¿Cómo entra la corriente en un diodo?

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Creo que entiendo más o menos cómo funciona un diodo semiconductor ordinario: Crystal dopado de manera diferente en diferentes regiones, agotamiento de portadores donde se encuentran, bla bla bla.

Sin embargo, los diodos reales con los que uno construye circuitos no terminan con bits de silicio dopado n y dopado p. Son pequeños paquetes de cerámica / plástico con cables de metal que salen de los extremos. De alguna manera, la corriente necesita pasar entre esos cables metálicos y el semiconductor interno.

Y hay un problema. Si entiendo las cosas correctamente, un metal debería ser el último material de soporte n: cada átomo en la red contribuye al menos un electrón a una banda de conducción. Cuando pegamos un cable de metal en el extremo dopado p del semiconductor, debemos obtener otra unión pn, una que vaya en la dirección incorrecta para que fluya la corriente directa.

¿Cómo es que el componente completo puede conducir en la dirección hacia adelante de todos modos?

¿Es solo una cuestión de hacer que el área de la interfaz de silicio-metal sea tan grande que la corriente de fuga inversa total de la unión p / metal sea mayor que la corriente directa que queremos que transporte todo el diodo? (Estoy imaginando grandes volúmenes de metal y silicio finamente interdigitados para rectificadores de múltiples amperios). ¿O hay alguna otra cosa ocurriendo?

Henning Makholm
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Creo que su confusión se debe a que trata los "agujeros" de la misma manera que los electrones. Debes tener en cuenta que en cualquier momento, ¡lo único que se mueve son los electrones! Cuando un electrón se mueve, llena un "agujero" y también crea un "agujero". El mejor ejemplo es el juego de damas chino. Las canicas son los electrones y los agujeros en el tablero son los "agujeros" en el semiconductor. Cuando una canica se mueve hacia un agujero, el agujero "se mueve" hacia donde estaba el electrón. ¡También parece perder el punto de que las uniones de metal a semi son esencialmente uniones "óhmicas", NO uniones de semiconductores!
Guill
@Guill: La metáfora de las damas chinas para los agujeros es buena para los escolares y las amas de casa. En física del estado sólido no hay correctores, no hay "agujeros" espaciales y el movimiento de las partículas cuánticas se entiende como su momento, no como salida desde el punto A y llegada a B.
Incnis Mrsi

Respuestas:

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Hay un tipo de diodo llamado diodo Schottky, que es básicamente una unión de semiconductores de metal, por lo que plantea la pregunta de cómo se forma un contacto de metal con cualquier dispositivo semiconductor, no solo un diodo.

La respuesta radica en por qué una unión semi-metálica exhibe un comportamiento de diodo en algunas circunstancias. Primero, debemos analizar rápidamente la diferencia entre los semiconductores de metal y de tipo n y p.

Estructuras de bandas de metal y semiconductores

ϕmetro

Para los semiconductores, las bandas son un poco diferentes. Hay una brecha en el medio donde a los electrones no les gusta estar. La estructura se divide en la banda de valencia, que normalmente está llena de electrones, y la banda de conducción, que normalmente está vacía. Dependiendo de cuánto se dopa el semiconductor, la energía promedio cambiará. En el tipo n, se agregan electrones adicionales a la banda de conducción que mueve la energía promedio hacia arriba. En el tipo p, los electrones se eliminan de la banda de valencia, bajando la energía promedio.

Cuando tiene una unión discreta entre las regiones de metal y semiconductores, en términos simplistas, causa la flexión de la estructura de la banda. Las bandas de energía en la curva de semiconductores coinciden con las del metal en la unión. Las reglas son simplemente que las energías de Fermi deben coincidir a través de la estructura, y que el nivel de energía de escape debe coincidir en la unión. Dependiendo de cómo se doblen las bandas, se determinará si se forma una barrera de energía incorporada (un diodo).


Contacto óhmico utilizando la función de trabajo

Unión de metal tipo N

Si el metal tiene una función de trabajo más alta que un semiconductor de tipo n, las bandas del semiconductor se doblan hacia arriba para encontrarlo. Esto hace que el borde inferior de la banda de conducción se eleve y provoque una barrera potencial (diodo) que debe superarse para que los electrones fluyan desde la banda de conducción del semiconductor hacia el metal.

Por el contrario, si el metal tiene una función de trabajo más baja que el semiconductor de tipo n, las bandas del semiconductor se doblan para encontrarse con él. Esto no genera barreras porque los electrones no necesitan ganar energía para ingresar al metal.

Unión de metal tipo P

Para un semiconductor tipo p, lo contrario es cierto. El metal debe tener una función de trabajo más alta que el semiconductor porque en un material tipo p los portadores mayoritarios son agujeros en la banda de valencia, por lo que los electrones deben fluir desde el metal hacia el semiconductor.

Sin embargo, este tipo de contacto rara vez se usa. Como señala en los comentarios, el flujo de corriente óptimo es lo contrario de lo que necesitamos en el diodo. Elegí incluirlo por completo, y mirar la diferencia entre la estructura de un contacto Ohmic puro y un contacto de diodo Schottky.


Contacto óhmico utilizando túneles

Túneles en N + Unión Metálica

El método más común es usar el formato Schottky (que forma una barrera), pero hacer que la barrera sea más grande, suena extraño, pero es cierto. Cuando haces la barrera más grande, se vuelve más delgada. Cuando la barrera es lo suficientemente delgada, los efectos cuánticos se hacen cargo. Los electrones pueden básicamente hacer un túnel a través de la barrera y la unión pierde su comportamiento de diodo. Como resultado, ahora formamos un contacto Ohmic.

Una vez que los electrones pueden hacer un túnel en grandes cantidades, la barrera básicamente se convierte en nada más que un camino resistivo. Los electrones pueden hacer un túnel en ambos sentidos a través de la barrera, es decir, de metal a semi, o de semi a metal.

La barrera se hace más alta al dopar más fuertemente el semiconductor en la región alrededor del contacto, lo que obliga a que la curvatura en las bandas sea mayor porque la diferencia en el nivel de Fermi entre el metal y el semiconductor aumenta. Esto a su vez resulta en un estrechamiento de la barrera.

Túnel en unión de metal P +

Lo mismo se puede hacer con un tipo P. El túnel ocurre a través de la barrera en la banda de valencia.


Una vez que tenga una conexión Ohmic con el semiconductor, simplemente puede depositar una almohadilla de unión de metal en el punto de conexión y luego conectarla a las almohadillas de metal de diodos (SMD) o patas (orificio pasante).

Tom Carpenter
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Puedo estar confundido aquí, pero ¿no tienes la dirección del flujo de electrones invertida? En la dirección hacia delante, la corriente fluye a través de la unión principal de la región de tipo p de la región de tipo n (el campo eléctrico empuja ambos tipos de portadores en la unión, donde pueden aniquilar), que significa que los electrones deben fluir en el otra dirección: desde el silicio tipo p hasta su plomo metálico adjunto.
Henning Makholm
@HenningMakholm en un diodo, sí, los electrones fluirán de tipo N a tipo P. Ahora que he agregado los diagramas, las cosas deberían estar un poco más claras. Si los electrones fluyen de N a P, debe fluir desde el metal hacia el semiconductor de tipo N y desde el tipo P hacia el metal. Esto es posible utilizando el método de túnel de barrera ya que la corriente puede atravesar la barrera en ambos sentidos.
Tom Carpenter
x @ Tom, no, todavía estoy confundido. Escribe "en un material de tipo p, los portadores mayoritarios son agujeros en la banda de valencia, por lo que los electrones deben fluir desde el metal hacia el semiconductor", pero en un diodo polarizado hacia adelante, el extremo con material de tipo p es aquel en el que queremos que los electrones fluyan hacia el cable de metal y hacia el resto del circuito.
Henning Makholm
@HenningMakholm He tratado de aclarar la respuesta un poco más. El contacto óhmico puro rara vez se usa por las razones que resalta: en el caso del diodo, necesitamos que la corriente fluya hacia el otro lado. Pero quería incluirlo para completar. En el caso de una célula solar (un tipo de diodo), la corriente fluye hacia el otro lado, por lo que se aplica el primer tipo de contacto.
Tom Carpenter
Hmm, entonces el último de sus diagramas, "Metal to P + Semi Junction" es la situación en la que estoy interesado. Y si ahora entiendo las cosas correctamente, el punto es que solo se elevará ligeramente el potencial del silicio. los niveles de energía de todos los electrones allí, de modo que la parte superior de la banda de valencia termina por encima de las líneas rojas. Luego, algunos de los electrones de banda de valencia en el P + pueden hacer un túnel hacia los estados desocupados en el metal, dejando agujeros que luego pueden ser aspirados hacia la derecha. ¿Eso es correcto?
Henning Makholm
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El contacto al que se refiere se conoce como contacto óhmico en la industria, y es una faceta importante y a menudo difícil de la metalurgia de procesamiento de semiconductores. Algunos dirían más un arte que una ciencia, al menos en la práctica.

Tiene razón en que un simple contacto de metal-semiconductor forma una unión PN, generalmente conocida como unión Schottky, y eso no es deseable en una interfaz de semiconductor a conductor.

Para sortear la naturaleza inherente de Schottky de las uniones semimetálicas, en primer lugar, el semiconductor está fuertemente dopado en el contacto deseado, para mantener la región de agotamiento muy pequeña. Esto significa que el túnel de electrones, en lugar de la física de unión "normal", es el mecanismo de transporte de electrones importante en un contacto óhmico.

En segundo lugar, los metales de contacto específicos, llamados metales de transición, se depositan y alean a temperaturas elevadas en el silicio en el área de contacto, que además actúa para formar un buen contacto óhmico con los cables de enlace que finalmente se unen al contacto. Los metales de transición dependen en gran medida del tipo de semiconductor, pero el aluminio, el titanio-tungsteno y los siliciuros se usan comúnmente para los semiconductores de silicio.

AndyW
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Estoy tratando de ver cómo el túnel de electrones ayudaría en el extremo del ánodo, pero estoy fallando. Necesitamos un flujo constante de electrones que fluyen a distancia en el metal, pero en el semiconductor de tipo p no hay electrones libres que podrían en cualquier parte del túnel. Si un electrón de valencia en el semiconductor de tipo p decide hacer un túnel en el metal, ¿no es solo la producción del par térmico que generalmente es responsable de la corriente inversa? Pensé que era parte de la "física de la unión normal".
Henning Makholm
@Henning Makholm: No es crucial si un electrón sale del semiconductor de la banda de conducción (prácticamente vacía en el tipo p ) o de la banda de valencia (superior).
Incnis Mrsi