¿Cómo llega la corriente a un diodo?

Question

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

Sin embargo, actual Los diodos con los que se construyen los circuitos no terminan con trozos de silicio dopado con n y p. Son pequeños paquetes de cerámica/plástico con cables metálicos saliendo de los extremos. De alguna manera, la corriente tiene que pasar entre esos cables metálicos y el semiconductor del interior.

Y hay un problema. Si entiendo bien las cosas, un metal debería ser el último material portador de n cada átomo en la red contribuye con al menos un electrón a una banda de conducción. Cuando pegamos un plomo metálico en el extremo dopado con p del semiconductor, deberíamos obtener otra unión pn, una que va en el dirección equivocada para que fluya la corriente de avance.

¿Cómo es que todo el componente puede conducir en la dirección de avance de todos modos?

¿Se trata simplemente de hacer que el área de la interfaz 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? (Me estoy imaginando grandes volúmenes de metal y silicio finamente interdigitados para rectificadores de varios amperios). ¿O sucede algo más?

Answer 1

Existe un tipo de diodo llamado diodo Schottky, que es básicamente una unión metal-semiconductor, por lo que se plantea la cuestión de cómo se forma un contacto metálico con cualquier dispositivo semiconductor, no sólo con un diodo.

La respuesta está en por qué una unión metal-semiconductora presenta un comportamiento de diodo en algunas circunstancias. En primer lugar, debemos analizar rápidamente la diferencia entre el metal y los semiconductores de tipo n y p.

Los metales son una banda continua de estados electrónicos. Los electrones prefieren estar en los estados inferiores, lo que se muestra con la región sombreada de color marrón. La línea roja indica el nivel de energía medio (nivel de Fermi) que en el metal es básicamente lo "lleno" que está de electrones. A continuación, hay una energía de escape en la que los electrones dejan de estar ligados a la estructura y quedan libres. Esto se muestra como la función de trabajo \$\phi_m\$ .

En el caso de los semiconductores, las bandas son un poco diferentes. Hay un hueco en el medio donde a los electrones no les gusta estar. La estructura se divide en la banda de valencia, que suele estar llena de electrones, y la banda de conducción, que suele estar vacía. Dependiendo del grado de dopaje del semiconductor, la energía media cambiará. En el tipo n, se añaden electrones adicionales a la banda de conducción, lo que eleva la energía media. En el tipo p, se eliminan electrones de la banda de valencia, lo que hace que la energía media baje.

Cuando se produce una unión discreta entre las regiones metálica y semiconductora, en términos simplistas se produce una flexión de la estructura de bandas. Las bandas de energía del semiconductor se curvan para coincidir con las del metal en la unión. Las reglas son simplemente que las energías de Fermi deben coincidir en toda la estructura, y que el nivel de energía de escape debe coincidir en la unión. Dependiendo de cómo se curven las bandas se determinará si se forma una barrera de energía incorporada (un diodo).

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Contacto óhmico con función de trabajo

Si el metal tiene una función de trabajo mayor que un semiconductor de tipo n, las bandas del semiconductor se doblan hacia arriba para encontrarse con él. Esto hace que el borde inferior de la banda de conducción se eleve causando una barrera de potencial (diodo) que debe ser superada 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 inferior a la del semiconductor de tipo n, las bandas del semiconductor se doblan hacia abajo para encontrarse con él. El resultado es que no hay barrera porque los electrones no necesitan ganar energía para entrar en el metal.

En el caso de un semiconductor de tipo p, ocurre lo contrario. El metal debe tener una función de trabajo más alta que el semiconductor porque en un material tipo p la mayoría de los portadores son huecos en la banda de valencia, por lo que los electrones deben fluir desde el metal hacia el semiconductor.

Sin embargo, este tipo de contacto se utiliza raramente. Como señalas en los comentarios, el flujo de corriente óptimo es el opuesto al que necesitamos en el diodo. Decidí incluirlo para completarlo, y para ver la diferencia entre la estructura de un contacto óhmico puro y un contacto de diodo Schottky.

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Contacto óhmico mediante Tunnelling

El método más común es utilizar el formato Schottky (que forma una barrera), pero hacer la barrera más grande - suena impar, pero es cierto. Cuando se hace la barrera más grande, se hace más delgada. Cuando la barrera es lo suficientemente fina, los efectos cuánticos toman el control. Los electrones pueden atravesar básicamente la barrera y la unión pierde su comportamiento de diodo. Como resultado, ahora formamos un contacto óhmico.

Una vez que los electrones son capaces de hacer un túnel en gran número, la barrera se convierte básicamente 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 semimetal o de semimetal a metal.

La barrera se hace más alta dopando más el semiconductor en la región que rodea el contacto, lo que obliga a que la curvatura de las bandas sea mayor porque la diferencia de nivel de Fermi entre el metal y el semiconductor es mayor. Esto, a su vez, provoca un estrechamiento de la barrera.

Lo mismo puede hacerse con un tipo P. El túnel se produce a través de la barrera de la banda de valencia.

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Una vez que tenga una conexión óhmica con el semiconductor, puede simplemente depositar una almohadilla de unión metálica en el punto de conexión y, a continuación, unir los cables a las almohadillas metálicas de los diodos (SMD) o a las patas (through-hole).

Answer 2

El contacto al que te refieres se conoce como contacto óhmico en la industria, y es una faceta importante y a menudo difícil de la metalurgia del procesamiento de semiconductores. Algunos dirían que es más un arte que una ciencia, al menos en la práctica.

Tienes razón en que un simple contacto metal-semiconductor forma una unión P-N, generalmente conocida como unión Schottky, y eso es indeseable en una interfaz semiconductor-conductor.

Para evitar la naturaleza Schottky inherente a las uniones semimetálicas, en primer lugar se suele dopar mucho el semiconductor en el contacto previsto, para que la región de agotamiento sea muy pequeña. Esto significa que el mecanismo de transporte de electrones en un contacto óhmico es el túnel de electrones y no la física "normal" de la unión.

En segundo lugar, se depositan metales de contacto específicos, denominados metales de transición, y se alean a temperaturas elevadas en el silicio de la zona de contacto, que además actúan para formar un buen contacto óhmico con los hilos de unión 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 utilizan habitualmente para los semiconductores de silicio.