ทำไมจึงไม่มีความแตกต่างที่เป็นไปได้ในไดโอดที่ถูกตัดการเชื่อมต่อ?

ฉันรู้ว่าคำถามนี้ฟังดูไร้สาระราวกับว่ามีความแตกต่างที่เป็นไปได้ที่กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นเมื่อขั้วเชื่อมต่อเข้าด้วยกันและนี่หมายถึงพลังงานมาจากที่ไหนสักแห่ง

เหตุผลที่ฉันถามสิ่งนี้แม้ว่าจะมาจากความเข้าใจของฉันในภูมิภาคพร่องและสร้างศักยภาพไดโอดดูเหมือนว่าถ้าคุณเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ข้ามไดโอดทั้งหมดมันจะแสดงค่าของศักยภาพในตัว

นี่คือคำอธิบายในภาพด้านล่าง:

ในตอนแรกอิเล็กตรอนไหลจากชนิด n ไปยังชนิด p เนื่องจากมีความเข้มข้นสูงกว่าในชนิด n และหลุมจะจับยึดในทางกลับกัน นี่เรียกว่ากระแสการแพร่ อิเล็กตรอนและหลุมแรกที่ข้ามเขต pn นั้นคืออิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ที่สุด ผู้ให้บริการเหล่านี้รวมตัวกันอีกครั้งเมื่อพวกเขาพบกันและไม่ได้เป็นผู้ให้บริการอีกต่อไป ซึ่งหมายความว่ามีพื้นที่พร่องไม่มีผู้ให้บริการที่อยู่ใกล้กับขอบเขต pn เนื่องจากอิเล็กตรอนออกจากวัสดุประเภท n และหลุมได้ทิ้งวัสดุประเภท p ไว้จึงมีประจุบวกและลบส่วนเกินที่ด้าน n และ p ของขอบเขต pn ตามลำดับ สิ่งนี้ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ต่อต้านกระแสการแพร่กระจายและไม่มีอิเล็กตรอนหรือหลุมข้ามเขตแดนและรวมกัน กล่าวโดยสรุปมีเพียงอิเล็กตรอนและหลุมที่อยู่ใกล้กับรอยต่อระหว่างกัน เพราะหลังจากทำเสร็จแล้วจะมีการสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นเพื่อป้องกันไม่ให้สายการบินอื่น ๆ อีกต่อไป กระแสเนื่องจากสนามไฟฟ้านี้เรียกว่ากระแสลอยและเมื่ออยู่ในสภาวะสมดุลนี้จะเท่ากับกระแสการแพร่ เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าที่ขอบเขต (ชี้จากประจุบวกไปยังประจุลบ) จึงมีแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง สิ่งนี้เรียกว่าศักยภาพในตัว

หากคุณสุ่มตัวอย่างสนามไฟฟ้าที่แต่ละจุดตามแนวไดโอดจากซ้ายไปขวาคุณจะเริ่มต้นด้วย 0 ในพื้นที่ p เนื่องจากมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน เมื่อคุณเข้าใกล้บริเวณพร่องคุณจะเห็นสนามไฟฟ้าเล็ก ๆ ชี้ไปทางบริเวณ p ซึ่งเกิดจากสิ่งสกปรกที่ตัวรับซึ่งตอนนี้มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น (เนื่องจากการรวมตัวกันอีกครั้ง) ดังนั้นจึงมีประจุลบสุทธิ สนามไฟฟ้านี้จะเพิ่มความแข็งแรงเมื่อคุณเข้าใกล้ขอบเขตแล้วตายไปเมื่อคุณอยู่ห่างออกไป

สนามไฟฟ้านี้หมายถึงมีแรงดันไฟฟ้าตามที่แสดงในกราฟ (d) ด้าน p มีศักยภาพตามอำเภอใจและด้าน n มีศักยภาพสูงกว่านี้เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าอยู่ระหว่างพวกเขา ซึ่งหมายความว่ามีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นทั่วภูมิภาคพร่อง สิ่งนี้เรียกว่าศักยภาพในตัว

แต่ทำไมเมื่อฉันเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ข้ามไดโอดทั้งหมดฉันจะไม่เห็นศักยภาพที่สร้างขึ้นนี้

ฉันคิดว่าคำตอบนั้นค่อนข้างง่าย คุณรู้หลักการทำงานของ "Schottky diode" ซึ่งมีพื้นฐานมาจากชุมทางเซมิคอนดักเตอร์ - โลหะหรือไม่? ตอนนี้ - จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ (หรือโหลดอื่น ๆ ) ข้ามไดโอด คุณสร้างทางแยกสอง Schottky ซึ่งชดเชยแรงดันการกระจายภายใน pn diode ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าได้ ด้วยคำอื่น ๆ : คุณไม่สามารถใช้แรงดันการแพร่เพื่อขับกระแสใด ๆ ผ่านโหลดภายนอก

เอ่อคำตอบที่เหลือดูเหมือนจะหลบไปนิดหน่อยและฉันก็สะดุดกับคำถามนี้ดังนั้นฉันจะยิงมัน

ฉันคิดว่าเป็นเพราะความจริงที่ว่าระดับเฟอร์มิไม่ต่อเนื่องภายใต้อคติ ฉันแน่ใจว่าคุณสามารถมองเห็นได้ว่าสิ่งที่โวลต์มิเตอร์วัดนั้นจริงๆคืออิเล็กตรอนและหลุมที่ไม่ดีต้องการข้ามทางแยก ที่สมดุลความร้อนอิเล็กตรอนและรูไม่มีความตั้งใจที่จะเคลื่อนที่ข้ามทางแยกดังนั้นแรงดันไฟฟ้าคือ 0V กล่าวอีกนัยหนึ่งโวลต์มิเตอร์จะวัดความแตกต่างของระดับเฟอร์มิระหว่าง 2 ด้านเท่านั้น

เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมถึงเป็นเช่นนี้คุณต้องรู้ว่าโวลต์มิเตอร์ทำงานอย่างไร แทนที่จะวัดความแตกต่างในระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปลายทั้งสองของไดโอด (ซึ่งน่ากลัวมาก) เพียงแค่วัดกระแสที่ไหลผ่านความต้านทานสูง ในไดโอดที่สมดุลความร้อนไม่มีการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุใด ๆ ดังนั้นจึงไม่มีกระแส ไม่มีกระแสไฟฟ้าหมายความว่าไม่มีการอ่านโวลต์มิเตอร์

หากคุณมีโวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิตที่มีความต้านทานสูงกว่าความต้านทาน DUT ซีรีย์ของคุณซึ่งเป็นไปได้ แต่การรั่วไหลของไดโอดจะต้องสูงพอ ๆ กันเพื่อป้องกันการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต

มันเป็นคำถามที่อยากรู้อยากเห็นที่ดีมาก! คำถามเดียวกันเกิดขึ้นกับฉันเมื่อฉันอยู่ในปีที่สองของฉัน แต่จนกว่าฉันจะเจอแรงดัน Threshold ในทรานซิสเตอร์และ PN แรงดันไฟฟ้าทางแยกลดลงภาพก็ชัดเจนเล็กน้อย

คุณมีความถูกต้องอย่างแน่นอน (ย่อหน้าสุดท้าย) เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงของศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากสนามไฟฟ้าในพื้นที่พร่องมีศักยภาพสูงกว่าจากด้าน n-type และศักย์ติดลบจากด้าน p-type ทำให้เกิดความต่างศักย์ภายในที่แท้จริง . นั่นคือเหตุผลที่จะอนุญาตให้กระแสไหลผ่านไดโอด (ทางแยก PN) คุณจะต้องมีศักยภาพสูงจาก P-type และ n-Type เพื่อให้ความแตกต่างนั้นมีขนาดใหญ่กว่าความต่างศักย์ภายในซึ่งอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในไดโอด . นี่คือสิ่งที่เราเรียกข้างหน้าไดโอดลำเอียง! ฉันแน่ใจว่าคุณรู้พื้นฐานนี้ ตอนนี้ให้ไปที่คำถามจริง ->

หากคุณต้องตรวจสอบโวลต์มิเตอร์แบบดิจิตอลเสมือนของคุณที่ขอบเขตการพร่องทั้งสองอย่างแน่นอนฉันแน่ใจว่าคุณจะเห็นความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่นั่น แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะทำกับมัลติมิเตอร์ธรรมดา ฉันแน่ใจว่ามีวิธีที่ บริษัท เซมิคอนดักเตอร์มีโพรบพิเศษเพื่อรับรู้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ แต่ถ้าคุณต้องวัดไดโอดที่ตัดการเชื่อมต่อจากมัลติมิเตอร์ปกติของคุณ (เช่นนี้จะถูกนำมาพิจารณาเมื่อคุณจำลองใน LTSPICE ว่าการทดสอบนั้นทำที่ปลายไดโอดไม่ใช่ภายใน) โดยทั่วไปกราฟ (D) ของคุณมีคำตอบนี้ด้วยตนเอง กราฟแสดงให้เห็นว่าไดโอดทั้งสองด้านไม่มีสนามไฟฟ้าอยู่ เนื่องจากสนามไฟฟ้าเป็นแบบอนุรักษ์นิยมและปลายไดโอดสองอัน (ปลายของวัสดุประเภท P และ N) ไม่มีประจุและสนามไฟฟ้าที่ปลายจะถูกยกเลิกเนื่องจากการกระจาย เนื่องจากไม่มีสนามไฟฟ้าปรากฏหลังจากสิ้นสุดบริเวณการแพร่นั่นหมายความว่าความแตกต่างของพวกเขาคือ 0 และความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้คือ 0 V เช่นกัน หวังว่านี่จะช่วยได้!

ให้คำถามนี้กับคำถาม มีกระแสสองประเภทที่ทางแยก PN กระแสน้ำที่เกิดจากการที่ผู้ให้บริการเคลื่อนลงมาไล่ระดับความหนาแน่นของผู้ให้บริการ กระแสน้ำที่ลอยเกิดจากการที่ผู้ให้บริการเคลื่อนย้ายลงสนามไฟฟ้า เมื่อไม่มีอคติถูกนำไปใช้กับทางแยก pn ที่แยกปัจจุบันการแพร่กระจายย้ายผู้ให้บริการในภูมิภาคพร่องสร้างค่าใช้จ่ายในแต่ละด้านของภูมิภาคพร่อง ประจุที่สะสมจะสร้างสนามไฟฟ้าข้ามเขตพร่องและสนามไฟฟ้านี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสในทิศทางตรงกันข้าม กระบวนการมีแนวโน้มไปสู่ความสมดุลตามธรรมชาติซึ่งกระแสการแพร่จะถูกยกเลิกอย่างแน่นอนโดยกระแสลอย เราสามารถจำลองสิ่งนี้เป็นสองแหล่งกระแสที่มีค่าเท่ากันเชื่อมต่อกันในรูปแบบต่อต้านขนาน

คำตอบนั้นค่อนข้างง่ายศักยภาพของสิ่งกีดขวางที่มีอยู่ทั่วบริเวณพร่องไม่ได้ข้ามไดโอดดังนั้นบริเวณที่มีเส้นสนามไฟฟ้าจะถูก จำกัด เฉพาะบริเวณพร่องเท่านั้น

หลายเมตรที่ใช้เชื่อมต่อข้ามขั้วของไดโอด และมีภูมิภาค n และ p อยู่ระหว่างโพรบหลายเมตรและภูมิภาคพร่องพื้นที่ n และ p ที่เป็นกลางทำหน้าที่เป็นฉนวนดังนั้นจึงไม่ได้รับเส้นสนามที่โพรบดังนั้นจึงไม่แสดงแรงดันไฟฟ้าในมัลติมิเตอร์

คำตอบคือง่าย ๆ เงียบ ๆ : คุณสับสนกับไฟฟ้าสถิตกับศักย์ไฟฟ้า สิ่งที่คุณวัดด้วยโวลต์มิเตอร์คือความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้า

ศักย์ไฟฟ้า แต่รวมถึงศักยภาพทางเคมีของพาหะของประจุด้วย หมายเหตุ: ค่าศักย์ทางเคมี precisely หรือค่าความชันลาดชัน (gradient -grad (chemical)) ของศักย์เคมีอย่างแม่นยำคือ "แรงผลักดัน" ที่อยู่เบื้องหลังการแพร่กระจาย

ในกรณีของจุดแยก PN การกระจายตัวของตาข่ายเกิดขึ้นจนกระทั่งความต่างศักย์ไฟฟ้าสถิตระหว่างตัวนำทั้งสองเท่ากับความแตกต่างของศักย์เคมีระหว่างตัวนำทั้งสองในขนาด เนื่องจากความแตกต่างที่เป็นไปได้ทั้งสองอย่างนั้นมีสัญญาณตรงกันข้ามผลรวมของพวกมันคือศูนย์ -> จึงไม่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าในการวัดแม้ว่าจะมีความแตกต่างที่ไม่หายไปในศักย์ไฟฟ้าสถิต!

แม้ว่าจะมีสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นข้ามจุดเชื่อมต่อ pn แต่ก็ไม่สามารถส่งกระแสใด ๆ ในวงจรเอาท์พุทได้เนื่องจากไม่มีแหล่งอื่นอยู่ลวดจะต้องถูกให้ความร้อนประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ามันไม่เคยเกิดขึ้น จะเย็นเพราะไม่มีแหล่งภายนอกดังนั้นจะมีการสร้างความไม่แน่นอนทางความร้อนดังนั้นปัจจุบันจะต้องเป็นศูนย์การติดต่อที่มีศักยภาพของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ทำให้เป็นกลางอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นดังนั้นประเภทของกรณีข้างต้นเกิดขึ้น