Tensión de umbral del diodo de silicio 0,7

Question

Yo mismo me he preguntado por qué ese valor está fijado en torno a 0,7 V (0,3 Ge). He investigado sobre este tema una y otra vez, pero siempre encuentro la misma respuesta. Dicen "Porque el voltaje de los diodos de silicio es de 0,7". Eso es como decir que el cielo es azul porque el azul es el color del cielo.

Conozco la ecuación del diodo Shockley, pero no veo la relación con la tensión umbral (lo digo porque la gente me ha dado un enlace a su página de Wikipedia).

También he leído algo sobre que la concentración de impurezas cerca de la unión está relacionada con la barrera de tensión (espero obtener una respuesta relacionada con eso, y con el proceso de fabricación).

Otra respuesta que me han dado es que esa es la naturaleza de los silicones (en cierto modo odio esta respuesta, porque lo que obtengo de ella es que el voltaje es una propiedad intensiva, en lugar de extensiva, lo que haría que los materiales fueran más "trabajables").

Así que la pregunta por sí mismo es: ¿Por qué 0,7 y no 0,4, 0,11, 1,2 (para el silicio)?

Answer 1

Un poco-más ELI5 respuesta:

Cuando estamos en contacto dos metales diferentes juntos, ellos colaboran, convertirse en uno positivo y otro negativo. Forman una auto-carga del condensador, o algo parecido a un bajo voltaje de la batería. Este efecto fue detectado en los primeros días de la física, descubierto durante las mediciones sensibles de la carga electrostática. Se comportó como el contacto de la carga de la seda se frota contra de goma. Pero con los metales, no hay fricción era necesario. Más tarde se hizo evidente que dos metales diferentes siempre produce la misma tensión entre ellos. (Bueno, igual a la temperatura de la habitación. El voltaje cambia ligeramente con la temperatura.)

Pero esta tensión no puede nunca ser detectado por los voltímetros. Podemos construir nuestros circuitos de cobre, aluminio, hierro, etc., y para todos los de cobre-aluminio de la unión, siempre habrá una lata de aluminio-cobre cruce en algún otro lugar. Los metales-efecto de carga puede ser muy grande, sin embargo, resume exactamente a cero alrededor de un circuito cerrado. El neg terminal de una "batería" siempre se enfrenta a la neg terminal de otro. No se trata de una fuente de energía; no una máquina de movimiento perpetuo.

Lo que si nos topamos con una losa de silicio tipo p en contra de una losa de tipo-n de silicio? Eso es un auto-carga del condensador, y se produce aproximadamente 0,7 V entre el silicio losas. Una losa roba electrones de la otra, pero sólo hasta que la diferencia en la órbita de las energías de los operadores de telefonía móvil se cancela. Tenga en cuenta que no diodos necesitan ser formados en el punto de contacto. Podríamos utilizar de alto dopado n-y p++ "metálico" de silicio, que no puede formar parte de diodos, sin embargo, cuando se toca en conjunto, las losas de producir que espontánea de la carga y el potencial-diff. Incluso podríamos soldadura de el p y el n de silicio juntos (de plata de primera placa de los extremos, por lo que la soldadura se moja, y que 0.7 V potencial aparece.

¿Por qué los diodos se prende a 0,7 V, en lugar de en cero voltios? Es debido a que el agotamiento de la capa del diodo siempre tiene que espontánea "diferentes metales en contacto con" 0,7 V en el interior. La tensión se mantiene el diodo apagado. En una desconectado diodo esto no es mensurable voltaje (nunca vas a detectar directamente, no sin la medición de la e-campos que rodean el diodo de sus terminales.) Je, si podríamos formar diodos de hierro y de cobre, a continuación, los diodos en lugar de que se active en el natural de hierro-cobre diferencia de potencial que todos hierro-cobre uniones de exhibición.

Cuando se aplica una externa de voltaje para adelante de polarización del diodo de unión, el diodo se enciende cuando la tensión externa cancela la constante incorporado invisible de voltaje. En otras palabras, los diodos que sólo se encienda cuando hemos reducido el "invisible" de la unión de voltaje a cerca de cero: un cortocircuito.

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Todo esto se relaciona con muchos otros efectos. Si hacemos un cerrado anillo de metal, la mitad de un anillo de cobre conectado a un medio anillo de hierro, entonces el calor de una de las uniones, muchos mA o tal vez amperios voluntad de flujo, ya que los dos "invisible" de los voltajes no son el mismo, y la pequeña diferencia produce una gran corriente en el circuito. En otras palabras, termopar voltajes son sólo un pequeño resto de esta mágica "invisible tensión," el termo-la tensión que surgen a causa de un desequilibrio. Sólo detectamos el desequilibrio, pero no el original de la potencial diferencia que siempre aparece entre los dos metales.

Podemos producir frío: un semiconductor refrigerador. Si nos soldadura de cualquier tipo-p de silicio en contra de tipo n, entonces la fuerza a través de una corriente inversa, donde los agujeros de salida del flujo de electrones, entonces el p-a-n conexión hace frío, y los contactos de metal en otros lugares se vuelven igual de caliente. Tenga en cuenta que ningún diodo se formó, desde separado en dos bloques de silicio fueron conectados por soldadura. Intercambiar los cables y en lugar de los contactos de metal se enfríe, mientras que el pn-soldadura de unión se calienta igual.

Además, esto significa que la energía solar-las células no funcionan como la mayoría de la gente se imagina. Dentro de la oscuridad de la célula solar, el pn de unión tiene una natural 0,7 V la diferencia de potencial. En otra parte del circuito nos encontramos frente diferencias (probablemente se encuentra principalmente en los contactos de metal para el semiconductor.) Todos ellos suman cero. Así, cuando la luz llega a la intersección, la unión de potencial se queda corto! Entonces, todas las otras posibles diferencias de otras partes del circuito proporcionará a la dirección de e-campos de fuerza de los cargos de flujo. Iluminado de la célula solar de uniones pn no proporcionar el voltaje. Raro! En su lugar, los contactos metálicos de los cables de proporcionar el voltaje, y el sistema de iluminación del pn de unión proporciona una falta de tensión: una rareza que no se encuentra en cualquier circuito normal. Cuando un voltímetro de cobre, soldadura, silicio, etc.) está conectado a una célula solar, la falta de unión-el potencial de la pn de unión nos permite medir el potencial total de todos los demás conductores uniones presente. (O, en su lugar se podría tomar la micro-ver, y decir que la absorción de los fotones son la elevación de los niveles de energía de los móviles de cargos en la unión, lo que les permite cruzar, incluso cuando el fuerte campo e de la natural 0.7 V intenta repeler a ellos de nuevo. La inundación de alta energía, los operadores de telefonía móvil han puesto en cortocircuito fuera de la unión, el desempeño de la auto-cargado el condensador.)

Pero, ¿por qué dos metales diferentes se carga hasta que al tocar juntos?

Es porque incluso dos lone átomos de metal también se cargará cuando tocaron juntos. La energía de los niveles de diferentes átomo de metal de los orbitales no son los mismos. Si se tocan juntos, un átomo tiende a robar electrones de la otra ...pero sólo lo suficiente para cancelar la diferencia en los niveles orbitales. En lugar de los átomos individuales, si en lugar de utilizar dos largas cadenas de átomos de metal, uno de cobre y uno de hierro, luego, cuando sus extremos se tocan, una cadena, se roban electrones de la otra, hasta que la magia invisible de voltaje de valor apareció entre las cadenas. Funciona para los metales, obras de semiconductores. Término de búsqueda: trabajo-la función de los metales, y trabajar en función de la diferencia de uniones de metal.

[Cuidado, esta es una primera aproximación gradeschool ELI5 respuesta. Como se mencionó elswhere aquí, diodo encendido potenciales son sólo proporcional a la labor de la función de diferencia, no es igual a él. Desconectado de diodos en realidad no tiene cero de unión actual, sino que tienen igual y opuesta portador de difusión de corrientes.]

Answer 2

La caída de tensión varía con la temperatura y puedes hacer un buen sensor de temperatura a partir de un diodo o transistor midiendo la caída. Calibra con agua helada y agua hirviendo.

En los materiales utilizados para los LED, la energía de la banda prohibida es también la energía de los fotones producidos por una corriente. Un LED rojo tiene una brecha de banda de unos 1,8 voltios y la luz roja tiene una energía de unos 1,8 electronvoltios, o una longitud de onda de unos 700 nm. Puedes comprobarlo con un voltímetro y un espectroscopio. Lo mismo ocurre con los LEDs IR, verde, azul y UV. La caída de tensión en el diodo aumenta a medida que se avanza hacia el UV, que tiene fotones más energéticos.

(Observaciones sobre el silicio borradas.)

Answer 3

¿Por qué [el umbral del diodo es] 0,7 y no 0,4, 0,11, 1,2 (para el silicio)?

Aquí hay una respuesta desde el punto de vista de la ingeniería eléctrica (ya que este es un sitio de EE):

No existe un "umbral" real en un diodo con polarización directa. La curva I-V de un diodo polarizado hacia delante es una función exponencial fuerte. La "tensión de rodilla" (también conocida como "potencial de contacto" o "tensión incorporada") de 0,7 V es un punto característico en una APROXIMACIÓN LINEAL a trozos de la curva I-V real para una unión P-N con polarización hacia delante de un material de silicio típico con dopantes típicos. Este es el modelo lineal más sencillo, véase el apartado 5.4 del enlace sugerido por "jonk" . Dice así:

El modelo lineal del diodo se aproxima a la exponencial I - V mediante una línea recta que es tangente a la curva real en el punto de polarización de CC. La figura 5.8 muestra la curva con la línea tangente en el punto (VD, ID). La curva se cruza con el eje horizontal en la tensión VD0. Para pequeños cambios en VD e ID alrededor del punto de tangencia, la línea tangente da una buena aproximación a la curva real.

Este es un buen modelo de primera aproximación de gran señal para los diodos de silicio, que se utiliza ampliamente en las estimaciones de EE. Para una modelización más precisa se utilizan modelos más complejos como Modelo SPICE .

La siguiente pregunta sería: ¿por qué la curva I-V de un diodo de silicio tiene esta forma exponencial particular, de manera que su "rodilla" se encuentra cerca del valor de 0,7 V? La respuesta hay que buscarla en la física de los semiconductores, en la teoría de las uniones P-N y de los transistores, y la respuesta llevará probablemente varias conferencias. En el fondo, la propiedad del flujo de corriente viene determinada por la estructura atómica intrínseca del semiconductor concreto con su particular brecha de banda, (véase estructura de banda electrónica ), y la dinámica cuántica de las interacciones electrón-hueco con su estructura cristalina a través de dos regiones dopadas de forma diferente (p y n). Para un material semiconductor intrínseco diferente (como el germanio) con parámetros de banda diferentes, la aproximación lineal resultante de la curva I-V arrojaría un valor de rodilla diferente de unos 0,3V.

La explicación de cómo se relaciona el "potencial de contacto" con la tensión de la banda prohibida se puede encontrar en sitio local de Física . Dice que normalmente el "potencial de contacto" es de unos 0,3V menos que la tensión de la banda prohibida correspondiente.