PN结二极管的永动机

电器工程 二极管 半导体 pn结 耗尽区
2022-01-30 07:13:46

考虑一个PN结二极管

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现在,这个系统会自然地由于扩散而形成一个耗尽区,并将转化为:

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现在,我希望用这样的导线和电阻连接这个二极管的末端:

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因此,我希望这个空间中的电场排列如下(表示为暗绿色:)

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这将使导线中的电荷以下列方式累积:

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最后,该系统最终将中和所有电荷,因此二极管内外没有电场;为自由电荷创造平衡状态。因此,我们将回到一个没有耗尽区和没有电场的简单 PN 结二极管

然而,这将再次在 N 侧和 P 侧之间产生电子浓度差异;这些高速自由电子会自然地从 N 侧流向 P 侧,从而产生一个电场,该电场随后会被导线平衡。

因此,我预计这个循环会持续下去,导致持续的电荷流过电阻。总体而言,二极管将从周围吸收热量,而电阻将在那里释放热量。

显然我认为这个分析是错误的,但我无法弄清楚我在哪里犯了任何错误。

PS:我最初在 Physics StackExchange 上问过这个问题,但他们认为它类似于(https://physics.stackexchange.com/questions/108314/why-isnt-there-a-potential-difference-across-a -断开二极管)。但是,我仍然不满意,因为我没有找到哪里出错了。简单地说二极管两端没有电位差是没有帮助的。

在这里,我只使用了电动力学的基本核心原理。如果有人指出我犯错误的确切步骤,我将不胜感激。

3个回答

该电路具有三种不同的材料:两个掺杂的半导体区域和一根导线(我们可以让电阻器为绕线型,所以它只是……导线的一部分)。

这意味着存在三个交汇点。虽然金属接头可能不是半导体二极管,但它们在接头处受到相同的电荷扩散边界,甚至在金属之间,由于该边界处的电荷迁移,存在已知的效应(热电偶或塞贝克效应)。

因此,这三个结上的电压的总循环总和可能为零,但没有一个单独的结正好是零电压。事实上,如果接头处于不同的温度,你会得到一个净热电偶效应,电流可能会流过电阻。不过,它是热机,而不是永动机。

与半导体制造金属接头的冶金学是一个重大问题,而简单的解决方案(对于硅,铝界面层)通常不受重视。

您描述的过程使结上的费米能级相等。连接导线使导线的费米能级相等。相对费米能级是电压表的读数,因此代替电阻器连接的电压表将读数为零伏。没有电压可以驱动电流通过您的电阻器。

这里的详细物理学有点令人费解:即使是我们这些从事芯片设计之类的事情的人有时也会感到困惑。维基百科对此有一篇优秀的文章

如果您从任何点状电荷(电子或空穴)获取场并将其围绕任何环积分,则沿环的总场将加起来为零。

任何这种电荷分布的场,围绕一个环积分,是所有点电荷场的总和。它们都单独加起来为 0,所以当你把它们全部加起来时你得到 0。

因此,您的问题的真正答案很简单:您拥有什么样的电荷分布并不重要 - 静电荷分布不会推动电子绕任何环路。

在这种情况下,您忘记计算 PN 结上的电压降。