Schwellenspannung der Siliziumdiode 0,7

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Ich habe mich gefragt, warum dieser Wert auf ungefähr 0,7 V (0,3 Ge) festgelegt ist. Ich habe immer wieder über dieses Thema recherchiert, finde aber immer die gleiche Antwort. Sie sagen "Weil die Spannung für Siliziumdioden 0,7 beträgt". Das ist so, als würde man sagen, dass der Himmel blau ist, weil Blau die Farbe des Himmels ist.

Ich bin mit der Shockley-Diodengleichung vertraut, sehe aber keinen Zusammenhang mit der Schwellenspannung (ich sage dies, weil mir Leute einen Link zu ihrer Wikipedia-Seite gegeben haben).

Ich habe auch etwas über die Konzentration von Verunreinigungen in der Nähe des Übergangs gelesen, die mit der Spannungsbarriere zusammenhängen (ich hoffe, eine Antwort darauf und auf den Herstellungsprozess zu erhalten).

Eine andere Antwort, die mir gegeben wurde, ist, dass dies die Natur von Silikonen ist (ich hasse diese Antwort irgendwie, weil ich daraus erhalte, dass die Spannung eine intensive Eigenschaft ist, anstatt umfangreich - was Materialien "verarbeitbarer" machen würde).

Die Frage an sich lautet also: Warum 0,7 und nicht 0,4, 0,11, 1,2 (für Silizium)?

Mr.Robot
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es ist nicht immer 0,7 V. Es kann auch 0,62 oder 0,82 sein. Dies hängt von der Dotierungskonzentration ab. Die Größe der eingebauten Spannung kann basierend auf einem Energieniveaudiagramm oder Fermi-Pegeln definiert werden. electronic.stackexchange.com/questions/252702/…
User323693
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Ich denke, Sie sprechen über die Gleichgewichtsspannung. Lesen Sie diese Seite: wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/chapter-5 Wenn Sie ein tieferes Verständnis wünschen, holen Sie sich ein Buch über Mikroelektronik und lesen Sie die ersten Kapitel. Noch tiefer? Holen Sie sich ein Physikbuch. Ich denke auch, dass Feynmans Vorlesungsreihe im Internet verfügbar ist - siehe Kapitel 14 von Band 3. Außerdem hängt eine quantitative potenzielle Berechnung von Details der physikalischen Konstruktion und der Temperatur ab.
Jonk
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Es ist noch schlimmer. Die Durchlassspannung einer realen Diode hängt stark vom Durchlassstrom UND der Temperatur ab. Untersuchen Sie beispielsweise die technischen Daten der sehr verbreiteten Diode 1N914 / 1N4148, fairchildsemi.com/datasheets/1N/1N914.pdf , Abbildungen 3 bis 6. Sie werden feststellen, dass sich die Vf von 300 mV bei 2 uA auf 1,4 V bei ändert 800 mA. :-) :-)
Ale..chenski
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Nützliche Werte: Wenn 0,7 V bei 1 mA, dann sind 3 * 0,06 V = 0,18 V weniger bei 1/1000 des Stroms; also 0,52 V bei 1 uA; 0,34 V bei 1 nA; 0,16 V bei 1 picoAmp; Dieser Wert von 0,06 V für eine Stromänderung von 10: 1 ist temperaturabhängig.
Analogsystemsrf
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Im Gegensatz zu Widerständen ist die Siliziumleitung in einer Diode in Abhängigkeit von der Spannung exponentiell im Strom. Somit entspricht nur ein schmales Band von Durchlassspannungen messbaren, aber nicht zerstörenden Strömen (vier Größenordnungen des Stroms entsprechen einer Änderung von etwa 0,24 V.). Die untere Grenze (Null) und die obere Grenze (Bandlückenspannung) belassen einen kleinen Bereich um 0,6 bis 0,7 V.
Whit3rd

Antworten:

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Eine etwas mehr ELI5-Antwort:

Wenn wir zwei verschiedene Metalle zusammen berühren , laden sie sich auf, wobei eines positiv und das andere negativ wird. Sie bilden einen Selbstladekondensator oder so etwas wie eine Niederspannungsbatterie. Dieser Effekt wurde in den frühen Tagen der Physik festgestellt und bei empfindlichen Messungen der elektrostatischen Ladung entdeckt. Es verhielt sich ähnlich wie das Aufladen von Seide, die gegen Gummi gerieben wurde. Bei Metallen war jedoch keine Reibung erforderlich. Später wurde klar, dass zwei verschiedene Metalle immer die gleiche Spannung zwischen ihnen erzeugen. (Nun, dasselbe bei Raumtemperatur. Die Spannung ändert sich leicht mit der Temperatur.)

Diese Spannung kann jedoch niemals von Voltmetern erfasst werden. Wir können unsere Schaltkreise aus Kupfer, Aluminium, Eisen usw. bauen, und für jede Kupfer-Aluminium-Verbindung wird es immer eine Aluminium-Kupfer-Verbindung geben. Der Metallladungseffekt mag sehr groß sein, summiert sich jedoch um einen geschlossenen Kreislauf auf genau Null. Der Minuspol einer "Batterie" zeigt immer zum Minuspol einer anderen. Es ist keine Energiequelle; keine Perpetual Motion Maschine.

Was ist, wenn wir eine Platte aus p-Silizium gegen eine Platte aus n-Typ-Silizium stoßen? Das ist ein selbstladender Kondensator, der zwischen den Siliziumplatten ungefähr 0,7 V erzeugt. Eine Platte stiehlt der anderen Elektronen, aber nur bis der Unterschied in den Umlaufbahnenergien der Mobilfunkanbieter aufgehoben ist. Beachten Sie, dass am Kontaktpunkt keine Dioden gebildet werden müssen. Wir könnten hochdotiertes n- und p ++ "metallisches" Silizium verwenden, das keine Dioden bilden kann, aber wenn sie zusammen berührt werden, erzeugen die Platten immer noch diese spontane Aufladung und Potentialdifferenz. Wir könnten sogar das p- und n-Silizium zusammenlöten (zuerst die Enden versilbern, damit das Löten sie benetzt), und trotzdem erscheint dieses Potential von 0,7 V.

Warum schalten sich Dioden bei 0,7 V anstatt bei Null Volt ein? Dies liegt daran, dass die Verarmungsschicht der Diode immer den spontanen "Kontakt mit unterschiedlichen Metallen" von 0,7 V enthält. Die Spannung hält die Diode ausgeschaltet. Bei einer getrennten Diode ist dies keine messbare Spannung (Sie werden sie niemals direkt erfassen, nicht ohne die E-Felder zu messen, die die Anschlüsse der Diode umgeben.) Heh, wenn wir Dioden aus Eisen und Kupfer bilden könnten, würden sich diese Dioden stattdessen drehen an der natürlichen Eisen-Kupfer-Potentialdifferenz, die alle Eisen-Kupfer-Übergänge aufweisen.

Wenn wir eine externe Spannung anlegen, um den Diodenübergang in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, wird die Diode eingeschaltet, wenn die externe Spannung die konstante eingebaute unsichtbare Spannung aufhebt. Mit anderen Worten, Dioden schalten sich nur ein, wenn wir die "unsichtbare" Sperrschichtspannung auf nahe Null reduziert haben: Sie haben sie kurzgeschlossen.


All dies hängt mit vielen anderen Effekten zusammen. Wenn wir einen geschlossenen Metallring herstellen, einen Halbring aus Kupfer, der mit einem Halbring aus Eisen verbunden ist, dann erhitzen wir einen der Übergänge, viele mA oder vielleicht Ampere fließen, da die beiden "unsichtbaren" Spannungen nicht mehr gleich sind und die kleine Differenz erzeugt einen großen Strom in der Schaltung. Mit anderen Worten, Thermoelementspannungen sind nur ein winziger Rest dieser magischen "unsichtbaren Spannung", der Thermospannung, die aufgrund eines Ungleichgewichts entsteht. Wir erkennen nur das Ungleichgewicht, nicht aber die ursprüngliche Potentialdifferenz, die immer zwischen zwei Metallen auftritt.

Wir können kalt produzieren: einen Halbleiterkühlschrank. Wenn wir Silizium vom p-Typ gegen n-Typ löten, dann durch einen Rückstrom zwingen, wo Löcher von Elektronen wegfließen, wird die p-zu-n-Verbindung kalt und die Metallkontakte an anderer Stelle werden gleich warm. Es ist zu beachten, dass keine Diode gebildet wurde, da zwei separate Siliziumblöcke durch Löten verbunden wurden. Tauschen Sie die Leitungen aus und stattdessen werden die Metallkontakte kühl, während sich der pn-Lötübergang gleichmäßig erwärmt.

Dies bedeutet auch, dass Solarzellen nicht so funktionieren, wie sich die meisten Menschen vorstellen. Innerhalb der dunklen Solarzelle weist der pn-Übergang eine natürliche Potentialdifferenz von 0,7 V auf. An anderer Stelle in der Schaltung finden wir entgegengesetzte Unterschiede (wahrscheinlich hauptsächlich an den Metallkontakten zum Halbleiter). Sie addieren sich alle zu Null. Wenn das Licht auf die Verbindungsstelle trifft, wird das Verbindungspotential kurzgeschlossen! Dann liefern alle anderen Potentialdifferenzen von anderen Teilen der Schaltung die E-Felder, die den Ladungsfluss erzwingen. Beleuchtete pn-Übergänge von Solarzellen liefern keine Spannung. Seltsam! Stattdessen liefern die Metallkontakte der Drähte die Spannung, und der beleuchtete pn-Übergang liefert eine fehlende Spannung:Eine Kuriosität, die in keinem normalen Stromkreis zu finden ist. Wenn ein Voltmeter (aus Kupfer, Lot, Silizium usw.) an eine Solarzelle angeschlossen ist, können wir anhand des fehlenden Übergangspotentials des pn-Übergangs das Gesamtpotential aller anderen vorhandenen Leiterübergänge messen. (Oder wir könnten stattdessen die Mikroansicht nehmen und sagen, dass die absorbierten Photonen das Energieniveau der mobilen Ladungen im Übergang erhöhen und es ihnen ermöglichen, es zu durchqueren, selbst wenn das starke E-Feld der natürlichen 0,7 V es versucht um sie wieder abzuwehren. Die Flut energiereicher Mobilfunkanbieter hat die Verbindungsstelle kurzgeschlossen und den selbstgeladenen Kondensator entladen.)

Aber warum laden sich zwei verschiedene Metalle auf, wenn sie zusammen berührt werden?

Das liegt daran, dass sich sogar zwei einzelne Metallatome aufladen, wenn sie zusammen berührt werden. Die Energieniveaus der Orbitale verschiedener Metallatome sind nicht gleich. Wenn ein Atom zusammen berührt wird, neigt es dazu, Elektronen vom anderen zu stehlen ... aber gerade genug, um den Unterschied in den Orbitalniveaus auszugleichen. Wenn wir statt einzelner Atome zwei lange Ketten aus Metallatomen verwenden würden, eine aus Kupfer und eine aus Eisen, würde eine Kette bei Berührung ihrer Enden Elektronen von der anderen stehlen, bis der magische unsichtbare Spannungswert zwischen den Ketten auftritt . Arbeitet für Metalle, arbeitet für Halbleiter. Suchbegriff: Austrittsarbeit von Metallen und Austrittsarbeitsdifferenz von Metallübergängen.

[Achtung, dies ist eine ELI5-Antwort für Schüler der ersten Annäherung. Wie an anderer Stelle hier erwähnt, sind die Einschaltpotentiale der Dioden nur proportional zur Austrittsarbeitsdifferenz und nicht gleich dieser. Getrennte Dioden haben eigentlich keinen Sperrschichtstrom von Null, sondern gleiche und entgegengesetzte Trägerdiffusionsströme.]

wbeaty
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Ausgezeichnete Antwort, ich wünschte, meine Profis hätten mit so etwas angefangen, anstatt nur mit Mathe!
mbrig
"Was ist, wenn wir eine Platte aus p-Silizium gegen eine Platte aus n-Typ-Silizium stoßen? Das ist ein selbstladender Kondensator, der zwischen den Siliziumplatten ungefähr 0,7 V erzeugt." Diese Aussage impliziert, dass jede handelsübliche Siliziumdiode 0,7 V Standalone erzeugen würde, wenn sie beispielsweise mit einem hochohmigen Voltmeter gemessen würde. Das klingt nicht richtig.
Ale..chenski
Wenn die Metallanschlüsse mit dem Silizium verbunden sind, lädt sich ein Übergang auf ~ + 0,35 V, der andere auf ~ -0,35 V. Diese heben genau das PN-Übergangspotential auf (wenn also die Leitungen zusammen berührt werden, keine Picoampere). Eine PN-Diode ist wie ein PN-Übergang plus zwei Shottky-Metall / Silizium-Übergänge in Reihe. Ja, ein Elektrometer-Voltmeter sollte die 0,7-V-Ladung an großen Siliziumstücken erfassen. Machen Sie einen isolierten Faraday-Becher, schließen Sie das Elektrometer an den Becher und an die Erde an. Stecken Sie kurz einen geladenen Gegenstand in die Tasse und beobachten Sie die Elektrometerablesung. Oder messen Sie stattdessen einfach mV mit einer Feldmühle.
wbeaty
Das ist das Problem. 99% der Lehrmaterialien lassen diesen Umstand aus, dass zwei andere Metall-Halbleiter-Übergänge im eigentlichen elektronischen Gerät vorhanden sein müssen. Dann geht die Unterscheidung zwischen gleichrichtendem Shottky-Übergang und nicht gleichrichtendem ohmschen Kontakt verloren, ohne dass erklärt wird, wie die "starke Dotierung" (um den Kontakt "ohmsch" zu machen) mit vermutlich "normalen" Dotierungspegeln am pn-Übergang gemischt wird. All dies macht alle webbasierten Bilder von Dioden ohne Vorspannung brutal irreführend, beginnend mit Wikipedia.
Ale..chenski
Warum ändert sich die Spannung mit der Temperatur? Unabhängig davon unterscheidet sich diese Beschreibung drastisch von der Beschreibung des Seebeck-Effekts an verschiedenen Stellen. Ich versuche herauszufinden, ob eine Beschreibung falsch ist oder ob es zwei völlig unterschiedliche Möglichkeiten gibt, denselben Makroeffekt zu beschreiben, wobei beide noch gültig sind. Gedanken?
Horta
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Der Spannungsabfall variiert mit der Temperatur und Sie können einen guten Temperatursensor aus einer Diode oder einem Transistor herstellen, indem Sie den Abfall messen. Mit Eiswasser und kochendem Wasser kalibrieren.

In den für LEDs verwendeten Materialien ist die Bandlückenenergie auch die Energie von Photonen, die durch einen Strom erzeugt werden. Eine rote LED hat eine Bandlücke von ungefähr 1,8 Volt und das rote Licht hat eine Energie von ungefähr 1,8 Elektronenvolt oder eine Wellenlänge von ungefähr 700 nm. Sie können dies mit einem Voltmeter und einem Spektroskop testen. Ebenso für IR-, grüne, blaue und UV-LEDs. Der Spannungsabfall an der Diode nimmt zu, wenn Sie sich in Richtung UV bewegen, das energetischere Photonen aufweist.

(Anmerkungen zu Silizium gelöscht.)

C. Towne Springer
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Ich denke, Sie vermischen die Dinge: Die Bandlücke ist eine Energie, keine Spannung, und der numerische Wert für Si beträgt 1,1 eV. Es ist nicht die Vorwärtsspannung einer Diode.
Curd
Ein um ein Potential von 1 Volt beschleunigtes Elektron hat eine Energie von 1 eV. Deshalb nennen wir es ein Elektronenvolt. Sie müssen an reines Silizium denken. Die Bandlücke in einem Sperrschichttransistor wird mit den Verunreinigungen eingestellt, die zur Herstellung von Halbleitern vom P-Typ und N-Typ verwendet werden. Überprüfen Sie hier unter der Überschrift "Physik" en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
C. Towne Springer
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VfEgap
Ich bin mir nicht sicher, warum dies abgelehnt wurde, aber ich gebe eine Gegenstimme. Für Halbleiter mit direkter Lücke (LEDs und dergleichen) ist dies eine ziemlich gute Regel. (kann jedoch durch flache Dotierstoffe kompliziert werden.) Ich denke, dass es für Si ein bisschen versagt, weil es eine indirekte Lücke hat. Die direkte Lücke in Si beträgt ~ 1,1 eV. Ich denke, die indirekte Lücke beträgt ungefähr 0,6 V. Aber ich konnte keine Referenz dafür finden.
George Herold
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Mein Fehler. Ich habe vor 25 oder 30 Jahren im American Journal of Physics Laboraufzeichnungen für LEDs und Photonenenergie damit verwechselt, wie ich Transistoren oder Dioden als Temperatursensoren verwende. Ich habe das Ganze ein paar Mal mit vollem Ebers-Moll für IR-Fotodioden und Fempto-Amp-Ströme durchgemacht. Ironischerweise sollte die Temperatur von Siliziumwafern in RTP abgelesen werden.
C. Towne Springer
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Warum [Diodenschwelle ist] 0,7 und nicht 0,4, 0,11, 1,2 (für Silizium)?

Hier ist eine Antwort aus elektrotechnischer Sicht (da dies eine EE-Site ist):

Es gibt keine tatsächliche "Schwelle" in einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode. Die IV-Kurve für eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode ist eine starke Exponentialfunktion. Die "Kniespannung" (auch als "Kontaktpotential" oder "eingebaute Spannung" bekannt) von 0,7 V ist ein charakteristischer Punkt in einer stückweisen LINEAREN ANGLEICHUNG der tatsächlichen IV-Kurve für einen in Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergang aus typischem Silizium Material mit typischen Dotierstoffen. Dies ist das einfachste lineare Modell, siehe Abschnitt 5.4 des von "jonk" vorgeschlagenen Links . Es liest:

Das lineare Modell der Diode approximiert die exponentiellen I - V-Eigenschaften durch eine gerade Linie, die die tatsächliche Kurve am DC-Vorspannungspunkt tangiert. Abbildung 5.8 zeigt die Kurve mit der Tangentenlinie am Punkt (VD, ID). Die Kurve schneidet die horizontale Achse bei der Spannung VD0. Bei kleinen Änderungen von VD und ID um den Tangentenpunkt bietet die Tangentenlinie eine gute Annäherung an die tatsächliche Kurve.

Dies ist ein gutes Großsignalmodell in erster Näherung für Siliziumdioden, das in EE-Ballpark-Schätzungen weit verbreitet ist. Für eine genauere Modellierung werden komplexere Modelle als SPICE-Modell verwendet .

Die nächste Frage wäre, warum die IV-Kurve für eine Diode auf Siliziumbasis diese spezielle Exponentialform hat, so dass ihr "Knie" nahe dem Wert von 0,7 V liegt. Die Antwort muss in der Physik der Halbleiter, in der Theorie der PN-Übergänge und Transistoren gesucht werden, und die Antwort wird wahrscheinlich mehrere Vorlesungen dauern. Im unteren Bereich wird die Eigenschaft des Stromflusses durch die intrinsische Atomstruktur des jeweiligen Halbleiters mit seiner bestimmten Bandlücke bestimmt (siehe elektronische Bandstruktur)) und Quantendynamik von Elektron-Loch-Wechselwirkungen mit ihrer Kristallstruktur über zwei unterschiedlich dotierte Bereiche (p und n). Für ein anderes intrinsisches Halbleitermaterial (wie Germanium) mit unterschiedlichen Bandparametern würde die resultierende lineare Approximation der IV-Kurve einen anderen Kniewert von etwa 0,3 V ergeben.

Die Erklärung, wie das "Kontaktpotential" mit der Bandlückenspannung zusammenhängt, finden Sie auf der lokalen Physik-Website . Es heißt, dass das "Kontaktpotential" typischerweise etwa 0,3 V unter der entsprechenden Bandlückenspannung liegt.

Ale..chenski
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Ich würde hinzufügen, dass es mehr Möglichkeiten gibt, die Schwellenspannung zu definieren. Millman und Halkias nennen es in ihrem Meilenstein von 1967 "Electronic Devices and Circuits" [Beginn des M & H-Angebots] "Einschalt-, Offset-, Haltepunkt- oder Schwellenspannung" und definieren es als die Spannung V_gamma, unter der der Strom sehr klein ist (z weniger als 1 Prozent des maximalen Nennwerts). (S. 128). [Ende des M & H-Zitats]. Wenn Sie Ihren Exponentialgraphen so skalieren, dass er in diesen Strombereich passt, erhalten Sie eine Kurve, die im Wesentlichen von der V-Achse entsprechend V_gamma ansteigt. Wie Sie es auf einem Kurven-Tracer sehen würden.
Sredni Vashtar
@SredniVashtar, ich stimme voll und ganz zu, dass die Aufgabe, eine stark nichtlineare Exponentialfunktion durch eine einfache gerade Linie zu approximieren, in der Tat eine Herausforderung darstellt und es sehr subjektiv ist, wie diese einzelne Linie gezeichnet wird. Das Kriterium von 1% ist ebenfalls sehr subjektiv. 1% von welchem ​​Nennwert? Relativ zu einer konstanten DC-Bewertung oder zu einer Impulsbewertung, die das 100-fache davon betragen kann?
Ale..chenski