Как ток попадает в диод?

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?

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.

$\phi_m$

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

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.

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

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.

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).

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.