Почему нет разности потенциалов на отключенном диоде?

Я знаю, что этот вопрос звучит глупо, как будто существует разность потенциалов, когда при соединении клемм будет создаваться ток, и это будет означать, что энергия откуда-то пришла.

Причина, по которой я спрашиваю об этом, состоит в том, что из моего понимания области истощения и встроенного потенциала диода кажется, что если вы подключите вольтметр через весь диод, он покажет значение встроенного потенциала.

Это объясняется на изображении ниже:

Сначала электроны перетекают из n-типа в p-тип, потому что в n-типе концентрация выше, а дырки наоборот. Это называется диффузионным током. Первые электроны и дырки, пересекающие границу pn, являются ближайшими к ней; эти носители рекомбинируют, когда встречаются, и больше не являются носителями. Это означает, что существует область обеднения без носителей вблизи границы pn. поскольку электроны покинули материал n-типа, а дыры покинули материал p-типа, на стороне n и p границы pn имеется избыток положительного и отрицательного заряда соответственно. Это вызывает электрическое поле, которое противодействует диффузионному току, поэтому электроны и дыры больше не пересекают границу и не объединяются. Короче говоря, только электроны и дыры возле границы объединяются, потому что после того, как они это сделали, образуется электрическое поле, которое препятствует пересечению других носителей. Ток, вызванный этим электрическим полем, называется дрейфовым током, и в состоянии равновесия он будет равен диффузионному току. Поскольку на границе имеется электрическое поле (от положительного заряда к отрицательному), существует соответствующее напряжение. Это называется встроенным потенциалом.

Если вы выберете электрическое поле в каждой точке вдоль диода слева направо, вы начнете с 0 в области p, потому что имеется одинаковое количество протонов и электронов. По мере приближения к области истощения вы увидите небольшое электрическое поле, направленное назад в сторону p-области, вызванное примесями акцептора, которые теперь имеют дополнительный электрон (из-за рекомбинации) и, следовательно, теперь имеют чистый отрицательный заряд. Это электрическое поле будет увеличиваться по мере приближения к границе, а затем затухать по мере удаления.

Это электрическое поле означает, что есть напряжение, как показано на графике (d). Сторона p находится на произвольном потенциале, а сторона n на потенциале выше этого, потому что между ними существует электрическое поле. Это означает, что существует потенциальная разница в области истощения; это известно как встроенный потенциал.

Но почему, когда я подключу вольтметр через весь диод, я не увижу этот встроенный потенциал?

Я думаю, ответ относительно прост. Знаете ли вы принцип работы "диода Шоттки", который основан на соединении полупроводник-металл? Теперь - что произойдет, если вы подключите вольтметр (или любую другую нагрузку) через диод? Вы создаете два перехода Шоттки, которые точно компенсируют диффузионное напряжение внутри диода pn. Таким образом, напряжение не может быть измерено. Другими словами: вы не можете использовать диффузионное напряжение для подачи тока через внешнюю нагрузку.

Э-э-э, остальные ответы кажутся немного хитрыми, и я просто наткнулся на этот вопрос, поэтому я попытаюсь в нем разобраться.

Я думаю, что это из-за того, что уровень Ферми становится прерывистым при смещении. Я уверен, что вы можете представить себе, что вольтметр действительно измеряет, насколько сильно электроны и дыры хотят пересечь переход. При тепловом равновесии электроны и дырки не собираются перемещаться через соединение, поэтому напряжение составляет 0 В. Другими словами, вольтметр действительно измеряет только разницу уровней Ферми между двумя сторонами.

Чтобы понять, почему это происходит, вы должны знать, как работает вольтметр. Вместо того, чтобы буквально измерять разницу в уровне энергии электрона на обоих концах диода (что было бы здорово), он просто измеряет ток, протекающий через его высокое сопротивление. В диоде в тепловом равновесии нет никакого чистого движения любых носителей заряда, и поэтому нет никакого тока. Отсутствие тока означает отсутствие показаний вольтметра.

Если бы у вас был электростатический вольтметр с сопротивлением, намного превышающим ваше сопротивление серии DUT, это возможно, но утечка диода должна быть такой же высокой, чтобы предотвратить разряд статического потенциала.

Это очень хороший вопрос из любопытства! Тот же вопрос возник у меня, когда я был на втором курсе. Но пока я не натолкнулся на пороговое напряжение на транзисторах и падение напряжения на PN-переходе, картина стала немного ясной.

Вы абсолютно правы (последний абзац), потому что в области истощения есть изменение потенциала из-за электрического поля, более высокий потенциал со стороны n-типа и отрицательный потенциал со стороны p-типа, что создает внутреннюю разность потенциалов, накапливаемую , Вот почему для того, чтобы ток протекал через диод (PN-переход), вам потребуется более высокий потенциал от P-типа и n-типа, так что их разность больше, чем собственная разность потенциалов, которая находится в направлении, противоположном приложенному напряжению на диоде. , Это то, что мы называем смещенным вперед диодом! Я уверен, что вы знаете это основы. Теперь давайте перейдем к реальному вопросу ->

Если бы вы исследовали свой виртуальный цифровой вольтметр точно на двух границах истощения, то я уверен, что вы бы увидели разницу напряжения там, но это совершенно невозможно сделать с обычным мультиметром. Я уверен, что у компаний по производству полупроводников есть специальные датчики для определения этих разностей напряжений. Но если вы должны были измерить отключенный диод от вашего обычного мультиметра (то же самое принимается во внимание, когда вы моделируете это в LTSPICE, что измерение выполняется на концах диода, а не внутри). По сути, ваш график (D) имеет этот ответ самостоятельно. График показывает, что на обоих концах диода отсутствует электрическое поле. поскольку электрическое поле является консервативным, а два диодных конца (концы материалов типа P и N) не имеют заряда, а электрические поля на концах аннулируются вследствие диффузии, в результате после окончания диффузионной области отсутствует электрическое поле, что означает, что их разность также равна 0, а измеренная разность напряжений также равна 0 В. Надеюсь это поможет!

Давая этот вопрос выстрел. Есть два типа токов в соединении PN. Диффузионные токи вызваны движением носителей вниз по градиенту плотности носителей. Дрейфовые токи вызваны движущимися по электрическому полю носителями. Когда смещение не применяется к изолированному pn-переходу, диффузионный ток перемещает носителей через область обеднения, создавая заряды на каждой стороне области обеднения. Накопленные заряды создают электрическое поле в области истощения, и это электрическое поле индуцирует ток в противоположном направлении. Процесс естественным образом стремится к равновесию, при котором диффузионный ток точно подавляется дрейфовым током. Можно было бы смоделировать это как два равнозначных источника тока, соединенных антипараллельно.

Ответ довольно прост. Барьерный потенциал существует в области истощения, а не в диоде, поэтому область существования линий электрического поля ограничена только областью истощения.

Используемый мультиметр подключен через клеммы диода. И существуют области n и p между мультиметровым зондом и областью истощения. Несмещенная область n и p действует как изолятор, так что в результате на полях не получаются линии поля, поэтому напряжение не отображается на мультиметре.

Ответ очень прост: вы путаете электростатический потенциал с электрическим потенциалом. То, что вы измеряете с помощью вольтметра, это разница в электрическом потенциале.

Однако электрический потенциал включает химический потенциал носителей заряда. Примечание: химический потенциал µ, или, точнее, градиент -grad (µ) химического потенциала, является «движущей силой», лежащей в основе диффузии.

В случае PN-перехода чистая диффузия носителей происходит до тех пор, пока разность электростатического потенциала между двумя проводниками не станет равной разнице химического потенциала между двумя проводниками по величине. Поскольку обе разности потенциалов имеют противоположные знаки, их сумма равна нулю -> разницы электрических потенциалов измерять не нужно, несмотря на неисчезающую разницу в электростатическом потенциале!

Хотя существует потенциальный барьер через точку pn-перехода, он не может передавать какой-либо ток в выходную цепь. Поскольку нет других источников, провод должен быть нагрет. Эксперимент показывает, что это никогда не происходит. В противном случае, соединение должно быть холодным, так как нет внешнего источника. поэтому будет создаваться тепловая нестабильность. поэтому ток должен быть нулевым. контактный потенциал металла и полупроводника нейтрализует потенциальный барьер. так происходит случай вышеупомянутого типа.