Wie gelangt Strom in eine Diode?

Ich glaube, ich verstehe mehr oder weniger, wie eine gewöhnliche Halbleiterdiode funktioniert: Kristall in verschiedenen Regionen unterschiedlich dotiert, Trägerentleerung dort, wo sie sich treffen, bla bla bla.

Jedoch tatsächliche Dioden , die bauen Schaltungen mit nicht mit Bits von n-dotierten und p-dotierten Silizium - Ende. Es sind kleine Keramik- / Plastikverpackungen , aus deren Enden Metalldrähte herausragen. Irgendwie muss der Strom zwischen diesen Metallleitungen und dem Halbleiter im Inneren fließen.

Und es gibt ein Problem. Wenn ich die Dinge richtig verstehe, sollte ein Metall das ultimative n-Trägermaterial sein - jedes Atom im Gitter trägt mindestens ein Elektron zu einem Leitungsband bei. Wenn wir ein Metallkabel auf das p-dotierte Ende des Halbleiters kleben, sollten wir einen anderen pn-Übergang erhalten, der in die falsche Richtung verläuft, damit der Durchlassstrom fließt.

Wie kommt es, dass die gesamte Komponente überhaupt in Vorwärtsrichtung leiten kann?

Geht es nur darum, die Fläche der Silizium-Metall-Grenzfläche so groß zu machen, dass der gesamte Sperrstrom des p / Metall-Übergangs größer ist als der Durchlassstrom, den die gesamte Diode führen soll? (Ich stelle mir große Mengen von fein ineinandergreifendem Metall und Silizium für Gleichrichter mit mehreren Ampere vor). Oder ist noch etwas los?

Es gibt eine Art von Diode, die als Schottky-Diode bezeichnet wird und im Grunde ein Metall-Halbleiter-Übergang ist. Daher stellt sich die Frage, wie Sie einen Metallkontakt mit einem Halbleiterbauelement und nicht nur mit einer Diode herstellen.

Die Antwort liegt darin, warum ein Metall-Semi-Übergang unter bestimmten Umständen ein Diodenverhalten aufweist. Zuerst müssen wir uns schnell den Unterschied zwischen Metall- und n- und p-Halbleitern ansehen.

Metalle sind ein kontinuierliches Band von Elektronenzuständen. Elektronen bevorzugen es, sich in den niedrigeren Zuständen zu befinden, daher ist dies mit der schattierten braunen Region dargestellt. Die rote Linie zeigt das durchschnittliche Energieniveau (Fermi-Niveau) an, das im Metall im Grunde genommen so "voll" ist wie mit Elektronen. Es gibt dann eine Fluchtenergie, bei der Elektronen nicht mehr an die Struktur gebunden sind - sie werden frei. Dies wird als die Arbeitsfunktion .$\phi_m$

Bei Halbleitern sind die Bänder etwas anders. Es gibt eine Lücke in der Mitte, in der Elektronen nicht gerne sind. Die Struktur ist in das Valenzband, das typischerweise mit Elektronen gefüllt ist, und das Leitungsband, das typischerweise leer ist, aufgeteilt. Je nachdem, wie stark der Halbleiter dotiert wird, ändert sich die durchschnittliche Energie. Beim n-Typ werden dem Leitungsband zusätzliche Elektronen hinzugefügt, wodurch die durchschnittliche Energie nach oben bewegt wird. Beim p-Typ werden Elektronen aus dem Valenzband entfernt, wodurch die durchschnittliche Energie nach unten verschoben wird.

Wenn Sie einen diskreten Übergang zwischen den Metall- und Halbleiterbereichen haben, führt dies vereinfacht gesagt zu einer Biegung der Bandstruktur. Die Energiebänder in der Halbleiterkurve stimmen mit denen des Metalls an der Verbindungsstelle überein. Die Regeln sind einfach, dass die Fermi-Energien über die Struktur hinweg übereinstimmen müssen und dass das Fluchtenergieniveau an der Verbindungsstelle übereinstimmen muss. Abhängig davon, wie sich die Bänder biegen, wird bestimmt, ob sich eine eingebaute Energiebarriere (eine Diode) bildet.

Ohmscher Kontakt mit Arbeitsfunktion

Wenn das Metall eine höhere Austrittsarbeit als ein n-Halbleiter hat, biegen sich die Bänder des Halbleiters nach oben, um ihn zu treffen. Dadurch steigt die untere Kante des Leitungsbandes an und es entsteht eine Potentialbarriere (Diode), die überwunden werden muss, damit Elektronen aus dem Leitungsband des Halbleiters in das Metall fließen können.

Umgekehrt, wenn das Metall eine geringere Austrittsarbeit als der Halbleiter vom n-Typ hat, biegen sich die Bänder des Halbleiters nach unten, um ihn zu treffen. Dies führt zu keiner Barriere, da Elektronen keine Energie gewinnen müssen, um in das Metall zu gelangen.

Für einen p-Halbleiter ist das Gegenteil der Fall. Das Metall muss eine höhere Austrittsarbeit als der Halbleiter haben, da in einem p-Typ-Material die Majoritätsträger Löcher im Valenzband sind, sodass Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen müssen.

Diese Art von Kontakt wird jedoch selten verwendet. Wie Sie in den Kommentaren hervorheben, ist der optimale Stromfluss das Gegenteil von dem, was wir in der Diode benötigen. Ich habe mich der Vollständigkeit halber dafür entschieden, den Unterschied zwischen der Struktur eines reinen Ohmschen Kontakts und eines Schottky-Diodenkontakts zu untersuchen.

Ohmscher Kontakt durch Tunneln

Die üblichere Methode ist, das Schottky-Format (das eine Barriere bildet) zu verwenden, die Barriere jedoch zu vergrößern - klingt seltsam, ist aber wahr. Wenn Sie die Barriere vergrößern, wird sie dünner. Wenn die Barriere dünn genug ist, übernehmen Quanteneffekte. Die Elektronen können grundsätzlich durch die Barriere tunneln und der Übergang verliert sein Diodenverhalten. Infolgedessen bilden wir jetzt einen Ohmschen Kontakt.

Sobald Elektronen in großer Zahl tunneln können, wird die Barriere im Grunde genommen nur noch zu einem Widerstandspfad. Elektronen können in beide Richtungen durch die Barriere tunneln, dh von Metall zu Halbmetall oder von Halbmetall zu Halbmetall.

Die Barriere wird durch stärkeres Dotieren des Halbleiters im Bereich um den Kontakt erhöht, wodurch die Biegung in den Bändern größer wird, da der Unterschied im Fermi-Niveau zwischen dem Metall und dem Halbleiter größer wird. Dies führt wiederum zu einer Verengung der Barriere.

Das gleiche kann mit einem P-Typ gemacht werden. Das Tunneln erfolgt durch die Barriere im Valenzband.

Sobald Sie eine Ohmsche Verbindung zum Halbleiter hergestellt haben, können Sie einfach ein Metall-Bondpad auf den Verbindungspunkt aufbringen und diese dann mit den Dioden-Metallpads (SMD) oder den Beinen (Durchgangsloch) verbinden.

Der Kontakt, auf den Sie sich beziehen, ist in der Branche als ohmscher Kontakt bekannt und eine wichtige und oft schwierige Facette der Halbleiter-Metallurgie. Einige würden eher eine Kunst als eine Wissenschaft sagen, zumindest in der Praxis.

Sie haben Recht, dass ein einfacher Metall-Halbleiter-Kontakt einen PN-Übergang bildet, der allgemein als Schottky-Übergang bekannt ist, und das ist an einer Halbleiter-Leiter-Grenzfläche unerwünscht.

Um die inhärente Schottky-Natur von Halbmetall-Übergängen zu umgehen, wird zunächst üblicherweise der Halbleiter bei dem beabsichtigten Kontakt stark dotiert, um den Verarmungsbereich sehr klein zu halten. Dies bedeutet, dass Elektronentunnelung und nicht "normale" Übergangsphysik der wichtige Elektronentransportmechanismus bei einem ohmschen Kontakt ist.

Zweitens werden spezifische Kontaktmetalle, sogenannte Übergangsmetalle, abgeschieden und bei erhöhten Temperaturen in das Silizium an der Kontaktfläche legiert, wodurch ferner ein guter ohmscher Kontakt mit den Bonddrähten gebildet wird, die letztendlich an den Kontakt gebunden werden. Die Übergangsmetalle hängen stark von der Art des Halbleiters ab, für Siliziumhalbleiter werden jedoch üblicherweise Aluminium, Titan-Wolfram und Silizide verwendet.