为什么断开的二极管两端没有电位差?

电器工程 电压 二极管 电磁学 半导体 pn结
2022-01-12 06:20:00

我知道这个问题听起来很傻,好像当端子连接在一起时会产生电流的电位差,这意味着能量来自某个地方。

我问这个的原因是,根据我对耗尽区和二极管内置电位的理解,如果你在整个二极管上连接一个电压表,它似乎会显示内置电位的值。

下图对此进行了解释:

平衡偏压下的pn结

起初,电子从 n 型流向 p 型,因为 n 型的浓度较高,而空穴反之亦然。这称为扩散电流。第一个穿过 pn 边界的电子和空穴是最靠近它的电子和空穴。这些携带者在相遇时会重新组合,然后不再是携带者。这意味着在 pn 边界附近有一个没有载流子的耗尽区。由于电子离开了 n 型材料,空穴离开了 p 型材料,因此在 pn 边界的 n 侧和 p 侧分别存在过剩的正电荷和负电荷。这会产生一个与扩散电流相反的电场,因此不再有电子或空穴穿过边界并结合。简而言之,只有边界附近的电子和空穴结合,因为在他们完成之后,会形成一个电场,阻止更多的载流子穿过。由该电场产生的电流称为漂移电流,当处于平衡状态时,它将等于扩散电流。因为在边界处存在电场(从正电荷指向负电荷),所以存在相关电压。这称为内建潜力。

如果您从左到右沿二极管的每个点对电场进行采样,您将从 p 区域中的 0 开始,因为质子和电子的数量相同。当你接近耗尽区时,你会看到一个指向 p 区的小电场,这是由现在有一个额外电子(由于复合)的受体杂质引起的,因此现在有一个净负电荷。当你接近边界时,这个电场的强度会增加,然后随着你越来越远而消失。

该电场意味着存在电压,如图(d)所示。p 侧处于任意电位,n 侧处于高于此的电位,因为它们之间存在电场。这意味着耗尽区存在电位差;这被称为内在潜力。

但是为什么当我在整个二极管上连接一个电压表时,我看不到这个内置电位?

在此处输入图像描述

4个回答

呃,其余的答案似乎有点狡猾,我只是偶然发现了这个问题,所以我会试一试。

我认为这是因为费米能级在偏差下变得不连续。我相信你可以想象电压表真正测量的是电子和空穴想要穿过结的程度。在热平衡时,电子和空穴无意穿过结,因此电压为 0V。换句话说,电压表实际上只测量两侧之间费米能级的差异。

要了解它为什么这样做,您必须了解电压表的工作原理。它不是从字面上测量二极管两端的电子能级差异(这太棒了),它只是测量流过其高电阻的电流。在处于热平衡的二极管中,没有任何电荷载流子的净运动,因此没有电流。没有电流意味着没有电压表读数。

我想,答案比较简单。你知道基于半导体-金属结的“肖特基二极管”的工作原理吗?现在 - 如果你在二极管上连接一个电压表(或任何其他负载)会发生什么?您创建了两个肖特基结,它们精确地补偿了 pn 二极管内部的扩散电压。因此,无法测量电压。换句话说:您不能使用扩散电压来驱动任何电流通过外部负载。

这是一个非常好的好奇心问题!我大二的时候也遇到过同样的问题。但是直到我遇到晶体管中的阈值电压和 PN 结电压下降,情况才变得不太清楚。

你是绝对正确的(最后一段),因为耗尽区由于电场而发生电位变化,n型侧的电位较高,p型侧的电位为负,使本征电位差增加. 这就是为什么要允许电流流过二极管(PN结),您需要更高的 P 型和 n 型电位,以使它们的差大于与二极管两端施加电压相反方向的固有电位差. 这就是我们所说的正向偏置二极管!我相信你知道这些基础知识。现在让我们进入真正的问题->

如果您要准确地在两个耗尽边界处探测您的虚拟数字电压表,那么我相信您会看到那里的电压差,但使用普通万用​​表则完全不可能。我确信半导体公司有一些特殊的探头来感应这些电压差。但是,如果您要从常规万用表测量断开的二极管(当您在 LTSPICE 中对其进行仿真时考虑到这一点,即在二极管的末端而不是在内部进行探测)。基本上,您的图表 (D) 本身就有这个答案。图表显示二极管的两端不存在电场。由于电场是保守的,并且二极管的两个末端(P和N型材料的末端)没有电荷,并且末端的电场由于扩散而被抵消,结果扩散区结束后没有电场存在,这意味着它们的差也为0,测量的电压差也为0 V。希望这可以帮助!

如果您有一个电阻远高于 DUT 串联电阻的静电电压表,这是可能的,但二极管泄漏必须同样高,以防止释放静态电位。