دیود شاتکی با اینکه یکی از قدیمی‌ترین قطعات نیمه هادی است، اما هنوز هم در بسیاری از کاربردهای مدرن از جمله رایانه‌ها و سیستم‌های راداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهندسان برای اطمینان از عملکرد خوب دیود شاتکی، باید فاکتورهایی مانند چگالی جریان و ارتفاع سد یا مانع را در طراحی‌شان تجزیه و تحلیل کنند. که در این راستا، نرم افزار® COMSOL Multiphysics و ماژول اضافه شده نیمه هادی برای این نوع تجزیه و تحلیل مناسب هستند.
تاریخچه مختصری از دیود شاتکی
طرح اولیه دیود شاتکی در سال 1874 توسط کارل فردیناند براون مطرح شد. او با اتصال یک سیم فلزی و کریستال گالنا (که به عنوان نیمه هادی عمل می‌کند)، یک دیود اتصال نقطه ای ایجاد کرد که می‌توانست جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل کند (یعنی جریان را اصلاح کند). با وجود اینکه این یکی از اولین نمونه‌های دیود نیمه هادی بود، اما کار براون چندان مورد توجه قرار نگرفت، زیرا در آن زمان هیچ کاربرد عملی برای دیود شاتکی وجود نداشت.
اختراع رادیو منجر به تقاضا برای دیودهای نیمه هادی (که در آن زمان ردیاب‌های کریستالی نامیده می‌شدند) شد. در سال 1901، جگادیش چاندرا بوز، استاد فیزیک هندی، نشان داد که دیود می‌تواند امواج رادیویی را بلند کند. پنج سال بعد، شخصی به اسم G.W. پیکارد “ردیاب ویسکر گربه” را به ثبت رساند که یکی از اجزای رایج گیرنده رادیویی تا دهه 1920 بود. این دیود از یک سیم فلزی نازک (به اصطلاح سبیل گربه ای) تشکیل شده بود که به آرامی روی بلور سیلیکون قرار می‌گرفت. با تنظیم موقعیت سیم، یک سیگنال دریافت می شد و در نتیجه رادیو تنظیم می‌گردید.
ردیاب ویسکر گربه که زمانی در گیرنده رادیویی استفاده می‌شد. تصویر توسط JA.Davidson از طریق Wikimedia Commons.
در دهه 1930، فیزیکدانی به اسم والتر شاتکی، کشف کرد که وقتی فلز با یک نیمه رسانا برخورد می‌کند، بین پیوند نیمه‌رسانا – فلز، یک تُنُک‌لایه یا ناحیه تهی تشکیل می‌شود. بعدها این سد یا مانع، سد شاتکی (Schottky Barrier) نامیده شد. قابل ذکر است که دیود شاتکی به افتخار فیزیکدان آلمانی، والتر شاتکی نام‌گذاری شده است، همچنین با نام‌های سد شاتکی، دیودهای حامل داغ و دیودهای الکترون داغ شناخته شده است. همانند انواع دیودهای دیگر، دیود شاتکی نیز هنگام اعمال ولتاژ، سد ایجاد شده در اثر تماس اجازه می‌دهد تا جریان در یک جهت (بایاس رو به جلو) جریان یابد و در جهت دیگر متوقف شود (بایاس معکوس).
کاربردها و مزایای دیودهای شاتکی
در مقایسه با دیگر دیودهای مدرن، دیودهای شاتکی مزایای زیادی دارند. به عنوان مثال، دیودهای شاتکی دارای تراکم جریان بالا و افت ولتاژ کم هستند، به این معنی که انرژی کمتری مصرف می‌کنند و گرمای کمتری تولید می‌کنند. در نتیجه، آن‌ها بسیار کارآمدتر و جمع و جور تر از نمونه‌های مشابه خود هستند و می‌توان آن‌ها را با گرماگیرها یا هیت سینک‌های کوچک‌تر ساخت. از دیگر مزایای آن می‌توان به سرعت سوئیچینگ بالا، زمان بازیابی کوتاه و ظرفیت کم اشاره کرد که می‌تواند برای کاربردهای زیر مفید باشد:
- شارژ کامپیوتر و تلفن‌های هوشمند
- اختلاط RF در سیستم‌های راداری
- برق یکنواخت برای درایوهای موتور و چراغ‌های LED
- جلوگیری از اشباع ترانزیستور
- محافظت در برابر تخلیه باتری در سلول‌های خورشیدی
برای اطمینان از عملکرد خوب دیودهای شاتکی در برنامه ® COMSOL Multiphysics و سایر برنامه‌ها، مهندسان می‌توانند از نرم افزار شبیه سازی نیمه هادی برای ارزیابی عوامل اصلی طراحی مانند تراکم جریان و ولتاژ استفاده کنند. در ادامه به بررسی نمونه معیار می‌پردازیم.
تجزیه و تحلیل یک طرح دیود شاتکی
مدل معیار Schottky Contact رفتار یک دیود ساده شاتکی را تحت یک بایاس مستقیم توصیف می‌کند. هندسه این دیود به شکل ویفر است و نیمه هادی (سیلیکون) در پایین و فلز (تنگستن) در بالای آن قرار دارد. توجه داشته باشید که به راحتی می‌توانید خصوصیات سیلیکون را با استفاده از تنظیمات پیش فرض در نرم افزار COMSOL تعریف کنید.
هندسه یک دیود ساده شاتکی
یک جنبه مهم برای طراحی، ارتفاع سد ایجاد شده در اثر تماس شاتکی یا همان سد شاتکی است، زیرا این امر در کارکرد یا عدم کارکرد دیود تأثیر می‌گذارد. تعیین ارتفاع سد می‌تواند یک کار پیچیده باشد، زیرا براساس ساختار رابط فلز و نیمه هادی است. در این مدل، ارتفاع ایده آل فقط بر اساس ویژگی‌های ماده پیش فرض سیلیکون و عملکرد کار تنگستن (4/72 ولت) محاسبه می‌شود که ارتفاع 0/67 ولت به دست می‌آید.
با استفاده از روش “ایده آل” در Schottky Contact می‌توانید مدل را ساده نگه دارید. این بدان معنی است که شما می‌توانید جریان بین مواد را بدون محاسبه عواملی مانند کاهش نیرو، تونلينگ، اثرات نفوذ و حالت‌های سطح محاسبه کنید. این نوع تماس عمدتاً توسط جریان حرارتی تعریف می‌شود که به نوبه خود به ولتاژ و چگالی جریان اعمال شده در نمودار زیر بستگی دارد.
مقایسه مدل (خط ممتد) و آزمایش (دایره‌ها) برای چگالی جریان در دیود شاتکی تحت یک بایاس مستقیم
همانطور که می‌بینید، نتایج حاصل از این معیار، که مطابقت خوبی با آزمایش‌ها دارد، نشان می‌دهد که شما می‌توانید رفتار تماس در یک دیود شاتکی را با COMSOL Multiphysics و Semiconductor Module به طور دقیق ثبت کنید.
مراحل بعدی
با استفاده از این مثال مدل سازی دیودهای شاتکی را شروع کنید. ابتدا به Application Gallery بروید، جایی که می‌توانید دستورالعمل‌های گام به گام را پیدا کنید. اگر حساب COMSOL Access و مجوز نرم افزار معتبری دارید، می‌توانید فایل MPH را برای این مدل بارگیری کنید.
برای اطلاع بیشتر در مورد شبیه سازی نیمه هادی به آدرس های زیر در وبلاگ COMSOL مراجعه کنید:
- Optimizing ISFET Designs with Multiphysics Simulation
- Modeling a MOS Capacitor with the Semiconductor Module
این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان ارزیابی دیود شاتکی با مدل معیار نیمه هادی در نرم افزار COMSOL Multiphysics برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی
