Как ток попадает в диод?

36

Мне кажется, я более или менее понимаю, как работает обычный полупроводниковый диод: кристаллы легируют по-разному в разных областях, истощение носителей в местах их встречи, бла-бла-бла.

Однако фактические диоды, на которых строятся схемы, не заканчиваются битами n-легированного и p-легированного кремния. Это маленькие керамические / пластиковые пакеты с металлическими выводами на концах. Каким-то образом ток должен проходить между этими металлическими выводами и полупроводником внутри.

И есть проблема. Если я правильно понимаю вещи, металл должен быть основным материалом n-носителя - каждый атом в решетке вносит по крайней мере один электрон в зону проводимости. Когда мы прикрепляем металлический провод к p-легированному концу полупроводника, мы должны получить другой pn-переход, который идет в неправильном направлении для протекания прямого тока.

Почему весь компонент может вести в прямом направлении в любом случае?

Является ли это просто деланием области интерфейса кремний-металл настолько большой, чтобы общий обратный ток утечки p / металлического перехода был больше, чем прямой ток, который мы хотим, чтобы весь диод переносил? (Я представляю большие объемы тонко перемешанного металла и кремния для многоамперных выпрямителей). Или что-то еще происходит?

Хеннинг махолм
источник
Я полагаю, что ваше замешательство связано с тем, что вы относитесь к «дырам» так же, как к электронам. Вы должны помнить, что в любое время движутся только электроны! Когда электрон движется, он заполняет «дыру», а также создает «дыру». Лучший пример - игра в китайские шашки. Мрамор - это электроны, а отверстия на плате - это «дыры» в полупроводнике. Когда мрамор движется в дыру, дыра «движется» туда, где находился электрон. Вы также, кажется, упускаете из виду тот факт, что переходы металл-полу-соединение - это, по сути, "омические" соединения, а не полупроводниковые соединения!
Guill
@Guill: метафора китайских шашек для дырок хороша для школьников и домохозяек. В физике твердого тела нет шашек, нет пространственных «дырок», и движение квантовых частиц понимается как их импульс, а не вылет из точки А и прибытие в Б.
Incnis Mrsi

Ответы:

30

Существует тип диода, называемого диодом Шоттки, который в основном представляет собой переход металл-полупроводник, поэтому возникает вопрос, как вы формируете металлический контакт с любым полупроводниковым устройством, а не просто с диодом.

Ответ заключается в том, почему в некоторых обстоятельствах металл-полупереход демонстрирует поведение диода. Во-первых, нам нужно быстро взглянуть на разницу между металлом и полупроводниками n-типа и p-типа.

Металлические и полупроводниковые зонные структуры

φм

Для полупроводников полосы немного отличаются. В середине есть промежуток, где электроны не любят быть. Структура разбита на валентную зону, которая обычно полна электронов, и зону проводимости, которая обычно пуста. В зависимости от степени легирования полупроводника, средняя энергия изменится. В n-типе дополнительные электроны добавляются в зону проводимости, что увеличивает среднюю энергию. В р-типе электроны удаляются из валентной зоны, сдвигая среднюю энергию вниз.

Когда у вас есть дискретное соединение между областями металла и полупроводника, в упрощенном виде это вызывает изгиб зонной структуры. Энергетические зоны на кривой полупроводника совпадают с полосами металла на стыке. Правила состоят в том, что энергии Ферми должны совпадать по всей структуре, а уровень энергии побега должен совпадать на стыке. В зависимости от того, как изгибаются полосы, будет определяться, формируется ли встроенный энергетический барьер (диод).


Омический контакт с использованием рабочей функции

Металлический переход N-типа

Если металл имеет более высокую работу выхода, чем полупроводник n-типа, полосы полупроводника изгибаются вверх, чтобы встретить его. Это приводит к тому, что нижний край зоны проводимости поднимается вверх, вызывая потенциальный барьер (диод), который необходимо преодолеть, чтобы электроны могли вытекать из зоны проводимости полупроводника в металл.

И наоборот, если металл имеет более низкую работу выхода, чем полупроводник n-типа, полосы полупроводника наклоняются, чтобы встретить его. Это не создает барьера, потому что электроны не должны получать энергию, чтобы попасть в металл.

Металлический переход P-типа

Для полупроводника p-типа верно обратное. Металл должен иметь более высокую работу выхода, чем полупроводник, потому что в материале p-типа основными носителями являются дырки в валентной зоне, поэтому электроны должны вытекать из металла в полупроводник.

Однако этот тип контакта используется редко. Как вы указываете в комментариях, оптимальный поток тока противоположен тому, что нам нужно в диоде. Я решил включить его для полноты и посмотреть на разницу между структурой чистого омического контакта и диодного контакта Шоттки.


Омический контакт с использованием туннелирования

Туннелирование в N + Metal Junction

Более распространенным методом является использование формата Шоттки (который формирует барьер), но для увеличения барьера - звучит странно, но это правда. Когда вы увеличиваете барьер, он становится тоньше. Когда барьер достаточно тонкий, квантовые эффекты вступают во владение. Электроны могут в основном туннелировать через барьер, и соединение теряет свое диодное поведение. В результате мы теперь формируем омический контакт.

Как только электроны могут туннелировать в больших количествах, барьер в основном становится не чем иным, как резистивным путем. Электроны могут проходить через барьер в обоих направлениях, то есть от металла к полу или от полу к металлу.

Барьер повышается за счет более сильного легирования полупроводника в области вокруг контакта, что приводит к увеличению изгиба в полосах, поскольку разница в уровне Ферми между металлом и полупроводником становится больше. Это в свою очередь приводит к сужению барьера.

Туннелирование в P + Metal Junction

То же самое можно сделать с P-типом. Туннелирование происходит через барьер в валентной зоне.


Если у вас есть омическое соединение с полупроводником, вы можете просто положить металлическую контактную площадку на точку подключения, а затем соединить ее проводом с металлическими контактными площадками диодов (SMD) или ножками (сквозное отверстие).

Том Карпентер
источник
Я могу быть смущен здесь, но разве вы не изменили направление потока электронов? В прямом направлении, ток протекает через основную стыке из области р-типа к области п-типа (электрическое поле толкает оба вида носителей в стык, где они могут уничтожить), что означает , что электроны должны протекать в другое направление: из кремния р-типа в металлический свинец.
Хеннинг Махолм
@ HenningMakholm в диоде, да, электроны будут течь от N-типа к P-типу. Теперь, когда я добавил диаграммы, все должно быть немного яснее. Если электроны текут от N к P, они должны течь от металла к полупроводнику N-типа и от P-типа к металлу. Это возможно при использовании метода туннельного барьера, поскольку ток может проходить через барьер в обоих направлениях.
Том Карпентер
x @ Том, нет, я все еще в замешательстве. Вы пишете «в материале p-типа большинство носителей - это дырки в валентной зоне, поэтому электроны должны вытекать из металла в полупроводник», но в диоде с прямым смещением конец материала p-типа тот, где мы хотим, чтобы электроны текли в металлический провод и уходили к остальной части цепи.
Хеннинг Махолм
@HenningMakholm Я попытался уточнить ответ немного больше. Чистый омический контакт редко используется по причинам, которые вы выделяете - в случае диода нам нужен ток, чтобы течь другим путем. Но я хотел включить это для полноты. В случае солнечного элемента (типа диода) ток протекает в другом направлении, поэтому применим первый тип контакта.
Том Карпентер
Хм, так что последняя из ваших диаграмм, «Металл в P + Полу-соединение», представляет собой ситуацию, в которой я заинтересован. И если я теперь правильно понимаю вещи, дело в том, что лишь небольшое снижение потенциала в кремнии повысит энергетические уровни всех электронов там, так что верхняя часть валентной зоны заканчивается выше красных линий. Тогда некоторые из электронов валентной зоны в P + могут туннелировать в незанятые состояния в металле, оставляя дыры, которые затем могут быть отсосаны вправо. Это примерно так?
Хеннинг Махолм
11

Контакт, на который вы ссылаетесь, известен в промышленности как омический контакт и является важным и часто трудным аспектом металлургии обработки полупроводников. Кто-то скажет больше искусство, чем наука, по крайней мере, на практике.

Вы правы, что простой контакт металл-полупроводник образует PN-переход, обычно известный как переход Шоттки, и это нежелательно на границе раздела полупроводник-проводник.

Чтобы обойти природу Шоттки, характерную для полупроводниковых переходов, вначале обычно полупроводник сильно легирован на предполагаемом контакте, чтобы область обеднения была очень маленькой. Это означает, что туннелирование электронов, а не физика "нормального" перехода, является важным механизмом переноса электронов в омическом контакте.

Во-вторых, конкретные контактные металлы, называемые переходными металлами, осаждаются и легируются при повышенных температурах в кремний в области контакта, которые дополнительно образуют хороший омический контакт со связующими проводами, которые в конечном итоге связаны с контактом. Переходные металлы сильно зависят от типа полупроводника, но алюминий, титан-вольфрам и силициды обычно используются для кремниевых полупроводников.

AndyW
источник
Я пытаюсь понять, как электронное туннелирование может помочь в конце анода, но не удается. Нам нужен постоянный поток электронов , проходящих прочь в металл, а в р-типа полупроводник нет свободных электронов , которые могли бы туннель в любом месте. Если валентный электрон в полупроводнике p-типа решает туннелировать в металл, разве это не просто рождение тепловых пар, которое обычно отвечает за обратный ток? Я думал, что это было частью "нормальной физики соединений".
Хеннинг Махолм
@Henning Makholm: Это не важно , отходит ли электрон полупроводник из зоны проводимости (практически пустой в р типе) или из (верхней) валентной зоны.
Incnis Mrsi