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)?
Antworten:
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.]
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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.)
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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:
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.
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