Comment le courant pénètre-t-il dans une diode?

Je pense que je comprends plus ou moins le fonctionnement d’une diode à semi-conducteur ordinaire: cristal dopé différemment dans différentes régions, épuisement des porteurs là où ils se rencontrent, bla bla bla.

Cependant, les diodes réelles avec lesquelles on construit des circuits ne se terminent pas par des bits de silicium dopé n et p. Ce sont de petits emballages en céramique / plastique avec des mines en métal sortant des extrémités. D'une manière ou d'une autre, le courant doit passer entre ces conducteurs métalliques et le semi-conducteur à l'intérieur.

Et il y a un problème. Si je comprends bien les choses, un métal devrait être le matériau n-porteur ultime - chaque atome du réseau contribue au moins à un électron dans une bande de conduction. Lorsque nous collons un fil métallique sur l'extrémité du semi-conducteur dopée p, nous devrions obtenir une autre jonction pn, une jonction pn qui va dans la mauvaise direction pour que le courant passe.

Comment se fait-il que l’ensemble du composant puisse se diriger vers l’avant?

S'agit-il simplement de rendre la zone de l'interface silicium-métal si grande que le courant de fuite inverse total de la jonction p / métal est supérieur au courant direct que nous voulons que l'ensemble de la diode transmette? (J'imagine de grands volumes de silicium et de métal finement interdigités pour les redresseurs à plusieurs ampères). Ou y a t il quelque chose d'autre?

Il existe un type de diode appelée diode Schottky, qui est essentiellement une jonction métal-semi-conducteur, ce qui soulève la question de savoir comment former un contact métallique avec un dispositif à semi-conducteur, pas seulement une diode.

La réponse réside dans les raisons pour lesquelles une semi-jonction métal présente un comportement de diode dans certaines circonstances. Premièrement, nous devons examiner rapidement la différence entre les semi-conducteurs métalliques et les semi-conducteurs de type n et de type p.

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Pour les semi-conducteurs, les bandes sont un peu différentes. Il y a un espace au milieu où les électrons n'aiment pas être. La structure est divisée en une bande de valence généralement pleine d'électrons et en une bande de conduction généralement vide. Selon le degré de dopage du semi-conducteur, l'énergie moyenne changera. Dans le type n, des électrons supplémentaires sont ajoutés à la bande de conduction, ce qui augmente l'énergie moyenne. Dans le type p, les électrons sont retirés de la bande de valence, réduisant l'énergie moyenne.

Lorsque vous avez une jonction discrète entre le métal et les régions semi-conductrices, cela entraîne une flexion de la structure de la bande. Les bandes d'énergie dans la courbe semi-conductrice correspondent à celles du métal à la jonction. Les règles sont simplement que les énergies de Fermi doivent correspondre à travers la structure et que le niveau d'énergie d'évacuation doit correspondre à la jonction. En fonction de la courbure des bandes, il déterminera si une barrière énergétique intégrée se forme (une diode).

Contact ohmique utilisant la fonction de travail

Si le métal a une fonction de travail supérieure à celle d'un semi-conducteur de type n, les bandes du semi-conducteur se plient vers le haut pour le rencontrer. Cela provoque la montée du bord inférieur de la bande de conduction, ce qui crée une barrière de potentiel (diode) qui doit être surmontée pour que les électrons puissent s'écouler de la bande de conduction du semi-conducteur dans le métal.

À l'inverse, si le métal a une fonction de travail inférieure à celle du semi-conducteur de type n, les bandes du semi-conducteur se plient pour le rencontrer. Cela ne crée aucune barrière car les électrons n'ont pas besoin de gagner de l'énergie pour pénétrer dans le métal.

Pour un semi-conducteur de type p, l'inverse est vrai. Le métal doit avoir une fonction de travail supérieure à celle du semi-conducteur car, dans un matériau de type p, la plupart des porteurs sont des trous dans la bande de valence. Les électrons doivent donc s'écouler du métal vers le semi-conducteur.

Cependant, ce type de contact est rarement utilisé. Comme vous le soulignez dans les commentaires, le flux de courant optimal est l'opposé de ce dont nous avons besoin dans la diode. J'ai choisi de l'inclure par souci de complétude et de regarder la différence entre la structure d'un contact ohmique pur et un contact à diode Schottky.

Contact ohmique utilisant le tunneling

La méthode la plus courante consiste à utiliser le format Schottky (qui forme une barrière), mais à agrandir la barrière - cela semble étrange, mais c'est la vérité. Lorsque vous élargissez la barrière, elle devient plus mince. Lorsque la barrière est suffisamment mince, les effets quantiques prennent le relais. Les électrons peuvent essentiellement passer à travers la barrière et la jonction perd son comportement en diode. En conséquence, nous formons maintenant un contact ohmique.

Une fois que les électrons sont capables de se tunneliser en grand nombre, la barrière ne devient plus qu'un chemin de résistance. Les électrons peuvent creuser un tunnel dans les deux sens à travers la barrière, c'est-à-dire d'un métal à un semi ou d'un semi à un métal.

La barrière est augmentée en dopant plus fortement le semi-conducteur dans la région autour du contact, ce qui oblige la courbure dans les bandes à être plus grande parce que la différence de niveau de Fermi entre le métal et le semi-conducteur devient plus grande. Cela entraîne à son tour un rétrécissement de la barrière.

La même chose peut être faite avec un type P. Le tunneling se produit à travers la barrière dans la bande de valence.

Une fois que vous avez une connexion ohmique avec le semi-conducteur, vous pouvez simplement déposer un plot de connexion métallique sur le point de connexion, puis lier ces derniers aux fils de diodes métalliques (SMD) ou aux pieds (trous traversants).

Le contact dont vous parlez est connu sous le nom de contact ohmique dans l'industrie et constitue une facette importante et souvent difficile de la métallurgie du traitement des semi-conducteurs. Certains diraient plus un art qu'une science, du moins dans la pratique.

Vous avez raison de dire qu'un simple contact métal-semi-conducteur forme une jonction PN, généralement connue sous le nom de jonction Schottky, ce qui est indésirable pour une interface semi-conducteur à conducteur.

Pour contourner la nature intrinsèque de Schottky des jonctions semi-métalliques, premièrement, le semi-conducteur est généralement fortement dopé au contact voulu, afin de maintenir la région d'appauvrissement très petite. Cela signifie que la mise en tunnel d'électrons, plutôt que la physique de jonction "normale", est le mécanisme de transport d'électrons important dans un contact ohmique.

Deuxièmement, des métaux de contact spécifiques, appelés métaux de transition, sont déposés et alliés à des températures élevées dans le silicium au niveau de la zone de contact, qui agissent en outre pour former un bon contact ohmique avec les fils de liaison qui sont finalement liés au contact. Les métaux de transition dépendent fortement du type de semi-conducteur, mais l'aluminium, le titane-tungstène et les siliciures sont couramment utilisés pour les semi-conducteurs en silicium.