Warum gibt es keinen Potentialunterschied zwischen einer getrennten Diode?

Ich weiß, dass sich diese Frage albern anhört, als gäbe es einen Potentialunterschied, bei dem ein Strom erzeugt würde, wenn die Klemmen miteinander verbunden würden, und dies würde bedeuten, dass Energie von irgendwoher gekommen ist.

Der Grund, warum ich das frage, ist, dass es nach meinem Verständnis des Verarmungsbereichs und des eingebauten Potentials einer Diode so aussieht, als würde ein Voltmeter über die gesamte Diode den Wert des eingebauten Potentials anzeigen.

Dies wird im folgenden Bild erklärt:

Zunächst fließen Elektronen vom n-Typ zum p-Typ, da der n-Typ eine höhere Konzentration aufweist und Löcher umgekehrt. Dies wird als Diffusionsstrom bezeichnet. Die ersten Elektronen und Löcher, die die pn-Grenze überschreiten, sind diejenigen, die dieser am nächsten sind; Diese Träger rekombinieren, wenn sie sich treffen und sind dann kein Träger mehr. Dies bedeutet, dass es in der Nähe der pn-Grenze einen Verarmungsbereich ohne Ladungsträger gibt. Da Elektronen das Material vom n-Typ verlassen haben und Löcher das Material vom p-Typ verlassen haben, gibt es einen Überschuss an positiver und negativer Ladung auf der n- bzw. p-Seite der pn-Grenze. Dies verursacht ein elektrisches Feld, das dem Diffusionsstrom entgegenwirkt, so dass keine Elektronen oder Löcher mehr die Grenze überschreiten und sich verbinden. Kurz gesagt, nur die Elektronen und Löcher in der Nähe der Grenze kombinieren, denn nachdem sie dies getan haben, entsteht ein elektrisches Feld, das verhindert, dass sich weitere Ladungsträger kreuzen. Der Strom aufgrund dieses elektrischen Feldes wird als Driftstrom bezeichnet, und im Gleichgewicht entspricht dies dem Diffusionsstrom. Da es an der Grenze ein elektrisches Feld gibt (das von der positiven auf die negative Ladung zeigt), liegt eine zugehörige Spannung vor. Dies wird als eingebautes Potenzial bezeichnet.

Wenn Sie das elektrische Feld an jedem Punkt entlang der Diode von links nach rechts abtasten, würden Sie im p-Bereich mit 0 beginnen, da es eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen gibt. Wenn Sie sich der Verarmungsregion nähern, sehen Sie ein kleines elektrisches Feld, das zurück in Richtung der p-Region zeigt und durch Akzeptorverunreinigungen verursacht wird, die jetzt ein zusätzliches Elektron (aufgrund von Rekombination) und daher jetzt eine negative Nettoladung haben. Dieses elektrische Feld würde an Stärke zunehmen, wenn Sie sich der Grenze nähern, und dann absterben, wenn Sie sich weiter entfernen.

Dieses elektrische Feld bedeutet, dass eine Spannung vorhanden ist, wie in Diagramm (d) gezeigt. Die p-Seite liegt auf einem beliebigen Potential und die n-Seite liegt auf einem höheren Potential, da zwischen ihnen ein elektrisches Feld besteht. Dies bedeutet, dass in der gesamten Verarmungsregion ein potenzieller Unterschied besteht. Dies wird als eingebautes Potenzial bezeichnet.

Aber warum sehe ich dieses eingebaute Potential nicht, wenn ich ein Voltmeter über die gesamte Diode schließe?

Ich denke, die Antwort ist relativ einfach. Kennen Sie das Funktionsprinzip einer "Schottky-Diode", die auf einem Halbleiter-Metall-Übergang basiert? Was passiert nun, wenn Sie ein Voltmeter (oder eine andere Last) an die Diode anschließen? Sie erzeugen zwei Schottky-Übergänge, die die Diffusionsspannung innerhalb der pn-Diode exakt kompensieren. Somit kann keine Spannung gemessen werden. Mit anderen Worten: Mit der Diffusionsspannung können Sie keinen Strom durch eine externe Last treiben.

Ähm, der Rest der Antworten scheint ein wenig zweifelhaft zu sein, und ich bin nur auf diese Frage gestoßen, also werde ich es versuchen.

Ich denke, das liegt an der Tatsache, dass das Fermi-Niveau unter Vorurteilen diskontinuierlich wird. Ich bin sicher, Sie können sich vorstellen, dass das Voltmeter wirklich misst, wie sehr Elektronen und Löcher die Verbindungsstelle durchqueren wollen. Im thermischen Gleichgewicht haben die Elektronen und Löcher nicht die Absicht, sich über den Übergang zu bewegen, sodass die Spannung 0 V beträgt. Mit anderen Worten, das Voltmeter misst wirklich nur den Unterschied in den Fermi-Pegeln zwischen den beiden Seiten.

Um zu verstehen, warum dies so ist, muss man wissen, wie ein Voltmeter funktioniert. Anstatt buchstäblich den Unterschied im Energieniveau eines Elektrons an beiden Enden der Diode zu messen (was großartig wäre), wird nur der Strom gemessen, der durch seinen hohen Widerstand fließt. In einer Diode im thermischen Gleichgewicht gibt es keine Nettobewegung von Ladungsträgern und daher keinen Strom. Kein Strom bedeutet keine Anzeige des Voltmeters.

Wenn Sie ein elektrostatisches Voltmeter mit einem Widerstand hätten, der viel höher ist als der Widerstand Ihrer Prüflingsserie, was möglich ist, aber die Diodenleckage gleich hoch sein müsste, um die Entladung des statischen Potentials zu verhindern.

Es ist eine sehr schöne Neugierfrage! Dieselbe Frage stellte sich mir, als ich in meinem zweiten Jahr war. Aber bis ich auf die Schwellenspannungen in Transistoren und Spannungsabfälle am PN-Übergang stieß, wurde das Bild wenig klar.

Sie haben vollkommen recht (letzter Absatz), da sich das Potenzial aufgrund des elektrischen Feldes im Verarmungsbereich ändert, das Potenzial auf der n-Seite höher und das negative Potenzial auf der p-Seite höher ist, wodurch sich die intrinsische Potenzialdifferenz aufbaut . Um den Strom durch die Diode (PN-Übergang) fließen zu lassen, benötigen Sie daher ein höheres Potential vom P-Typ und vom n-Typ, so dass deren Differenz größer ist als die intrinsische Potentialdifferenz, die der an die Diode angelegten Spannung entgegengesetzt ist . Dies ist, was wir vorwärts vorgespannte Diode nennen! Ich bin sicher, dass Sie diese Grundlagen kennen. Nun zur eigentlichen Frage ->

Wenn Sie Ihr virtuelles Digitalvoltmeter genau an den beiden Verarmungsgrenzen abtasten würden, würden Sie dort sicher die Spannungsdifferenz sehen, aber mit dem regulären Multimeter ist das unmöglich. Ich bin sicher, dass Halbleiterunternehmen über spezielle Sonden verfügen, um diese Spannungsunterschiede zu erfassen. Wenn Sie jedoch die abgetrennte Diode von Ihrem normalen Multimeter aus messen (dies wird auch berücksichtigt, wenn Sie in LTSPICE simulieren, dass die Prüfung an den Enden der Diode nicht intern erfolgt). Grundsätzlich hat Ihr Graph (D) diese Antwort für sich. Die Grafik zeigt, dass an beiden Enden der Diode kein elektrisches Feld vorhanden ist. da das elektrische Feld konservativ ist und zwei Diodenenden (Enden von Materialien vom P- und N-Typ) keine Ladung haben und elektrische Felder an den Enden aufgrund von Diffusion aufgehoben werden, Infolgedessen ist nach dem Ende des Diffusionsbereichs kein elektrisches Feld vorhanden, dh ihre Differenz beträgt ebenfalls 0 und die gemessene Spannungsdifferenz beträgt ebenfalls 0 V. Hoffe das hilft!

Dieser Frage eine Chance geben. Es gibt zwei Arten von Strömen an einem PN-Übergang. Diffusionsströme werden durch Träger verursacht, die sich entlang eines Trägerdichtegradienten bewegen. Driftströme werden durch Ladungsträger verursacht, die sich durch ein elektrisches Feld bewegen. Wenn an einen isolierten pn-Übergang keine Vorspannung angelegt wird, bewegt der Diffusionsstrom Ladungsträger über den Verarmungsbereich und baut Ladungen auf jeder Seite des Verarmungsbereichs auf. Die akkumulierten Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld über dem Verarmungsbereich und dieses elektrische Feld induziert einen Strom in die entgegengesetzte Richtung. Der Prozess tendiert natürlich zu einem Gleichgewicht, in dem der Diffusionsstrom durch den Driftstrom genau aufgehoben wird. Man könnte dies als zwei gleichwertige Stromquellen modellieren, die antiparallel verbunden sind.

Die Antwort ist ganz einfach. Das Sperrpotential existiert über den Verarmungsbereich und nicht über die Diode, so dass der Bereich der Existenz von elektrischen Feldlinien nur auf den Verarmungsbereich beschränkt ist.

Das verwendete Multimeter wird über die Klemmen der Diode angeschlossen. Zwischen Multimeter-Sonde und Verarmungsbereich gibt es n- und p-Bereiche. Der unverzerrte n- und p-Bereich fungiert als Isolator, sodass an den Sonden keine Feldlinien empfangen werden und im Multimeter keine Spannung angezeigt wird.

Die Antwort ist ganz einfach: Sie verwechseln das elektrostatische Potential mit dem elektrischen Potential. Was Sie mit einem Voltmeter messen, ist eine Differenz des elektrischen Potentials.

Das elektrische Potential schließt jedoch das chemische Potential von Ladungsträgern ein. Hinweis: Das chemische Potential µ, genauer gesagt der Gradient (µ) des chemischen Potentials, ist die "treibende Kraft" für die Diffusion.

Im Fall eines PN-Übergangs tritt eine Nettodiffusion von Ladungsträgern auf, bis die Differenz des elektrostatischen Potentials zwischen den beiden Leitern der Differenz des chemischen Potentials zwischen den beiden Leitern in der Größe entspricht. Da beide Potentialdifferenzen entgegengesetzte Vorzeichen haben, ist ihre Summe Null -> es ist trotz nicht verschwindender Differenz des elektrostatischen Potentials keine elektrische Potentialdifferenz zu messen!

Obwohl es eine Potentialbarriere über dem pn-Übergangspunkt gibt, kann er keinen Strom im Ausgangsstromkreis senden. Da keine anderen Quellen vorhanden sind, muss der Draht erwärmt werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass dies niemals geschieht. Andernfalls sollte der Übergang erfolgen Seien Sie kühl, da es keine externe Quelle gibt. Dadurch entsteht eine thermische Instabilität. Daher muss der Strom Null sein. Das Kontaktpotential von Metall und Halbleiter neutralisiert die Potentialbarriere.