики ідеального діода Шотткі. Область I відповідає зворотному зміщення, II - прямому зсуву, III - лінійному ділянці.

1.6 Способи формування діодів з контактом метал / напівпровідник

У технології напівпровідникових інтегральних мікросхем та оптоелектронних приладів металізація є найважливішим етапом. Металеві контакти до різних областей напівпровідникових приладів можуть застосовуватися для електричної інжекції або екстракції носіїв заряду, необхідних для функціонування елементів. Існує велика кількість схем, у яких металеві контакти виконують також функціональне навантаження: в польових транзисторах метали використовуються як керуючі електроди для формування збіднених і збагачених носіями областей (каналів) та управління провідністю каналів. Відомі застосування металевих шарів в тонкоплівкових інтегральних схемах: зараз мова ведеться, в першу чергу, про елементи гігантського магнітоопору і приладах на їх основі. У сучасних кремнієвих надвеликих інтегральних схемах система металізації має багатошарову, багаторівневу структуру, що включає контактний, дифузний і бар'єрний шари, а також кілька рівнів токоведущей розводки. Методи осадження, матеріали і склад металевих плівок повинні забезпечувати необхідні властивості контактів (адгезію, необхідне значення питомого опору контакту та ін.). Нижче розглянуті основні методи формування металевих шарів на поверхні напівпровідників, серед яких найбільш поширеними є вакуумні методи осадження. Застосування того чи іншого методу осадження та матеріалу контакту продиктовано вимогами до властивостей контакту.

Наприклад, для омічних контактів до напівпровідникових лазерним діодам пред'являються вимоги низького послідовного опору контакту, яке не залежить від полярності прикладеної напруги. Крім того, практично у всіх випадках пред'являються вимоги високої адгезії, близькості значень коефіцієнтів термічного розширення металу і напівпровідника, стабільності властивостей контакту при функціонуванні, зберіганні і транспортуванні приладу. Для забезпечення зазначених вимог використовуються багатошарові контакти на основі Au, Ge і Ni, кожен шар якого виконує певну функцію.

Основні методи осадження металів на поверхню напівпровідникових структур можна розділити на дві великі групи:

- Вакуумні методи з використанням розпилення матеріалів;

- Хімічні та електрохімічні методи з використанням осадження з розчинів.

1.7 Хімічні та електрохімічні методи осадження металів на поверхню напівпровідникових структур

В основі описуваних методів осадження металів лежить хімічна або електрохімічна реакція, що супроводжується осадженням металу на поверхню напівпровідникової пластини. Історично даний вид осадження є одним з найбільш ранніх: технологія осадження тонких шарів Au на поверхні металів була відома ще на початку 19-го століття.

Для проведення процесу осадження напівпровідникова пластина (n-типу для визначеності) поміщається в рідкий розчин, що містить осаджувальну речовину. Розглянемо ідеалізовану статичну картину будови кордону напівпровідник/електроліт, коли напівпровідник інертний, тобто обмінюється з електролітом тільки електронами. У результаті обміну носіями в напівпровіднику а саме електроліти формують заряджені області, між нейтральними областями напівпровідника і в електроліті з'являється різниця потенціалів (Гальвані-потенціал). При подачі напруги на систему (позитивний потенціал подається на електроліт) між напівпровідником і електролітом з'являється електричний струм і протікають електрохімічні реакції, що призводять до катодного виділенню металів на напівпровідниках.

При зворотній полярності напруги можливий процес анодного травлення-розчинення металу в електроліті. Товщина обложеного шару визначається електричним струмом і часом осадження. Основна мета будь-якого електроосадження металів та їх сплавів у вигляді покриттів або для електричних контактів - отримання тонкозернистого, рівного (блискучого), безпористого, добре зчепленого з основою осаду, що володіє потрібними фізико-механічними, корозійними, електричними властивостями. Закономірності катодного виділення металів були предметом численних досліджень і викладені в цілому ряді монографій, оглядових статей, підручників.

У загальному випадку процес електроосадження металів можна представити у вигляді наступних стадій:

(M^z+ sol)_el > (M^z+ sol)_s > (M^z+)_ad > M_ad > M.

Стадія 1 - переклад з обсягу електроліту (індекс el) до поверхні катода (індекс s) за рахунок дифузії, конвекції або міграції:

1) вільних мало сольватованих (у водному розчині - гідратованих) іонів металу M^{z +}sol;

2) іонів, частково або повністю пов'язаних з аніоном Х^-: MX_n^(z-n)+;

3) іонів, координованих з лігандом L- в комплекс ML^(z-m)+ sol

Стадія 2 - часткова або повна десольватация. Вивільнення іонів металу M^{z +} за рахунок дисоціації, іонізації складних частинок (в комплексах часто неповне), адсорбція і на поверхні катода (індекс ad). Стадія 2 складається з ряду елементарних актів. Залежно від умов електролізу десольватації, іонізація і адсорбція складного іона металу можуть відбуватися послідовно або паралельно. Ці хімічні реакції, не пов'язані з процесами окислення-відновлення, можуть гальмувати катодний процес, якщо швидкість вивільнення іонів буде порівнянна зі швидкістю їх розряду на катоді.

Стадія 3 - електрохімічна стадія розряду іонів металу на катоді (Mz +) ad + ne- > (Mo) ad. При z > 1 розряд звичайно йде ступінчасто. У відсутності дифузійних обмежень і побічних реакцій швидкість відновлення іонів металу залежить від їх концентрації в розчині C_Mz+ і перенапруги стадії розряду Ю, обумовленого перенесенням зарядів через кордон електрод-електроліт.

Стадія 4 - міграція відновлених адатомів металу (M^o)ad по поверхні катода і їхня кристалізація. Елементарними актами, контролюючими стадію 4 і весь процес отримання компактного покриття, можуть бути наступні: міграція адатомів; входження їх в кристалічну решітку на площині, ребрі, виступі; освіту зародків тощо.

До переваг електрохімічних методів осадження можна віднести простоту технологічного обладнання і високу продуктивність, а також хорошу адгезію обложених плівок. У той же час даний метод має ряд істотних недоліків. По-перше, важко осадження металу на високоомні слаболегованній пластини. По-друге, в результаті електрохімічного осадження можлива взаємодія металу з атомами напівпровідника і утворення комплексів і інтерметалевих з'єднань. У результаті взаємодії в забороненій зоні напівпровідника формуються зарядові центри, що впливають на роботу діода Шотткі.

Для підвищення якості кордону розділу метал/напівпровідник використовуються вакуумні методи осадження, які будуть коротко розглянуті в наступному розділі.

1.8 Вакуумні методи осадження металів на поверхню напівпровідників

Вакуумні технології можна вважати основним способом осадження металів на поверхні напівпровідників. Вакуумний метод - це загальна назва технологій осадження матеріалу, в рамках якого процес осадження протікає в розрідженому просторі (технічному вакуумі). Існує велика кількість різноманітних вакуумних установок нанесення металів, в той же час в будь-якій технології вакуумного осадження можна виділити три основні процеси, що протікають одночасно:

1) генерація направленого потоку частинок випаровуваної речовини;

2) проліт генерованих частинок в розрідженому просторі від джерела до пластини (підкладці);

3) осадження (конденсація) частинок на пластині з утворенням тонких шарів.

1.9 Фізичні принципи осадження шарів на поверхні напівпровідників

У даній главі проведено короткий розгляд основних фізичних процесів, що протікають при формуванні плівок на поверхні підкладок. У найзагальнішому вигляді процес осадження може бути представлений схемою, показаної на (рис.1.5)

Потік осажджаемої речовини формується в результаті впливу на мішень. Мішень випускає частки, які летять у бік підкладки (поверхні). В області підкладки утворюється хмара пару із осіждаемих частинок. Інтенсивність випаровування металу з розплаву оцінюють з використанням рівняння Герца-Кнудсена:

де N_e - число молекул на одиницю площі в одиницю часу; m - молекулярна (атомна) маса, p_e - рівноважний тиск пара випаровуемої речовини. Це тиск пара може бути виражене через швидкість втрати джерелом маси на одиниці площі:

де M - маса грам-моля, p_e - тиск пари. Наприклад, для Al p_e = 1,5 Па при 1500 К. Сумарна швидкість втрати маси джерелом R_T в одиницю часу може бути визначена інтегруванням R за площею джерела:

Потік матеріалу, що наноситься на підкладку, залежить від косинуса кута ц між нормаллю до поверхні джерела і напрямом до поверхні підкладки, розташованої на відстані d від джерела (рис1.5)

Рисунок 1.5.- Ідеалізоване зображення джерела пара і поверхні, що покривається плівкою, що представляє собою сферу радіуса do.

Кут між нормаллю до поверхні підкладки і напрямом до джерела позначимо и, тоді

де D - швидкість осадження [г / см2с].

Швидкість осадження в різних точках підкладки залежить від форми джерела. В наведеному виразі для джерела малої площі:

і для точкового джерела



де D₀ - швидкість осадження безпосередньо над джерелом на відстані H від його поверхні, D -швидкість осадження на відстані L від центру підкладки. Коли джерело і підкладка розташована на поверхні сфери радіусом d₀, cos(ц) -- cos(ц) -- d/2d₀, і рівняння приймає вигляд:

тобто швидкість осадження однакова у всіх точках сферичної поверхні. Тому в камерах осадження, розрахованих на декілька підкладок одночасно, використовується планетарна система подложкодержателя, в якій підкладки поміщаються на обертові сегменти, розташовані по периметру сферичної поверхні щодо джерела відповідно до (рис.1.5)

Розглянемо процеси осадження плівок на поверхні підкладок, використовуючи деякі поняття теорії зародкоутворення. Для кількісних оцінок необхідно розгляд теорії, що враховує можливість взаємодії між атомами в газовій фазі, формування молекулярних потоків. Опис моделей починається зі стадії зіткнення молекул пара з підкладкою. Для конденсації парів необхідно, щоб парціальний тиск матеріалу плівки в газовій фазі було рівне або перевищувало рівноважний тиск парів цього матеріалу над конденсованої фазою при даній температурі. При цьому молекули пари можуть адсорбуватися і міцно закріпитися на підкладці, або можуть через кінцевий проміжок часу після адсорбції знову випаруватися, або можуть миттєво відбитися від підкладки.

У загальному випадку, атоми пара падають на поверхню підкладки з енергіями, що значно перевищують kT (T - температура підкладки). Згідно, атом парової фази, зіткнувшись з підкладкою, за кілька коливань решітки втрачає практично всю свою кінетичну енергію. За винятком легких атомів і дуже великих енергій падаючих атомів прийнято вважати, що після адсорбції атом практично миттєво приходить в термодинамічна рівновага з підкладкою.

Важливим процесом, що визначає саму фізичну можливість формування плівок, є взаємодія атомів, яке описується теоріями зародкоутворення. Адсорбовані атоми (адатома), мігрують по поверхні і стикаються з іншими атомами. У результаті цього можуть виникати скупчення адатомів, або зародки. Останні, в порівнянні з окремими атомами, стійкіші до повторного випаровуванню, тому атоми в зародку пов'язані один з одним силами зв'язку, що характеризують енергію конденсації. На поверхні протікають взаємодії між поодинокими адатома і зародками. Останні можуть захоплювати адатоми і, при цьому, збільшуватися в розмірах, або втрачати атоми і розпадатися. Капілярна модель зародкоутворення постулює, що зміна вільної енергії при утворенні зародка має максимум (рис.1.6.а).

Рисунок 1.6. - а) Залежність вільної енергії утворення зародка в плівці від його розміру; б) Якісна залежність швидкості зародкоутворення від ступеня пересичення.

Для утворення конденсованої фази з пересиченого пара необхідні позитивні флуктуації вільної енергії, що призводять до подолання цього активаційного бар'єру (так званого «бар'єру зародкоутворення»). Величина критичного розміру зародка, знайдена з капілярної моделі зародкоутворення (для зародка, що має форму сферичного купола радіуса r):

де G_v-c - вільна енергія поверхні розділу конденсат / пар, ДG_v (<0) - зміна вільної енергії при конденсації даного матеріалу в масивному кристалі.

У теорії вводиться поняття швидкості зародкоутворення як числа зародків, що з'являються в одиницю часу (1 с) на поверхні площею 1 см². Конденсація атомів і зростання плівки відбувається при швидкості зародкоутворення, що перевищує певний поріг (як показано на рис.1.6.б). Швидкість зародкоутворення залежить від ступеня пересичення пари. У поріг швидкості визначається як 1 зародок в секунду (на 1 см2). У разі високого ступеня пересичення розмір зародків збільшується і відбувається явище коалесценції (злиття) острівців матеріалу і формування суцільного шару.

Максимум вільної енергії відповідає мінімуму стійкості зародка. Додавання одного атома до зародка критичного розміру знизить вільну енергію і підвищить стійкість зародка. Такий кластер має тенденцію до зростання. При видаленні одного атома із зародка критичного розміру зародок має тенденцію до розпаду.

1.10 Застосування діодів Шотткі

Діоди Шотткі знаходять широке застосування в мікроелектроніці. У цифровій мікроелектроніці діод Шотткі вводиться в схеми транзистор - транзисторної логіки для підвищення швидкодії. Призначення діода Шотткі в таких схемах - екстракція носіїв з області p-n переходу біполярного транзистора при його перемиканні. Екстракція носіїв підвищує швидкість перемикання транзистора. Перевагою такої схеми є простота, оскільки для формування діода Шотткі лише незначно змінюється топологія мікросхеми, а число технологічних операцій залишається незмінним (тобто вартість не збільшується). Іншим застосуванням діодів Шотткі є використання в якості керуючого електрода польового транзистора. Найбільш часто такі діоди застосовуються в мікросхемах на основі GaAs, оскільки висока щільність поверхневих станів на поверхні GaAs ускладнює створення транзисторів метал / діелектрик / напівпровідник. На (рис.1.7) показаний гетероструктурний польовий транзистор з високою рухливістю електронів (HEMT), керований діодом Шотткі Au / GaAs. На межі розділу AlGaAs / GaAs є область, в якій знаходиться надмірна концентрація електронів. Потенційний бар'єр, обумовлений легуванням, перешкоджає відходу електронів вглиб структури. Бар'єр, пов'язаний з більшою шириною забороненої зони, перешкоджає руху електронів до поверхні, таким чином формується канал електронної провідності. Область 2D відповідає двовимірному електронному газу, носії в ній рухаються тільки в площині, перпендикулярній малюнку.

Рисунок 1.7. - Схема гетероструктури польового транзистора. Літерні позначення відповідають: І - витік, С - стік, З - затвор (ДШ), 2D - двовимірний газ.

Провідність каналу управляється за допомогою бар'єра Шотткі. У рівноважному стані область просторового заряду бар'єра Шотткі включає в себе область каналу провідності. Таким чином, в частині каналу, що припадає на ОПЗ, відсутні носії. Через канал не протікає струм, оскільки електричне поле бар'єру виштовхує носії з каналу; такий стан називається закритим каналом. Позитивний потенціал на металі зменшує товщину ОПЗ відповідно до (рис.1.7), при цьому збіднена область не досягає каналу. Такий стан називають відкритим каналом, тому електрони безперешкодно переміщаються уздовж каналу. Висока рухливість електронів в каналі підвищує швидкодію такої схеми.

Висока швидкодія діодів Шотткі лежить в основі їх використання в СВЧ електроніці. Прилади надвисоких частот (НВЧ) працюють в діапазоні 0,3 - 300 ГГц. Типовими схемами СВЧ є генератори, підсилювачі, перетворювачі частоти, комутуючі пристрої, фазообертачі. До таких схем пред'являються особливі вимоги, пов'язані з мінімізацією часів затримки і наростання імпульсних сигналів. Застосування біполярних транзисторів і діодів з p-n переходом в СВЧ електроніці важко, оскільки в роботі таких структур використовуються і електронні та діркові струми. Діод Шотткі, як було розглянуто раніше, є уніполярним приладом, діркові струми в якому малі (зрозуміло, мова йде про контакті метал / n- напівпровідник).

Одним з факторів, що визначають швидкість спрацьовування схеми є час прольоту носіїв через область напівпровідника товщиною l. Це час визначається дрейфовою швидкістю (рухливістю м) в електричному полі Е:

Для GaAs типове значення рухливості електронів становить 4000 см2/ Вс, для дірок - 250 см2/Вс. Час спрацьовування схеми визначається самим повільним процесом і для біполярного приладу таким процесом буде проліт дірок. У уніполярному приладі за рахунок використання тільки електронів можливе досягнення часу спрацьовування в 16 разів вище, ніж в біполярному. Використання схем на основі транзисторів з високою рухливістю дозволяє ще більше збільшити рухливість і зменшити час прольоту. Використання діодів Шотткі як світловипромінюючих приладів. Як було сказано вище, діод Шоттки є уніполярним приладом, однак, існує технологічний підхід, що дозволяє зробити уніполярний прилад біполярним.

Відомо, що для діодів Шотткі, близьких до ідеальних, внесок струму неосновних носіїв в загальний струм дуже малий. Бар'єр для неосновних носіїв з боку металу залишається високим (0,5 - 0,7 еВ) при порівняно невеликому прямому зсуві (менше напруги плоских зон). При наявності на поверхні напівпровідника туннельно-тонкого діелектричного шару струм неосновних носіїв стає більш значним. Розглянемо випадок, коли на поверхню Si n-типу завдано туннельно-тонкий, але в той же час досить товстий шар власного оксиду (> 2 нм). При додатку до такої системи прямого зміщення частину напруги буде падати на оксиді (рис.1.8).

Рисунок 1.8. - Зонна діаграма прямосмещённого бар'єру Шотткі в присутності туннельно-тонкого оксиду.

При цьому енергетичні зони в ньому викривляються, а оскільки рівень Фермі закріплюється на межі метал / діелектрик, то його положення в металі зміщується разом з зонами діелектрика (рис.1.8). Якщо напруга, падаюча на діелектрику перевищує величину бар'єру для дірок (0,5 - 0,7 еВ), то рівень Фермі в металі залишається нижче стелі валентної зони напівпровідника. Для електронів у валентній зоні з'являється можливість безпосереднього тунелювання в метал, при цьому у валентній зоні утворюються дірки.

При одному і тому ж загальному струмі (який в основному визначається струмом електронів) зміна діркового струму з збільшенням товщини діелектрика зумовлено двома множниками. По-перше, при збільшенні товщини діелектрика, зменшується ймовірність тунелювання через нього, цим обумовлено зменшення діркового струму. По-друге, чим товще діелектричний шар, тим більше на ньому падає напруга служить причиною збільшення діркового струму при одному і тому ж загальному струмі.

Інтенсивність електролюмінесценції може бути порівнянна з інтенсивністю електролюмінесценції діода з p-n переходом.

Застосування діода Шотткі в якості світловипромінювального приладу тісно пов'язане з можливостями застосування діодів в спінтроніці. В даний час робота електронних приладів заснована на принципах передачі, обробки та зберігання інформації. У «класичної» мікроелектроніці ці основні функції апаратури реалізуються за рахунок заряду електрона. Для управління зарядами формуються електричні схеми, що працюють за законами теорії кіл. Збільшення швидкодії і продуктивності будь-якого електронного приладу досягається за рахунок зменшення розмірів елементів електричних ланцюгів. Це неминуче призводить до збільшення числа елементів в мікросхемі, підвищенню енергоспоживання і зниженню надійності. Крім того, існує обмеження на мінімальний розмір елементів електричного кола, пов'язане з атомними розмірами. На даний момент розміри елементів мікросхем знаходяться поблизу 12 нм. У той же час відомий ряд альтернатив «класичної» мікроелектроніці, зокрема - спінова електроніка або спінтроніка. Спінтроніка займається вивченням фізичних явищ, пов'язаних з наявністю у електрона квантово-механічної характеристики - спіна. Кожен електрон в твердому тілі має спін, який може приймати тільки 2 значення: +1/2 або -1/2. Ці значення можуть відповідати логічному «0» і «1» і, таким чином, переносити інформацію у вигляді двійкового коду. Також спінтроніка займається побудовою приладів, які виконують основні функції електронної апаратури (передача, обробка та зберігання інформації) за рахунок використання фізичних явищ, пов'язаних зі спіном електрона. Однією з головних функцій спінової електроніки є передача інформації за допомогою спіна. Ця функція може бути реалізована з використанням контактів феромагнітний метал / напівпровідник. При введенні феромагнітного металу в зовнішнє магнітне поле спін електронів в ньому бере певний значення, залежне від напрямку поля. Електрична інжекція електронів формує в напівпровіднику високу концентрацію електронів з певним значенням спіна.

У феромагнітному діоді Шотткі у порівнянні зі звичайними приладами швидкодію підвищується ще в 2 рази (мінімум) за рахунок одночасного використання стандартного каналу передачі, пов'язаного з величиною струму електронів, і інформації, закладеної в значенні спіна. Крім того, в приладі такого типу може бути закладена потенційна можливість шифрування інформації.

2. Практична частина

2.1 Вихідні дані

e=16*10^-19 кл

е=12

T=300K

R_b = 100 Ом

А=140

2.2 Розрахунок залежності I(U)

Вольт-амперну характеристику ідеального діода, тобто діода, в якому не враховується можливість пробою та інші фактори, можна описати рівнянням Шоклі. Але для розрахунку вольт-амперна характеристика бар'єра Шотткі використовуємо m - фактор:

де, I_s - струм насичення діода Шотткі;

m - коефіцієнт не ідеальності діода;

k_b - константа Больцмана.

Для розрахунку струму насичення I_s скористаємось формулою:

де, бар'єр Шотткі;

S - площа зразка.

Бар'єр Шотткі (- потенційний бар'єр, що утворюється в при контактному шарі напівпровідника, що межує з металом, рівний різниці робіт виходу металу і напівпровідника, розраховується за формулою:

де, зниження бар'єру Шотткі з рахунок ефекту Шотткі;

диференціальний опір.

Зниження бар'єру Шотткі можна розрахувати за формулою:

де, зниження коефіцієнту Шотткі;

поверхневий потенціал.

Такі величини як: , , знайдемо за наступними формулами:



де, ;

;

;

;

;

.

2.3 Розрахунок ВАХ діода при 3-х різних температурах

На основі вище отриманих формул розрахуємо прямий і зворотній струм (I), при прямій і зворотній напрузі (0…-10 В) , (, отримані дані наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Прямий і зворотній струм при Т=250…350 К

	300 К
Uзв	Iзв	Uпр	Iпр
0	0	0	0
-1	-5,89E-09	0,1	2,17E-08
-2	-5,89E-09	0,2	1,24E-07
-3	-5,89E-09	0,3	6,02E-07
-4	-5,89E-09	0,4	2,85E-06
-5	-5,89E-09	0,5	1,34E-05
-6	-5,89E-09	0,6	6,28E-05
-7	-5,89E-09	0,7	2,95E-04
-8	-5,89E-09	0,8	1,38E-03
-9	-5,89E-09	0,9	6,49E-03
-10	-5,89E-09	1	3,00E-02
	250 К
0	0	0	0
-1	-4,50E-09	0,1	2,43E-08
-2	-4,50E-09	0,2	1,80E-07
-3	-4,50E-09	0,3	1,17E-06
-4	-4,50E-09	0,4	7,51E-06
-5	-4,50E-09	0,5	4,80E-05
-6	-4,50E-09	0,6	3,07E-04
-7	-4,50E-09	0,7	1,96E-03
-8	-4,50E-09	0,8	1,30E-02
-9	-4,50E-09	0,9	8,00E-02
-10	-4,50E-09	1	5,13E-01
	350 К
0	0	0	0
-1	-7,13E-09	0,1	1,97E-08
-2	-7,13E-09	0,2	9,38E-08
-3	-7,13E-09	0,3	3,73E-09
-4	-7,13E-09	0,4	1,42E-06
-5	-7,13E-09	0,5	5,37E-06
-6	-7,13E-09	0,6	2,02E-05
-7	-7,13E-09	0,7	7,61E-05
-8	-7,13E-09	0,8	2,86E-04
-9	-7,13E-09	0,9	1,08E-03
-10	-7,13E-09	1	4,05E-03

На основі отриманих даних будемо залежність I(U) при різних температурах.

Рисунок 2.1 - Зворотна гилка ВАХ діода Шотткі



Рисунок 2.2 - Пряма гилка ВАХ діода Шотткі

2.4 Розрахунок ВАХ діода при зміні m-фактора в діапазоні (m=2…3)

m-фактора коефіцієнт при температурному потенціалі, що вводиться для врахування не ідеальності переходу. Отримані дані наведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2 - Прямий струм при m = 2…3

m=2	300 K	m=2,5	300 K	m=3	300 K
Uпр	Iпр	Uпр	Iпр	Uпр	Iпр
0	0	0	0	0	0
0,1	3,48E-08	0,1	2,17E-08	0,1	1,55E-08
0,2	2,75E-07	0,2	1,24E-07	0,2	7,15E-08
0,3	1,93E-06	0,3	6,02E-07	0,3	2,75E-07
0,4	1,34E-05	0,4	2,85E-06	0,4	1,01E-06
0,5	9,25E-05	0,5	1,34E-05	0,5	3,69E-06
0,6	6,39E-04	0,6	6,28E-05	0,6	1,34E-05
0,7	4,41E-03	0,7	2,95E-04	0,7	4,86E-05
0,8	3,00E-02	0,8	1,38E-03	0,8	1,76E-04
0,9	2,10E-01	0,9	6,49E-03	0,9	6,39E-04
1	1,45E+00	1	3,00E-02	1	2,32E-03

На основі отриманих даних будемо залежність I(U) при різних значеннях коефіцієнта не ідеальності переходу.



Рисунок 2.3 - Пряма гилка ВАХ діода Шотткі при (m=2…3)

2.5 Розрахунок ВАХ діода при зміні напруженість поля в діапазоні (=10⁵…10⁹)

Отримані дані наведені в таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 - Прямий струм при зміні напруженості поля.

Uпр	Iпр ? = 10^5	Iпр ? = 10^7	Iпр ? = 10^9
0	0	0	0
0,1	7,27E-08	2,17E-08	1,25E-13
0,2	4,14E-07	1,24E-07	7,11E-13
0,3	2,01E-06	6,02E-07	3,46E-12
0,4	9,52E-06	2,85E-06	1,64E-11
0,5	4,47E-05	1,34E-05	7,69E-11
0,6	2,10E-04	6,28E-05	3,61E-10
0,7	9,85E-04	2,95E-04	1,69E-09
0,8	4,62E-03	1,38E-03	7,95E-09
0,9	2,20E-02	6,49E-03	3,73E-08
1	1,02E-01	2,00E-02	1,75E-07

На основі отриманих даних будемо залежність I(U) при різних значеннях напруженості поля.



Рисунок 2.3 - Пряма гилка ВАХ діода при зміні напруженості поля.

діод шотткі метал напівпровідник

Висновки

У ході курсової роботі вивчали діод Шотткі, розглянули його будову та вивчили принцип дії. Розраховані такі параметри діода, як струм насичення діода Шотткі, бар'єр Шотткі, зниження бар'єру Шотткі з рахунок ефекту Шотткі, диференціальний опір, зниження коефіцієнту Шотткі і поверхневий потенціал

Разом з цим розраховані наступні характеристики діода Шотткі:

? залежність ВАХ діода від напруженості електричного поля;

? залежність ВАХ діода від температури;

? залежність ВАХ діода від напруженості електричного поля;

? залежність ВАХ діода від фактору не ідеальності діода;

Виконавши роботу, ми ознайомилися з основними положеннями будови діода Шотткі, розглянули його структуру, режими роботи. Наведемо невелику характеристику одержаних залежностей.

Першою була одержана залежність струму від напруги при різних температурах. Можна зробити висновок що при підвищених температурах гілка ВАХ має учясток де різко підвищується сила струму при не значних змінах напруги.

Також били наведені ВАХ при зміні напруженості поля і фактора не ідеальності переходу.

Таким чином, ми розрахували всі необхідні параметри і пояснили всі необхідні залежності. У нашому випадку ми мали один з найпростіших видів діодів Шотткі, і відповідно - методику розрахунку. У реальному ж випадку ми маємо складнішу картину, що пов'язано з деякими аспектами.

Перелік посилань

1. Прохоров Е.Д. Твердотіла електроніка: Навчальний посібник [Текст] - Х: ХНУ імені В.Н. Каразіна, - 2007. - 295 - 325с.

2. Шалімова К.В. Фізика напівпровідників [Текст] - М.: Енергія, 1976. - 416с.

3. Пікус Г.Е. Основи теорії напівпровідникових приладів [Текст] М.: Наука, - 1965. - 628с.

4. Шишкіна Г.Г. Електронні прилади: підручник для вузів - 4-те видавництво, перероб. і доп. [Текст] - М.: Енергоатоміздат, - 1989. - 496с.

5. Жеребцов І.П. Основи електроніки. - 5-те видавництво, перероб. і доп. [Текст] - Л.: Енергоатоміздат Ленінградське відділення, 1990. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru

...