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DIODO SCHOTTKY
Si tratta del più semplice dispositivo unipolare, in cui cioè la corrente è
legata esclusivamente ai portatori maggioritari.
livello del
vuoto
q
qm
qs
Ec
EFs
EFm
q(m-)
Ec
EFs
EFm
Ev
Ev
prima
q = affinità elettronica
q = lavoro di estrazione
q(m-s)=qVbi
dopo
q(m-s)=qVbi
q(m-)
Ec
EFs
EFm
barriera Schottky
Ev

qND
w
accumulo
di
elettroni
liberi
q(m-) = qBn (eV)
E
w
-Emax
E x  
qN D
 Si
Emax 
x  W 
qN D
 Si
W
2 Si (Vbi  V )
W
qN D
CAPACITA’ DI SVUOTAMENTO
Q sc  qN D W 
dQsc  Si

C
dV
W
2 q  Si N D Vbi  V 
[C/cm2]
[F/cm2]
BARRIERA SCHOTTKY
La barriera q(m-) = qBn prende il nome di barriera Schottky, ed è
indipendente dalla polarizzazione e dal drogaggio.
metallo/Si
qBn (eV)
Ni
Al
Pt
Cr
PtSi
0.50
0.70
0.90
0.62
0.84
polarizzazione inversa
q(m-)
EFm
q(m-s)+qV=q(Vbi+V)
Ec
EFs
qV
allargamento della regione di c.s.
aumento della barriera S --> M
Ev
W
polarizzazione diretta
q(m-s)-qV=q(Vbi-V)
q(m-)
EFm
qV
Ec
EFs
restringimento della regione di c.s.
riduzione della barriera S --> M
Ev
W
CARATTERISTICA I-V DEL DIODO SCHOTTKY
Ism
Ims Eci
q(m-s)=qVbi
qBn
EFm
Ims è la corrente diretta dal metallo al
semiconduttore, costituita dagli elettroni provenienti dal semiconduttore.
All’equilibrio Ims = - Ism
Ec
All’interfaccia si ha: Eci - EFs = qBn
EFs
Ev
V=0
ovvero:
ns  N C e
e quindi gli elettroni all’interfaccia sono:
E E
q Bn
 ci Fs

kT
kT
s
C
C

n N e
E E 
q  m   s 
 c Fs
kT
kT
e
 ND e

N e
q  m   s 
kT
 ND e

qVbi
kT
Assumendo le correnti attraverso la giunzione proporzionali al numero di
elettroni presenti:
I MS  I SM  A N D e

qVbi
kT
in cui A è una costante
Le correnti Ims e Ism sono indotte termicamente (emissione termo-elettronica)
(N.B.: NC è la densità degli stati efficace in B.C.)
polarizzazione diretta
Ism
Ims
q(m-s)-qV=q(Vbi-V)
q(m-)
EFm
Ec
EFs
qV
-
+
Ev
L’applicazione di una polarizzazione
diretta riduce la barriera dal lato del
semiconduttore
favorendo
il
passaggio di elettroni da S a M,
squilibrando così le correnti. La
corrente che si manifesta è data da:
W
I  I MS  I SM  A N D e
in cui:
Io  A ND e

qVbi
kT

q Vbi V 
kT
 A ND e
 area  A T 2 e


qVbi
kT
 qV

kT
 I o  e  1


q Bn
kT
A* = 110 (n-Si) o 32 (p-Si) [A K-2 cm-2] (costante efficace di Richardson)
CARATTERISTICHE ESSENZIALI DEL DIODO SCHOTTKY
Bassa tensione di soglia (0.2 – 0.3 V)
Funzionamento per portatori maggioritari
Assenza di capacità di diffusione
I
Schottky
PN
Elevata velocità di commutazione
Semplicità di realizzazione
Caratteristica inversa di tipo soft
Bassa tensione di breakdown inverso
Elevata ricombinazione superficiale (la
giunzione è in superficie)
Sottile strato di ossido all’interfaccia
Elevato fattore di idealità
V
la realizzazione dei contatti di anodo e catodo di un diodo p-n
potrebbe portare alla creazione di giunzioni rettificanti in serie al
diodo stesso
q(m-)
q(m-)
EF
metallo
semiconduttore
metallo
GIUNZIONI M-S OHMICHE (CONTATTI OHMICI)
Un contatto ohmico è caratterizzato dalla sua resistenza di contatto. Nel caso di
una giunzione M-S:
1
 q 
 I 
 
AT e
RC  

 V  V 0  kT
q Bn

2
kT
1
q Bn

k
   e kT

qA T

Per avere RC  0 deve essere quindi Bn molto piccolo (valori negativi molto grandi
creerebero una giunzione al contrario).
Il caso ideale è il contatto neutro:
Contatti in cui m < s sono ancora
ohmici (entro certi limiti)
 assenza di rcs (su silicio n)
Questo si puo ottenere solo con un
limitato numero di combinazioni
metallo-semiconduttore (difficilmente
con l’alluminio, ad esempio).
qm
EFm
livello del
vuoto
q
qs
Ec
Ev
I contatti ohmici M-S si basano quindi sull’attraversamento della rcs da parte dei portatori
per effetto tunnel.
Utilizzando semiconduttori degeneri, la rcs si assottiglia al punto che l’effetto della barriera
di potenziale diventa trascurabile (W inferiore a 2 nm)
q(m-s)=qVbi
q(m-)
I
Ec
EFs
EFm
Ev
caratteristica
ideale di un
contatto ohmico
caratteristica
reale di un
contatto ohmico
n++
metallo
n
V
DIODO GUNN (transferred electron device, J.B. Gunn, IBM 1962)
E’ costituito da una regione di GaAs opportunamente drogata e contattata per
mezzo di contatti ohmici. Utilizza la particolare dipendenza della velocità degli
elettroni nel GaAs dal campo elettrico per ottenere una regione di
funzionamento in cui la conduttanza differenziale è negativa.
Questa proprietà viene sfruttata per
ottenere amplificatori ed oscillatori a
frequenze elevatissime (100 GHz)
I
gd=dI/dV<0
iS
GL
io
V
contatto
ohmico
contatto
ohmico
n-GaAs
n+ GaAs
n+ GaAs
gd
Vo
is è il generatore di segnale, GL è il
carico.
is ha una componente continua
fissa il punto di funzionamento.
che
I
Scegliendo opportunamente is e GL, è
possibile impostare il punto di
funzionamento nella zona in cui gd<0
is
Vo
V
I
Piccole variazioni di is possono indurre
ampie variazioni di Vo.
is±is
Il guadagno di corrente dell’amplificatore è:
io
io
GL Vo
GL


Ai 

GL Vo  g d Vo GL  g d
is io  id
Vo
V
in cui GL + gd può tendere a 0
Uso del diodo Gunn come oscillatore
I
(f maggiori di 10 GHz e fino ai THz)
is
Per GL = - |gd |, Ai è infinito ed il
circuito entra in oscillazione in quanto
esistono infiniti punti di intersezione
fra le due caratteristiche.
V
-
+
Si tratta di un oscillatore che non
prevede un circuito risonante.
Interpretazione fisica
+
-
+
E
Ec
qV
EL
qV
Fase 1
Il campo elettrico E è uniforme e
superiore al campo critico
EH
EL
Ec
qV
EH Ec
Fase 2
Fase 3
L’ingresso di un gruppo di
elettroni dal contatto determina
la nascita di due zone con
diverso campo elettrico
Per effetto di EH il gruppo di
elettroni rallenta sempre più, e
dunque si compatta man mano
che procede verso destra.
Ec
EL
qV
EH
Fase 4
Quando il gruppo di elettroni raggiunge l’anodo si manifesta
un aumento della corrente. Il campo torna ad essere
uniforme e pari al valore iniziale. Il processo riprende.
Il tempo impiegato dagli elettroni per raggiungere l’anodo è T  L
vm
che è dunque il periodo dell’oscillazione
-
-
+


E
E
+
prima
dopo
Essendo la V applicata costante, gli integrali
dei due campi elettrici devono coincidere.