Me he preguntado por qué ese valor se fija en alrededor de 0.7 V (0.3 Ge). He investigado sobre este tema una y otra vez, pero siempre encuentro la misma respuesta. Dicen "Porque el voltaje para los diodos de silicio es 0.7". Eso es como decir que el cielo es azul porque el azul es el color del cielo.
Estoy familiarizado con la ecuación del diodo Shockley, pero no veo la conexión con el voltaje de umbral (lo digo porque la gente me ha dado un enlace a su página de Wikipedia).
También he leído algo sobre la concentración de impurezas cerca de la unión relacionada con la barrera de voltaje (espero obtener una respuesta relacionada con eso y el proceso de fabricación).
Otra respuesta que me han dado es que esa es la naturaleza del silicio (odio esta respuesta, porque lo que obtengo es que el voltaje es una propiedad intensiva, en lugar de extensiva, lo que haría que los materiales sean más "viables").
Entonces, la pregunta per se es: ¿por qué 0.7 y no 0.4, 0.11, 1.2 (para silicio)?
Respuestas:
Una respuesta ELI5 un poco más:
Cuando tocamos dos metales diferentes juntos, se cargan, uno se vuelve positivo y el otro negativo. Forman un condensador de carga automática, o algo así como una batería de bajo voltaje. Este efecto se detectó en los primeros días de la física, descubierto durante las mediciones sensibles de carga electrostática. Se comportó como una carga de contacto de seda frotada contra goma. Pero con los metales, no se necesitaba fricción. Más tarde se hizo evidente que dos metales diferentes siempre producen el mismo voltaje entre ellos. (Bueno, lo mismo a temperatura ambiente. El voltaje cambia ligeramente con la temperatura).
Pero este voltaje nunca puede ser detectado por voltímetros. Podemos construir nuestros circuitos de cobre, aluminio, hierro, etc., y para cada unión cobre-aluminio, siempre habrá una unión aluminio-cobre en otro lugar. El efecto de carga de metales puede ser muy grande, pero suma exactamente cero alrededor de un circuito cerrado. El terminal neg de una "batería" siempre se enfrenta al terminal neg de otra. No es una fuente de energía; No es una máquina de movimiento perpetuo.
¿Qué pasa si chocamos una losa de silicio tipo p contra una losa de silicio tipo n? Es un condensador de carga automática y produce aproximadamente 0.7V entre las losas de silicio. Una losa roba electrones de la otra, pero solo hasta que se cancele la diferencia en las energías de órbita de los operadores móviles. Tenga en cuenta que no es necesario formar diodos en el punto de contacto. Podríamos usar silicio "metálico" n- y p ++ de alto dopado que no puede formar diodos, sin embargo, cuando se tocan, las losas aún producen esa carga espontánea y diferencia de potencial. Incluso podríamos soldar el silicio p y n juntos (primero platee los extremos, por lo que la soldadura los humedecerá) y aún así aparece ese potencial de 0.7V.
¿Por qué los diodos se encienden a 0.7V, en lugar de a cero voltios? Se debe a que la capa de agotamiento del diodo siempre tiene ese espontáneo "contacto de metales diferentes" 0.7V en su interior. El voltaje mantiene el diodo apagado. En un diodo desconectado, este no es un voltaje medible (nunca lo detectará directamente, no sin medir los campos electrónicos que rodean los terminales del diodo). Heh, si pudiéramos formar diodos de hierro y cobre, entonces esos diodos en su lugar se convertirían en la diferencia de potencial natural de hierro y cobre que exhiben todas las uniones de hierro y cobre.
Cuando aplicamos un voltaje externo para polarizar hacia adelante la unión del diodo, el diodo se enciende cuando el voltaje externo cancela el voltaje invisible constante incorporado. En otras palabras, los diodos solo se encienden cuando hemos reducido el voltaje de unión "invisible" a casi cero: lo cortocircuito.
Todo esto se conecta con muchos otros efectos. Si hacemos un anillo de metal cerrado, un medio anillo de cobre conectado a un medio anillo de hierro, luego calentamos una de las uniones, fluirán muchos mA o quizás amperios, ya que los dos voltajes "invisibles" ya no son los mismos , y la pequeña diferencia produce una gran corriente en el circuito. En otras palabras, los voltajes de los termopares son solo un pequeño remanente de este mágico "voltaje invisible", el voltaje termal que surge debido a un desequilibrio. Solo detectamos el desequilibrio, pero no la diferencia de potencial original que siempre aparece entre dos metales.
Podemos producir frío: un refrigerador semiconductor. Si soldamos cualquier silicio tipo p contra el tipo n, luego forzamos a través de una corriente inversa donde los agujeros fluyen lejos de los electrones, entonces la conexión p-n se enfría, y los contactos metálicos en otros lugares se calientan igualmente. Tenga en cuenta que no se formó ningún diodo, ya que dos bloques de silicio separados estaban conectados por soldadura. Cambie los cables y en su lugar los contactos metálicos se enfrían, mientras que la unión pn-soldadura se calienta por igual.
Además, esto significa que las células solares no funcionan como la mayoría de las personas imaginan. Dentro de la celda solar oscura, la unión pn tiene una diferencia de potencial natural de 0.7V. En otras partes del circuito encontramos diferencias opuestas (probablemente encontradas principalmente en los contactos metálicos del semiconductor). Todos suman cero. Entonces, cuando la luz golpea la unión, ¡el potencial de unión se acorta! Entonces, todas las otras diferencias de potencial de otras partes del circuito proporcionarán los campos e que obligan a las cargas a fluir. Las uniones pn de células solares iluminadas no proporcionan voltaje. ¡Extraño! En cambio, los contactos metálicos de los cables proporcionan el voltaje, y la unión pn iluminada proporciona un voltaje faltante:Una rareza que no se encuentra en ningún circuito normal. Cuando un voltímetro (hecho de cobre, soldadura, silicio, etc.) está conectado a una célula solar, el potencial de unión faltante de la unión pn nos permite medir el potencial total de todas las otras uniones de conductores presentes. (O, en su lugar, podríamos tomar la microvista y decir que los fotones absorbidos están elevando el nivel de energía de las cargas móviles en la unión, lo que les permite cruzarlo, incluso cuando el fuerte campo e del 0.7V natural lo intenta para repelerlos nuevamente. La avalancha de operadores móviles de alta energía ha acortado la unión, descargando el condensador autocargado).
Pero, ¿por qué se cargan dos metales diferentes cuando se tocan juntos?
Es porque incluso dos átomos de metal solitarios también se cargan cuando se tocan juntos. Los niveles de energía de los diferentes orbitales de los átomos metálicos no son los mismos. Si se tocan juntos, un átomo tiende a robar electrones del otro ... pero lo suficiente como para cancelar la diferencia en los niveles orbitales. En lugar de átomos individuales, si en su lugar usamos dos largas cadenas de átomos de metal, una de cobre y otra de hierro, cuando sus extremos se tocan, una cadena robaría electrones de la otra, hasta que el valor de voltaje invisible mágico apareciera entre las cadenas. . Trabajos para metales, trabajos para semiconductores. Término de búsqueda: función de trabajo de metales y diferencia de función de trabajo de uniones metálicas.
[Cuidado, esta es una respuesta ELI5 de primera aproximación para la escuela primaria. Como se mencionó aquí, los potenciales de encendido de los diodos son solo proporcionales a la diferencia de la función de trabajo, no son iguales. Los diodos desconectados en realidad no tienen corriente de unión cero, sino que tienen corrientes de difusión portadora iguales y opuestas.
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La caída de voltaje varía con la temperatura y puede hacer un buen sensor de temperatura de un diodo o transistor midiendo la caída. Calibre con agua helada y agua hirviendo.
En los materiales utilizados para los LED, la energía de banda prohibida también es la energía de los fotones producidos por una corriente. Un LED rojo tiene un intervalo de banda de alrededor de 1,8 voltios y la luz roja tiene una energía de alrededor de 1,8 voltios de electrones, o una longitud de onda de alrededor de 700 nm. Puede probar esto con un voltímetro y un espectroscopio. Del mismo modo para LED IR, verde, azul y UV. La caída de voltaje a través del diodo aumenta a medida que avanza hacia la radiación UV, que tiene más fotones energéticos.
(Observaciones sobre el silicio eliminado).
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Aquí hay una respuesta desde el punto de vista de la ingeniería eléctrica (ya que este es un sitio de EE):
No hay un "umbral" real en un diodo polarizado hacia adelante. La curva IV para un diodo polarizado hacia adelante es una función exponencial fuerte. El "voltaje de rodilla" (también conocido como "potencial de contacto" o "voltaje incorporado") de 0.7V es un punto característico en una APROXIMACIÓN LINEAL por partes de la curva IV real para una unión PN polarizada hacia adelante de silicio típico material con dopantes típicos. Este es el modelo lineal más simple, consulte la Sección 5.4 del enlace sugerido por "jonk" . Se lee:
Este es un buen modelo de señal grande de primera aproximación para diodos de silicio, que se usa ampliamente en las estimaciones de EE ballpark. Para un modelado más preciso, se utilizan modelos más complejos como modelo SPICE .
La siguiente pregunta sería, ¿por qué la curva IV para un diodo a base de silicio tiene esta forma exponencial particular, de modo que su "rodilla" se encuentra cerca del valor de 0.7 V? La respuesta debe buscarse en la física de los semiconductores, en la teoría de las uniones PN y los transistores, y la respuesta probablemente tomará varias conferencias. En la parte inferior, la propiedad del flujo de corriente está determinada por la estructura atómica intrínseca del semiconductor particular con su intervalo de banda particular, (ver estructura de banda electrónica), y la dinámica cuántica de las interacciones electrón-agujero con su estructura cristalina a través de dos regiones dopadas de manera diferente (p y n). Para un material semiconductor intrínseco diferente (como el germanio) con parámetros de banda diferentes, la aproximación lineal resultante de la curva IV produciría un valor de rodilla diferente de aproximadamente 0.3V.
La explicación de cómo el "potencial de contacto" está relacionado con el voltaje de banda prohibida se puede encontrar en el sitio local de Física . Dice que típicamente el "potencial de contacto" es aproximadamente 0.3V menos que el voltaje de banda prohibida correspondiente.
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