Принцип работы диода с барьером Шоттки
Рис. 8 - Переход Шоттки
Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник (рис.8). При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при каких условиях - наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси. В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металл-полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшее поле будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки. Если приложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник, возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю перехода Шоттки. Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и является ускоряющим для электронов полупроводника. Электроны будут переходить из полупроводника в металл, образуя сравнительно большой прямой ток. Такое включение называется прямым.
При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное полю перехода Шоттки. Оба этих поля будут тормозящими для электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным. Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не существует неосновных носителей зарядов.
Диоды с барьером Шоттки миллиметрового диапазона возникли в результате эволюции точечного контакта металл — полупроводник СВЧ диодов, превращения его в «чистый» контакт между металлом и полупроводником, последующей всесторонней оптимизации его параметров и развития технологии изготовления. В современном виде ДБШ состоит из металлической площадки очень малых размеров (анода), осажденной на поверхности тонкого, определенным образом легированного эпитаксиального слоя, выращенного на поверхности полупроводника с высокой удельной проводимостью (подложки), имеющего с противоположной стороны металлический омический контакт (катод). Площадь и форма анода, так же как и характеристики эпитаксиального слоя и подложки, определяют емкость, омическое сопротивление потерь и ВАХ диода и являются основными объектами оптимизации. Целью оптимизации является получение минимальных шумов и потерь преобразования, а также снижение необходимой мощности гетеродина. Предпосылки для оптимизации следуют из теоретических моделей проводимости, шумов и потерь преобразования ДБШ.
Высокочастотные ДБШ обычно изготовляют из арсенида галлия, который обладает высокой подвижностью носителей и хорошей растворимостью донорных примесей. Некоторые донорные примеси, например кремний или теллур, позволяют получать арсенид галлия n-типа с удельным сопротивлением (1 - 0,5) 10-3 Ом∙см. При равной с кремнием концентрации носителей, что является условием равенства емкостей барьера, вследствие большей подвижности носителей GaAs имеет в 5 раз большую проводимость. Среди сплавов элементов III—V групп для изготовления ДБШ представляется перспективным InSb, обладающий еще в 9 раз большей подвижностью. Однако вследствие малого энергетического зазора выпрямляющий контакт на InSb может быть получен только при криогенных температурах, что ограничивает область его применения.
Разновидности ДБШ
Наиболее распространена конструкция бескорпусного ДБШ с прижимным проволочным выводом. Эпитаксиальный слой (эпислой) арсенида галлия n-типа толщиной 0,1 - 0,3 мкм. с концентрацией доноров N=2-1016 - 2-1017 см—3 выращивается на подложке из n+-GaAs с концентрацией доноров N>2*1018 см-3, зависящей от вида донорной примеси. Обычная толщина подложки около 100 мкм. Омический контакт с ее обратной стороны образуется в виде высоколегированного слоя вплавлением металла (Pt—Au) в полупроводник. Эпислой на лицевой стороне полупроводникового кристалла покрывается защитным слоем Si02 толщиной 0,3 ... 0,4 мкм. В этом слое методами фото или электронной литографии проделываются окна, определяющие форму анода. Упрощённая эквивалентная схема ДБШ представлена на рисунке 9.
Рис. 9 - Упрощённая эквивалентная схема диода Шоттки.
Основными элементами являются нелинейная проводимость g(V) и емкость с(V) барьерного слоя и последовательное сопротивление омических потерь Rs. При конструктивном оформлении диода в эквивалентной схеме появляются новые элементы: последовательная индуктивность проволочного вывода, емкость корпуса и др. Нелинейная проводимость барьера g(V) определяется двумя основными механизмами переноса зарядов: термоэмиссионным полевым, относительная роль которых зависит от абсолютной температуры Т, концентрации доноров в эпитаксиальном слое и эффективной массы носителей m*. С ростом температуры увеличивается число термически возбужденных электронов, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера на границе металл — полупроводник.
Рассмотренный бескорпусный диод в виде сотовой полупроводниковой структуры с прижимным проволочным выводом имеет минимальные паразитные емкости и, как следствие, может работать на наиболее высоких частотах. Благодаря этому он получил широкое применение в волноводных и квазиоптических смесительных камерах ММ и СММ диапазонов. Недостатки бескорпусного диода — трудность замены и подбора диодов в смесителях и детекторах и ограниченная устойчивость к климатическим и механическим воздействиям. [15]
Статистические данные о климатической и механической стойкости бескорпусных диодов очень ограниченны. Случаи многолетней круглогодичной эксплуатации бескорпусных диодов в аппаратуре, расположенной на антеннах радиотелескопов и подвергавшейся значительным перепадам температуры и влажности, не являются редкими. В то же время прижимной контакт не может выдерживать удары и высокочастотные вибрации. Большое влияние на прочность прижимного контакта оказывают материал, толщина, качество заточки и отделки поверхности контактной иглы. Ответственной операцией является контактирование диода; при неудачной операции, когда игла скользит по поверхности защитой пленки из двуокиси кремния, прежде чем попадает в окно одного из диодов, острие часто деформируется, что приводит к повышению емкости и непрочности диодов. Для облегчения законтачивания отдельные диоды на поверхности сотовой структуры должны располагаться достаточно близко друг к другу.
Облегчает работу с переходом Шоттки другое исполнение диода Шоттки. Более удобная бескорпусная модель диода Шоттки выполнена в планарном исполнении с балочными выводами (рис 10, 11)
Рис. 10 - Вид бескорпусного планарного диода Шоттки.
Диоды этого типа можно применять во всем миллиметровом диапазоне и в субмиллиметровой области. В деталях эти конструкции сильно различаются. В качестве механической основы диода обычно используют полупроводниковую подложку из слаболегированного полуизолирующего арсенида галлия, котором выращивается эпитаксиальный слой n+-GaAs. На поверхности последнего образуется тонкая эпитаксиальная пленка n- GaAs, покрываемая защитным слоем (Si02, Si02/Si3N4). Контакт Шоттки создается нанесением слоев платины и золота на поверхность n-GaAs через малое окно в защитном слое. К контакту присоединяют один из балочных выводов, оформленных в виде постепенно сужающейся полоски. Другой вывод присоединяют к омическому контакту с n+-GaAs, имеющему форму подковы и охватывающему контакт Шоттки. Геометрия диода и свойства эпитаксиальных слоёв оптимизируются с целью достижения минимальных Rs, а также паразитной емкости между выводами.
Рис. 11 - Планарный диод Шоттки в разрезе (1 - подложка из слаболегированного GaAs, 2 - эпитаксиальный слой n+ GaAs, 3 - эпитаксиальная плёнка n GaAs, 4 - защитный слой, 5 - воздушный промежуток для уменьшения ёмкости, 6 - анодный вывод, 7 - контакт Шоттки, 8 - омический контакт, 9 - катодный вывод).
Для определения формы и длительности импульса ЛСЭ нами был выбран и использовался планарный диод Шоттки c основными параметрами:
Предельная частота___________________________________6 ТГц
Коэффициент шума___________________________________9 дБ
Выходное сопротивление______________________________100-600 Ом
Ёмкость перехода____________________________________0.001-0.007 пФ
Предельная рассеиваемая мощность (Т=125 ◦С)___________5 мВт
На рисунке 12 показана схема размещения диода Шоттки на разъёме СР - 50. В измерительной схеме диод Шоттки установленный на разъём СР – 50 был согласован на импеданс 50 Ом и подключен к стробоскопическому осциллографу фирмы Tektronix с временем нарастания 18 пс. В нашем случае сложностей с мощностью субмиллиметрового излучения не возникло, так как мощности ЛСЭ более чем достаточно для диода Шоттки. В эксперименте от диода требовалось только максимальное быстродействие. Результат измерения формы и длительности импульса ЛСЭ в одном из экспериментов изображены на рисунке 13.
 
Рис. 12. Схема установки диода Шоттки.
Рис. 13 - Импульс ЛСЭ в устойчивом режиме.
На Рис. 14 изображено измерение формы импульса ЛСЭ в неустойчивом режиме, которое иллюстрирует быстродействие диода в данной измерительной схеме. Из графика видно, что временное разрешение определяется быстродействием стробоскопического осциллографа. Чтобы проверить быстродействие самого диода со схемой согласования, нужен более быстрый прибор прямого действия.
Рис. 14 - Импульс ЛСЭ в неустойчивом режиме.
|
