Por que não há uma diferença de potencial entre um diodo desconectado?

Sei que essa pergunta parece boba, como se houvesse uma diferença potencial de que uma corrente seria criada quando os terminais forem conectados juntos e isso significaria que a energia veio de algum lugar.

A razão pela qual pergunto isso é que, pelo meu entendimento da região de depleção e do potencial interno de um diodo, parece que se você conectasse um voltímetro em todo o diodo, isso mostraria o valor do potencial interno.

Isso é explicado na imagem abaixo:

A princípio, os elétrons fluem do tipo n para o tipo p porque há uma concentração mais alta no tipo n, e os buracos se opõem. Isso é chamado de corrente de difusão. Os primeiros elétrons e orifícios a atravessar o limite pn são os que estão mais próximos; essas operadoras se recombinam quando se encontram e não são mais uma operadora. Isso significa que há uma região de depleção de nenhuma transportadora perto do limite pn. como os elétrons deixaram o material do tipo n e os orifícios deixaram o material do tipo p, há um excesso de carga positiva e negativa no lado ne no p, respectivamente. Isso causa um campo elétrico que se opõe à corrente de difusão e, portanto, não mais elétrons ou buracos cruzam a fronteira e se combinam. Em resumo, apenas os elétrons e os buracos próximos ao limite se combinam, porque depois de terem feito isso, um campo elétrico é formado, impedindo que mais portadores cruzem. A corrente devido a este campo elétrico é chamada de corrente de derivação e, quando em equilíbrio, será igual à corrente de difusão. Como existe um campo elétrico no limite (apontando da carga positiva para a carga negativa), há uma tensão associada. Isso é chamado de potencial incorporado.

Se você amostrar o campo elétrico em cada ponto ao longo do diodo da esquerda para a direita, começaria com 0 na região p porque há um número igual de prótons e elétrons. Ao se aproximar da região de depleção, você vê um pequeno campo elétrico apontando para a região p, causado por impurezas aceitadoras que agora têm um elétron extra (devido à recombinação) e, portanto, agora têm uma carga líquida negativa. Esse campo elétrico aumentaria em força à medida que você se aproxima do limite e depois desaparece à medida que se afasta.

Este campo elétrico significa que há uma tensão, como mostrado no gráfico (d). O lado p está em um potencial arbitrário e o lado n está em um potencial maior que esse porque existe um campo elétrico entre eles. Isso significa que há uma diferença potencial na região de esgotamento; isso é conhecido como potencial embutido.

Mas por que, quando eu conecto um voltímetro em todo o diodo, não vejo esse potencial embutido?

Eu acho que a resposta é relativamente simples. Você conhece o princípio de funcionamento de um "diodo Schottky", que é baseado em uma junção semicondutor-metal? Agora - o que acontece se você conectar um voltímetro (ou qualquer outra carga) através do diodo? Você cria duas junções Schottky que compensam exatamente a tensão de difusão dentro do diodo pn. Assim, nenhuma tensão pode ser medida. Com outras palavras: Você não pode usar a tensão de difusão para conduzir qualquer corrente através de uma carga externa.

Err, o restante das respostas parece um pouco desonesto e eu apenas me deparei com essa pergunta, então vou tentar.

Eu acho que é por causa do fato de que o nível de Fermi se torna descontínuo sob viés. Tenho certeza de que você pode visualizar que o que o voltímetro está realmente medindo é o quanto os elétrons e os buracos querem atravessar a junção. No equilíbrio térmico, os elétrons e os orifícios não têm intenção de se mover através da junção, portanto a tensão é de 0V. Em outras palavras, o voltímetro realmente mede apenas a diferença nos níveis de Fermi entre os dois lados.

Para entender por que isso ocorre, você precisa saber como um voltímetro funciona. Em vez de literalmente medir a diferença no nível de energia de um elétron nas duas extremidades do diodo (o que seria incrível), ele apenas mede a corrente que flui através de sua alta resistência. Em um diodo em equilíbrio térmico, não há movimento líquido de nenhuma portadora de carga e, portanto, não há corrente. Sem corrente significa que não há leitura do voltímetro.

Se você tivesse um voltímetro eletrostático com uma resistência muito maior que a sua resistência da série DUT, isso é possível, mas o vazamento do diodo teria que ser igualmente alto para evitar a descarga do potencial estático.

É uma pergunta muito interessante de curiosidade! A mesma pergunta surgiu quando eu estava no meu segundo ano. Mas até encontrar as tensões Threshold nos transistores e quedas na tensão da junção PN, a imagem ficou pouco clara.

Você está absolutamente certo (último parágrafo), porque há uma mudança no potencial devido ao campo elétrico na região de depleção, existe um potencial maior do lado do tipo n e potencial negativo do lado do tipo p, fazendo com que a diferença de potencial intrínseco se acumule . É por isso que, para permitir que a corrente flua através do diodo (junção PN), você precisará de um potencial maior do tipo P e do tipo n, de modo que sua diferença seja maior que a diferença de potencial intrínseco, que está na direção oposta à tensão aplicada no diodo . Isto é o que chamamos de diodo polarizado para a frente! Tenho certeza que você conhece este básico. Agora vamos à verdadeira questão ->

Se você sonda seu voltímetro digital virtual exatamente nos dois limites de depleção, tenho certeza de que você verá a diferença de voltagem lá, mas é bastante impossível fazer isso com o multímetro comum. Estou certo de que existem maneiras pelas quais as empresas de semicondutores têm sondas especiais para detectar essas diferenças de tensão. Mas se você medir o diodo desconectado do seu multímetro comum (o mesmo é levado em consideração quando você o simula no LTSPICE que a sondagem é feita nas extremidades do diodo e não internamente). Basicamente, seu gráfico (D) tem essa resposta. O gráfico mostra que ambas as extremidades do diodo não possuem campo elétrico presente. como o campo elétrico é conservador e duas extremidades dos diodos (extremidades dos materiais do tipo P e N) não têm carga e os campos elétricos nas extremidades são cancelados devido à difusão, Como resultado, não há campo elétrico presente após o término da região de difusão, o que significa que a diferença também é 0 e a diferença de tensão medida também é 0 V. Espero que isto ajude!

Dando uma chance a esta pergunta. Existem dois tipos de correntes em uma junção PN. As correntes de difusão são causadas pelas portadoras que se deslocam para baixo em um gradiente de densidade da portadora. As correntes de desvio são causadas pelas transportadoras que se deslocam para baixo de um campo elétrico. Quando nenhum desvio é aplicado a uma junção pn isolada, a corrente de difusão move os transportadores pela região de esgotamento, acumulando cargas em cada lado da região de esgotamento. As cargas acumuladas criam um campo elétrico na região de exaustão, e esse campo elétrico induz uma corrente na direção oposta. O processo tende naturalmente a um equilíbrio no qual a corrente de difusão é exatamente cancelada pela corrente de desvio. Pode-se modelar isso como duas fontes de corrente de valor igual, conectadas de maneira antiparalela.

A resposta é bastante simples. O potencial de barreira existe na região de depleção e não no diodo; portanto, a região de existência de linhas de campo elétrico é limitada apenas à região de depleção.

O multímetro usado é conectado através dos terminais do diodo. E existem regiões n e p entre a sonda multímetro e a região de depleção. A região n e p imparcial atua como um isolador, de modo que nenhuma linha de campo é recebida nas sondas, portanto nenhuma tensão é mostrada no multímetro.

A resposta é simples: você confunde o potencial eletrostático com o potencial elétrico. O que você mede com um voltímetro é uma diferença no potencial elétrico.

O potencial elétrico, no entanto, inclui o potencial químico dos transportadores de carga. Nota: O potencial químico µ, ou, mais precisamente, o gradiente-grad (µ) do potencial químico, é a "força motriz" por trás da difusão.

No caso de uma junção PN, a difusão líquida de portadores ocorre até que a diferença do potencial eletrostático entre os dois condutores seja igual à diferença do potencial químico entre os dois condutores em magnitude. Como ambas as diferenças de potencial têm sinais opostos, sua soma é zero -> não há diferença de potencial elétrico a ser medida, apesar de uma diferença ininterrupta no potencial eletrostático!

Embora exista uma barreira potencial no ponto de junção pn, ele não pode enviar nenhuma corrente no circuito de saída. Como não existem outras fontes, o fio deve ser aquecido. Os experimentos mostram que isso nunca acontece. Caso contrário, a junção deve Seja frio, pois não há fonte externa. Portanto, será criada uma instabilidade térmica. Portanto, a corrente deve ser zero. O potencial de contato do metal e do semicondutor neutraliza a barreira de potencial. Assim acontece o tipo de caso acima.