Чому не існує різниці потенціалів у відключеному діоді?

Я знаю, що це питання звучить нерозумно, ніби є різниця потенціалів, коли клеми будуть з'єднані разом, це створило б струм, і це означатиме, що енергія звідкись надходить.

Причина, чому я запитую це, полягає в тому, що з мого розуміння області виснаження та вбудованого потенціалу діода, схоже, якби ви підключили вольтметр по всьому діоду, він би показав значення вбудованого потенціалу.

Це пояснено на зображенні нижче:

Спочатку електрони протікають від n типу до типу p, оскільки в n-типі більш висока концентрація, а отвори роблять навпаки. Це називається дифузійним струмом. Перші електрони та дірки, що перетинають границю pn, - ті, які є найближчими до неї; ці носії рекомбінуються, коли вони зустрічаються один з одним і більше не є носієм. Це означає, що поблизу кордону pn є область виснаження, де немає носіїв. оскільки електрони залишили матеріал n типу, а отвори залишили матеріал типу p, на надворі n та p границі pn є надлишок позитивного та негативного заряду. Це спричиняє електричне поле, яке протистоїть дифузійному струму, і тому більше електронів чи дірок не перетинають межу та поєднуються. Коротше кажучи, лише електрони та дірки біля кордону поєднуються, тому що після цього вони утворюються електричне поле, яке перешкоджає переходу більше носіїв. Струм, обумовлений цим електричним полем, називається дрейфовим струмом, а коли в рівновазі це буде дорівнює дифузійному струму. Оскільки на кордоні є електричне поле (вказує від позитивного заряду до негативного заряду), є пов'язана напруга. Це називається вбудованим потенціалом.

Якщо ви відбираєте пробу електричного поля в кожній точці вздовж діода зліва направо, ви б почали з 0 у р-області, оскільки є однакова кількість протонів та електронів. Коли ви наближаєтесь до області виснаження, ви побачите невелике електричне поле, спрямоване назад на область p, викликане акцепторними домішками, які тепер мають додатковий електрон (завдяки рекомбінації) і тому тепер мають чистий негативний заряд. Це електричне поле збільшуватиметься в силі, коли ви наближатиметесь до кордону, а потім відмиратиме, як віддаляєтесь далі.

Це електричне поле означає, що є напруга, як показано на графіку (d). Сторона p знаходиться в довільному потенціалі, а n-сторона є потенціалом, більшим за цей, оскільки між ними є електричне поле. Це означає, що існує різниця в потенціалі по всій області виснаження; це відоме як вбудований потенціал.

Але чому я підключаю вольтметр по всьому діоду, я не бачу цього вбудованого потенціалу?

Я думаю, відповідь відносно проста. Чи знаєте ви принцип роботи "діода Шоткі", який базується на переході напівпровідник-метал? Тепер - що станеться, якщо підключити вольтметр (або будь-яке інше навантаження) через діод? Ви створюєте два переходи Шоткі, які точно компенсують дифузійну напругу всередині pn діода. Таким чином, не можна вимірювати напругу. Іншими словами: Ви не можете використовувати дифузійну напругу для провідного струму через зовнішнє навантаження.

Помилка, решта відповідей здаються трохи хитрими, і я просто натрапив на це питання, тому я зроблю його.

Я думаю, що це через те, що рівень Фермі стає переривчастим під ухилом. Я впевнений, що ви можете уявити, що вольтметр насправді вимірює, як погано електрони та дірки хочуть перетнути стик. При тепловій рівновазі електрони і дірки не мають наміру рухатися по стику, тому напруга дорівнює 0В. Іншими словами, вольтметр дійсно вимірює лише різницю рівнів Фермі між двома сторонами.

Щоб зрозуміти, чому це робиться, потрібно знати, як працює вольтметр. Замість того, щоб буквально вимірювати різницю енергетичного рівня електрона на обох кінцях діода (що було б дивним), він просто вимірює струм, що протікає через його високий опір. У діоді при тепловій рівновазі немає руху нетто жодних носіїв заряду, тому немає струму. Відсутній струм означає відсутність показання вольтметра.

Якби у вас був електростатичний вольтметр із опором, набагато більшим, ніж ваш опір серії DUT, це можливо, але витік діода повинен був бути однаково високим, щоб запобігти розрядці статичного потенціалу.

Це дуже приємне питання цікавості! Це ж питання виникло у мене, коли я був на другому курсі. Але поки я не натрапив на поріг напруги в транзисторах і напругу переходу PN, картина стала мало чіткою.

Ви абсолютно праві (останній абзац), оскільки відбувається зміна потенціалу через електричне поле в області виснаження, є більший потенціал з боку n-типу та негативний потенціал з боку p-типу, завдяки чому наростає внутрішня різниця потенціалів . Ось чому для того, щоб струм протікав через діод (PN-перехід), вам знадобиться більший потенціал від типу P і n-Type, такий, що їх різниця більша за внутрішню різницю потенціалів, яка знаходиться в протилежному напрямку від прикладеної напруги по діоду . Це те, що ми називаємо упередженим діодом! Я впевнений, що ви знаєте цю основу. Тепер перейдемо до справжнього питання ->

Якщо ви мали б зондувати ваш віртуальний цифровий вольтметр точно на двох границях виснаження, то я впевнений, що ви б побачили різницю напруги там, але це зовсім неможливо зробити із звичайним мультиметром. Я впевнений, що існують способи, що у напівпровідникових компаніях є спеціальні зонди, щоб відчути ці перепади напруги. Але якщо ви вимірювали відключений діод від свого звичайного мультиметра (це ж враховується при моделюванні його в LTSPICE, що зондування проводиться на кінцях діода не всередині). В основному, ваша Графіка (D) сама відповідає на це. На графіку видно, що на обох кінцях діода немає електричного поля. оскільки електричне поле є консервативним, а два кінці діода (кінці матеріалів типу P і N) не мають заряду, а електричні поля на кінцях скасовуються внаслідок дифузії, як результат, немає електричного поля в після закінчення дифузійної області, це означає, що їх різниця також дорівнює 0, а вимірювана різниця напруги також 0 В. Сподіваюся, це допомагає!

Дав це питання пострілом. Існує два типи струмів на PN-стику. Дифузійні струми викликані носіями, що рухаються вниз по градієнту щільності носія. Дрифтові струми викликаються носіями, що рухаються вниз по електричному полі. Коли жодне зміщення не застосовується до ізольованого pn-переходу, струм дифузії переміщує носії по всій області виснаження, створюючи заряди на кожній стороні області виснаження. Накопичені заряди створюють електричне поле по всій області виснаження, і це електричне поле індукує струм у зворотному напрямку. Процес, природно, має тенденцію до рівноваги, при якій дифузійний струм точно скасовується дрейфовим струмом. Можна було б моделювати це як два рівнозначні джерела струму, пов'язані антипаралельно.

Відповідь досить проста: бар'єрний потенціал існує в області виснаження, а не через діод, тому область існування ліній електричного поля обмежена лише областю виснаження.

Використовуваний багатометровий пристрій підключається через клеми діода. І існують n та p області між багатометровим зондом та областю виснаження. Незаангажована n та p область діє як ізолятор, тому в зондах не надходять лінії поля, тому напруга не відображається в багатометровій.

Відповідь тиха проста: ви плутаєте електростатичний потенціал з електричним потенціалом. Те, що ви вимірюєте вольтметром, - це різниця в електричному потенціалі.

Однак електричний потенціал включає хімічний потенціал носіїв заряду. Примітка: Хімічний потенціал µ, а точніше градієнт -grad (µ) хімічного потенціалу, є "рушійною силою" дифузії.

У випадку переходу ПН сітчаста дифузія носіїв відбувається до тих пір, поки різниця електростатичного потенціалу між двома провідниками не дорівнює різниці хімічного потенціалу між двома провідниками за величиною. Оскільки обидві різниці потенціалів мають протилежні знаки, їх сума дорівнює нулю -> різниці електричних потенціалів для вимірювання немає, незважаючи на не зникаючу різницю електростатичного потенціалу!

Хоча через точку переходу pn є потенційний бар'єр, він не в змозі надіслати струм у вихідний контур. Оскільки інших джерел немає, провід повинен бути нагрітим. Експерименти показують, що це ніколи не відбувається. Інше, з'єднання повинно будьте прохолодними, оскільки немає зовнішнього джерела. тому буде створена теплова нестабільність. тому струм повинен бути нульовим. контактний потенціал металу та напівпровідника нейтралізує потенційний бар'єр. тому трапляється вищевказаний тип справи.