Як струм потрапляє в діод?

Я думаю, я розумію більш-менш, як працює звичайний напівпровідниковий діод: Кристал легований по-різному в різних регіонах, виснаження носіїв там, де вони зустрічаються, бла-бла-бла.

Однак фактичні діоди, з якими побудовані схеми, не закінчуються бітами з легованого n-легованого і p-легованого кремнію. Це маленькі керамічні / пластикові пакети з металевими відводами, що виходять з торців. Якимсь чином струм повинен проходити між тими металевими проводами і напівпровідником всередині.

І є проблема. Якщо я правильно розумію, метал повинен бути головним матеріалом n-носія - кожен атом у ґратці вносить принаймні один електрон в зону провідності. Коли ми приклеюємо металевий провід на p-легований кінець напівпровідника, нам слід отримати інший pn-перехід, той, який йде в неправильному напрямку для течії прямого струму.

Як же весь компонент може вестись у прямому напрямку?

Це лише питання про те, щоб зробити площа інтерфейсу кремній-метал настільки великою, що загальний зворотний струм витоку з'єднання p / метал більший, ніж прямий струм, який ми хочемо провести на весь діод? (Я уявляю великі обсяги тонко переподіленого металу та кремнію для багатоамперних випрямлячів). Або відбувається щось інше?

Існує тип діода, який називається діодом Шоткі, який в основному є сполукою метал-напівпровідник, тому виникає питання, як ви утворюєте контакт металу з будь-яким напівпровідниковим пристроєм, а не просто діодом.

Відповідь полягає в тому, чому в певних обставинах металевий напівперехід виявляє діодну поведінку. Спочатку нам потрібно швидко розглянути різницю між металевими напівпровідниками n та типу n та p.

$\phi_m$

Для напівпровідників смуги трохи відрізняються. В середині є розрив, де електрони не люблять бути. Структура розбита на валентну зону, яка зазвичай повна електронів, і зону провідності, яка зазвичай порожня. Залежно від того, скільки напівпровідник легується, середня енергія буде змінюватися. У n-типі додаткові електрони додаються до зони провідності, яка переміщує середню енергію вгору. У р-типу електрони віддаляються з валентної зони, переміщуючи середню енергію вниз.

Якщо у вас дискретний з’єднання між металевою та напівпровідниковою областями, це спрощено, викликає згинання структури смуги. Енергетичні смуги в напівпровідниковій кривій відповідають рівням металу на стику. Правила полягають у тому, що енергії Фермі повинні відповідати всій структурі, а рівень енергії втечі повинен відповідати на стику. Залежно від того, як згинаються смуги, визначатиметься, чи утворюється вбудований енергетичний бар'єр (діод).

Омічний контакт за допомогою робочої функції

Якщо метал має більш високу робочу функцію, ніж напівпровідник n-типу, смуги напівпровідника нахиляються вгору, щоб зустріти його. Це призводить до того, що нижній край зони провідності піднімається вгору, викликаючи потенційний бар'єр (діод), який необхідно подолати, щоб електрони витікали з зони провідності напівпровідника в метал.

І навпаки, якщо метал має нижчу робочу функцію, ніж напівпровідник n-типу, смуги напівпровідника нахиляються до нього назустріч. Це не створює бар'єру, оскільки електронам не потрібно отримувати енергію, щоб потрапити в метал.

Для напівпровідника типу p має місце навпаки. Метал повинен мати більш високу робочу функцію, ніж напівпровідник, оскільки в матеріалі p типу більшість носіїв є отворами у валентній смузі, тому електрони повинні витікати з металу у напівпровідник.

Однак такий тип контактів використовується рідко. Як ви вказуєте в коментарях, оптимальний струм струму - це протилежне тому, що нам потрібно в діоді. Я вирішив включити його для повноти та розглянути різницю між будовою чистого омічного контакту і діодом Шоткі.

Омічний контакт за допомогою тунелювання

Більш поширеним методом є використання формату Шоткі (який утворює бар'єр), але зробити бар'єр більшим - звучить дивно, але це правда. Коли бар'єр зростає, він стає тоншим. Коли бар'єр досить тонкий, квантові ефекти переймають. Електрони можуть, в основному, тунелюватися через бар’єр, а перехід втрачає діодну поведінку. В результаті ми тепер формуємо омічний контакт.

Як тільки електрони здатні тунелювати у великій кількості, бар'єр в основному стає не більше, ніж резистивним шляхом. Електрони можуть тунелювати обома шляхами через бар'єр, тобто від металу до напівфабрикату або від напівметалу до металу.

Бар'єр стає вищим за рахунок більш сильного легування напівпровідника в області навколо контакту, що змушує вигин в смугах бути більшим, оскільки різниця рівня Фермі між металом і напівпровідником збільшується. Це в свою чергу призводить до звуження бар'єру.

Те ж саме можна зробити і з P-типом. Тунелювання відбувається через бар'єр у валентній смузі.

Щойно у вас є омічне з'єднання з напівпровідником, ви можете просто нанести металевий наконечник на точку з'єднання, а потім приєднати їх до металевих колодок діодів (SMD) або ніжок (наскрізний отвір).

Контакт, про який ви посилаєтесь, відомий як омічний контакт у промисловості, і є важливим і часто складним аспектом металургії обробки напівпровідникової галузі. Дехто сказав би більше мистецтво, ніж наука, принаймні на практиці.

Ви маєте рацію, що простий контакт метал-напівпровідник утворює PN-перехід, загалом відомий як з'єднання Шоткі, і це небажано в інтерфейсі напівпровідника до провідника.

Щоб обійти властиву Шоткі природі напівметалевих з'єднань, спочатку зазвичай напівпровідник сильно легований на передбачуваному контакті, щоб зберегти область виснаження дуже маленькою. Це означає, що тунелювання електронів, а не «нормальна» фізика сполук, є важливим механізмом транспортування електронів в омічному контакті.

По-друге, специфічні контактні метали, які називаються перехідними металами, осаджуються і легуються при підвищених температурах в кремній в зоні контакту, які надалі діють для формування хорошого омічного контакту з провідними зв'язками, які в кінцевому рахунку приєднані до контакту. Перехідні метали сильно залежать від типу напівпровідника, але алюміній, титан-вольфрам і силіциди зазвичай використовуються для кремнієвих напівпровідників.