Bagaimana arus masuk ke dioda?

Saya rasa saya kurang lebih mengerti bagaimana dioda semikonduktor biasa bekerja: Kristal didoping berbeda di daerah yang berbeda, penipisan pembawa di mana mereka bertemu, bla bla bla.

Namun, dioda aktual yang membuat sirkuit dengan satu tidak berakhir dengan potongan-potongan silikon n-doped dan p-doped. Itu adalah paket keramik / plastik kecil dengan ujung logam yang keluar dari ujungnya. Entah bagaimana saat ini perlu melewati antara timah logam dan semikonduktor di dalamnya.

Dan ada masalah. Jika saya memahami hal-hal dengan benar, logam seharusnya menjadi bahan pembawa-n utama - setiap atom dalam kisi menyumbang setidaknya satu elektron pada pita konduksi. Ketika kita menempelkan timah logam ke ujung semikonduktor yang dip-p-p, kita harus mendapatkan pn-junction lain, yang menuju arah yang salah agar arus maju mengalir.

Kenapa seluruh komponen bisa melakukan ke arah depan?

Apakah ini hanya masalah membuat area antarmuka silikon-logam begitu besar sehingga arus bocor balik total pada sambungan p / logam lebih besar daripada arus maju yang kita inginkan untuk membawa seluruh dioda? (Saya membayangkan volume besar logam dan silikon interdigitasi halus untuk penyearah multi-ampere). Atau ada hal lain yang terjadi?

Ada jenis dioda yang disebut dioda Schottky, yang pada dasarnya adalah persimpangan logam-semikonduktor, sehingga menimbulkan pertanyaan, bagaimana Anda membentuk kontak logam dengan perangkat semikonduktor apa pun, bukan hanya dioda.

Jawabannya terletak pada mengapa persimpangan semi-logam menunjukkan perilaku dioda dalam beberapa keadaan. Pertama kita perlu melihat dengan cepat perbedaan antara semikonduktor tipe logam dan tipe-n dan tipe-p.

$\phi_m$

Untuk semikonduktor, pita sedikit berbeda. Ada celah di tengah-tengah di mana elektron tidak suka. Struktur dibagi menjadi pita valensi yang biasanya penuh dengan elektron, dan pita konduksi yang biasanya kosong. Bergantung pada seberapa banyak semikonduktor diolah, energi rata-rata akan berubah. Dalam tipe-n, elektron tambahan ditambahkan ke pita konduksi yang menggerakkan energi rata-rata naik. Dalam elektron tipe-p dihapus dari pita valensi, memindahkan energi rata-rata ke bawah.

Ketika Anda memiliki persimpangan terpisah antara daerah logam dan semikonduktor, secara sederhana ini menyebabkan tekukan pada struktur pita. Pita-pita energi dalam kurva semikonduktor untuk mencocokkan mereka dari logam di persimpangan. Aturannya sederhana bahwa energi Fermi harus cocok di seluruh struktur, dan bahwa tingkat energi pelarian harus cocok di persimpangan. Tergantung pada bagaimana band menekuk akan menentukan apakah dan penghalang energi inbuilt terbentuk (dioda).

Kontak Ohmic menggunakan Fungsi Kerja

Jika logam memiliki fungsi kerja yang lebih tinggi daripada semikonduktor tipe-n, pita semikonduktor menekuk ke atas untuk memenuhinya. Hal ini menyebabkan tepi bawah pita konduksi naik menyebabkan penghalang potensial (dioda) yang harus diatasi agar elektron mengalir dari pita konduksi semikonduktor ke dalam logam.

Sebaliknya jika logam memiliki fungsi kerja lebih rendah dari semikonduktor tipe-n, pita semikonduktor membungkuk untuk memenuhinya. Ini menghasilkan tidak ada penghalang karena elektron tidak perlu mendapatkan energi untuk masuk ke logam.

Untuk semikonduktor tipe-p, kebalikannya benar. Logam harus memiliki fungsi kerja yang lebih tinggi daripada semikonduktor karena pada material tipe-p pembawa mayoritas adalah lubang di pita valensi, sehingga elektron harus mengalir dari logam ke semikonduktor.

Namun, jenis kontak ini jarang digunakan. Seperti yang Anda tunjukkan dalam komentar, aliran arus optimal adalah kebalikan dari yang kita butuhkan di dioda. Saya memilih untuk memasukkannya untuk kelengkapan, dan untuk melihat perbedaan antara struktur kontak Ohmic murni dan kontak dioda Schottky.

Kontak ohmik menggunakan Tunneling

Metode yang lebih umum adalah dengan menggunakan format Schottky (yang membentuk penghalang), tetapi untuk membuat penghalang lebih besar - terdengar aneh, tetapi itu benar. Saat Anda membuat penghalang lebih besar, itu menjadi lebih tipis. Ketika penghalang cukup tipis, efek kuantum mengambil alih. Elektron pada dasarnya dapat terowongan melalui penghalang dan persimpangan kehilangan perilaku dioda. Akibatnya, kami sekarang membentuk kontak Ohmic.

Setelah elektron dapat melakukan terowongan dalam jumlah besar, penghalang pada dasarnya menjadi tidak lebih dari jalur resistif. Elektron dapat menerobos kedua cara melalui penghalang, yaitu, dari logam ke semi, atau dari semi ke logam.

Penghalang dibuat lebih tinggi dengan lebih banyak doping semikonduktor di wilayah sekitar kontak yang memaksa tikungan di pita menjadi lebih besar karena perbedaan tingkat Fermi antara logam dan semikonduktor menjadi lebih besar. Ini pada gilirannya menghasilkan penyempitan penghalang.

Hal yang sama dapat dilakukan dengan tipe-P. Tunneling terjadi melalui penghalang di pita valensi.

Setelah Anda memiliki koneksi Ohmic dengan semikonduktor, Anda dapat dengan mudah menyimpan bantalan ikatan logam ke titik koneksi, dan kemudian mengikatnya ke bantalan logam dioda (SMD) atau kaki (melalui lubang).

Kontak yang Anda maksud dikenal sebagai kontak ohmik dalam industri, dan merupakan aspek penting dan seringkali sulit dari metalurgi pemrosesan semikonduktor. Beberapa akan mengatakan lebih dari seni daripada sains, setidaknya dalam praktik.

Anda benar bahwa kontak logam-semikonduktor sederhana membentuk persimpangan PN, umumnya dikenal sebagai persimpangan Schottky, dan itu tidak diinginkan pada antarmuka semikonduktor ke konduktor.

Untuk menyiasati sifat Schottky yang melekat pada persimpangan semi-ke-logam, pertama-tama biasanya semikonduktor sangat diolah pada kontak yang dimaksudkan, untuk menjaga daerah penipisan sangat kecil. Ini berarti bahwa tunneling elektron, daripada fisika persimpangan "normal" adalah mekanisme transportasi elektron penting dalam kontak ohmik.

Kedua, logam kontak khusus, yang disebut logam transisi, disimpan dan paduan pada suhu tinggi ke dalam silikon di bidang kontak, yang selanjutnya bertindak untuk membentuk kontak ohmik yang baik dengan kabel ikatan yang akhirnya terikat pada kontak. Logam transisi sangat tergantung pada jenis semikonduktor, tetapi aluminium, titanium-tungsten, dan silisida biasanya digunakan untuk semikonduktor silikon.