Eu me perguntei por que esse valor é fixado em cerca de 0,7 V (0,3 Ge). Eu pesquisei sobre esse tópico repetidamente, mas sempre encontro a mesma resposta. Eles dizem "porque a voltagem dos diodos de silício é 0,7". É como dizer que o céu é azul porque o azul é a cor do céu.
Eu estou familiarizado com a equação do diodo Shockley, mas não vejo a conexão com a tensão limite (estou dizendo isso porque as pessoas me deram um link para a página da Wikipedia).
Também li algo sobre a concentração de impurezas perto da junção relacionada à barreira de tensão (espero obter uma resposta relacionada a isso e ao processo de fabricação).
Outra resposta que recebi é que essa é a natureza dos silicones (eu meio que odeio essa resposta, porque o que recebo é que a tensão é uma propriedade intensiva, em vez de extensa - o que tornaria os materiais mais "viáveis").
Portanto, a pergunta em si é: Por que 0,7 e não 0,4, 0,11, 1,2 (para o silício)?
Respostas:
Uma resposta ELI5 um pouco mais:
Quando tocamos dois metais diferentes juntos, eles carregam, um se tornando positivo, o outro negativo. Eles formam um capacitor de carregamento automático ou algo como uma bateria de baixa tensão. Esse efeito foi detectado nos primeiros dias da física, descoberto durante medições sensíveis da carga eletrostática. Ele se comportou como o carregamento de contato de seda esfregada contra borracha. Mas com metais, não era necessário atrito. Mais tarde ficou claro que dois metais diferentes sempre produzem a mesma tensão entre eles. (Bem, o mesmo à temperatura ambiente. A tensão muda ligeiramente com a temperatura.)
Mas essa voltagem nunca pode ser detectada por voltímetros. Podemos construir nossos circuitos com cobre, alumínio, ferro etc., e para cada junção de cobre-alumínio, sempre haverá uma junção de alumínio-cobre em outro lugar. O efeito de carregamento de metais pode ser muito grande, mas soma exatamente zero em torno de um circuito fechado. O terminal negativo de uma "bateria" sempre fica voltado para o terminal negativo de outra. Não é uma fonte de energia; não é uma máquina de movimento perpétuo.
E se colidirmos uma laje de silício do tipo p com uma laje de silício do tipo n? É um capacitor de carregamento automático e produz aproximadamente 0,7V entre as placas de silício. Uma laje rouba elétrons da outra, mas apenas até que a diferença de energia em órbita das operadoras de celular seja cancelada. Observe que nenhum diodo precisa ser formado no ponto de contato. Poderíamos usar silício "metálico" de alta dopagem n - e p ++ que não pode formar diodos; no entanto, quando tocadas juntas, as lajes ainda produzem essa carga espontânea e a diferença de potencial. Poderíamos até soldar o silicone P e N juntos (primeiro prateie as extremidades, para que a solda os molhe), e ainda assim o potencial de 0,7 V aparece.
Por que os diodos ligam a 0,7V, em vez de zero volts? É porque a camada de depleção do diodo sempre tem aquele "contato com metais diferentes" 0,7V espontâneo no interior. A tensão mantém o diodo desligado. Em um diodo desconectado, essa não é uma tensão mensurável (você nunca o detectará diretamente, não sem medir os campos eletrônicos ao redor dos terminais do diodo.) Heh, se pudéssemos formar diodos de ferro e cobre, esses diodos se tornariam na diferença natural de potencial ferro-cobre que todas as junções ferro-cobre exibem.
Quando aplicamos uma tensão externa para polarizar a junção do diodo, o diodo liga quando a tensão externa cancela a tensão invisível constante constante. Em outras palavras, os diodos só são ativados quando reduzimos a tensão de junção "invisível" para quase zero: em curto.
Tudo isso se conecta a muitos outros efeitos. Se fizermos um anel de metal fechado, um meio anel de cobre conectado a um meio anel de ferro, aqueceremos uma das junções, muitos mA ou talvez ampères fluirão, pois as duas tensões "invisíveis" não são mais as mesmas , e a pequena diferença produz uma grande corrente no circuito. Em outras palavras, as voltagens do termopar são apenas um pequeno restante dessa mágica "voltagem invisível", a voltagem térmica que surge devido a um desequilíbrio. Detectamos apenas o desequilíbrio, mas não a diferença de potencial original que sempre aparece entre dois metais.
Podemos produzir frio: uma geladeira semicondutora. Se soldarmos qualquer silício do tipo p contra o tipo n, forçaremos uma corrente reversa onde os buracos fluem para longe dos elétrons, a conexão p-para-n fica fria e os contatos de metal em outros lugares ficam igualmente quentes. Observe que nenhum diodo foi formado, pois dois blocos de silício separados foram conectados por solda. Troque os fios e, em vez disso, os contatos de metal ficam frios, enquanto a junção pn-solda aquece igualmente.
Além disso, isso significa que as células solares não funcionam como a maioria das pessoas imagina. Dentro da célula solar escura, a junção pn tem uma diferença de potencial natural de 0,7V. Em outras partes do circuito, encontramos diferenças opostas (provavelmente encontradas principalmente nos contatos metálicos do semicondutor.) Todos somam zero. Assim, quando a luz atinge a junção, o potencial da junção fica em curto! Então, todas as outras diferenças de potencial de outras partes do circuito fornecerão os campos eletrônicos que forçam as cargas a fluir. As junções pn de células solares iluminadas não fornecem tensão. Esquisito! Em vez disso, os contatos metálicos dos fios fornecem a tensão e a junção pn iluminada fornece uma tensão ausente:uma singularidade que não é encontrada em nenhum circuito normal. Quando um voltímetro (feito de cobre, solda, silício, etc.) é conectado a uma célula solar, o potencial de junção ausente da junção pn nos permite medir o potencial total de todas as outras junções de condutor presentes. (Ou, em vez disso, poderíamos ter a visão micro e dizer que os fótons absorvidos estão elevando o nível de energia das cargas móveis na junção, permitindo que eles atravessem, mesmo quando o forte campo eletrônico dos 0,7V naturais tenta repelir novamente. A enxurrada de operadoras móveis de alta energia encurtou a junção, descarregando o capacitor auto-carregado.)
Mas por que dois metais diferentes se carregam quando tocados juntos?
É porque até dois átomos de metal solitários também carregam quando tocados juntos. Os níveis de energia dos orbitais de diferentes átomos de metal não são os mesmos. Se tocados juntos, um átomo tende a roubar elétrons do outro ... mas apenas o suficiente para cancelar a diferença nos níveis orbitais. Em vez de átomos únicos, se, em vez disso, usamos duas longas cadeias de átomos de metal, uma de cobre e uma de ferro, quando as extremidades tocavam, uma cadeia roubava elétrons da outra, até que o valor mágico invisível da tensão aparecesse entre as correntes . Trabalhos para metais, trabalhos para semicondutores. Termo de pesquisa: função de trabalho de metais e diferença de função de trabalho de junções metálicas.
[Cuidado, esta é uma resposta do ELI5 da escola primária de primeira aproximação. Como mencionado aqui, os potenciais de ativação do diodo são apenas proporcionais à diferença da função de trabalho, não iguais a ela. Na verdade, os diodos desconectados não têm corrente de junção zero; eles têm correntes de difusão de portadora iguais e opostas.]
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A queda de tensão varia com a temperatura e você pode fazer um bom sensor de temperatura a partir de um diodo ou transistor medindo a queda. Calibre com água gelada e água fervente.
Nos materiais usados para os LEDs, a energia do gap é também a energia dos fótons produzidos por uma corrente. Um LED vermelho tem um intervalo de banda de cerca de 1,8 volts e a luz vermelha tem uma energia de cerca de 1,8 elétron-volts, ou um comprimento de onda de cerca de 700nm. Você pode testar isso com um voltímetro e um espectroscópio. Da mesma forma para LEDs IR, verde, azul e UV. A queda de tensão no diodo aumenta à medida que você se move em direção ao UV, que possui fótons mais energéticos.
(Comentários sobre silício excluídos.)
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Aqui está uma resposta do ponto de vista da engenharia elétrica (já que este é um site de EE):
Não há "limiar" real em um diodo com polarização direta. A curva IV para um diodo com polarização direta é uma forte função exponencial. A "tensão do joelho" (também conhecida como "potencial de contato" ou "tensão embutida") de 0,7V é um ponto característico em uma APROXIMAÇÃO LINEAR por peça da curva IV real para uma junção PN com polarização direta do silicone típico material com dopantes típicos. Este é o modelo linear mais simples, consulte a Seção 5.4 do link sugerido por "jonk" . Diz:
Este é um bom modelo de sinal grande de primeira aproximação para diodos de silício, amplamente utilizado nas estimativas de estimativa de EE. Para modelagem mais precisa, modelos mais complexos são usados como modelo SPICE .
A próxima pergunta seria: por que a curva IV para um diodo à base de silício tem esse formato exponencial específico, de modo que seu "joelho" esteja localizado próximo ao valor de 0,7 V? A resposta precisa ser pesquisada na física dos semicondutores, na teoria das junções e transistores PN, e a resposta provavelmente levará várias palestras. Na parte inferior, a propriedade do fluxo de corrente é determinada pela estrutura atômica intrínseca do semicondutor em particular com seu intervalo de banda específico (consulte a estrutura da banda eletrônica) e dinâmica quântica das interações elétron-buraco com sua estrutura cristalina em duas regiões dopadas de maneira diferente (p e n). Para um material semicondutor intrínseco diferente (como germânio) com parâmetros de banda diferentes, a aproximação linear resultante da curva IV produziria um valor de joelho diferente de cerca de 0,3V.
A explicação de como o "potencial de contato" está relacionado à tensão de bandgap pode ser encontrada no site local de Física . Ele diz que tipicamente o "potencial de contato" é cerca de 0,3V menor que a voltagem do bandgap correspondente.
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