Список літератури. 1. Бібик В.В. Фізика твердого тіла: навч

1. Бібик В.В. Фізика твердого тіла: навч. посібник / В.В.Бібик, Т.М.Гричановська, Л.В.Однодворець, Н.І.Шумакова. – Суми: Вид-во СумДУ, 2009. – 200 с.

 

 

Лабораторна робота 6

Дослідження ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІОДА ШОТТКІ

Мета роботи – одержати вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода Шотткі, визначити його опір при прямому та зворотному ввімкненні.

Елементи теорії. Випрямний контакт метал-напівпровідник (бар'єр Шотткі) широко застосовується в напівпровідникових приладах та інтегрованих мікросхемах для створення діодів Шотткі, біполярних транзисторів Шотткі і польових транзисторів із заслоном на основі бар'єра Шотткі.

Історично випрямний контакт метал-напівпровідник був основою одного з перших напівпровідникових випрямних діодів, який використовувався в детекторних радіоприймачах для детектування високочастотного сигналу.

Проте завдяки досягненням сучасної технології відновилася зацікавленість виробників інтегрованих мікросхем в елементах ІМС, які створені з використанням бар'єрів Шотткі. Сучасні інтегровані мікросхеми на елементах з бар'єром Шотткі за багатьма параметрами і характеристиками кращі від звичайних мікросхем.

Розглянемо діод Шотткі (ДШ) як завершений, самостійний, конструктивно виділений елемент ІМС, побудований на основі бар'єра Шотткі.

Найпростішу структуру діода Шотткі в інтегрованій мікросхемі (ІМС) зображено на рисунку 1. Бар'єр Шотткі створюється на межі поділу металевого контакту 3 і напівпровідника n -типу 5. Власне перехід від металевого контакту 3 до напівпровідника 5 і є інтегрова­ним ДШ. Для створення омічного контакту електрода 2 з низьколегованою областю 5 формують перехідну область 1, а для зменшення опо­ру пасивної області діода формують заглиблений шар 4. Структуру діода створено за планарно-епітаксійною технологією із заглибленим n⁺ - шаром. Оскільки при великих концентраціях домішок в області 5 у переході метал - напівпровідник може утворитись омічний контакт, концентрація домішок у напівпровіднику має становити N < 5·10²³ ат/м³. Діоди Шотткі можна створювати на напівпровідниках як n-, так і р-типу, але перевагу віддають напівпровідникам n-типу, оскільки рухливість електронів більша.

Діод Шотткі функціонує на основних носіях. У створенні струму через діод беруть участь лише електрони. На відміну від ДШ у діоді з р-n -переходом струму через діод створюють і електрони, і дірки. У ДШ перехід електронів із напівпровідника в метал не супроводжується дифузією й рекомбінацією. Надлишковий заряд електронів у металі миттєво розподіляється в об'ємі і спричиняє дрейфовий струм. Внаслідок цього в контакті метал-напівпровідник немає дифузійної ємності, яка стримує швидкодію ДШ. Діоди Шотткі можуть працювати на частотах до 100 ГГц.

 

Рисунок 1 – Структура діода Шотткі

 

Вольт-амперна характеристика ДШ майже така, як діода з р-n-переходом. Проте на її вигляд впливає форма потенціального бар'єра біля поверхні металу. Сили дзеркального відображення згладжують бар'єр, а зовнішня напруга спричиняє ефект, подібний ефекту Шотткі за емісією електронів у вакуум.

Простий механічний контакт металу і напівпровідника не дає бажа­них результатів, оскільки на поверхнях, що контактують, зберігаються атоми і молекули адсорбованого повітря, поверхневі оксидні плівки, а поверхневий шар напівпровідника має багато домішок і дефектів структури. Усе це перешкоджає створенню однорідного контакту.

Енергетичні діаграми напівпровідника n -типу і металу, зорієнтовані відносно енергетичного рівня вільного електрона, зображено на рисунку 2а. Розглянемо енергетичне положення електронів провідності у металі й напівпровіднику стосовно положення вільних електронів. Оскільки електрони провідності взаємодіють з іонами кристалічних ґраток, енергія їх значно менша за енергію вільних електронів.

Щоб електрон з дна зони провідності металу або напівпровідника перемістився у вакуум (став вільним), йому потрібно передати енергію, що дорівнює зовнішній роботі виходу відповідно Е_м і Е_н. Зовнішня робота виходу залежить від властивостей кристалічної ґратки і для використовуваних матеріалів дорівнює 4 - 6 еВ (зовнішня робота виходу для Si дорівнює 4, 15 еВ). Для переміщення електрона з рівня Фермі у вакуум потрібно затратити термодинамічну роботу виходу E_мт і Е_нт. Термодинамічна робота виходу для використовуваних металів дорівнює 4-6 еВ (для Al - 4, 1, Mo - 4, 7, Pt - 5, 3). Хоча висота потенціальних бар'єрів для електронів металів і напівпровідників значна, проте деяка частина електронів провідності може вийти у вакуум.

Оскільки метал ізольовано від напівпровідника, емісія електронів не буде довготривалою. Зі зменшенням кількості електронів у кожному з матеріалів вони заряджатимуться позитивно. Електричне поле, яке при цьому виникає, стримуватиме емісію електронів. Наблизимо метал до напівпровідника (приведемо в контакт) на відстань сталої ґратки (рис.2 а). Дослідимо випадок, коли термодинамічна робота виходу з металу більша за відповідну з напівпро­відника (Е_мn> E_нт). У перший момент між металом і напівпровід­ником електричного поля не буде. Виникнуть два потоки електронів: перший - із напівпровідника в метал; другий - із металу в напівпровідник. Потік електронів із напівпровідника буде більшим, ніж із металу. В металі накопичується негативний заряд електронів, а в напівпровіднику - позитивний заряд іонізованих атомів домішки. Між металом і напівпровідником виникне різниця потенціалів U. За таких умов для переходу електрона з напівпровідника в метал йому потрібно долати додатковий

 

(1)

Потік електронів із напівпровідника в метал зменшуватиметься:

 

(2)

а потік електронів із металу в напівпровідник залишиться без змін. Різниця потенціалів між матеріалами зростатиме, поки потоки не зрівняються і настане термодинамічна рівновага: j_нм = j_мн. Як наслідок, максимальна висота додаткового бар'єра в стані рівноваги становитиме бар'єр:

 

(3)

 

Це означає, що в стані рівноваги рівні Фермі металу і напівпровідника суміщаються (рис.2в).

Різницю потенціалів на межі металу і напівпровідника за умов рівноваги називають висотою потенціального бар'єра:

 

(4)

У переході метал-напівпровідник створюється електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений від напівпровідника до металу (рис.2 б). Електричне поле майже не проникає в метал, а локалізується в приповерхневому шарі напівпровідника, товщину х_n якого розраховують так само, як для p-n -переходу. Шар збіднюється основними носіями заряду (електронами), а просторовий заряд у ньому створюється позитивно іонізованими донорними атомами.

Електричне поле в переході накладається на поле атомів у гратці, але воно значно менше, ніж останнє (рис. 2 в), і не може змінити структуру енергетичних зон, а лише викривлює їх. Оскільки рівні Фермі металу і напівпровідника за умов рівноваги суміщаються, відстань від дна зони провідності напівпровідника Е_с до рівня Фермі Е_Fn залежить від координати х, і за енергетичною діаграмою вона визначається так:

 

(5)

 

де Е_с - енергія дна зони провідності в глибині напівпровідника.

 

 

Рисунок 2 – Енергетичні діаграми металу та напівпровідника: а - метал і напівпровідник ізольовані; б, в - метал і напівпровідник у контакті

 

На відстані від контакту метал-напівпровідник, більшій за х_n0, величина Е_с – Е_Fn визначається рівнем легування напівпровідника. Можна припустити, що при температурі 300 К концентрація електронів у зоні провідності n₀, як і концентрація іонізованих атомів донорної домішки, дорівнюватиме концентрації донорів у напівпровіднику n-типу Nd. У приповерхневому шарі на відстані х< х_n0 рівень Фермі у напівпровіднику зміщуватиметься вниз у напрямі валентної зони. Таке зміщення рівня Фермі пов'язане зі зменшенням концентрації електронів у приповерхневому шарі напівпровідника і відповідним зростанням потенціального бар'єра для електронів: від ∆ Е(х)=0 при х=х_n0 до ∆ Е(х)=∆ E₀ при х=0. Розподіл електронів у приповерхневому шарі напівпровідника визначається за формулою

(6)

де U(x) = ∆ E(x)/q, U_T = kT/q.

Отже, подібно до р-n-переходу контакт метал-напівпровідник за умови E_мт> Е_нт створює на межі переходу потенціальний бар'єр U₀ для електронів з області напівпровідника. У напівпровіднику виникає область просторового заряду (ОПЗ), збіднена основними носіями (електронами), а отже, заряджена позитивно. Електричне поле у переході майже не проникає в метал, а зосереджене у приповерхневому шарі напівпровідника. Такий контакт металу з напівпровідником дістав назву бар'єра Шотткі, а створені на його основі діоди - діодів Шотткі.

Залежно від полярності прикладеної до контакту напруги висота потенціального бар'єра і концентрація носіїв у приповерхневому шарі збільшаться або зменшаться:

 

(7)

 

Якщо зовнішню напругу U ввімкнути у прямому напрямі, то вона послаблятиме електричне поле контакту і зменшуватиме висоту потенціального бар'єра U'=U₀-U.

Якщо зовнішню напругу U ввімкнути у зворотному напрямі, висота потенціального бар'єра зросте: U'=U₀+U. Зросте товщина і збільшиться опір ОПЗ. Через контакт проходитиме лише зворотний струм термічно збуджених електронів металу у прискорювальному полі контактного шару.

У зв'язку зі швидким розвитком технології інтегрованих мікросхем створено діоди Шотткі з практично ідеальними характеристиками. Проте раніше в інтегрованих мікросхемах застосування ДШ стримувалося. Це було пов'язано з тим, що при зворотному зміщенні в діодах виникали значні струми просочування, а напруга пробою була менша, ніж напруга р-n-переходів. Ці проблеми спричиняли крайові ефекти (рис. 3 а), які виникали по периметру металевого контакту в конструкції діода. Щоб уникнути крайового ефекту, були розроблені конструкції ДШ з розширеною металізацією, яка перекривала ізолювальний діелектричний шар SiO₂ на деяку відстань від контакту з напівпровідником.

Подальше удосконалення конструкцій ДШ привело до створення навколо контакту метал-напівпровідник захисного кільця р-типу (рис. 3б). Напруга пробою збільшилася від 5 до 27 В, для її збільшення служать конструкції з використанням захисного кільця і додаткового електрода (рис. 3 в), на який подають негативну напругу. В таких структурах напруга пробою близька до напруги пробою р-n-переходу. Були розроблені ДШ із захисним кільцем і трьома бар'єрами, ДШ із двома захисними кільцями та ін. Основними недоліками розглянутих конструкцій необхідно вважати зменшення швидкості перемикання ДШ, спричинене інжекцією неосновних носіїв заряду із р-кільця, збільшення ємності діода, ускладнення технологічних процесів. Структура ДШ, зображена на рис. 3 г, не має перелічених недоліків. Контакт металу з напівпровідником здійснюється у спеціальному заглибленні в шарі n -типу. Для таких конструкцій діодів висота потенціального бар'єра U_MH0 зменшується.

Рисунок 3 – Структури діодів Шотткі

 

Методичні вказівки. Для виконання дослідження вольт-амперної характеристики діода Шотткі (діод типу КД268А) застосовується лабораторний стенд, до складу якого входить вольтметр М903 і амперметри Ц4313 (рис.4 і 5). Дослідження проводиться при кімнатній температурі.

При прямому ввімкненні на анод діода подається додатня напруга 5В, що змінюється за допомогою потенціометра R₂. При зміні напруги буде змінюватися струм діода, який вимірюється амперметром РА1, а падіння напруги – вольтметром РА2.

При зворотному ввімкненні на анод подається від’ємна напруга 15В, оскільки опір діода при такому ввімкненні набагато більший, ніж при прямому.

 

 

Рисунок 4 – Схема прямого ввімкнення діода Шотткі: R1-резистор 1, 5 кОм; R2-резистор 470 Ом; РА1-міліамперметр 0-15 мА; PV1-вольтметр 0-5 В; VD1- діод КД2997Б

 

 

Рисунок 5 – Схема зворотного ввімкнення діода Шотткі: R1-резистор 2, 2 кОм; R2- змінний резистор 10 кОм; РА1-міліамперметр 0-5 мА; PV1-вольтметр 0-15 В; VD1- діод КД2997Б