¿Cómo entra la corriente en un diodo?

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?

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.

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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

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.

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

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.

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).

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.