W jaki sposób prąd dostaje się do diody?

Myślę, że mniej więcej rozumiem, jak działa zwykła dioda półprzewodnikowa: kryształ domieszkowany inaczej w różnych regionach, wyczerpanie nośnika tam, gdzie się spotykają, bla bla bla.

Jednak rzeczywiste diody, z którymi buduje się obwody, nie kończą się kawałkami krzemu domieszkowanego n i domieszkowanym p. To małe ceramiczne / plastikowe opakowania z metalowymi wyprowadzeniami wychodzącymi z końców. Jakoś prąd musi przepłynąć między metalowymi przewodami i półprzewodnikiem w środku.

I jest problem. Jeśli dobrze rozumiem, metal powinien być ostatecznym materiałem n-nośnym - każdy atom w sieci przesyła co najmniej jeden elektron do pasma przewodzenia. Kiedy przyklejamy metalowy przewód do domieszkowanego p półprzewodnika, powinniśmy uzyskać inne złącze pn, takie, które idzie w niewłaściwym kierunku, aby płynął prąd przewodzący.

Jak to możliwe, że cały element i tak może działać w kierunku do przodu?

Czy to tylko kwestia uczynienia obszaru interfejsu krzemowo-metalowego tak dużym, że całkowity prąd upływu zwrotnego złącza p / metal jest większy niż prąd przewodzenia, który ma przewodzić cała dioda? (Wyobrażam sobie duże ilości drobno interigitowanego metalu i krzemu w przypadku amperowych prostowników). A może dzieje się coś jeszcze?

diodes semiconductors pn-junction

— Henning Makholm
źródło

Wierzę, że twoje zamieszanie wynika z tego, że traktujesz „dziury” tak samo jak elektrony. Musisz pamiętać, że w każdej chwili jedynymi poruszającymi się przedmiotami są elektrony! Kiedy elektron się porusza, wypełnia „dziurę”, a także tworzy „dziurę”. Najlepszym przykładem jest chińska gra w warcaby. Kulki to elektrony, a dziury na płytce to „dziury” w półprzewodniku. Gdy marmur porusza się do dziury, dziura „przesuwa się” tam, gdzie był elektron. Wydaje się, że brakuje wam również punktu, w którym połączenia metal z pół-złączami są w istocie połączeniami „omowymi”, a NIE połączeniami półprzewodnikowymi!

— Guill

@Guill: Chińska metafora warcabów dla dziur jest dobra dla uczniów i gospodyń domowych. W fizyce ciała stałego nie ma warcabów, nie ma przestrzennych „dziur”, a ruch cząstek kwantowych rozumiany jest jako ich pęd, a nie odejście od punktu A i przybycie do B.

— Incnis Mrsi

Odpowiedzi:

Istnieje rodzaj diody zwanej diodą Schottky'ego, która jest w zasadzie złączem metal-półprzewodnik, więc rodzi się pytanie, w jaki sposób tworzysz metalowy kontakt z dowolnym urządzeniem półprzewodnikowym, nie tylko diodą.

Odpowiedź leży w tym, dlaczego połączenie metal-pół wykazuje zachowanie diody w niektórych okolicznościach. Najpierw musimy szybko przyjrzeć się różnicy między półprzewodnikami metalowymi i typu n oraz typu p.

$\phi_m$

W przypadku półprzewodników pasma są nieco inne. Pośrodku jest przerwa, w której elektrony nie lubią być. Struktura jest podzielona na pasmo walencyjne, które zazwyczaj jest pełne elektronów, i pasmo przewodzące, które jest zwykle puste. W zależności od tego, ile półprzewodnika zostanie domieszkowane, średnia energia się zmieni. W typie n dodatkowe elektrony są dodawane do pasma przewodzenia, które przesuwa średnią energię w górę. W typie p elektrony są usuwane z pasma walencyjnego, przesuwając średnią energię w dół.

Kiedy masz dyskretne połączenie między regionem metalowym a półprzewodnikowym, w uproszczeniu powoduje to zgięcie struktury pasmowej. Pasma energii na krzywej półprzewodnikowej pasują do pasma metalu na skrzyżowaniu. Reguły są po prostu takie, że energie Fermiego muszą się zgadzać w całej strukturze, a poziom energii ucieczki musi się zgadzać na skrzyżowaniu. W zależności od tego, jak zginają się pasma, określa, czy tworzy się wbudowana bariera energetyczna (dioda).

Kontakt omowy za pomocą funkcji pracy

Jeśli metal ma wyższą funkcję roboczą niż półprzewodnik typu n, pasma półprzewodnika wyginają się w górę, aby go spełnić. Powoduje to, że dolna krawędź pasma przewodzącego podnosi się, powodując barierę potencjalną (diodę), którą należy pokonać, aby elektrony przepływały z pasma przewodzącego półprzewodnika do metalu.

I odwrotnie, jeśli metal ma niższą funkcję roboczą niż półprzewodnik typu n, pasma półprzewodnika wyginają się, aby go spełnić. Nie powoduje to żadnej bariery, ponieważ elektrony nie muszą zdobywać energii, aby dostać się do metalu.

W przypadku półprzewodnika typu p jest odwrotnie. Metal musi mieć wyższą funkcję pracy niż półprzewodnik, ponieważ w materiale typu p większość nośników to otwory w paśmie walencyjnym, więc elektrony muszą płynąć z metalu na zewnątrz do półprzewodnika.

Jednak ten typ kontaktu jest rzadko używany. Jak zauważyłeś w komentarzach, optymalny przepływ prądu jest przeciwny do tego, czego potrzebujemy w diodzie. Postanowiłem uwzględnić to dla kompletności i przyjrzeć się różnicy między strukturą czystego styku omowego a stykiem diodowym Schottky'ego.

Kontakt omowy za pomocą tunelowania

Najpopularniejszą metodą jest użycie formatu Schottky'ego (który tworzy barierę), ale zwiększenie bariery - brzmi dziwnie, ale to prawda. Gdy powiększysz barierę, staje się ona cieńsza. Gdy bariera jest wystarczająco cienka, przejmują ją efekty kwantowe. Elektrony mogą w zasadzie tunelować przez barierę, a złącze traci swoje zachowanie diodowe. W rezultacie tworzymy teraz kontakt omowy.

Gdy elektrony będą w stanie tunelować w dużych ilościach, bariera zasadniczo staje się niczym więcej niż ścieżką oporową. Elektrony mogą tunelować w obie strony przez barierę, tj. Z metalu na pół lub z pół na metal.

Bariera jest podwyższana przez silniejsze domieszkowanie półprzewodnika w obszarze wokół styku, co zmusza do większego zgięcia pasm, ponieważ różnica w poziomie Fermiego między metalem a półprzewodnikiem staje się większa. To z kolei powoduje zwężenie bariery.

To samo można zrobić z typem P. Tunelowanie odbywa się przez barierę w paśmie walencyjnym.

Po uzyskaniu połączenia omowego z półprzewodnikiem, możesz po prostu osadzić metalową podkładkę łączącą w punkcie połączenia, a następnie połączyć je drutem z metalowymi podkładkami diod (SMD) lub nogami (otwór przelotowy).

— Tom Carpenter
źródło

Mogę się tu pomylić, ale czy nie odwróciłeś kierunku przepływu elektronów? W kierunku do przodu, prąd przepływa przez główny skrzyżowania z regionu typu p na tym obszarze typu n (pole elektryczne popycha obydwa rodzaje nośników do węzła, gdzie mogą unicestwienia), co oznacza, że elektrony wypływającej w w innym kierunku: od krzemu typu p do przymocowanego metalowego ołowiu.

— Henning Makholm

@HenningMakholm w diodzie, tak, elektrony będą płynąć z typu N do typu P. Teraz, gdy dodałem diagramy, wszystko powinno być trochę jaśniejsze. Jeśli elektrony przepływają z N do P, musi płynąć z metalu do półprzewodnika typu N, a z typu P do metalu. Jest to możliwe przy użyciu metody tunelowania barierowego, ponieważ prąd może przepływać przez barierę w obie strony.

— Tom Carpenter,

x @ Tom, nie, wciąż jestem zdezorientowany. Piszesz „w materiale typu p większość nośników to dziury w paśmie walencyjnym, więc elektrony muszą płynąć z metalu na półprzewodnik” - ale w diodzie z tendencją do przodu koniec z materiałem typu p jest ten, w którym chcemy, aby elektrony wpływały do metalowego ołowiu i oddalały się w kierunku reszty obwodu.

— Henning Makholm

@HenningMakholm Próbowałem trochę wyjaśnić odpowiedź. Kontakt czysto omowy jest rzadko używany z powodów, które wyróżniasz - w przypadku diody potrzebujemy prądu przepływającego w drugą stronę. Ale chciałem to załączyć dla kompletności. W przypadku ogniwa słonecznego (rodzaj diody) prąd płynie w drugą stronę, więc zastosowanie ma pierwszy rodzaj kontaktu.

— Tom Carpenter,

Hmm, więc ostatni z twoich diagramów „Metal do P + półzłącze” to sytuacja, która mnie interesuje. A jeśli teraz rozumiem wszystko poprawnie, chodzi o to, że tylko niewielkie obniżenie potencjału w krzemie wzrośnie poziomy energii wszystkich elektronów tam, tak że górna część pasma walencyjnego kończy się powyżej czerwonych linii. Następnie niektóre elektrony z pasma walencyjnego w P + mogą tunelować do niezajętych stanów w metalu, pozostawiając dziury, które można następnie odessać w prawo. Czy to w porządku?

— Henning Makholm

Kontakt, o którym mówisz, jest znany w branży jako kontakt omowy i jest ważnym i często trudnym aspektem metalurgii przetwarzania półprzewodników. Niektórzy powiedzieliby bardziej sztukę niż naukę, przynajmniej w praktyce.

Masz rację, że prosty styk metal-półprzewodnik tworzy złącze PN, ogólnie znane jako złącze Schottky'ego, i jest to niepożądane w przypadku połączenia półprzewodnika z przewodnikiem.

Aby obejść wrodzoną charakterystykę Schottky'ego połączeń półmetalicznych, po pierwsze zwykle półprzewodnik jest silnie domieszkowany w zamierzonym kontakcie, aby obszar zubożenia był bardzo mały. Oznacza to, że tunelowanie elektronów, a nie „normalna” fizyka połączeń, jest ważnym mechanizmem transportu elektronów w styku omowym.

Po drugie, określone metale kontaktowe, zwane metalami przejściowymi, osadzają się i stapiają w krzemie w podwyższonej temperaturze w obszarze styku, które dalej działają, tworząc dobry omowy kontakt z drutami wiążącymi, które ostatecznie są związane z kontaktem. Metale przejściowe są wysoce zależne od rodzaju półprzewodników, ale aluminium, tytan-wolfram i krzemki są powszechnie stosowane w półprzewodnikach krzemowych.

— AndyW
źródło

Próbuję zobaczyć, jak tunelowanie elektronów pomogłoby na końcu anody, ale zawiodło. Musimy stały strumień elektronów płynących stąd do metalu, ale w półprzewodnika typu p nie istnieją wolne elektrony, które mogłyby tunel w dowolnym miejscu. Jeśli elektron walencyjny w półprzewodniku typu p decyduje się na tunelowanie w metalu, to czy nie tylko wytwarzanie pary termicznej jest zwykle odpowiedzialne za prąd zwrotny? Myślałem, że to część „normalnej fizyki połączeń”.

— Henning Makholm

@Henning Makholm: Nie ma znaczenia, czy elektron opuszcza półprzewodnik z pasma przewodzenia (praktycznie pusty w typie p ), czy z (górnego) pasma walencyjnego.

— Incnis Mrsi