Материал: Москатов Электроника 2010

31 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

пропускает электрический ток, а в обратном включении не пропускает, т.е. обладает односторонней проводимостью.

2.2.3. Ёмкости и частотные свойства электроннодырочных переходов

Основное влияние на возможность работы электронно-дырочного перехода на определѐнных частотах оказывают две ѐмкости, которые называют диффузионной и барьерной.

Диффузионную ѐмкость инициируют носители заряда, которые при прямом включении электронно-дырочного перехода в силу инжекции диффундируют через него и не успевают пройти рекомбинацию. Диффузионная ѐмкость тем больше, чем существенней заряд, который перенесѐн через электронно-дырочный переход, и чем меньше падение напряжения на нѐм в прямом включении. Так как диффузионная ѐмкость свойственна открытому состоянию перехода, который при этом обладает малым (в идеале нулевым) сопротивлением, она не оказывает значительного воздействия на частотные свойства.

Барьерной называют ѐмкость, которая возникает при обратном включении электронно-дырочного перехода, когда практически все носители заряда находятся на границе раздела, а в нѐм самом отсутствуют. Барьерная ѐмкость оказывает основное влияние на частотные свойства электронно-дырочного перехода, так как присуща его закрытому состоянию, обладающему высоким (в идеале бесконечным) сопротивлением. Из-за барьерной ѐмкости электроннодырочный переход на высокой частоте может потерять свойство односторонней проводимости. Чтобы этого избежать с барьерной ѐмкостью борются конструктивными и технологическими методами, например, увеличивая протяжѐнность электронно-дырочного перехода и уменьшая его площадь, что характерно для точечных диодов.

32 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

2.2.4. Пробои электронно-дырочных переходов

Пробоем электронно-дырочного перехода называют явление очень быстрого роста обратного тока при незначительном повышении постоянного обратного напряжения. Выделяют три типа пробоев: зенеровский, лавинный и тепловой.

Зенеровский или по-другому туннельный пробой возникает при преодолении электронами недостаточно протяжѐнного потенциального барьера, в результате чего падение обратного напряжения на электронно-дырочном переходе почти неизменно при широком диапазоне флюктуаций обратного тока. Явление зенеровского пробоя положено в основу принципа действия полупроводниковых стабилитронов.

Под действием сильного электрического поля происходит разгон носителей заряда, и в области электронно-дырочного перехода имеет место такое их взаимодействие с атомами кристаллической решѐтки, что из-за этого имеет место образование новой пары дырки и электрона, те в свою очередь порождают ещѐ более новую пару и так далее. Такой неуправляемый процесс порождения носителей зарядов называют лавинным пробоем. При лавинном пробое элек- тронно-дырочный переход заполнен носителями заряда и его дифференциальное сопротивление стремится к нулю.

Лавинный пробой и зенеровский пробой относят к электрическим пробоям. Электрические пробои обратимы. На поверхности кристалла полупроводника электрический пробой возникает прежде, чем в глубине. Тому причина в незначительных загрязнениях, деградациях материала и прочем. Поэтому выходящие на поверхность кристалла участки полупроводника для увеличения максимально допустимого обратного напряжения компонента пассивируют: вокруг них осуществляют углубление или напыление диэлектрического материала.

Тепловыделение в области электронно-дырочного перехода, пропорциональное обратному напряжению и обратному току, уве-

33 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

личивает температуру кристалла полупроводника и силу обратного тока, что приводит к ещѐ большему тепловыделению, ещѐ большему обратному току и более высокой температуре и так далее. В результате такого катастрофического перегрева получает развитие тепловой пробой, который разрушает электронно-дырочный переход и после остывания прежние свойства, например, односторонней проводимости, к нему уже не вернутся. Тепловой пробой возникает после электрического пробоя перехода.

На вольтамперных характеристиках [44, с. 82] электроннодырочного перехода, показанных на рис. 2.2, лавинный пробой изображѐн на кривой (а), зенеровский пробой – на кривой (б), а тепловой пробой отражѐн в наличии участка отрицательного дифференциального сопротивления на кривой (в).

Рис. 2.2. ВАХ с участками пробоев На данном рисунке пропорции по осям не соблюдены.

34 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

2.3. Переход и диод Шоттки: получение и включения в прямом и обратном направлении

Переход Шоттки возникает на границе металла, уровень Ферми которого находится в зоне проводимости, и полупроводника электронного типа проводимости, который имеет более низкую работу выхода, чем у металла. Для успешного функционирования перехода Шоттки приграничная область полупроводника должна быть бедна электронами, чтобы она обладала более низкой проводимостью, чем остальная часть полупроводникового кристалла. Электроны из приграничной области полупроводника поступают в металл с более высокой работой выхода и не могут уйти обратно. На покинутом электронами месте в полупроводнике остаются положительные некомпенсированные ионы. Между металлом и полупроводником возникнет электрическое поле, тормозящее и возвращающее обратно основные носители заряда полупроводника.

Подсоединим переход Шоттки к внешнему источнику питания так, чтобы отрицательное напряжение было приложено к металлу, а положительное – к полупроводнику. Внешнее поле, которое будет направлено в ту же сторону, что и внутренне поле перехода Шоттки, будет отталкивать электроны полупроводника вглубь от границы перехода. Для электронов металла внешнее поле будет ускоряющим, однако они не покинут металл с более высокой работой выхода, чем полупроводник. Дрейфовый обратный ток через переход Шоттки совершенно отсутствует, а описанное включение перехода называют обратным.

Подключим теперь переход Шоттки к внешнему источнику питания так, чтобы положительное напряжение было подано к металлу, а отрицательное – к полупроводнику. Внешнее поле будет направлено встречно внутреннему полю перехода Шоттки, и станет переносить электроны из полупроводника через переход в металл. В металле отсутствуют неосновные носители заряда, и инжекция не-

35 Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru

основных носителей заряда не возникает. Через переход Шоттки течѐт прямой ток, а рассмотренное включение называют прямым.

Для изготовления переходов Шоттки в качестве полупроводника обычно используют кремний, а применяемые металлы и химические соединения – это золото, силицид платины, молибден и другие. Переход Шоттки не получить простым соприкосновением металла и полупроводника, а на металлическую пластину по технологиям эпитаксиального наращивания или напыления в вакууме наносят плѐнку полупроводника.

Слой положительно заряженных ионов донорной примеси на границе полупроводника и металла с большей работой выхода называют переходом Шоттки в честь немецкого учѐного Вальтера Германа Шоттки, который одним из первых физиков изучал контакты металлов и полупроводников. Вальтер Шоттки родился 23 июля 1886 года, а скончался 4 марта 1976 года.

Переходы Шоттки выступают основой диодов Шоттки. К достоинствам последних относят чрезвычайно малый обратный ток, который для отдельных диодов Шоттки может составлять единицы пикоампер, возможность работы компонентов отдельных марок на частотах до сотен гигагерц и даже выше. Некоторые мощные диоды Шоттки, которые используют в высокочастотных выпрямителях импульсных источников питания, допускают прямые токи в сотни ампер. Прямое падение напряжения на переходе Шоттки меньше, чем у типового электронно-дырочного перехода.

Основными недостатками диодов Шоттки выступают высокая стоимость используемых материалов и довольно низкое максимально допустимое обратное напряжение, которое обычно составляет всего лишь от 25 В до 150 В. Выдерживающие более высокие обратные напряжения диоды Шоттки (например, 400 В, 600 В), обычно получают последовательным соединением нескольких переходов Шоттки. От этого падение напряжения на сборке диодов Шоттки в прямом включении станет примерно таким же, или даже большим,