एक डायोड में करंट कैसे आता है?


36

मुझे लगता है कि मुझे कम या ज्यादा समझ में आता है कि एक साधारण अर्धचालक डायोड कैसे काम करता है: क्रिस्टल अलग-अलग क्षेत्रों में अलग-अलग तरीके से डोप किया जाता है, जहां वे मिलते हैं, ब्लो ब्ला ब्ला।

हालाँकि, वास्तविक डायोड जो सर्किट बनाते हैं वे n-doped और p-doped सिलिकॉन के बिट्स के साथ समाप्त नहीं होते हैं। वे थोड़ा चीनी मिट्टी / प्लास्टिक के साथ संकुल धातु होता है समाप्त होता है से बाहर आ रहा। किसी तरह करंट को उन धातु सीसे और अंदर के सेमीकंडक्टर के बीच से गुजरना पड़ता है।

और एक समस्या है। अगर मैं चीजों को सही ढंग से समझता हूं, तो एक धातु को परम एन-वाहक सामग्री होना चाहिए - जाली में हर परमाणु कम से कम एक इलेक्ट्रॉन को एक चालन बैंड में योगदान देता है। जब हम सेमीकंडक्टर के पी-डॉप्ड अंत पर एक धातु की लीड को चिपकाते हैं, तो हमें एक और पीएन-जंक्शन प्राप्त करना चाहिए, जो आगे प्रवाह के लिए गलत दिशा में जाता है ।

कैसे पूरा घटक वैसे भी आगे की दिशा में आचरण कर सकता है?

क्या यह केवल सिलिकॉन-मेटल इंटरफेस के क्षेत्र को इतना बड़ा बनाने की बात है कि पी / मेटल जंक्शन का कुल रिवर्स लीकेज करंट उस पूरे करंट से अधिक हो, जिसे हम चाहते हैं कि पूरा डायोड ले जाए? (मैं मल्टी-एम्पीयर रेक्टिफायर्स के लिए बारीक इंटरडिजिट धातु और सिलिकॉन की बड़ी मात्रा की कल्पना कर रहा हूं)। या कुछ और चल रहा है?


मेरा मानना ​​है कि आपका भ्रम इलेक्ट्रॉनों के समान "छेद" का इलाज करने के कारण है। आपको ध्यान रखना चाहिए कि किसी भी समय, केवल एक चीज जो चलती है, वह है इलेक्ट्रॉन! जब एक इलेक्ट्रॉन चलता है, तो यह एक "छेद" भरता है और एक "छेद" भी बनाता है। सबसे अच्छा उदाहरण चीनी चेकर्स गेम है। मार्बल्स इलेक्ट्रॉन हैं और बोर्ड पर छेद अर्धचालक में "छेद" हैं। जैसे ही संगमरमर एक छेद में जाता है, छेद "चलता है" जहां इलेक्ट्रॉन था। आप इस बिंदु को भी याद करते हैं कि सेमी जंक्शनों को धातु, अनिवार्य रूप से "ओमिक" जंक्शन हैं, सेमीकंडक्टर जंक्शन नहीं!
गिल

@ गिल: छेदों के लिए चीनी चेकर्स स्कूली बच्चों और गृहिणियों के लिए अच्छा है। ठोस स्थिति भौतिकी में कोई चेकर नहीं होता है, कोई स्थानिक "छेद" नहीं होता है और क्वांटम कणों की गति को उनकी गति के रूप में समझा जाता है, बिंदु A से प्रस्थान नहीं करता है और बी में आता है
Incnis Mrsi

जवाबों:


30

एक प्रकार का डायोड होता है जिसे स्कोटी डायोड कहा जाता है, जो मूल रूप से एक धातु-अर्धचालक जंक्शन है, इसलिए यह प्रश्न उठाता है कि आप किसी डायोड को नहीं, बल्कि किसी भी अर्धचालक उपकरण के साथ धातु का संपर्क कैसे बनाते हैं।

इसका उत्तर यह है कि धातु-अर्ध जंक्शन कुछ परिस्थितियों में डायोड व्यवहार क्यों प्रदर्शित करता है। पहले हमें धातु और एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालकों के बीच अंतर को जल्दी से देखने की जरूरत है।

धातु और सेमीकंडक्टर बैंड संरचनाएं

धातुएं इलेक्ट्रॉन राज्यों का एक निरंतर बैंड हैं। इलेक्ट्रॉन निचले राज्यों में रहना पसंद करते हैं, इसलिए यह छायांकित भूरे क्षेत्र के साथ दिखाया गया है। लाल रेखा औसत ऊर्जा स्तर (फर्मी स्तर) को इंगित करती है जो धातु में मूल रूप से इलेक्ट्रॉनों के साथ "पूर्ण" है। फिर एक बच ऊर्जा है जहां इलेक्ट्रॉन अब संरचना के लिए बाध्य नहीं हैं - वे मुक्त हो जाते हैं। इसे कार्य फ़ंक्शन रूप में दिखाया गया है ।ϕm

अर्धचालकों के लिए, बैंड थोड़ा अलग हैं। बीच में एक गैप होता है जहां इलेक्ट्रॉनों को रहना पसंद नहीं होता है। संरचना को वैलेंस बैंड में विभाजित किया जाता है जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, और चालन बैंड जो आमतौर पर खाली होता है। कितना अर्धचालक डोप हो जाता है, इसके आधार पर, औसत ऊर्जा बदल जाएगी। एन-प्रकार में, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में जोड़ा जाता है जो औसत ऊर्जा को ऊपर ले जाता है। पी-प्रकार के इलेक्ट्रॉनों में वैलेंस बैंड से हटा दिया जाता है, औसत ऊर्जा को नीचे ले जाता है।

जब आपके पास धातु और अर्धचालक क्षेत्रों के बीच एक असतत जंक्शन होता है, तो सरल शब्दों में यह बैंड संरचना के झुकने का कारण बनता है। जंक्शन पर धातु से मेल खाने वाले सेमीकंडक्टर वक्र में ऊर्जा बैंड। नियम केवल यह है कि फर्मी ऊर्जा संरचना में मेल खाना चाहिए, और बच ऊर्जा स्तर जंक्शन पर मेल खाना चाहिए। इस बात पर निर्भर करता है कि बैंड कैसे निर्धारित करेगा कि क्या और एक इनबिल्ट एनर्जी बैरियर फॉर्म (एक डायोड) है।


कार्य समारोह का उपयोग करके ओमिक संपर्क

एन-टाइप मेटल जंक्शन

यदि धातु में एक एन-प्रकार अर्धचालक की तुलना में अधिक कार्य है, तो अर्धचालक के बैंड इसे पूरा करने के लिए ऊपर की ओर झुकते हैं। यह कंडक्शन बैंड के निचले किनारे को एक संभावित अवरोध (डायोड) पैदा करने का कारण बनता है जिसे इलेक्ट्रॉनों को धातु में अर्धचालक के कंडक्शन बैंड से प्रवाह करने के लिए दूर करना होगा।

इसके विपरीत यदि धातु में n- प्रकार अर्धचालक की तुलना में कम कार्य होता है, तो अर्धचालक के बैंड इसे पूरा करने के लिए नीचे झुकते हैं। यह बिना किसी अवरोध के परिणाम देता है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को धातु में जाने के लिए ऊर्जा प्राप्त करने की आवश्यकता नहीं होती है।

पी-टाइप मेटल जंक्शन

एक पी-प्रकार अर्धचालक के लिए, विपरीत सच है। धातु में एक उच्च कार्य होना चाहिए जो अर्धचालक क्योंकि पी-प्रकार की सामग्री में बहुमत वाहक वाल्व बैंड में छेद करते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों को धातु से अर्धचालक में बाहर निकलने की आवश्यकता होती है।

हालांकि, इस प्रकार के संपर्क का उपयोग शायद ही कभी किया जाता है। जैसा कि आप टिप्पणियों में बताते हैं, इष्टतम वर्तमान प्रवाह डायोड में हमें जो चाहिए, उससे विपरीत है। मैंने इसे पूर्णता के लिए शामिल करने के लिए चुना, और एक शुद्ध ओमिक संपर्क की संरचना और एक स्कूटी डायोड संपर्क के बीच अंतर को देखने के लिए।


टनलिंग का उपयोग करके ओमिक संपर्क

एन + मेटल जंक्शन में सुरंग

अधिक सामान्य तरीका Schottky प्रारूप (जो एक अवरोध बनाता है) का उपयोग करता है, लेकिन बाधा को बड़ा करने के लिए - अजीब लगता है, लेकिन इसका सच है। जब आप अवरोध को बड़ा करते हैं, तो यह पतला हो जाता है। जब अवरोध काफी पतला होता है, तो क्वांटम प्रभाव खत्म हो जाता है। इलेक्ट्रॉन मूल रूप से अवरोध के माध्यम से सुरंग बना सकते हैं और जंक्शन अपने डायोड व्यवहार को खो देता है। नतीजतन, हम अब एक ओमिक संपर्क बनाते हैं।

एक बार जब इलेक्ट्रॉन बड़ी संख्या में सुरंग बनाने में सक्षम होते हैं, तो मूल रूप से अवरोध एक प्रतिरोधक पथ से अधिक कुछ नहीं होता है। इलेक्ट्रॉन बैरियर के माध्यम से, यानी धातु से अर्ध तक, या अर्ध से धातु तक दोनों तरह से सुरंग बना सकते हैं।

अवरोध को संपर्क के आसपास के क्षेत्र में सेमीकंडक्टर को अधिक भारी डोपिंग द्वारा उच्च किया जाता है जो बैंड में मोड़ को बड़ा होने के लिए मजबूर करता है क्योंकि धातु और अर्धचालक के बीच फर्मी स्तर में अंतर बड़ा हो जाता है। यह बदले में अवरोध को कम करता है।

पी + मेटल जंक्शन में सुरंग बनाना

पी-प्रकार के साथ भी ऐसा ही किया जा सकता है। टनलिंग वेलेंस बैंड में अवरोध के माध्यम से होती है।


एक बार जब आपके पास सेमीकंडक्टर के साथ ओहमिक कनेक्शन होता है, तो आप बस कनेक्शन बिंदु पर एक धातु बांड पैड जमा कर सकते हैं, और फिर उन लोगों को डायोड धातु पैड (एसएमडी) या पैरों (थ्रू-होल) के लिए तार बांड दे सकते हैं।


मैं यहां भ्रमित हो सकता हूं, लेकिन क्या आपके पास इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा उलट नहीं है? आगे की दिशा में, मुख्य जंक्शन पर पी-टाइप क्षेत्र से एन-टाइप क्षेत्र तक प्रवाहित होता है (विद्युत क्षेत्र दोनों प्रकार के वाहक को जंक्शन में धकेलता है, जहां वे विनाश कर सकते हैं), जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होना चाहिए दूसरी दिशा: से पी-प्रकार सिलिकॉन में इसकी संलग्न धातु सीसा।
हेनिंग मैखोलम

@HenningMakholm एक डायोड में, हाँ, इलेक्ट्रॉनों N- प्रकार से P- प्रकार में प्रवाहित होंगे। अब जब मैंने आरेख जोड़े हैं, तो चीजें थोड़ी और स्पष्ट होनी चाहिए। यदि इलेक्ट्रॉन N से P की ओर बह रहे हैं, तो इसे धातु से N-प्रकार के अर्धचालक में और P- प्रकार से धातु में प्रवाहित होना चाहिए। बैरियर टनलिंग विधि का उपयोग करके यह संभव है क्योंकि वर्तमान बाधा के माध्यम से दोनों तरह से जा सकता है।
टॉम कारपेंटर

x @Tom, नहीं, मैं अभी भी उलझन में हूं। आप लिखते हैं "एक पी-प्रकार की सामग्री में बहुमत वाहक छिद्र बैंड में छेद होते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों को धातु से अर्धचालक में बहने की आवश्यकता होती है" - लेकिन आगे-पक्षपाती डायोड में, पी-टाइप सामग्री के साथ अंत होता है। वह जहां हम चाहते हैं कि इलेक्ट्रॉनों धातु के सीसे में प्रवाहित हों और शेष परिपथ की ओर भागें।
हेनिंग मैखोलम

@HenningMakholm मैंने उत्तर को थोड़ा और स्पष्ट करने की कोशिश की है। शुद्ध ओमिक संपर्क शायद ही कभी आपके द्वारा उजागर किए गए कारणों के लिए उपयोग किया जाता है - डायोड के मामले में, हमें दूसरे तरीके से प्रवाह करने के लिए वर्तमान की आवश्यकता होती है। लेकिन मैं इसे पूर्णता के लिए शामिल करना चाहता था। सौर सेल (एक प्रकार का डायोड) के मामले में, धारा दूसरी तरह से बहती है, इसलिए पहले प्रकार का संपर्क लागू होता है।
टॉम कारपेंटर

हम्म, इसलिए आपके आरेखों में से अंतिम, "मेटल टू पी + सेमी जंक्शन" वह स्थिति है, जिसमें मैं दिलचस्पी रखता हूं। और अगर मैं चीजों को सही ढंग से समझता हूं, तो मुद्दा यह है कि सिलिकॉन में क्षमता का बस थोड़ा सा कम हो जाएगा। सभी इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा स्तर, जैसे कि वैलेंस बैंड का ऊपरी भाग लाल रेखाओं के ऊपर समाप्त होता है। फिर P + में कुछ वैलेंस-बैंड इलेक्ट्रॉनों को धातु में अप्रकाशित राज्यों में सुरंग कर सकते हैं, जिससे छेद को छोड़ दिया जा सकता है जिसे फिर दाईं ओर चूसा जा सकता है। क्या यह सही है?
हेनिंग मखोलम

11

जिस संपर्क का आप उल्लेख कर रहे हैं, वह उद्योग में एक ओमिक संपर्क के रूप में जाना जाता है, और अर्धचालक प्रसंस्करण धातु विज्ञान का एक महत्वपूर्ण और अक्सर कठिन पहलू है। कुछ कहेंगे एक कला से अधिक विज्ञान, कम से कम व्यवहार में।

आप सही कह रहे हैं कि एक साधारण धातु-अर्धचालक संपर्क एक पीएन जंक्शन बनाता है, जिसे आमतौर पर शोट्की जंक्शन के रूप में जाना जाता है, और यह एक अर्धचालक से कंडक्टर इंटरफ़ेस के लिए अवांछनीय है।

अर्द्ध-से-धातु जंक्शनों के अंतर्निहित Schottky प्रकृति के चारों ओर पाने के लिए, सबसे पहले आमतौर पर अर्धचालक को बहुत अधिक डॉप किया जाता है, जो कि संपर्क क्षेत्र में बहुत छोटा होता है। इसका अर्थ है कि "सामान्य" जंक्शन भौतिकी के बजाय इलेक्ट्रॉन टनलिंग, एक ओमिक संपर्क में महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉन परिवहन तंत्र है।

दूसरे, विशिष्ट संपर्क धातु, जिन्हें संक्रमण धातु कहा जाता है, संपर्क क्षेत्र में सिलिकॉन में ऊंचे तापमान पर जमा और मिश्र धातु होते हैं, जो आगे के तारों से बंधे हुए तारों के साथ एक अच्छा ओमिक संपर्क बनाने के लिए आगे कार्य करते हैं। संक्रमण धातुएं अर्धचालक के प्रकार पर अत्यधिक निर्भर हैं, लेकिन एल्यूमीनियम, टाइटेनियम-टंगस्टन, और सिलिकाइड का उपयोग आमतौर पर सिलिकॉन अर्धचालक के लिए किया जाता है।


मैं यह देखने की कोशिश कर रहा हूं कि कैसे इलेक्ट्रॉन टनलिंग एनोड के अंत में मदद करेगा, लेकिन असफल रहा। हमें धातु में बहने वाले इलेक्ट्रॉनों की एक स्थिर धारा की आवश्यकता होती है , लेकिन पी-प्रकार के अर्धचालक में कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं जो कहीं भी सुरंग कर सकते हैं। यदि पी-टाइप सेमीकंडक्टर में एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन धातु में सुरंग का फैसला करता है, तो क्या केवल थर्मल पेयर उत्पादन नहीं है जो आमतौर पर रिवर्स करंट के लिए जिम्मेदार होता है? मुझे लगा कि यह "सामान्य जंक्शन भौतिकी" का एक हिस्सा था।
हेनिंग मैखोलम

@ हेनिंग मैखोलम: यह महत्वपूर्ण नहीं है कि क्या कोई इलेक्ट्रॉन कंडक्टर बैंड से सेमीकंडक्टर को छोड़ता है (लगभग पी प्रकार में खाली ) या (ऊपरी) वैलेंस बैंड से।
इंकिस Mrsi
हमारी साइट का प्रयोग करके, आप स्वीकार करते हैं कि आपने हमारी Cookie Policy और निजता नीति को पढ़ और समझा लिया है।
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.