8. Диоды Шотки
Диоды с барьером Шотки (ДШ) широко применяются как в биполярных, так и полевых ИС, благодаря высокому быстродействию, сравнительно низкому падению напряжения на переходе в открытом состоянии VДШ = 0,3…0,45 В при токах, соответствующих рабочим токам других элементов ИС. Барьер Шотки образуется на контакте металл - полупроводник. В зависимости от соотношения величин работы выхода электронов из металла и полупроводника теоретически возможно четыре электрофизических варианта контакта металл - полупроводник. В двух случаях на границе полупроводника с металлом образуется запирающий (обедненный) слой, а в двух других – антизапирающий (обогащенный) слой. Это соответствует образованию ДШ или невыпрямляющих (омических) контактов. Однако в реальных условиях образование выпрямляющего или невыпрямляющего контакта на границе металла с полупроводником зависит от многих факторов (в основном технологического характера), например, от качества обработки поверхности полупроводника.
В техническом смысле омическими принято считать контакты, при наличии которых вольтамперные характеристики (ВАХ) элемента или микросхемы в целом определяются свойствами устройства, а не параметрами омических контактов. Омические контакты должны обладать малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением устройства (элемента, микросхемы), линейной ВАХ; кроме того, контакты не должны инжектировать носители заряда.
Наиболее широко для получения невыпрямляющих контактов к кремнию применяется аммоний. В последние годы для создания омических контактов к кремнию стали использовать палладий и платину.
Свойство ДШ заключается в том, что ток почти полностью переносится только электронами. ВАХ описывается уравнением, подобным тому, которое описывает ток через р-n - переход:
I=SA*T2 exp (-φδ/φт)[exp(V/mφт)-1], ( 7 )
где S-площадь контакта; Т-температура; φδ - потенциальный барьер; А*- постоянная Ричардсона.
Значения φδ и А* обычно приводятся в качестве справочных материалов для различных металлов, кремния и арсенида галлия.
Начальный ток ДШ больше в 10 и более раз, чем у р-n - перехода из того же самого материала и такой же площади. Кроме того для одинаковой с ДШ плотности тока в прямом направлении напряжение на р-n - переходе должно быть больше, чем на ДШ, по крайней мере на 0,4В. это делает ДШ особенно перспективным для низковольтного выпрямителя при больших токах, в частности, для элементов цифровых ИС, работающих в режиме насыщения.
В биполярных ИС особенно для повышения быстродействия логических элементов на основе микросхем ТТЛ используются ДШ; в этом случае транзистор часто называют транзистором Шотки. Подобный транзистор (рис.16а) содержит ДШ, который шунтирует переход коллектор - база.
В структуре такого прибора (рис.16б) роль ДШ выполняет расширенный базовый контакт. Поскольку ДШ имеет меньшее падение напряжения в прямом направлении, чем р-n - переход коллектор-база, в режиме открытого транзистора значительная часть тока проходит через диод, что существенно снижает накопление заряда в коллекторной области. Накопление заряда неосновных носителей в ДШ не имеет места, поскольку перенос тока осуществляется исключительно электронами. В результате быстродействие ТТЛ - схем с ДШ (ТТЛШ) увеличивается в несколько раз.
Р
ис.16.
Диод Шотки а) принципиальная схема;
б) топология
В МДП-структурах ДШ применяются в качестве затворов, поэтому такие транзисторы называются полевыми транзисторами с затвором Шотки. Они выполняются на арсениде галлия, являющимся главным конкурентом кремния при изготовлении быстродействующих схем. Арсенид галлия принадлежит большому семейству полупроводников АIIIВV , представленных кристаллами соединений элементов третьей (Al, Ga, Jn) и пятой (P, As, Sb) групп периодической системы элементов. К ним примыкают так же тройные, четверные и т.п. твердые растворы этих соединений. Электроны во многих этих соединениях обладают малой эффективной массой и, как следствие, высокой подвижностью.
Типичная зависимость дрейфовой скорости электронов от напряженности внешнего электрического поля представлены на рис.17 для GaAs.
Р
ис.17.
Зависимость дрейфовой скорости электронов
от напряжения
внешнего электрического поля
Как видно, в начальной части кривой до напряженности Е~3кВ/см наблюдается пропорциональность дрейфовой скорости и напряженности электрического поля; коэффициент пропорциональности называется подвижностью µ электронов: Vd = µE. Участок с отрицательной производной обусловлен переходом электронов в другую подзону в зоне проводимости, в которой они имеют значительно большую эффективную массу. В кремнии, где такая подзона отсутствует, наблюдается просто насыщение кривой Vd(E), Vdмакс = 107 см/с. Подвижность электронов в GaAs почти в 6 раз выше, чем в кремнии. Действительно, на практике полевые транзисторы с ДШ в качестве затвора на GaAs демонстрируют быстродействие в пикосекундной области.
Структура такого транзистора показана на рис.18. Слой n – типа может быть образован эпитаксиальным направлением или ионной имплантации в полуизолирующую подложку.