¿Por qué no hay una diferencia potencial entre un diodo desconectado?

Sé que esta pregunta suena tonta, ya que si hubiera una diferencia potencial se crearía una corriente cuando los terminales están conectados entre sí y esto significaría que la energía proviene de algún lugar.

Sin embargo, la razón por la que pregunto esto es que, desde mi comprensión de la región de agotamiento y el potencial incorporado de un diodo, parece que si conecta un voltímetro en todo el diodo, mostraría el valor del potencial incorporado.

Esto se explica en la imagen a continuación:

Al principio, los electrones fluyen del tipo n al tipo p porque hay una concentración más alta en el tipo n, y los agujeros son viceversa. Esto se llama corriente de difusión. Los primeros electrones y agujeros en cruzar el límite de pn son los que están más cerca de él; estos portadores se recombinan cuando se encuentran y ya no son portadores. Esto significa que no hay una región de agotamiento de portadores cerca del límite de pn. Debido a que los electrones han dejado el material de tipo n, y los agujeros han dejado el material de tipo p, existe un exceso de carga positiva y negativa en los lados n y p del límite de pn respectivamente. Esto causa un campo eléctrico que se opone a la corriente de difusión, por lo que no más electrones o agujeros cruzan el límite y se combinan. En resumen, solo se combinan los electrones y agujeros cerca del límite, porque después de haber hecho eso, se forma un campo eléctrico que impide que se crucen más portadores. La corriente debida a este campo eléctrico se llama corriente de deriva, y cuando está en equilibrio, será igual a la corriente de difusión. Debido a que hay un campo eléctrico en el límite (apuntando desde la carga positiva a la carga negativa) hay un voltaje asociado. Esto se llama el potencial incorporado.

Si muestrea el campo eléctrico en cada punto a lo largo del diodo de izquierda a derecha, comenzaría con 0 en la región p porque hay un número igual de protones y electrones. Al acercarse a la región de agotamiento, verá un pequeño campo eléctrico que apunta hacia la región p, causado por impurezas aceptoras que ahora tienen un electrón adicional (debido a la recombinación) y, por lo tanto, ahora tienen una carga negativa neta. Este campo eléctrico aumentará en fuerza a medida que te acerques al límite, y luego desaparecerá a medida que te alejes.

Este campo eléctrico significa que hay un voltaje, como se muestra en el gráfico (d). El lado p está en un potencial arbitrario, y el lado n está en un potencial más alto que esto porque hay un campo eléctrico entre ellos. Esto significa que hay una diferencia potencial en la región de agotamiento; Esto se conoce como el potencial incorporado.

Pero, ¿por qué cuando conecto un voltímetro en todo el diodo, no veré este potencial incorporado?

Creo que la respuesta es relativamente simple. ¿Conoces el principio de funcionamiento de un "diodo Schottky", que se basa en una unión de metal semiconductor? Ahora, ¿qué sucede si conecta un voltímetro (o cualquier otra carga) a través del diodo? Crea dos uniones Schottky que compensan exactamente el voltaje de difusión dentro del diodo pn. Por lo tanto, no se puede medir el voltaje. En otras palabras: no puede usar el voltaje de difusión para conducir ninguna corriente a través de una carga externa.

Err, el resto de las respuestas parecen un poco dudosas y me topé con esta pregunta, así que voy a intentarlo.

Creo que se debe al hecho de que el nivel de Fermi se vuelve discontinuo debido al sesgo. Estoy seguro de que puede visualizar que lo que realmente mide el voltímetro es qué tan mal los electrones y los agujeros quieren cruzar la unión. En el equilibrio térmico, los electrones y los agujeros no tienen intención de moverse a través de la unión, por lo que el voltaje es de 0V. En otras palabras, el voltímetro realmente solo mide la diferencia en los niveles de Fermi entre los 2 lados.

Para entender por qué hace esto, debes saber cómo funciona un voltímetro. En lugar de medir literalmente la diferencia en el nivel de energía de un electrón en ambos extremos del diodo (lo que sería increíble), solo mide la corriente que fluye a través de su alta resistencia. En un diodo en equilibrio térmico, no hay movimiento neto de ningún portador de carga y, por lo tanto, no hay corriente. Sin corriente significa que no hay lectura de voltímetro.

Si tuviera un voltímetro electrostático con una resistencia mucho más alta que la resistencia de la serie DUT, lo cual es posible, pero la fuga del diodo tendría que ser igualmente alta para evitar la descarga del potencial estático.

¡Es una muy buena pregunta de curiosidad! La misma pregunta se me ocurrió cuando estaba en mi segundo año. Pero hasta que encontré los voltajes de umbral en los transistores y las caídas de voltaje de la unión PN, la imagen se volvió poco clara.

Tiene toda la razón (último párrafo), porque hay un cambio en el potencial debido al campo eléctrico en la región de agotamiento, hay un mayor potencial desde el lado de tipo n y un potencial negativo desde el lado de tipo p, lo que aumenta la diferencia de potencial intrínseca . Es por eso que, para permitir que la corriente fluya a través del diodo (unión PN), necesitaría un mayor potencial del tipo P y el tipo n, de modo que su diferencia sea mayor que la diferencia de potencial intrínseca que está en la dirección opuesta al voltaje aplicado a través del diodo . ¡Esto es lo que llamamos diodo polarizado hacia adelante! Estoy seguro de que sabes esto básico. Ahora vamos a la pregunta real ->

Si tuviera que sondear su voltímetro digital virtual exactamente en los dos límites de agotamiento, entonces estoy seguro de que vería la diferencia de voltaje allí, pero es bastante imposible de hacer con el multímetro normal. Estoy seguro de que hay formas en que las compañías de semiconductores tienen sondas especiales para detectar estas diferencias de voltaje. Pero si tuviera que medir el diodo desconectado de su multímetro regular (lo mismo se tiene en cuenta cuando simula en LTSPICE que la prueba se realiza en los extremos del diodo, no internamente). Básicamente, su Gráfico (D) tiene esta respuesta por sí mismo. El gráfico muestra que ambos extremos del diodo no tienen campo eléctrico presente. Como el campo eléctrico es conservador y dos extremos de diodo (extremos de materiales de tipo P y N) no tienen carga y los campos eléctricos en los extremos se cancelan debido a la difusión. Como resultado, no hay campo eléctrico presente después de que termina la región de difusión, lo que significa que su diferencia también es 0 y la diferencia de voltaje medida también es 0 V. ¡Espero que esto ayude!

Dando una oportunidad a esta pregunta. Hay dos tipos de corrientes en una unión PN. Las corrientes de difusión son causadas por portadores que se mueven hacia abajo en un gradiente de densidad de portadores. Las corrientes de deriva son causadas por transportistas que se mueven hacia abajo en un campo eléctrico. Cuando no se aplica polarización a una unión pn aislada, la corriente de difusión mueve los portadores a través de la región de agotamiento, acumulando cargas en cada lado de la región de agotamiento. Las cargas acumuladas crean un campo eléctrico en la región de agotamiento, y este campo eléctrico induce una corriente en la dirección opuesta. El proceso tiende naturalmente hacia un equilibrio en el cual la corriente de difusión es cancelada exactamente por la corriente de deriva. Uno podría modelar esto como dos fuentes de corriente de igual valor conectadas de forma antiparalela.

La respuesta es bastante simple: el potencial de barrera existe a través de la región de agotamiento, no a través del diodo, por lo que la región de existencia de líneas de campo eléctrico se limita solo a la región de agotamiento.

El multímetro utilizado está conectado a través de los terminales del diodo. Y existen regiones n y p entre la sonda multímetro y la región de agotamiento. La región impar n y p actúa como un aislante, por lo que no se reciben líneas de campo en las sondas, por lo que no se muestra voltaje en el multímetro.

La respuesta es simple y silenciosa: confundes el potencial electrostático con el potencial eléctrico. Lo que se mide con un voltímetro es una diferencia en el potencial eléctrico.

Sin embargo, el potencial eléctrico incluye el potencial químico de los portadores de carga. Nota: El potencial químico µ, o más precisamente el gradiente-grad (µ) del potencial químico, es la "fuerza impulsora" detrás de la difusión.

En el caso de una unión PN, la difusión neta de portadores ocurre hasta que la diferencia del potencial electrostático entre los dos conductores es igual a la diferencia del potencial químico entre los dos conductores en magnitud. Dado que ambas diferencias de potencial tienen signos opuestos, su suma es cero -> ¡no hay diferencia de potencial eléctrico para medir, a pesar de una diferencia que no desaparece en el potencial electrostático!

Aunque existe una barrera potencial a través del punto de unión pn, no puede enviar ninguna corriente en el circuito de salida. Como no hay otras fuentes presentes, el cable debe calentarse. Los experimentos muestran que nunca sucede. De lo contrario, la unión debería sea ​​frío ya que no hay una fuente externa, por lo que se creará una inestabilidad térmica, por lo que la corriente debe ser cero, el potencial de contacto del metal y el semiconductor neutraliza la barrera potencial, por lo que sucede el tipo de caso anterior.