Come entra la corrente in un diodo?

Penso di capire più o meno come funziona un normale diodo a semiconduttore: il cristallo drogato in modo diverso nelle diverse regioni, l'esaurimento del vettore dove si incontrano, bla bla bla.

Tuttavia, i diodi reali con cui si costruiscono i circuiti non finiscono con frammenti di silicio n-drogato e p-drogato. Sono piccoli pacchetti di ceramica / plastica con cavi metallici che escono dalle estremità. In qualche modo la corrente deve passare tra quei cavi metallici e il semiconduttore all'interno.

E c'è un problema. Se capisco le cose correttamente, un metallo dovrebbe essere il materiale n-carrier finale - ogni atomo nel reticolo contribuisce almeno un elettrone a una banda di conduzione. Quando attacciamo un piombo metallico sull'estremità drogata con p del semiconduttore, dovremmo ottenere un'altra giunzione pn, che va nella direzione sbagliata per far fluire la corrente diretta.

Come mai l'intero componente può condurre in avanti?

È solo una questione di rendere l'area dell'interfaccia silicio-metallo così grande che la corrente di dispersione inversa totale della giunzione p / metal sia maggiore della corrente diretta che vogliamo trasportare l'intero diodo? (Sto immaginando grandi volumi di metallo e silicio finemente interdigitati per raddrizzatori multi-ampere). O sta succedendo qualcos'altro?

Esiste un tipo di diodo chiamato diodo Schottky, che è fondamentalmente una giunzione metallo-semiconduttore, quindi solleva la questione: come si forma un contatto metallico con qualsiasi dispositivo a semiconduttore, non solo un diodo.

La risposta sta nel motivo per cui una giunzione metallo-semi presenta comportamenti a diodi in alcune circostanze. Per prima cosa dobbiamo esaminare rapidamente la differenza tra semiconduttori di metallo e tipo n e tipo p.

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Per i semiconduttori, le bande sono leggermente diverse. C'è una lacuna nel mezzo in cui agli elettroni non piace essere. La struttura è divisa nella banda di valenza che è tipicamente piena di elettroni e la banda di conduzione che è tipicamente vuota. A seconda di quanto viene drogato il semiconduttore, l'energia media cambierà. Nel tipo n, vengono aggiunti elettroni aggiuntivi alla banda di conduzione che sposta l'energia media verso l'alto. Nel tipo p gli elettroni vengono rimossi dalla banda di valenza, spostando l'energia media verso il basso.

Quando si ha una giunzione discreta tra le regioni del metallo e dei semiconduttori, in termini semplicistici provoca la flessione della struttura della banda. Le bande di energia nella curva dei semiconduttori corrispondono a quelle del metallo alla giunzione. Le regole sono semplicemente che le energie di Fermi devono combaciare attraverso la struttura e che il livello di energia di fuga deve corrispondere alla giunzione. A seconda di come si piegano le bande determinerà se si forma una barriera di energia integrata (un diodo).

Contatto ohmico tramite la funzione Lavoro

Se il metallo ha una funzione di lavoro superiore rispetto a un semiconduttore di tipo n, le bande del semiconduttore si piegano verso l'alto per incontrarlo. Questo fa sì che il bordo inferiore della banda di conduzione si sollevi causando una potenziale barriera (diodo) che deve essere superata per consentire agli elettroni di fluire dalla banda di conduzione del semiconduttore nel metallo.

Viceversa se il metallo ha una funzione di lavoro inferiore rispetto al semiconduttore di tipo n, le bande del semiconduttore si piegano verso il basso per incontrarlo. Ciò non comporta alcuna barriera poiché gli elettroni non hanno bisogno di guadagnare energia per entrare nel metallo.

Per un semiconduttore di tipo p, è vero il contrario. Il metallo deve avere una funzione di lavoro superiore rispetto al semiconduttore poiché in un materiale di tipo p i portatori di maggioranza sono fori nella banda di valenza, quindi gli elettroni devono fluire dal metallo verso il semiconduttore.

Tuttavia, questo tipo di contatto viene utilizzato raramente. Come sottolineato nei commenti, il flusso di corrente ottimale è l'opposto di quello di cui abbiamo bisogno nel diodo. Ho scelto di includerlo per completezza e di esaminare la differenza tra la struttura di un contatto ohmico puro e un contatto a diodi Schottky.

Contatto ohmico tramite tunneling

Il metodo più comune è usare il formato Schottky (che forma una barriera), ma per allargare la barriera - sembra strano, ma è vero. Quando allarghi la barriera, diventa più sottile. Quando la barriera è abbastanza sottile, gli effetti quantistici prendono il sopravvento. Gli elettroni possono fondamentalmente attraversare il tunnel attraverso la barriera e la giunzione perde il suo comportamento a diodi. Di conseguenza, formiamo ora un contatto ohmico.

Una volta che gli elettroni sono in grado di scavare in tunnel in gran numero, la barriera diventa sostanzialmente nient'altro che un percorso resistivo. Gli elettroni possono scavare in entrambi i modi attraverso la barriera, cioè dal metallo al semi o dal semi al metallo.

La barriera è resa più alta drogando più pesantemente il semiconduttore nella regione intorno al contatto che forza la curvatura nelle bande per aumentare perché la differenza nel livello di Fermi tra il metallo e il semiconduttore aumenta. Questo a sua volta provoca un restringimento della barriera.

Lo stesso può essere fatto con un tipo P. Il tunneling avviene attraverso la barriera nella banda di valenza.

Una volta che hai una connessione Ohmic con il semiconduttore, puoi semplicemente depositare un pad di legame metallico sul punto di connessione, quindi collegare i fili ai pad di diodi metallici (SMD) o alle gambe (foro passante).

Il contatto a cui ti riferisci è noto come contatto ohmico nel settore ed è un aspetto importante e spesso difficile della metallurgia di elaborazione dei semiconduttori. Alcuni direbbero più un'arte che una scienza, almeno nella pratica.

Hai ragione sul fatto che un semplice contatto metallo-semiconduttore forma una giunzione PN, generalmente nota come giunzione Schottky, e che è indesiderabile in un'interfaccia da semiconduttore a conduttore.

Per aggirare la natura intrinseca di Schottky delle giunzioni semi-metallo, in primo luogo di solito il semiconduttore è pesantemente drogato al contatto previsto, per mantenere la regione di impoverimento molto piccola. Ciò significa che il tunneling di elettroni, piuttosto che la fisica di giunzione "normale" è l'importante meccanismo di trasporto degli elettroni in un contatto ohmico.

In secondo luogo, specifici metalli di contatto, chiamati metalli di transizione, vengono depositati e legati a temperature elevate nel silicio nell'area di contatto, che agiscono ulteriormente per formare un buon contatto ohmico con i fili di legame che alla fine vengono legati al contatto. I metalli di transizione dipendono fortemente dal tipo di semiconduttore, ma alluminio, titanio-tungsteno e silicidi sono comunemente usati per i semiconduttori al silicio.