Dlaczego nie ma potencjalnej różnicy między odłączoną diodą?

Wiem, że to pytanie brzmi głupio, jak gdyby istniała różnica potencjałów, prąd powstałby, gdy terminale byłyby połączone razem, a to oznaczałoby, że energia skądś pochodzi.

Powód, dla którego o to pytam, jest taki, że z mojego zrozumienia regionu zubożenia i wbudowanego potencjału diody wydaje się, że jeśli podłączysz woltomierz do całej diody, to pokaże wartość wbudowanego potencjału.

Wyjaśnia to poniższy obrazek:

Początkowo elektrony przepływają z typu n do typu p, ponieważ występuje wyższe stężenie w typie n, a dziury odwrotnie. Nazywa się to prądem dyfuzyjnym. Pierwsze elektrony i dziury, które przekroczą granicę pn, są tymi, które są najbliżej; ci przewoźnicy ponownie się łączą, kiedy się spotykają, i wtedy nie są już nosicielami. Oznacza to, że w pobliżu granicy pn znajduje się obszar zubożenia żadnych nośników. ponieważ elektrony opuściły materiał typu n, a dziury opuściły materiał typu p, istnieje nadwyżka ładunku dodatniego i ujemnego odpowiednio po stronie n i p granicy pn. Powoduje to pole elektryczne, które przeciwstawia się prądowi dyfuzyjnemu, dzięki czemu elektrony i dziury nie przekraczają granicy i nie łączą się. Krótko mówiąc, tylko elektrony i dziury w pobliżu granicy łączą się, ponieważ po wykonaniu tej czynności powstaje pole elektryczne, które uniemożliwia przejście kolejnych nośników. Prąd wywołany tym polem elektrycznym nazywany jest prądem dryfującym, a gdy jest w równowadze, będzie równy prądowi dyfuzyjnemu. Ponieważ na granicy znajduje się pole elektryczne (wskazujące od ładunku dodatniego do ładunku ujemnego), istnieje związane napięcie. Nazywa się to wbudowanym potencjałem.

Jeśli próbkujesz pole elektryczne w każdym punkcie wzdłuż diody od lewej do prawej, zaczynasz od 0 w regionie p, ponieważ istnieje taka sama liczba protonów i elektronów. Gdy zbliżasz się do regionu wyczerpania, zobaczysz małe pole elektryczne skierowane z powrotem w kierunku regionu p, spowodowane przez zanieczyszczenia akceptorowe, które mają teraz dodatkowy elektron (z powodu rekombinacji), a zatem mają teraz ładunek ujemny netto. To pole elektryczne zwiększy siłę, gdy zbliżysz się do granicy, a następnie umrze w miarę oddalania się.

To pole elektryczne oznacza napięcie, jak pokazano na wykresie (d). Strona p ma dowolny potencjał, a strona n ma potencjał większy niż ten, ponieważ między nimi jest pole elektryczne. Oznacza to, że istnieje potencjalna różnica w całym regionie zubożenia; jest to znane jako potencjał wbudowany.

Ale dlaczego, kiedy podłączę woltomierz do całej diody, nie zobaczę tego wbudowanego potencjału?

Myślę, że odpowiedź jest stosunkowo prosta. Czy znasz zasadę działania „diody Schottky'ego” opartej na połączeniu półprzewodnik-metal? A teraz - co się stanie, jeśli podłączysz woltomierz (lub jakikolwiek inny ładunek) do diody? Tworzysz dwa złącza Schottky'ego, które dokładnie kompensują napięcie dyfuzyjne wewnątrz diody pn. Zatem nie można zmierzyć napięcia. Innymi słowy: nie można użyć napięcia dyfuzyjnego do napędzania jakiegokolwiek prądu przez obciążenie zewnętrzne.

Eee, reszta odpowiedzi wydaje się trochę podejrzana i natknąłem się na to pytanie, więc spróbuję.

Myślę, że dzieje się tak z powodu faktu, że poziom Fermiego staje się nieciągły pod wpływem uprzedzeń. Jestem pewien, że możesz sobie wyobrazić, że woltomierz tak naprawdę mierzy to, jak bardzo elektrony i dziury chcą przeciąć skrzyżowanie. W równowadze termicznej elektrony i dziury nie mają zamiaru poruszać się po złączu, więc napięcie wynosi 0 V. Innymi słowy, woltomierz naprawdę mierzy tylko różnicę poziomów Fermiego między dwiema stronami.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, musisz wiedzieć, jak działa woltomierz. Zamiast dosłownie mierzyć różnicę w poziomie energii elektronu na obu końcach diody (co byłoby niesamowite), po prostu mierzy prąd przepływający przez jego wysoką rezystancję. W diodzie w równowadze termicznej nie ma ruchu netto żadnych nośników ładunku, a więc nie ma prądu. Brak prądu oznacza brak odczytu woltomierza.

Jeśli miałbyś woltomierz elektrostatyczny o rezystancji znacznie wyższej niż rezystancja serii DUT, co jest możliwe, ale przeciek diody musiałby być jednakowo wysoki, aby zapobiec rozładowaniu potencjału statycznego.

To bardzo miłe pytanie z ciekawości! To samo pytanie przyszło mi do głowy, gdy byłem na drugim roku. Ale dopóki nie natknąłem się na napięcia progowe w tranzystorach i spadki napięcia na złączach PN, obraz stał się mało wyraźny.

Masz absolutną rację (ostatni akapit), ponieważ nastąpiła zmiana potencjału spowodowana polem elektrycznym w regionie wyczerpania, istnieje wyższy potencjał od strony typu n i potencjał ujemny od strony typu p, co powoduje wzrost wewnętrznej różnicy potencjałów . Dlatego, aby prąd mógł przepływać przez diodę (złącze PN), potrzebny byłby większy potencjał typu P i typu N, tak aby ich różnica była większa niż wewnętrzna różnica potencjałów, która jest odwrotna do przyłożonego napięcia na diodzie . To właśnie nazywamy diodą tendencyjną! Jestem pewien, że znasz te podstawy. Teraz przejdźmy do prawdziwego pytania ->

Jeśli miałbyś sondować swój wirtualny woltomierz cyfrowy dokładnie na dwóch granicach wyczerpania, to jestem pewien, że zobaczyłbyś tam różnicę napięcia, ale jest to całkiem niemożliwe w przypadku zwykłego multimetru. Jestem pewien, że istnieją sposoby, aby firmy produkujące półprzewodniki miały specjalne sondy do wykrywania tych różnic napięcia. Jeśli jednak zmierzysz odłączoną diodę od zwykłego multimetru (to samo jest brane pod uwagę, gdy symulujesz w LTSPICE, że sondowanie odbywa się na końcach diody nie wewnętrznie). Zasadniczo, twój wykres (D) ma tę odpowiedź samodzielnie. Wykres pokazuje, że na obu końcach diody nie ma pola elektrycznego. ponieważ pole elektryczne jest konserwatywne, a dwa końce diody (końce materiałów typu P i N) nie mają ładunku, a pola elektryczne na końcach są anulowane z powodu dyfuzji, w rezultacie po zakończeniu obszaru dyfuzji nie ma pola elektrycznego, co oznacza, że ​​ich różnica wynosi również 0, a zmierzona różnica napięć wynosi również 0 V. Mam nadzieję że to pomoże!

Dając szansę temu pytaniu. Istnieją dwa rodzaje prądów na złączu PN. Prądy dyfuzyjne są powodowane przez nośniki poruszające się w dół gradientu gęstości nośnika. Prądy dryfu są powodowane przez nośniki poruszające się w dół pola elektrycznego. Gdy do izolowanego złącza pn nie stosuje się uprzedzeń, prąd dyfuzyjny przemieszcza nośniki przez obszar zubożenia, zwiększając ładunki z każdej strony obszaru zubożenia. Zakumulowane ładunki wytwarzają pole elektryczne w całym obszarze zubożenia, a to pole elektryczne indukuje prąd w przeciwnym kierunku. Proces ten naturalnie dąży do równowagi, w której prąd dyfuzyjny jest dokładnie anulowany przez prąd dryfujący. Można to modelować jako dwa źródła prądu o jednakowej wartości połączone w sposób przeciwrównoległy.

Odpowiedź jest dość prosta. Potencjał barierowy istnieje w całym obszarze zubożenia, a nie w poprzek diody, więc obszar istnienia linii pola elektrycznego jest ograniczony tylko do regionu zubożenia.

Zastosowany multimetr jest podłączony przez zaciski diody. Pomiędzy sondą wielometrową a obszarem zubożenia istnieją regiony n i p. Bezstronny region n i p działa jako izolator, w wyniku czego na sondach nie są odbierane żadne linie pola, dlatego w mierniku nie ma napięcia.

Odpowiedź jest cicha i prosta: mylisz potencjał elektrostatyczny z potencjałem elektrycznym. To, co mierzysz woltomierzem, to różnica w potencjale elektrycznym.

Potencjał elektryczny obejmuje jednak potencjał chemiczny nośników ładunku. Uwaga: potencjał chemiczny µ, a ściślej gradient gradientu (µ) potencjału chemicznego, jest „siłą napędową” stojącą za dyfuzją.

W przypadku złącza PN dyfuzja netto nośników zachodzi, dopóki różnica potencjału elektrostatycznego między dwoma przewodnikami nie będzie równa różnicy potencjału chemicznego między dwoma przewodnikami pod względem wielkości. Ponieważ obie różnice potencjałów mają przeciwne znaki, ich suma wynosi zero -> nie ma różnicy potencjałów elektrycznych do zmierzenia, pomimo nie znikającej różnicy potencjału elektrostatycznego!

Chociaż istnieje potencjalna bariera na punkcie złącza pn, nie jest w stanie wysłać żadnego prądu do obwodu wyjściowego. Ponieważ nie ma innych źródeł, drut musi zostać podgrzany. Eksperymenty pokazują, że to się nigdy nie zdarza. W przeciwnym razie złącze powinno być chłodnym, ponieważ nie ma zewnętrznego źródła. więc powstanie niestabilność termiczna. więc prąd musi wynosić zero. potencjał styku metalu i półprzewodnika neutralizuje barierę potencjalną. więc dzieje się powyższy przypadek.