¿Caída de voltaje de la ensambladura de PN?

Question

Esta imagen de la wikipedia, explica que no se produce una caída de potencial a través de un pn de semiconductores de unión, y un campo magnético confinado al agotamiento de la región.

Yo ya sé la razón de la existencia de esta caída y el cálculo de la diferencia, pero tengo dos preguntas con respecto a esta caída.

1) Si el n y el p dopado regiones están conectadas externamente mediante un alambre conductor perfecto, ¿por qué no cualquier flujo de corriente?
Conecta las dos regiones deben igualar sus potencialidades (desde el cable de la resistencia de menos) conductor, y por lo tanto el gradiente en la unión está destruido, resultando en una difusión actual , que es, obviamente, en contra de la conservación de la energía como el semiconductor tiene un no-cero de la resistividad. Donde se extra potencial gotas va a ser creado para que Kirchoff voltaje de la regla es sin ningún tipo de corriente y la diferencia de potencial $V_o$ de la juction persiste?

2) (probablemente ingenua) Si un Sesgo externo es aplicado, de decir $|V|<|V_o|$, el pn de la diferencia de potencial a través de la unión acaba de reducir esa cantidad ($|V|$). Suponiendo que la fuente externa de voltaje es ideal, sin resistencia alguna, ¿cuál será el potencial de las gotas, que sería de suma cero, en este caso? Va a caer debido a la resistencia del semiconductor jugar un par? Si sí, entonces no puede haber ningún ideal de resistencia-menos semiconductor de unión, ¿no?

Answer 1

Llamando a un built-in de tensión es algo de un nombre inapropiado. La gente suele pensar de "tensión" como "lo que se mide con un voltímetro". Así que "tensión" es normalmente sinónimo de "potencial electroquímico de electrones" (en stat mech terminología) y con la "diferencia en el nivel de fermi" (en semiconductores terminología). Bajo esta definición, la incorporada en el "voltaje" es que no se en realidad un voltaje.

Entonces, ¿qué es? Es lo que los químicos llaman "galvani potencial", y algunos de los físicos llaman "el potencial electrostático". Es la línea integral de campo eléctrico. (Tal vez debería llamarlo "built-in potencial", no integrados "en tensión".)

Voltaje / nivel de fermi mide el total de la "felicidad" de los electrones, la suma de todas las influencias sobre el electrón. El campo eléctrico (potencial de galvani) es sólo una de las muchas influencias. Otras influencias incluyen la difusión (entropía), la energía cinética de los electrones de la función de onda, etc. etc. Pero es la suma de todas las influencias que determina cómo el electrón se mueve. Por eso es el voltaje, no el potencial de galvani, que determina las cosas más importantes, como el flujo de corriente y disipación de energía.

Entonces, para resumir: La "tensión" a través de una unión pn es cero, cuando la palabra "tensión" se define en el más común y razonable y de manera intuitiva. Después de todo, la unión está en equilibrio; un electrón es igual de feliz de estar en ambos lados.

Para más detalles, ver mi otra respuesta: nivel de Fermi de la alineación y de potencial electroquímico entre dos metales

Va alrededor de un bucle, tanto las diferencias de voltaje y el potencial de galvani diferencias de suma cero. Pero sólo la primera es realmente importante. Para el galvani diferencias de potenciales, la mayoría de ellos son no observables, como la volta potencial en la unión al soldar un alambre de aluminio para un alambre de cobre. Es posible averiguar el galvani las diferencias de potencial en todas partes en una unión pn del circuito, incluyendo el alambre de contactos, en el voltímetro, y así sucesivamente. Si usted hacer la figura, y agregar todos ellos, obtendrá cero!!! Pero ya que ninguno de los parámetros de la materia para el comportamiento de los circuitos, rara vez la gente piensa acerca de ellos o tratar de interpretarlas.

Answer 2

1) Si el n y el p dopado regiones están conectadas externamente mediante un alambre conductor perfecto, ¿por qué no cualquier flujo de corriente?

En el equilibrio térmico no puede circular la corriente si uno conecta los dos lados de la unión mediante un alambre conductor perfecto.

La incorporada en el potencial existente en la unión seguirá siendo el mismo, la deriva y la difusión de corrientes va a cancelar en el agotamiento de la región. En las uniones entre el alambre y el de p y de n lados sucede algo similar: hay un potencial incorporado, y un agotamiento de la región en la cual la deriva y la difusión de las corrientes de cancelar. En el equilibrio térmico de la suma de los tres potenciales es cero:

$$ V_{\mathrm{metal}/p} + V_{p/n} + V_{n/\mathrm{metal}} = 0 $$

así que no hay neto de la circulación de la corriente en todo el circuito. La deriva y la difusión de las corrientes que existen en los cruces, pero localmente se cancelan uno al otro. En la ecuación anterior $V_{p/n} \equiv V_{0}$ donde $V_{0}$ es la notación para el potencial incorporado en la pregunta.

2) Un sesgo externo $|V|$ < $V_{0}$ se aplica ...

Cuando un voltaje de polarización se aplica, parece (casi totalmente) a través del agotamiento de la región en el pn de unión. Esto sucede debido a que la resistencia del agotamiento de la región es muy grande en comparación con la resistencia de la undepleted p y n regiones, y también muy grande en comparación con la resistencia del agotamiento de la región en el metal-semiconductor de contactos.

La razón de esto es que en el agotamiento de la región de la pn de unión hay un menor número de operadores de telefonía móvil de todo el sistema. Estamos asumiendo aquí que los contactos entre la fuente de voltaje y el de p y de n lados se óhmico de contactos, de tal manera que van a tener un muy estrecho el agotamiento de la región y por lo tanto despreciable la resistencia.

El built-in potenciales de la metal-semiconductor de uniones estancia de la misma (que no tienen resistencia), y la incorporada en el potencial de la pn de unión es modificado por la tensión aplicada:

$$ V_{p/n}^{\mathrm{bias}} = V_{p/n} + V $$

Luego tenemos todo el sistema:

$$ V_{\mathrm{metal}/p} + V_{p/n}^{\mathrm{bias}} + V_{n/\mathrm{metal}} = V $$

De corriente-Voltaje de la curva para el pn de unión

La corriente a través del sistema para una determinada tensión de polarización $V$ está dado por

$$ I = I_{s}( e^{qV/kT} - 1 ) $$

donde $I_{s}$ es la inversa de saturación de la corriente. El hecho de que esta curva no es lineal en $V$ significa que uno no puede realmente definir una resistencia para el pn de unión. Espero que esto ayude a aclarar la última parte de tu segundo punto.

Answer 3

De fondo (Tomado de Millman del libro)

Un ideal p-n diodo tiene cero óhmico caída de tensión en el cuerpo del cristal. Suponemos que el externo voltaje de polarización aparece directamente a través de la unión.Para justificar esta hipótesis nos debe especificar cómo el contacto eléctrico se realiza a los semiconductores de la externa sesgo de circuito.nos indican contactos de metal con que el homogéneas de tipo p y tipo n, los materiales son proporcionados. Nosotros por lo tanto vemos que hemos introducido dos metal-semiconductor de cruces, una en cada extremo del diodo. Naturalmente nos espera un contacto potencial para desarrollar a través de estas uniones. Sin embargo, vamos a suponer que el metal-semiconductor los contactos han sido fabricados de tal manera que se nonrectifying. En otras palabras, el potencial en contacto a través de estas uniones es constante, independiente de la dirección y la magnitud de la corriente. Un contacto de este tipo se conoce como un contacto óhmico.Ahora estamos en una posición para justificar nuestra suposición de que toda aplicado la tensión aparece como un cambio en la altura de la barrera de potencial. En la medida en como el voltaje a través de la metal-semiconductor óhmico contactos permanece constante y la caída de voltaje a través de la mayor parte del cristal que se descuida, aproximadamente toda la tensión aplicada hecho aparecer como un cambio en la altura de la barrera de potencial en la unión pn.

Ahora vamos a considerar los problemas que usted ha mencionado.

1) Si el n y el p dopado regiones están conectadas externamente mediante un alambre conductor perfecto, ¿por qué no cualquier flujo de corriente?
si le corto-circuito p-n la Unión en Virtud de estas condiciones, como se muestra a continuación, no puede circular la corriente($I=0$) y el potencial electrostático $ \Delta V$) permanece invariable e igual a el valor bajo de circuito abierto de condiciones. Si hubo una corriente ($I \neq 0$), la metal sería climatizada. Ya que no hay ninguna fuente externa de energía disponible, la energía necesaria para calentar el alambre de metal tendría que ser suministrado por el p-n bar. El semiconductor de la barra, por lo tanto, tiene que refrescarse. Es evidente que, en el equilibrio térmico simultáneo de calentamiento del metal y el enfriamiento de la barra es imposible, y llegamos a la conclusión de que $I=0$ , Ya que bajo condiciones de cortocircuito de la suma de los voltajes alrededor del lazo cerrado debe ser cero, el cruce potencial de $\Delta V$ debe ser exactamente compensada por la metal-semiconductor de contacto con los potenciales en el óhmica de los contactos. Desde el la corriente es cero, el alambre puede ser de corte sin necesidad de cambiar la situación, y el la caída de voltaje a través de el corte debe permanecer cero. Si en un intento de medir el $ \Delta V$ conectamos un voltímetro a través de la corte, el voltímetro sería una lectura de cero de tensión. En otras palabras, no es posible medir la diferencia de potencial de contacto directamente con un voltímetro.

2) ¿cuál será el potencial de las gotas, que sería de suma cero, en este caso? Va a caer debido a la resistencia del semiconductor jugar un par? Si sí, entonces no puede haber ningún ideal de resistencia-menos semiconductor de unión, ¿no?

Ideal diodo semiconductor es sólo un modelo denominado "modelo de orden cero" también se refieren como el ideal del diodo modelo
. Es la mayoría de aproximación utilizado en la Gran señal de Modelo de un diodo. Este modelo se utiliza cuando la resistencia conectada en serie con el diodo es muy grande de diodo de la resistencia.
Ni un diodo ideal, ni un conductor ideal existe en realidad ,estos son sólo modelos matemáticos de la física fiable agrupa a los circuitos.

NOTA: Para el análisis de P-n la unión solemos asumir que toda la tensión aplicada aparece directamente a través de la deplition de la región i.e se deja de lado el cristal de la resistencia de los restantes cuerpo de diodo pero no descuidamos la resistencia de deplition región.

Suponiendo que los cables de conexión están perfectamente llevando a cabo se debe tener claro que $\Delta V$ es numericaly igual en magnitud a la constante m-s cruce de potencial y la resistencia de m-s de unión se supone que es 0. Así que si el voltaje aplicado a través del diodo(con m-s de unión) es $|V|$ . Este particular $|V|$ aparecerá a través de la unión.
Deje que V es el voltaje aplicado +a cinco o -ve. Desde deplition región finita de la resistencia, de manera que tenga cierta movilidad de electrones $\mu_n$ y el agujero de la movilidad $\mu_p$.
La red agujero de la densidad de corriente $J_p$ es la suma de la deriva y la difusión actual de los componentes i.e
$$J_p= qp\mu_p E -qD_p \frac{dp}{dx}$$
Desde $J_p$ es pequeña, podemos calcular $E$ creado por $V$ fácilmente.
$$qp\mu_p E=qD_p \frac{dp}{dx}$$
$p$ es una función de la tensión aplicada $V$ . Para un ideal del diodo estas ecuaciones son irrelevantes como $\mu_p$ $\infty$ $0%$ cantidad de $V$ va a aparecer a través deplition región.