Wie kommt Strom in eine Diode?

Ich glaube, ich verstehe mehr oder weniger, wie eine gewöhnliche Halbleiterdiode funktioniert: Kristall in verschiedenen Regionen unterschiedlich dotiert, Ladungsträgerverarmung, wo sie sich treffen, bla bla bla.

Tatsächliche Dioden, mit denen man Schaltungen baut , enden jedoch nicht mit Bits aus n-dotiertem und p-dotiertem Silizium. Es sind kleine Keramik-/Kunststoffpakete mit Metallleitungen , die an den Enden herauskommen. Irgendwie muss der Strom zwischen diesen Metallleitungen und dem Halbleiter im Inneren fließen.

Und es gibt ein Problem. Wenn ich das richtig verstehe, müsste ein Metall das ultimative n-Trägermaterial sein – jedes Atom im Gitter trägt mindestens ein Elektron zu einem Leitungsband bei. Wenn wir eine Metallleitung auf das p-dotierte Ende des Halbleiters kleben, sollten wir einen weiteren pn-Übergang erhalten, einen, der in die falsche Richtung geht, damit der Vorwärtsstrom fließt.

Wie kommt es, dass das gesamte Bauteil trotzdem in Durchlassrichtung leiten kann?

Geht es nur darum, die Fläche der Silizium-Metall-Grenzfläche so groß zu machen, dass der Gesamtsperrstrom des p/Metall-Übergangs größer ist als der Durchlassstrom, den die gesamte Diode führen soll? (Ich stelle mir große Mengen an fein ineinandergreifendem Metall und Silizium für Multi-Ampere-Gleichrichter vor). Oder geht noch was?

Ich glaube, Ihre Verwirrung liegt daran, dass Sie "Löcher" genauso behandeln wie Elektronen. Sie müssen bedenken, dass sich zu jeder Zeit nur die Elektronen bewegen! Wenn sich ein Elektron bewegt, füllt es ein „Loch“ und erzeugt auch ein „Loch“. Das beste Beispiel ist das chinesische Damespiel. Die Murmeln sind die Elektronen und die Löcher auf der Platine sind die "Löcher" im Halbleiter. Wenn sich eine Murmel in ein Loch bewegt, "bewegt" sich das Loch dorthin, wo das Elektron war. Sie scheinen auch den Punkt zu übersehen, dass die Metall-Halb-Übergänge im Wesentlichen "ohmsche" Übergänge sind, KEINE Halbleiterübergänge!
@Guill: Die chinesische Dame-Metapher für Löcher ist gut für Schulkinder und Hausfrauen. In der Festkörperphysik gibt es keine Steine, es gibt keine räumlichen „Löcher“, und die Bewegung von Quantenteilchen wird als ihr Impuls verstanden, nicht als Abfahrt von Punkt A und Ankunft bei B.

Antworten (2)

Es gibt eine Art Diode namens Schottky-Diode, bei der es sich im Grunde um einen Metall-Halbleiter-Übergang handelt. Daher stellt sich die Frage, wie Sie einen Metallkontakt mit einem beliebigen Halbleiterbauelement herstellen, nicht nur mit einer Diode.

Die Antwort liegt darin, warum ein Metall-Halbleiter-Übergang unter bestimmten Umständen ein Diodenverhalten zeigt. Zuerst müssen wir uns schnell den Unterschied zwischen Metall und Halbleitern vom n-Typ und p-Typ ansehen.

Metall- und Halbleiterbandstrukturen

Metalle sind ein kontinuierliches Band von Elektronenzuständen. Elektronen befinden sich bevorzugt in den niedrigeren Zuständen, daher ist dies mit dem schattierten braunen Bereich dargestellt. Die rote Linie zeigt das durchschnittliche Energieniveau (Fermi-Niveau) an, das im Metall im Grunde ist, wie "voll" es mit Elektronen ist. Es gibt dann eine Fluchtenergie, bei der Elektronen nicht mehr an die Struktur gebunden sind – sie werden frei. Dies wird als Austrittsarbeit dargestellt ϕ m .

Bei Halbleitern sind die Bänder etwas anders. Es gibt eine Lücke in der Mitte, wo Elektronen nicht gerne sind. Die Struktur wird in das Valenzband, das typischerweise voller Elektronen ist, und das Leitungsband, das typischerweise leer ist, aufgeteilt. Je nachdem, wie stark der Halbleiter dotiert wird, ändert sich die durchschnittliche Energie. Beim n-Typ werden dem Leitungsband zusätzliche Elektronen hinzugefügt, was die durchschnittliche Energie nach oben verschiebt. Beim p-Typ werden Elektronen aus dem Valenzband entfernt, wodurch sich die durchschnittliche Energie nach unten bewegt.

Wenn Sie einen diskreten Übergang zwischen den Metall- und Halbleiterbereichen haben, führt dies vereinfacht gesagt zu einer Biegung der Bandstruktur. Die Energiebänder in der Halbleiterkurve stimmen mit denen des Metalls am Übergang überein. Die Regeln lauten einfach, dass die Fermi-Energien über die Struktur hinweg übereinstimmen müssen und dass das Fluchtenergieniveau an der Verbindungsstelle übereinstimmen muss. Je nachdem, wie sich die Bänder biegen, wird bestimmt, ob sich eine eingebaute Energiebarriere (eine Diode) bildet.

Ohmscher Kontakt mit Arbeitsfunktion

N-Typ-Metallverbindung

Wenn das Metall eine höhere Austrittsarbeit als ein Halbleiter vom n-Typ hat, biegen sich die Bänder des Halbleiters nach oben, um darauf zu treffen. Dadurch steigt die Unterkante des Leitungsbandes an und es entsteht eine Potentialbarriere (Diode), die überwunden werden muss, damit Elektronen aus dem Leitungsband des Halbleiters in das Metall fließen können.

Umgekehrt, wenn das Metall eine niedrigere Austrittsarbeit als der Halbleiter vom n-Typ hat, biegen sich die Bänder des Halbleiters nach unten, um darauf zu treffen. Dadurch entsteht keine Barriere, da Elektronen keine Energie gewinnen müssen, um in das Metall einzudringen.

P-Typ-Metallverbindung

Für einen Halbleiter vom p-Typ gilt das Gegenteil. Das Metall muss eine höhere Austrittsarbeit haben als der Halbleiter, da in einem Material vom p-Typ die Majoritätsträger Löcher im Valenzband sind, sodass Elektronen aus dem Metall in den Halbleiter fließen müssen.

Diese Art der Kontaktaufnahme wird jedoch selten verwendet. Wie Sie in den Kommentaren betonen, ist der optimale Stromfluss das Gegenteil von dem, was wir in der Diode benötigen. Ich habe mich entschieden, es der Vollständigkeit halber aufzunehmen und den Unterschied zwischen der Struktur eines reinen ohmschen Kontakts und eines Schottky-Dioden-Kontakts zu betrachten.

Ohmscher Kontakt mit Tunneling

Tunneln im N+ Metallübergang

Die gebräuchlichere Methode besteht darin, das Schottky-Format zu verwenden (das eine Barriere bildet), aber die Barriere größer zu machen – klingt seltsam, ist aber wahr. Wenn Sie die Barriere größer machen, wird sie dünner. Wenn die Barriere dünn genug ist, übernehmen Quanteneffekte. Die Elektronen können grundsätzlich durch die Barriere tunneln und der Übergang verliert sein Diodenverhalten. Als Ergebnis bilden wir nun einen ohmschen Kontakt.

Sobald Elektronen in großer Zahl tunneln können, wird die Barriere im Grunde zu nichts anderem als einem Widerstandspfad. Elektronen können in beide Richtungen durch die Barriere tunneln, dh von Metall zu Halb oder von Halb zu Metall.

Die Barriere wird höher gemacht, indem der Halbleiter im Bereich um den Kontakt stärker dotiert wird, wodurch die Biegung in den Bändern größer wird, da der Unterschied im Fermi-Niveau zwischen dem Metall und dem Halbleiter größer wird. Dies wiederum führt zu einer Verengung der Barriere.

Tunneln im P+ Metallübergang

Dasselbe kann mit einem P-Typ gemacht werden. Das Tunneln erfolgt durch die Barriere im Valenzband.

Sobald Sie eine ohmsche Verbindung mit dem Halbleiter haben, können Sie einfach ein Metallbondpad auf den Verbindungspunkt aufbringen und diese dann mit den Metallpads (SMD) oder Beinen (Durchgangsloch) der Dioden verbinden.

Ich bin hier vielleicht verwirrt, aber haben Sie nicht die Richtung des Elektronenflusses umgekehrt? In Durchlassrichtung fließt Strom über den Hauptübergang vom p-Typ-Bereich zum n-Typ-Bereich (das elektrische Feld drückt beide Arten von Ladungsträgern in den Übergang, wo sie vernichten können), was bedeutet, dass Elektronen in den fließen sollten andere Richtung: vom p-Typ-Silizium in seine angebrachte Metallleitung.
@HenningMakholm in einer Diode, ja, die Elektronen fließen vom N-Typ zum P-Typ. Jetzt, wo ich die Diagramme hinzugefügt habe, sollten die Dinge etwas klarer sein. Wenn die Elektronen von N nach P fließen, müssen sie vom Metall in den Halbleiter vom N-Typ und vom P-Typ in das Metall fließen. Dies ist mit der Barriere-Tunneling-Methode möglich, da der Strom in beide Richtungen durch die Barriere fließen kann.
x @Tom, nein, ich bin immer noch verwirrt. Sie schreiben "in einem Material vom p-Typ sind die Majoritätsträger Löcher im Valenzband, daher müssen Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen" - aber in einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode ist das Ende mit Material vom p-Typ diejenige, bei der wir wollen, dass Elektronen in die Metallleitung und weg zum Rest des Stromkreises fließen.
@HenningMakholm Ich habe versucht, die Antwort etwas klarer zu machen. Der rein ohmsche Kontakt wird aus den von Ihnen hervorgehobenen Gründen selten verwendet - im Fall der Diode muss der Strom in die andere Richtung fließen. Aber ich wollte es der Vollständigkeit halber mit aufnehmen. Bei einer Solarzelle (eine Art Diode) fließt der Strom in die andere Richtung, daher ist die erste Kontaktart anwendbar.
Hmm, also das letzte Ihrer Diagramme, "Metal to P+ Semi Junction", ist die Situation, die mich interessiert. Und wenn ich die Dinge jetzt richtig verstehe, ist der Punkt dort, dass nur eine geringfügige Verringerung des Potenzials im Silizium ansteigt die Energieniveaus aller Elektronen dort, so dass der obere Teil des Valenzbandes über den roten Linien endet. Dann können einige der Valenzbandelektronen im P+ zu den unbesetzten Zuständen im Metall tunneln und Löcher hinterlassen, die dann nach rechts abgesaugt werden können. Ist das ungefähr richtig?
(Ich finde die Diagramme etwas schwierig zu verstehen, weil es nicht wirklich klar ist, was die braune Farbe anzeigt - besetzte Elektronenzustände? Das kann nicht ganz richtig sein, weil ich gelernt habe, dass der Punkt eines n-Typ-Halbleiters darin besteht einige der Zustände im Leitungsband sind besetzt, während in einem p-leitenden Material einige der Zustände im Valenzband nicht besetzt sind, aber die Diagramme zeigen das Valenzband als ganz braun und das Leitungsband als ganz weiß für beide n und p Materialien).
@HenningMakholm nicht wirklich, nein. Das wäre Inversion (wie das, was in MOSFET-Kanälen passiert, wenn sie eingeschaltet sind). Das Wichtigste ist die Skalierung, und es ist schwer zu zeichnen, aber im Wesentlichen besteht die Idee darin, die Barriere so scharf zu machen, dass sie oben (nahe der Spitze des Valenzbands) sehr dünn bleibt. Weil es dünn ist, fließen Elektronen einfach durch, als wäre es Metall.
Braun zeigt gefüllte Zustände an, bevor die Dotierstoffträger angeregt werden. Ich sollte wirklich einige der Träger hinzufügen. Bleiben Sie ein paar Minuten bei mir und ich füge sie hinzu.
x @Tom: Ich versuche zu verstehen, welche Elektronen es sind, die durch die Barriere fließen würden, um einen Strom von Metall zu Silizium zu erzeugen. Wenn ich die Diagramme richtig lese, haben alle Elektronen, die in der abgebildeten Situation im Silizium vorhanden sind, niedrigere Energien als die verfügbaren Zustände im Metall. Warum sollten sie also nach links fließen, selbst wenn es einen Tunnel gibt, der dies zulässt? Dafür müssten sie sich irgendwo einen Energieschub holen.
@HenningMakholm siehe das Update. Ich habe jetzt die Ladungsträger angegeben, die aus den Dotierstoffen resultieren. Der Dotierstoff vom p-Typ führt zu "Löchern" im Valenzband. Wenn Sie die Struktur (mit einem elektrischen Feld) kippen, schweben die Löcher nach oben. Wenn Sie also eine Gleichspannung an die Diode anlegen, bewegt sich das Metall nach oben und der p-Typ nach unten. Dadurch fließen die Löcher nach oben zur Barriere. Elektronen aus dem Metall können dann durch die Barriere tunneln, um diese Löcher zu füllen (es ist, als ob die Löcher vom Halbleiter in das Metall durchtunneln).
@TomCarpenter: Aber auch hier erzeugt das Nehmen von Elektronen VOM Metall ZUM Halbleiter einen Strom in die falsche Richtung!
Jedes Festkörpermaterial hat „ein kontinuierliches Band von Elektronenzuständen“ und hat normalerweise viele Bänder … (nicht weiter gelesen). Der Unterschied zwischen Leitern und Halbleitern liegt im Fermi-Niveau, wo es sich in Bezug auf Bänder befindet, nicht in der Existenz von Bändern.

Der Kontakt, auf den Sie sich beziehen, wird in der Industrie als ohmscher Kontakt bezeichnet und ist ein wichtiger und oft schwieriger Aspekt der Halbleiterverarbeitungsmetallurgie. Manche würden sagen, eher eine Kunst als eine Wissenschaft, zumindest in der Praxis.

Sie haben Recht, dass ein einfacher Metall-Halbleiter-Kontakt einen PN-Übergang bildet, der allgemein als Schottky-Übergang bekannt ist, und der an einer Halbleiter-zu-Leiter-Schnittstelle unerwünscht ist.

Um die inhärente Schottky-Natur von Halb-zu-Metall-Übergängen zu umgehen, wird der Halbleiter zunächst normalerweise am beabsichtigten Kontakt stark dotiert, um die Verarmungszone sehr klein zu halten. Dies bedeutet, dass das Elektronentunneln und nicht die "normale" Übergangsphysik der wichtige Elektronentransportmechanismus in einem ohmschen Kontakt ist.

Zweitens werden spezielle Kontaktmetalle, sogenannte Übergangsmetalle, abgeschieden und bei erhöhten Temperaturen in das Silizium an der Kontaktfläche einlegiert, die weiter wirken, um einen guten ohmschen Kontakt mit den Bonddrähten zu bilden, die schließlich mit dem Kontakt verbunden werden. Die Übergangsmetalle sind stark von der Art des Halbleiters abhängig, aber Aluminium, Titan-Wolfram und Silizide werden üblicherweise für Siliziumhalbleiter verwendet.

Ich versuche zu sehen, wie Elektronentunneln am Anodenende helfen würde, scheitere aber. Wir brauchen einen stetigen Strom von Elektronen, die in das Metall abfließen , aber im Halbleiter vom p-Typ gibt es keine freien Elektronen, die irgendwo tunneln könnten. Wenn sich ein Valenzelektron im p-Halbleiter entscheidet, in das Metall zu tunneln, ist das nicht nur die thermische Paarbildung, die normalerweise für den Rückstrom verantwortlich ist? Ich dachte, das sei ein Teil der "normalen Verbindungsphysik".
@Henning Makholm: Es ist nicht entscheidend, ob ein Elektron den Halbleiter aus dem Leitungsband (praktisch leer im p -Typ) oder aus dem (oberen) Valenzband verlässt.
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