Выпрямление тока в контактах Шоттки

Вернемся к рассмотрению контакта металла с донорным полупроводником с Ф_М > Ф_П. Приложим к контакту внешнее напряжение V: плюс источника напряжения к полупроводнику, минус к металлу. При этом электрическое поле E, создаваемое внешним источником напряжения, совпадает с полем контактной разности потенциалов E_К. Равновесное состояние контакта нарушается. Это приведет к увеличению потенциального барьера для электронов, переходящих из полупроводника в металл. Энергетические уровни полупроводника смещаются вниз по сравнению с равновесным состоянием (рис.6.27). В то же время потенциальный барьер для электронов, переходящих из металла в полупроводник, остался прежним: j_М = Ф_М - χ_П. Поэтому для плотностей токов термоэлектронной эмиссии можно записать:

из металла в полупроводник:

j_МП = АТ² ;

из

полупроводника в металл с учетом (6.17):

j_ПМ = АТ² = АТ² .

Разность этих токов определяет ток, протекающий через контакт:

j=j_ПМ - j_МП = АТ² . (6.18)

По аналогии с р-n-переходом назовем ток (6.18) обратным.

Приложим теперь к контакту плюс источника напряжения V к металлу, а минус к полупроводнику. При этом поле внешнего источника питания E противоположно полю контактной разности потенциалов E_К. Это приведет к уменьшению потенциального барьера для электронов, переходящих из полупроводника в металл и нарушению его равновесного состояния. Энергетические уровни полупроводника смещаются вверх по сравнению с равновесным состоянием (рис.6.28). В то же время потенциальный барьер для электронов, переходящих из металла в полупроводник, остался прежним: j_М = Ф_М - χ_П. Поэтому разность плотностей токов термоэлектронной эмиссии примет вид:

j= j_ПМ - j_МП = АТ² - АТ² = АТ² . (6.19)

Этот ток является прямым для контакта Шоттки. Таким образом, как и для р-n-перехода можно записать уравнение вольт-амперной характеристики:

J = SАТ² = J_S , (6.20)

где: S – площадь контакта, J_S – обратный ток насыщения.

Подобным же образом можно рассмотреть при внешнем смещении выпрямляющий контакт Шоттки в случае Ф_М<Ф_П и получить уравнение ВАХ в виде (6.20).

Из (6.19) следует что ВАХ контакта имеет такой же вид, что и ВАХ р-n-перехода на рис.6.8. Отличия заключаются в токе насыщения:

J_S = SАТ² .

Оценим ток J_S. Примем как и в разделе 6.9 площадь контакта S=2*10^-6 см²,Т = 300 К, постоянная Ричардсона А = 120 А⁄см²К², j_М = 0,7эВ для контакта алюминий - кремний, к = 8,625*10^-5 эВ⁄К. Тогда J_S ≈ 4*10^-11 А. Для кремниевого р-n-перехода имели J_S ≈ 10^-15 А. Это приводит к тому, что в диапазоне рабочих токов от 10^-4 до 0,1 А падение напряжения на контакте составит примерно 0,4 В, что на 0,3 В меньше, чем в Si р-n-переходе. Такое различие в некоторых случаях весьма существенно.

Другая важнейшая особенность контактов и диодов Шоттки на их основе по сравнению с р-n-переходами – отсутствие инжекции неосновных носителей заряда. Эти диоды работают на основных носителях – электронах. Отсюда следует, что в них отсутствуют процессы, связанные накоплением и рассасыванием неосновных носителей. Следовательно, у них отсутствует диффузионная емкость, что повышает быстродействие диодов Шоттки. Оно определяется только барьерной емкостью и при малой площади перехода быстродействие может составлять менее 0,1 нсек.