Пороговое напряжение кремниевого диода 0,7

Я задавался вопросом, почему это значение установлено на уровне около 0,7 В (0,3 Ge). Я исследовал эту тему снова и снова, но я всегда нахожу один и тот же ответ. Они говорят: «Потому что напряжение для кремниевых диодов составляет 0,7». Это все равно, что сказать, что небо голубое, потому что синий - это цвет неба.

Я знаком с уравнением диодов Шокли, но не вижу связи с пороговым напряжением (я говорю это, потому что люди дали мне ссылку на его страницу в Википедии).

Я также читал кое-что о концентрации примесей вблизи соединения, связанной с барьером напряжения (я надеюсь получить ответ, связанный с этим, и процессом производства).

Другой ответ, который мне дали, заключается в том, что это природа силиконов (я ненавижу этот ответ, потому что я получаю от него то, что напряжение является интенсивным свойством, а не обширным - что сделает материалы более «работоспособными»).

Таким образом, вопрос сам по себе : почему 0,7, а не 0,4, 0,11, 1,2 (для кремния)?

Немного более ELI5 ответ:

Когда мы соприкасаемся с любыми двумя разными металлами , они заряжаются, один становится положительным, а другой отрицательным. Они образуют самозарядный конденсатор или что-то вроде низковольтной батареи. Этот эффект был обнаружен в первые дни физики, обнаружен при чувствительных измерениях электростатического заряда. Он вел себя так же, как контактная зарядка шелка, натертого на резину. Но с металлами трения не требовалось. Позже выяснилось, что два разных металла всегда создают одинаковое напряжение между ними. (Ну, то же самое при комнатной температуре. Напряжение немного меняется в зависимости от температуры.)

Но это напряжение никогда не может быть обнаружено вольтметрами. Мы можем построить наши цепи из меди, алюминия, железа и т. Д., И для каждого соединения медь-алюминий всегда будет соединение алюминий-медь где-то еще. Эффект зарядки металлов может быть очень большим, но он суммируется с нулевым значением в замкнутом контуре. Негативная клемма одной «батареи» всегда обращена к отрицательной клемме другой. Это не источник энергии; не вечный двигатель.

Что если мы натолкнем плиту из кремния p-типа на плиту из кремния n-типа? Это самозарядный конденсатор, который выдает примерно 0,7 В между кремниевыми пластинами. Одна плита крадет электроны у другой, но только до тех пор, пока не будет устранена разница в энергиях орбит мобильных носителей. Обратите внимание, что в точке контакта не должно быть никаких диодов. Мы могли бы использовать высоколегированный n- и p ++ «металлический» кремний, который не может образовывать диоды, но при соприкосновении пластины все еще производят эту самопроизвольную зарядку и разность потенциалов. Мы могли бы даже паять кремний p и n вместе (сначала посеребрите концы пластин, чтобы припой смачивал их), и все же появился потенциал в 0,7 В.

Почему диоды включаются при напряжении 0,7 В, а не при нулевом напряжении? Это потому, что обедненный слой диода всегда имеет внутри себя спонтанный «контакт с разными металлами» 0,7 В. Напряжение держит диод выключенным. На отключенном диоде это не измеримое напряжение (вы никогда не обнаружите его напрямую, не измеряя электронные поля, окружающие клеммы диода.) Хех, если бы мы могли сформировать диоды из железа и меди, то эти диоды вместо этого повернули бы при естественной разности потенциалов железо-медь, которая проявляется во всех соединениях железо-медь.

Когда мы прикладываем внешнее напряжение для прямого смещения диодного перехода, диод включается, когда внешнее напряжение нейтрализует постоянное встроенное невидимое напряжение. Другими словами, диоды включаются только тогда, когда мы уменьшили «невидимое» напряжение перехода почти до нуля: замкнули его.

Все это связано со многими другими эффектами. Если мы сделаем замкнутое металлическое кольцо, полукольцо из меди, соединенное с полукольцом из железа, то нагреем один из переходов, будет течь много мА или, возможно, усилителей, поскольку два «невидимых» напряжения уже не совпадают и небольшая разница создает большой ток в цепи. Другими словами, напряжения термопары являются лишь крошечным остатком этого магического «невидимого напряжения», термопреобразователя, возникающего из-за дисбаланса. Мы обнаруживаем только дисбаланс, но не первоначальную разность потенциалов, которая всегда появляется между двумя металлами.

Мы можем производить холод: полупроводниковый холодильник. Если мы паяем любой кремний p-типа против n-типа, затем проталкиваем через обратный ток, где дырки текут от электронов, тогда соединение p-to-n становится холодным, а металлические контакты в других местах становятся одинаково теплыми. Обратите внимание, что диод не образовывался, поскольку два отдельных кремниевых блока были соединены припоем. Поменяйте местами выводы, и вместо этого металлические контакты станут холодными, в то время как переход pn-припоя нагревается одинаково.

Кроме того, это означает, что солнечные элементы не работают так, как думает большинство людей. Внутри темного солнечного элемента pn-переход имеет естественную разность потенциалов 0,7 В. В других местах схемы мы обнаруживаем противоположные различия (вероятно, обнаруживаемые в основном на металлических контактах с полупроводником). Все они составляют в целом ноль. Таким образом, когда свет попадает на соединение, потенциал соединения замыкается! Тогда все другие разности потенциалов от других частей схемы обеспечат электронные поля, которые заставят заряды течь. Освещенные солнечные элементы pn переходы не обеспечивают напряжение. Weird! Вместо этого металлические контакты проводов обеспечивают напряжение, а подсвеченный pn переход обеспечивает отсутствующее напряжение:странность, которой нет ни в одной нормальной цепи. Когда вольтметр (изготовленный из меди, припоя, кремния и т. Д.) Подключен к солнечному элементу, отсутствующий потенциал перехода pn-перехода позволяет нам измерить общий потенциал всех других присутствующих переходов проводника. (Или вместо этого мы могли бы взять микрообзор и сказать, что поглощенные фотоны поднимают уровень энергии мобильных зарядов в соединении, позволяя им пересекать его, даже когда сильное электронное поле естественного 0,7 В пытается чтобы отразить их снова. Поток мобильных энергоносителей замкнул соединение, разрядив самозаряженный конденсатор.)

Но почему два разных металла заряжаются при соприкосновении?

Это потому, что даже два одиноких атома металла также заряжаются при соприкосновении. Энергетические уровни орбиталей разных атомов металла не одинаковы. При соприкосновении один атом стремится украсть электроны у другого ... но этого достаточно, чтобы устранить разницу в орбитальных уровнях. Вместо отдельных атомов, если бы вместо этого мы использовали две длинные цепочки атомов металла, одну из меди и одну из железа, то, когда их концы касались друг друга, одна цепочка украла бы электроны у другого, пока между цепочками не появилось магическое невидимое значение напряжения , Работает для металлов, работает для полупроводников. Критерий поиска: работа-работа металлов и разность работ-функций металлических соединений.

[Остерегайтесь, это ответ ELI5 в начальной школе первого приближения. Как уже упоминалось здесь, потенциалы включения диода пропорциональны разности рабочих функций, а не равны ей. Отключенные диоды на самом деле не имеют тока нулевого перехода, вместо этого они имеют равные и противоположные диффузионные токи носителей.]

Падение напряжения зависит от температуры, и вы можете сделать хороший датчик температуры из диода или транзистора, измерив падение. Калибровать ледяной водой и кипятком.

В материалах, используемых для светодиодов, энергия запрещенной зоны также является энергией фотонов, создаваемых током. Красный светодиод имеет ширину запрещенной зоны около 1,8 вольт, а красный свет имеет энергию около 1,8 электрон-вольт или длину волны около 700 нм. Вы можете проверить это с помощью вольтметра и спектроскопа. Аналогично для инфракрасных, зеленых, синих и ультрафиолетовых светодиодов. Падение напряжения на диоде увеличивается при движении к ультрафиолетовому излучению, которое имеет более энергичные фотоны.

(Замечания о кремнии удалены.)

Почему [Диодный порог составляет] 0,7, а не 0,4, 0,11, 1,2 (для кремния)?

Вот ответ с точки зрения электротехники (поскольку это сайт EE):

Фактического «порога» в диоде с прямым смещением нет. Кривая IV для прямого смещения диода является сильной экспоненциальной функцией. «Напряжение колена» (также известное как «контактный потенциал» или «встроенное напряжение»), равное 0,7 В, является характерной точкой в ​​кусочно-ЛИНЕЙНОМ ПРИБЛИЖЕНИИ фактической кривой IV для прямолинейного PN-перехода типичного кремния. материал с типичными примесями. Это самая простая линейная модель, см. Раздел 5.4 ссылки, предложенной «jonk» . Это гласит:

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные ВАХ прямой линией, касательной к реальной кривой в точке смещения постоянного тока. На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке (VD, ID). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении VD0. Для небольших изменений в VD и ID относительно точки касания, касательная линия дает хорошее приближение к фактической кривой.

Это хорошая модель с большим сигналом первого приближения для кремниевых диодов, которая широко используется в оценках ЭЭ. Для более точного моделирования в качестве модели SPICE используются более сложные модели .

Следующий вопрос состоит в том, почему кривая IV для кремниевого диода имеет такую ​​особую экспоненциальную форму, что ее «колено» находится вблизи значения 0,7 В? Ответ нужно искать в физике полупроводников, в теории PN-переходов и транзисторов, и ответ, вероятно, займет несколько лекций. Внизу свойство протекания тока определяется внутренней атомной структурой конкретного полупроводника с его конкретной запрещенной зоной (см. Структуру электронных зон).), а также квантовая динамика электронно-дырочных взаимодействий с его кристаллической структурой в двух по-разному легированных областях (p и n). Для другого собственного полупроводникового материала (такого как германий) с другими параметрами полосы результирующее линейное приближение кривой IV даст другое значение колена, равное примерно 0,3 В.

Объяснение того, как «контактный потенциал» связан с напряжением запрещенной зоны, можно найти на местном сайте по физике . Это говорит о том, что обычно «контактный потенциал» примерно на 0,3 В меньше соответствующего напряжения запрещенной зоны.