Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки нашли сегодня самое широкое применение, причем в определенных областях они вне конкуренции – настолько уникальными свойствами обладают. В этой статье мы выясним, что это за барьер, как он работает и в чем его уникальность.
Металл и полупроводник особенности контакта
Давайте соединим металл с полупроводником. Из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, чем из металла, электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот. За счет такого перехода появляется электрический ток.
Работа выхода — разность значений энергий, то есть минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объема твердого тела.
Но длится это не бесконечно. В конце концов, в месте стыка образуется обедненная область, заряды металла и полупроводника выравниваются. Ток прекращается. Чтобы он возобновился, необходимо «рассосать» обедненную область, буквально – накачать ее электронами. Для этого нужна дополнительная энергия. Но об этом чуть позже.
Особо отметим, что при контакте металла с полупроводником в процессе участвуют только электроны в отличие от контакта полупроводник-полупроводник. Во втором случае в процессе задействуются и дырки, которые движутся в обратном направлении. Это основная особенность контакта металл-полупроводник (КМП).
Что это такое
Итак, мы выяснили, что в месте перехода металл-полупроводник – обедненная область. Именно она и называется барьером. В нашем случае – барьером Шоттки. Давайте разберемся, почему он так называется и как работает.
Краткая история создания
Немецкий ученый Вальтер Шоттки – не совсем первооткрыватель барьера, получившего его имя. Точнее, совсем не первооткрыватель. Но начнем по порядку.
Первые исследования свойств контакта металл-полупроводник начались почти полторы сотни лет назад. В 1874 г. немецкий физик Карл Фердинанд Браун заметил зависимость сопротивления КМП от полярности и величины приложенного к нему напряжения. Сам ученый объяснения этому феномену, противоречащему закону Ома, дать не смог. В своей речи на вручении Нобелевской премии в 1909 г. он честно признался, что не понимает принципов открытого им явления.
Чуть позже опыт повторил Вернер Сименс, но тоже не смог ничего объяснить. Тем не менее эффект нашел применение – в 1899 г. индийский ученый Джагдиш Чандра Бос заявил о создании точечного детектора на основе контакта металл-полупроводник, а в 1901 г. получил на него патент. Так на свет появился первый диод с барьером, пока не имевшим названия.
Именно работы Джагдиш Чандра Боса помешали нашему ученому-физику Александру Степановичу Попову, работавшему в этом же направлении, взять патент на детектор для радио.
И только в 1938 г. немецкий физик Вальтер Герман Шоттки смог дать объяснение эффекту, высказав мнение, что потенциальный барьер создается неподвижным пространственным зарядом в полупроводнике. Ученый оказался прав, а сам барьер был назван в его честь. Таким образом, Шоттки не открыл барьер, но дал четкое и правильное объяснение процессам, в нем происходящим. Это, пожалуй, даже важнее, чем открытие, поскольку зная принцип процесса, им можно управлять.
Принцип работы
Теперь давайте посмотрим, что происходит с контактом металл-полупроводник при приложении к переходу напряжения разной полярности. Сразу определимся: прямым смещением мы будем называть подачу плюса источника питания на металл, обратным – плюс на n-полупроводник. Смещения нет – напряжение не подано. Рассмотрим три состояния перехода:
- смещения нет;
- прямое смещение;
- обратное смещение.
1. Смещения нет. Работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем работа выхода из металла, поэтому часть свободных электронов перемещается из n-полупроводника в металл. В результате в месте стыка металл-полупроводник возникает обедненная область, некий барьер, в котором встречаются отрицательные и положительные ионы. Преодолеть этот барьер остальные электроны без дополнительной энергии не могут.
2. Положительное смещение. Если мы подключим к переходу внешний источник питания: «плюс» на металл, «минус» на полупроводник, это и будет та энергия, которая поможет электронам преодолеть барьер и переместиться из полупроводника в металл. Появится электрический ток.
Для того чтобы электроны смогли преодолеть барьер, разность потенциалов между металлом и полупроводником должна быть больше, чем потенциал поля перехода металл-полупроводник.
3. Обратное смещение. Если мы сменим полярность источника питания, то только «укрепим» барьер – он станет шире. В такой ситуации ни о каком движении электронов из металла в полупроводник нет речи. Ну а раз речи нет, то и тока нет, простите за каламбур.
Для наглядности и лучшего понимания процесса говорят не «шире», а «выше». Но фактически барьер становится шире.
Таким образом, мы получили полупроводник, иными словами, диод, который пропускает ток только в одном направлении.
В каких полупроводниковых приборах используется барьер Шоттки
В основном эффект Шоттки применяется для изготовления диодов. Их так и называют – диоды Шоттки, или диоды с барьером Шоттки.
Существуют и транзисторы с этим барьером. Они используются, к примеру, для изготовления хорошо знакомых нам микросхем ТТЛШ-логики (транзисторно-транзисторная логика Шоттки).
Есть, конечно, и единичные транзисторы с этим барьером – как биполярные, так и полевые. Они используются там, где требуется высокое быстродействие.
Особенности диодов Шоттки и их сфера применения
Отличия диода Шоттки от обычного диода значительны и уникальны по своим свойствам. Они имеют низкое прямое падение напряжения и очень высокое быстродействие. Второе обусловлено тем, что в процессе участвуют только электроны. Это сокращает время рекомбинации практически до нуля.
Именно благодаря этим своим свойствам диоды с переходом Шоттки заняли нишу, в которой пока не имеют конкурентов. Такие диоды используются в:
- импульсных блоках питаниях с высокой частотой преобразования;
- блоках, узлах и линиях питания большой мощности;
- высокочастотных сверхвысокочастотных детекторах и гетеродинах;
- системах дублирования питания;
- в солнечных панелях для шунтирования ячеек.
Вы познакомились с барьером Шоттки. Теперь вы знаете, что он собой представляет, как работает и какими свойствами обладает.
Сейчас читают:
