W jaki sposób prąd dostaje się do diody?

Myślę, że mniej więcej rozumiem, jak działa zwykła dioda półprzewodnikowa: kryształ domieszkowany inaczej w różnych regionach, wyczerpanie nośnika tam, gdzie się spotykają, bla bla bla.

Jednak rzeczywiste diody, z którymi buduje się obwody, nie kończą się kawałkami krzemu domieszkowanego n i domieszkowanym p. To małe ceramiczne / plastikowe opakowania z metalowymi wyprowadzeniami wychodzącymi z końców. Jakoś prąd musi przepłynąć między metalowymi przewodami i półprzewodnikiem w środku.

I jest problem. Jeśli dobrze rozumiem, metal powinien być ostatecznym materiałem n-nośnym - każdy atom w sieci przesyła co najmniej jeden elektron do pasma przewodzenia. Kiedy przyklejamy metalowy przewód do domieszkowanego p półprzewodnika, powinniśmy uzyskać inne złącze pn, takie, które idzie w niewłaściwym kierunku, aby płynął prąd przewodzący.

Jak to możliwe, że cały element i tak może działać w kierunku do przodu?

Czy to tylko kwestia uczynienia obszaru interfejsu krzemowo-metalowego tak dużym, że całkowity prąd upływu zwrotnego złącza p / metal jest większy niż prąd przewodzenia, który ma przewodzić cała dioda? (Wyobrażam sobie duże ilości drobno interigitowanego metalu i krzemu w przypadku amperowych prostowników). A może dzieje się coś jeszcze?

Istnieje rodzaj diody zwanej diodą Schottky'ego, która jest w zasadzie złączem metal-półprzewodnik, więc rodzi się pytanie, w jaki sposób tworzysz metalowy kontakt z dowolnym urządzeniem półprzewodnikowym, nie tylko diodą.

Odpowiedź leży w tym, dlaczego połączenie metal-pół wykazuje zachowanie diody w niektórych okolicznościach. Najpierw musimy szybko przyjrzeć się różnicy między półprzewodnikami metalowymi i typu n oraz typu p.

$\phi_m$

W przypadku półprzewodników pasma są nieco inne. Pośrodku jest przerwa, w której elektrony nie lubią być. Struktura jest podzielona na pasmo walencyjne, które zazwyczaj jest pełne elektronów, i pasmo przewodzące, które jest zwykle puste. W zależności od tego, ile półprzewodnika zostanie domieszkowane, średnia energia się zmieni. W typie n dodatkowe elektrony są dodawane do pasma przewodzenia, które przesuwa średnią energię w górę. W typie p elektrony są usuwane z pasma walencyjnego, przesuwając średnią energię w dół.

Kiedy masz dyskretne połączenie między regionem metalowym a półprzewodnikowym, w uproszczeniu powoduje to zgięcie struktury pasmowej. Pasma energii na krzywej półprzewodnikowej pasują do pasma metalu na skrzyżowaniu. Reguły są po prostu takie, że energie Fermiego muszą się zgadzać w całej strukturze, a poziom energii ucieczki musi się zgadzać na skrzyżowaniu. W zależności od tego, jak zginają się pasma, określa, czy tworzy się wbudowana bariera energetyczna (dioda).

Kontakt omowy za pomocą funkcji pracy

Jeśli metal ma wyższą funkcję roboczą niż półprzewodnik typu n, pasma półprzewodnika wyginają się w górę, aby go spełnić. Powoduje to, że dolna krawędź pasma przewodzącego podnosi się, powodując barierę potencjalną (diodę), którą należy pokonać, aby elektrony przepływały z pasma przewodzącego półprzewodnika do metalu.

I odwrotnie, jeśli metal ma niższą funkcję roboczą niż półprzewodnik typu n, pasma półprzewodnika wyginają się, aby go spełnić. Nie powoduje to żadnej bariery, ponieważ elektrony nie muszą zdobywać energii, aby dostać się do metalu.

W przypadku półprzewodnika typu p jest odwrotnie. Metal musi mieć wyższą funkcję pracy niż półprzewodnik, ponieważ w materiale typu p większość nośników to otwory w paśmie walencyjnym, więc elektrony muszą płynąć z metalu na zewnątrz do półprzewodnika.

Jednak ten typ kontaktu jest rzadko używany. Jak zauważyłeś w komentarzach, optymalny przepływ prądu jest przeciwny do tego, czego potrzebujemy w diodzie. Postanowiłem uwzględnić to dla kompletności i przyjrzeć się różnicy między strukturą czystego styku omowego a stykiem diodowym Schottky'ego.

Kontakt omowy za pomocą tunelowania

Najpopularniejszą metodą jest użycie formatu Schottky'ego (który tworzy barierę), ale zwiększenie bariery - brzmi dziwnie, ale to prawda. Gdy powiększysz barierę, staje się ona cieńsza. Gdy bariera jest wystarczająco cienka, przejmują ją efekty kwantowe. Elektrony mogą w zasadzie tunelować przez barierę, a złącze traci swoje zachowanie diodowe. W rezultacie tworzymy teraz kontakt omowy.

Gdy elektrony będą w stanie tunelować w dużych ilościach, bariera zasadniczo staje się niczym więcej niż ścieżką oporową. Elektrony mogą tunelować w obie strony przez barierę, tj. Z metalu na pół lub z pół na metal.

Bariera jest podwyższana przez silniejsze domieszkowanie półprzewodnika w obszarze wokół styku, co zmusza do większego zgięcia pasm, ponieważ różnica w poziomie Fermiego między metalem a półprzewodnikiem staje się większa. To z kolei powoduje zwężenie bariery.

To samo można zrobić z typem P. Tunelowanie odbywa się przez barierę w paśmie walencyjnym.

Po uzyskaniu połączenia omowego z półprzewodnikiem, możesz po prostu osadzić metalową podkładkę łączącą w punkcie połączenia, a następnie połączyć je drutem z metalowymi podkładkami diod (SMD) lub nogami (otwór przelotowy).

Kontakt, o którym mówisz, jest znany w branży jako kontakt omowy i jest ważnym i często trudnym aspektem metalurgii przetwarzania półprzewodników. Niektórzy powiedzieliby bardziej sztukę niż naukę, przynajmniej w praktyce.

Masz rację, że prosty styk metal-półprzewodnik tworzy złącze PN, ogólnie znane jako złącze Schottky'ego, i jest to niepożądane w przypadku połączenia półprzewodnika z przewodnikiem.

Aby obejść wrodzoną charakterystykę Schottky'ego połączeń półmetalicznych, po pierwsze zwykle półprzewodnik jest silnie domieszkowany w zamierzonym kontakcie, aby obszar zubożenia był bardzo mały. Oznacza to, że tunelowanie elektronów, a nie „normalna” fizyka połączeń, jest ważnym mechanizmem transportu elektronów w styku omowym.

Po drugie, określone metale kontaktowe, zwane metalami przejściowymi, osadzają się i stapiają w krzemie w podwyższonej temperaturze w obszarze styku, które dalej działają, tworząc dobry omowy kontakt z drutami wiążącymi, które ostatecznie są związane z kontaktem. Metale przejściowe są wysoce zależne od rodzaju półprzewodników, ale aluminium, tytan-wolfram i krzemki są powszechnie stosowane w półprzewodnikach krzemowych.