¿Por qué no hay una diferencia de potencial a través de un diodo desconectado?

Question

Sé que esta pregunta parece una tontería, ya que si hubiera una diferencia de potencial se crearía una corriente cuando los terminales se conectaran entre sí y esto significaría que la energía ha venido de alguna parte.

La razón por la que pregunto esto es que, según mi comprensión de la región de agotamiento y el potencial incorporado de un diodo, parece que si se conecta un voltímetro a través de todo el diodo, mostraría el valor del potencial incorporado.

Esto se explica en la siguiente imagen:

Al principio, los electrones fluyen del tipo n al tipo p porque hay una mayor concentración en el tipo n, y los agujeros lo hacen a la inversa. Esto se denomina corriente de difusión. Los primeros electrones y huecos que cruzan la frontera pn son los que están más cerca de ella; estos portadores se recombinan cuando se encuentran y entonces dejan de ser portadores. Esto significa que hay una región de agotamiento sin portadores cerca del límite pn. Como los electrones han abandonado el material de tipo n, y los huecos han abandonado el material de tipo p, hay un exceso de carga positiva y negativa en el lado n y p del límite pn respectivamente. Esto provoca un campo eléctrico que se opone a la corriente de difusión, por lo que no hay más electrones ni agujeros que crucen la frontera y se combinen. En resumen, sólo los electrones y los huecos cercanos a la frontera se combinan, porque después de hacerlo se forma un campo eléctrico que impide el cruce de más portadores. La corriente debida a este campo eléctrico se llama corriente de deriva, y cuando está en equilibrio será igual a la corriente de difusión. Como hay un campo eléctrico en el límite (que apunta desde la carga positiva a la negativa) hay un voltaje asociado. Esto se llama el potencial incorporado.

Si muestrea el campo eléctrico en cada punto a lo largo del diodo de izquierda a derecha, empezaría con 0 en la región p porque hay un número igual de protones y electrones. Al acercarse a la región de agotamiento se vería un pequeño campo eléctrico apuntando hacia la región p, causado por las impurezas aceptoras que ahora tienen un electrón extra (debido a la recombinación) y por lo tanto ahora tienen una carga neta negativa. Este campo eléctrico aumentaría en fuerza a medida que te acercas al límite, y luego desaparecería a medida que te alejas.

Este campo eléctrico significa que hay una tensión, como se muestra en el gráfico (d). El lado p está a un potencial arbitrario, y el lado n está a un potencial mayor que éste porque hay un campo eléctrico entre ellos. Esto significa que hay una diferencia de potencial a través de la región de agotamiento; esto se conoce como el potencial incorporado.

¿Pero por qué cuando conecto un voltímetro a través de todo el diodo no veo este potencial incorporado?

Answer 1

Err, el resto de las respuestas parecen un poco dudosas y acabo de tropezar con esta pregunta así que voy a intentarlo.

Creo que es por el hecho de que el nivel de Fermi se vuelve discontinuo bajo el sesgo. Estoy seguro de que puedes visualizar que lo que el voltímetro está midiendo realmente es el deseo de los electrones y los huecos de cruzar la unión. En equilibrio térmico, los electrones y los huecos no tienen intención de cruzar la unión, por lo que el voltaje es de 0V. En otras palabras, el voltímetro sólo mide la diferencia de niveles de Fermi entre los dos lados.

Para entender por qué hace esto, hay que saber cómo funciona un voltímetro. En lugar de medir literalmente la diferencia en el nivel de energía de un electrón en ambos extremos del diodo (lo que sería impresionante), sólo mide la corriente que fluye a través de su alta resistencia. En un diodo en equilibrio térmico, no hay movimiento neto de ningún portador de carga y, por tanto, no hay corriente. Si no hay corriente, no hay lectura del voltímetro.

Answer 2

Creo que la respuesta es relativamente sencilla. ¿Conoces el principio de funcionamiento de un "diodo Schottky", que se basa en una unión semiconductor-metal? Ahora bien, ¿qué ocurre si conectas un voltímetro (o cualquier otra carga) a través del diodo? Se crean dos uniones Schottky que compensan exactamente la tensión de difusión dentro del diodo pn. Por lo tanto, no se puede medir ninguna tensión. Con otras palabras: No puedes utilizar la tensión de difusión para conducir cualquier corriente a través de una carga externa.

Answer 3

¡Es una pregunta de curiosidad muy bonita! A mí me surgió la misma pregunta cuando estaba en mi segundo año. Pero hasta que me encontré con los voltajes de umbral en los transistores y las caídas de voltaje de la unión PN, el panorama se volvió poco claro.

Tienes toda la razón (último párrafo), porque hay un cambio de potencial debido al campo eléctrico en la región de agotamiento, hay un potencial más alto desde el lado de tipo n y un potencial negativo desde el lado de tipo p, haciendo que la diferencia de potencial intrínseca se acumule. Por eso, para permitir que la corriente fluya a través del diodo (unión PN) se necesita un potencial más alto del lado del tipo P y del lado del tipo n, de forma que su diferencia sea mayor que la diferencia de potencial intrínseca, que está en dirección opuesta a la tensión aplicada a través del diodo. Esto es lo que llamamos diodo polarizado hacia delante. Estoy seguro de que conoces estos fundamentos. Ahora vamos a la pregunta real ->

Si usted fuera a probar su voltímetro digital virtual exactamente en los dos límites de agotamiento, entonces estoy seguro de que vería la diferencia de voltaje allí, pero es bastante imposible de hacer con el multímetro regular. Estoy seguro de que las empresas de semiconductores tienen sondas especiales para detectar estas diferencias de voltaje. Pero si midieras el diodo desconectado desde tu multímetro normal (igual esto se tiene en cuenta cuando lo simulas en LTSPICE que el sondeo se hace en los extremos del diodo no internamente). Básicamente, tu gráfico (D) tiene esta respuesta por sí mismo. El gráfico muestra que ambos extremos del diodo no tienen ningún campo eléctrico presente. Dado que el campo eléctrico es conservador, y los dos extremos del diodo (extremos de los materiales de tipo P y N) no tienen carga y los campos eléctricos en los extremos se cancelan debido a la difusión, como resultado no hay ningún campo eléctrico presente después de los extremos de la región de difusión, lo que significa que su diferencia es también 0 y la diferencia de tensión medida es 0 V también. Espero que esto ayude.

Answer 4

Si tuvieras un voltímetro electrostático con una resistencia mucho mayor que tu resistencia en serie D.U.T., lo cual es posible, pero la fuga del diodo tendría que ser igualmente alta para evitar la descarga del potencial estático.

Answer 5

La respuesta es muy sencilla: el potencial de barrera existe en la región de agotamiento, no en el diodo, por lo que la región de existencia de las líneas de campo eléctrico se limita únicamente a la región de agotamiento.

El multímetro utilizado se conecta a través de los terminales del diodo. La región n y p no sesgada actúa como un aislante, por lo que no se reciben líneas de campo en las sondas, por lo que no se muestra la tensión en el multímetro.