¿Cómo entra la corriente en un diodo?

Hay un tipo de diodo llamado diodo Schottky, que es básicamente una unión metal-semiconductor, por lo que surge la pregunta: ¿cómo se forma un contacto metálico con cualquier dispositivo semiconductor, no solo con un diodo?

La respuesta radica en por qué una semiunión de metal exhibe un comportamiento de diodo en algunas circunstancias. Primero, debemos observar rápidamente la diferencia entre el metal y los semiconductores de tipo n y tipo p.

Los metales son una banda continua de estados electrónicos. Los electrones prefieren estar en los estados inferiores, por lo que esto se muestra con la región marrón sombreada. La línea roja indica el nivel de energía promedio (nivel de Fermi) que en el metal es básicamente cuán "lleno" está de electrones. Entonces hay una energía de escape donde los electrones ya no están ligados a la estructura, se vuelven libres. Esto se muestra como la función de trabajo$\phi_m$.

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 dope el semiconductor, la energía promedio cambiará. En el tipo n, se agregan electrones adicionales a la banda de conducción, lo que eleva la energía promedio. En el tipo p, los electrones se eliminan de la banda de valencia, lo que hace que la energía promedio disminuya.

Cuando tiene una unión discreta entre las regiones de metal y semiconductor, en términos simples, provoca la flexión de la estructura de la banda. Las bandas de energía en la curva del semiconductor 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 doblen las bandas, se determinará si se forma una barrera de energía incorporada (un diodo).

Contacto óhmico usando la función de trabajo

Si el metal tiene una función de trabajo superior a la de 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 genere una barrera de 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 hacia abajo para encontrarlo. Esto da como resultado que no haya barrera porque los electrones no necesitan ganar energía para ingresar al metal.

Para 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 de 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 rara vez se utiliza. Como señala en los comentarios, el flujo de corriente óptimo es el opuesto al que necesitamos en el diodo. Elegí incluirlo para completarlo y observar la diferencia entre la estructura de un contacto óhmico puro y un contacto de diodo Schottky.

Contacto óhmico usando Tunneling

El método más común es usar el formato Schottky (que forma una barrera), pero agrandar la barrera; suena extraño, pero es cierto. Cuando haces que la barrera sea más grande, se vuelve más delgada. Cuando la barrera es lo suficientemente delgada, los efectos cuánticos toman el control. Básicamente, los electrones pueden hacer un túnel a través de 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 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 de las bandas sea más grande porque la diferencia en el nivel de Fermi entre el metal y el semiconductor se hace más grande. Esto a su vez resulta en un estrechamiento de la barrera.

Lo mismo se puede hacer con un tipo P. La tunelización se produce a través de la barrera en la banda de valencia.

Una vez que tenga una conexión óhmica con el semiconductor, puede simplemente depositar una almohadilla de unión de metal en el punto de conexión y luego unirlas con cables a las almohadillas de metal de los diodos (SMD) o patas (agujero 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 que es más un arte que una ciencia, al menos en la práctica.

Tiene razón en que un simple contacto metal-semiconductor forma una unión PN, generalmente conocida como unión Schottky, y eso no es deseable en una interfaz de semiconductor a conductor.

Para eludir la naturaleza inherente de Schottky de las uniones semi-metal, en primer lugar, generalmente el semiconductor está muy dopado en el contacto previsto, 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 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 comúnmente para los semiconductores de silicio.