Como a corrente entra em um diodo?

Acho que entendo mais ou menos como funciona um diodo semicondutor comum: o cristal dopou de maneira diferente em diferentes regiões, depleção de portadora onde eles se encontram, bla bla bla.

No entanto, os diodos reais com os quais se constrói circuitos não terminam com bits de silício n-dopado e p-dopado. São pequenas embalagens de cerâmica / plástico com fios de metal saindo pelas extremidades. De alguma forma, a corrente precisa passar entre os fios metálicos e o semicondutor interno.

E há um problema. Se eu entendo as coisas corretamente, um metal deve ser o material n-portador final - todo átomo na rede contribui com pelo menos um elétron para uma banda de condução. Quando colocamos um fio de metal na extremidade dopada com p do semicondutor, devemos obter outra junção pn, uma que siga na direção errada para que a corrente direta flua.

Como é que todo o componente pode conduzir no sentido de avanço de qualquer maneira?

É apenas uma questão de tornar a área da interface metal-silício tão grande que a corrente de fuga reversa total da junção p / metal seja maior que a corrente direta que queremos que o diodo inteiro carregue? (Estou imaginando grandes volumes de metal e silício finamente interdigitado para retificadores de vários amperes). Ou há algo mais acontecendo?

Existe um tipo de diodo chamado diodo Schottky, que é basicamente uma junção metal-semicondutora, e isso levanta a questão: como você cria um contato metálico com qualquer dispositivo semicondutor, e não apenas um diodo.

A resposta está no motivo pelo qual uma junção semi-metálica exibe comportamento do diodo em algumas circunstâncias. Primeiro, precisamos examinar rapidamente a diferença entre os semicondutores de metal e do tipo n e do tipo p.

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Para semicondutores, as bandas são um pouco diferentes. Há uma lacuna no meio em que os elétrons não gostam de estar. A estrutura é dividida na banda de valência, que normalmente está cheia de elétrons, e na banda de condução, que normalmente está vazia. Dependendo de quanto o semicondutor é dopado, a energia média mudará. No tipo n, elétrons adicionais são adicionados à banda de condução que move a energia média para cima. No tipo p, os elétrons são removidos da banda de valência, movendo a energia média para baixo.

Quando você tem uma junção discreta entre as regiões de metal e semicondutor, em termos simplistas, isso causa flexão da estrutura da banda. As bandas de energia no semicondutor se curvam para coincidir com as do metal na junção. As regras são simplesmente que as energias de Fermi devem corresponder em toda a estrutura e que o nível de energia de escape deve corresponder na junção. Dependendo de como as bandas se dobram, será determinado se uma barreira de energia embutida se forma (um diodo).

Contato ôhmico usando a função de trabalho

Se o metal tem uma função de trabalho mais alta que um semicondutor do tipo n, as bandas do semicondutor se dobram para cima para encontrá-lo. Isso faz com que a borda inferior da banda de condução suba, causando uma barreira potencial (diodo) que deve ser superada para que os elétrons fluam da banda de condução do semicondutor para o metal.

Por outro lado, se o metal tem uma função de trabalho mais baixa que o semicondutor do tipo n, as bandas do semicondutor se curvam para encontrá-lo. Isso resulta em nenhuma barreira, porque os elétrons não precisam ganhar energia para entrar no metal.

Para um semicondutor do tipo p, o oposto é verdadeiro. O metal deve ter uma função de trabalho mais alta que o semicondutor, porque em um material do tipo p os portadores majoritários são orifícios na banda de valência, de modo que os elétrons precisam fluir do metal para o semicondutor.

No entanto, esse tipo de contato raramente é usado. Como você aponta nos comentários, o fluxo de corrente ideal é o oposto do que precisamos no diodo. Eu escolhi incluí-lo para completude e observar a diferença entre a estrutura de um contato ôhmico puro e um contato de diodo Schottky.

Contato ôhmico usando Tunelamento

O método mais comum é usar o formato Schottky (que forma uma barreira), mas aumentar a barreira - parece estranho, mas é verdade. Quando você aumenta a barreira, ela fica mais fina. Quando a barreira é fina o suficiente, os efeitos quânticos assumem o controle. Os elétrons podem basicamente atravessar a barreira e a junção perde o comportamento do diodo. Como resultado, agora formamos um contato ôhmico.

Uma vez que os elétrons são capazes de encapsular em grandes números, a barreira basicamente se torna nada mais que um caminho resistivo. Os elétrons podem escavar um túnel nos dois lados da barreira, ou seja, de metal para semi ou de semi para metal.

A barreira é aumentada pela dopagem mais intensa do semicondutor na região ao redor do contato, o que força a curva nas bandas a ser maior porque a diferença no nível de Fermi entre o metal e o semicondutor aumenta. Por sua vez, isso resulta em um estreitamento da barreira.

O mesmo pode ser feito com um tipo P. O tunelamento ocorre através da barreira na faixa de valência.

Depois de ter uma conexão Ohmic com o semicondutor, você pode simplesmente depositar uma almofada de ligação de metal no ponto de conexão e conectá-la às almofadas de metal de diodos (SMD) ou pernas (orifício de passagem).

O contato ao qual você está se referindo é conhecido como contato ôhmico no setor e é uma faceta importante e frequentemente difícil da metalurgia do processamento de semicondutores. Alguns diriam mais uma arte do que uma ciência, pelo menos na prática.

Você está certo de que um simples contato metal-semicondutor forma uma junção PN, geralmente conhecida como junção Schottky, e isso é indesejável em uma interface semicondutora para condutor.

Para contornar a natureza Schottky inerente das junções semi-metálicas, em primeiro lugar geralmente o semicondutor é fortemente dopado no contato pretendido, para manter a região de depleção muito pequena. Isso significa que o tunelamento de elétrons, em vez da física de junção "normal", é o importante mecanismo de transporte de elétrons em um contato ôhmico.

Em segundo lugar, metais de contato específicos, chamados metais de transição, são depositados e ligados a temperaturas elevadas no silício na área de contato, que atuam ainda mais para formar um bom contato ôhmico com os fios de ligação que, por fim, são ligados ao contato. Os metais de transição são altamente dependentes do tipo de semicondutor, mas alumínio, titânio-tungstênio e silicidas são comumente usados ​​para semicondutores de silício.