Saya bertanya-tanya pada diri sendiri mengapa nilainya tetap sekitar 0,7 V (0,3 Ge). Saya telah meneliti tentang topik ini berulang kali, tetapi saya selalu menemukan jawaban yang sama. Mereka mengatakan "Karena tegangan untuk Dioda Silikon adalah 0,7". Itu seperti mengatakan bahwa langit biru karena biru adalah warna langit.
Saya kenal dengan persamaan dioda Shockley, tapi saya tidak melihat hubungannya dengan tegangan ambang (saya katakan ini karena orang memberi saya tautan ke halaman Wikipedia-nya).
Saya juga telah membaca sesuatu tentang konsentrasi pengotor di dekat persimpangan yang terkait dengan penghalang tegangan (saya berharap mendapatkan jawaban terkait itu, dan proses pembuatannya).
Jawaban lain yang telah saya berikan adalah bahwa itu adalah sifat silikon (Saya agak benci jawaban ini, karena apa yang saya dapatkan dari itu adalah bahwa voltase adalah properti intensif, bukannya ekstensif - yang akan membuat bahan lebih "bisa dikerjakan").
Jadi pertanyaan per se adalah: Mengapa 0,7 dan tidak 0,4, 0,11, 1,2 (untuk Silicon)?
Jawaban:
Jawaban ELI5 yang sedikit lebih banyak:
Ketika kita menyentuh dua logam yang berbeda secara bersamaan, mereka terisi, yang satu menjadi positif, yang lain negatif. Mereka membentuk kapasitor yang dapat diisi sendiri, atau sesuatu seperti baterai bertegangan rendah. Efek ini terdeteksi pada hari-hari awal fisika, ditemukan selama pengukuran sensitif muatan elektrostatik. Itu berperilaku seperti pengisian-kontak sutra yang digosokkan ke karet. Tetapi dengan logam, tidak diperlukan gesekan. Kemudian menjadi jelas bahwa dua logam yang berbeda selalu menghasilkan tegangan yang sama di antara mereka. (Yah, sama pada suhu kamar. Tegangan sedikit berubah dengan suhu.)
Tetapi voltase ini tidak pernah bisa dideteksi oleh voltmeter. Kita dapat membangun sirkuit kita dari tembaga, aluminium, besi, dll., Dan untuk setiap persimpangan tembaga-aluminium, akan selalu ada persimpangan aluminium-tembaga di tempat lain. Efek pengisian logam mungkin sangat besar, namun jumlahnya persis nol di sekitar sirkuit tertutup. Terminal neg dari satu "baterai" selalu menghadap terminal neg yang lain. Itu bukan sumber energi; bukan mesin gerak abadi.
Bagaimana jika kita menabrak lempengan silikon tipe-p terhadap lempengan silikon tipe-n? Itu adalah kapasitor yang dapat diisi sendiri, dan menghasilkan sekitar 0,7 V antara pelat silikon. Satu slab mencuri elektron dari yang lain, tetapi hanya sampai perbedaan energi orbit dari operator seluler dibatalkan. Perhatikan bahwa tidak ada dioda yang perlu dibentuk pada titik kontak. Kita bisa menggunakan silikon n metalik dan silikon "metalik" p yang tinggi yang tidak dapat membentuk dioda, namun ketika disentuh bersama, pelat masih menghasilkan pengisian spontan dan beda potensial. Kita bahkan dapat menyolder p dan n silikon bersama-sama (pertama-lemparkan perak ujungnya, jadi solder akan membasahi mereka), dan masih ada potensi 0,7V yang muncul.
Mengapa dioda menyala pada 0.7V, bukan pada nol volt? Itu karena lapisan penipisan dioda selalu memiliki 0,7V "kontak-logam-kontak" spontan di dalamnya. Tegangan membuat dioda dimatikan. Pada dioda yang terputus, ini bukan tegangan yang dapat diukur (Anda tidak akan pernah dapat mendeteksinya secara langsung, bukan tanpa mengukur bidang-e yang mengelilingi terminal dioda.) Heh, jika kita dapat membentuk dioda dari besi dan tembaga, maka dioda itu akan berubah pada perbedaan potensial besi-tembaga alami yang ditunjukkan oleh semua persimpangan besi-tembaga.
Ketika kita menerapkan tegangan eksternal untuk memajukan bias sambungan dioda, dioda akan menyala ketika tegangan eksternal membatalkan tegangan bawaan yang tak terlihat. Dengan kata lain, dioda hanya menyala ketika kita mengurangi voltase sambungan "tak terlihat" menjadi mendekati nol: memendeknya.
Semua ini terhubung ke banyak efek lainnya. Jika kita membuat cincin logam tertutup, setengah-cincin tembaga yang terhubung ke setengah-cincin besi, lalu panaskan salah satu persimpangan, banyak mA atau mungkin amp akan mengalir, karena dua tegangan "tak terlihat" tidak lagi sama. , dan perbedaan kecil menghasilkan arus besar di sirkuit. Dengan kata lain, voltase termokopel hanyalah sisa kecil dari "voltase tak terlihat" yang ajaib ini, voltase termo yang timbul karena ketidakseimbangan. Kami hanya mendeteksi ketidakseimbangan, tetapi bukan perbedaan potensial asli yang selalu muncul di antara dua logam.
Kami dapat menghasilkan dingin: lemari es semikonduktor. Jika kita menyolder semua silikon tipe-p terhadap tipe-n, kemudian memaksa melalui arus balik di mana lubang mengalir dari elektron, maka koneksi p-ke-n menjadi dingin, dan kontak logam di tempat lain menjadi sama-sama hangat. Perhatikan bahwa tidak ada dioda yang terbentuk, karena dua blok silikon terpisah dihubungkan oleh solder. Tukar kontak dan alih-alih kontak logam menjadi dingin, sementara sambungan pn-solder memanas secara merata.
Juga, ini berarti bahwa sel surya tidak berfungsi seperti yang dibayangkan kebanyakan orang. Di dalam sel surya gelap, persimpangan pn memiliki beda potensial 0,7V yang alami. Di tempat lain di sirkuit kami menemukan perbedaan yang berlawanan (mungkin sebagian besar ditemukan pada kontak logam dengan semikonduktor.) Mereka semua menambahkan hingga nol. Jadi, ketika cahaya mengenai persimpangan, potensi persimpangan akan korslet! Kemudian, semua perbedaan potensial dari bagian-bagian lain dari rangkaian akan menyediakan medan-e yang memaksa muatan mengalir. Persimpangan pn sel surya iluminasi tidak menghasilkan tegangan. Aneh! Sebagai gantinya, kontak logam dari kabel memberikan tegangan, dan persimpangan pn yang menyala memberikan tegangan yang hilang:keanehan yang tidak ditemukan di sirkuit normal. Ketika voltmeter (terbuat dari tembaga, solder, silikon, dll.) Dihubungkan ke sel surya, potensi persimpangan yang hilang dari persimpangan pn memungkinkan kita mengukur potensi total dari semua persimpangan konduktor lain yang ada. (Atau, alih-alih, kita dapat mengambil tampilan mikro, dan mengatakan bahwa foton yang diserap menaikkan tingkat energi dari muatan seluler di persimpangan, memungkinkan mereka untuk melintasinya, bahkan ketika medan-e yang kuat dari 0.7V alami mencoba untuk mengusir mereka kembali. Banjir operator seluler berenergi tinggi telah memperpendek persimpangan, melepaskan kapasitor yang diisi sendiri.)
Tetapi mengapa dua logam berbeda mengisi ketika disentuh bersama?
Itu karena bahkan dua atom logam juga mengisi saat disentuh bersama. Tingkat energi orbital atom logam yang berbeda tidak sama. Jika disentuh bersama, satu atom cenderung mencuri elektron dari yang lain ... tetapi cukup untuk membatalkan perbedaan tingkat orbital. Daripada atom tunggal, jika kita menggunakan dua rantai panjang atom logam, satu dari tembaga dan satu dari besi, maka ketika ujungnya bersentuhan, satu rantai akan mencuri elektron dari yang lain, sampai nilai tegangan ajaib yang tak terlihat muncul di antara rantai . Bekerja untuk logam, bekerja untuk semikonduktor. Istilah pencarian: fungsi-kerja logam, dan perbedaan fungsi-kerja persimpangan logam.
[Hati-hati, ini adalah jawaban ELI5 nilai sekolah perkiraan pertama. Seperti disebutkan di sini di sini, potensi turn-on diode hanya sebanding dengan perbedaan fungsi-kerja, tidak sama dengan itu. Dioda yang terputus tidak memiliki arus junction nol, melainkan memiliki arus difusi pembawa yang sama dan berlawanan.]
sumber
Penurunan tegangan bervariasi dengan suhu dan Anda dapat membuat sensor suhu yang baik dari dioda atau transistor dengan mengukur penurunan. Kalibrasi dengan air es dan air mendidih.
Dalam bahan yang digunakan untuk LED, energi celah pita juga merupakan energi foton yang dihasilkan oleh arus. LED merah memiliki celah pita sekitar 1,8 volt dan lampu merah memiliki energi sekitar 1,8 volt elektron, atau panjang gelombang sekitar 700nm. Anda dapat menguji ini dengan voltmeter dan spektroskopi. Demikian juga untuk LED IR, hijau, biru, dan UV. Penurunan tegangan melintasi dioda meningkat ketika Anda bergerak ke arah UV, yang memiliki foton lebih energik.
(Keterangan tentang silikon dihapus.)
sumber
Berikut ini jawaban dari sudut pandang teknik elektro (karena ini adalah situs EE):
Tidak ada "ambang" yang sebenarnya dalam dioda maju-bias. Kurva IV untuk dioda bias maju adalah fungsi eksponensial yang kuat. "Tegangan lutut" (juga dikenal sebagai "kontak potensial" atau "tegangan terpasang") dari 0,7V adalah titik karakteristik dalam pendekatan LINEAR sepotong-bijaksana dari kurva IV yang sebenarnya untuk persimpangan PN bias ke depan dari silikon khas bahan dengan dopan khas. Ini adalah model linier paling sederhana, lihat Bagian 5.4 dari tautan yang disarankan oleh "jonk" . Bunyinya:
Ini adalah model sinyal besar aproksimasi pertama yang baik untuk dioda silikon, yang banyak digunakan dalam estimasi EE ballpark. Untuk pemodelan yang lebih akurat, model yang lebih kompleks digunakan sebagai model SPICE .
Pertanyaan selanjutnya adalah, mengapa kurva IV untuk dioda berbasis silikon memiliki bentuk eksponensial khusus ini, sehingga "lutut" -nya terletak di dekat nilai 0,7 V? Jawabannya perlu dicari dalam fisika semikonduktor, dalam teori persimpangan PN dan transistor, dan jawabannya kemungkinan akan mengambil beberapa kuliah. Di bagian bawah, sifat aliran arus ditentukan oleh struktur atom intrinsik semikonduktor tertentu dengan celah pita khususnya, (lihat struktur pita elektronik)), dan dinamika kuantum dari interaksi lubang elektron dengan struktur kristalinnya di dua daerah yang didoping berbeda (p dan n). Untuk bahan semikonduktor intrinsik yang berbeda (seperti Germanium) dengan parameter pita berbeda, perkiraan linier kurva IV akan menghasilkan nilai lutut yang berbeda sekitar 0,3V.
Penjelasan tentang bagaimana "potensi kontak" terkait dengan tegangan celah pita dapat ditemukan di situs Fisika lokal . Dikatakan bahwa "potensial kontak" biasanya sekitar 0,3V lebih kecil dari tegangan celah pita yang sesuai.
sumber