Je me suis demandé pourquoi cette valeur est fixée à environ 0,7 V (0,3 Ge). J'ai fait des recherches sur ce sujet à maintes reprises, mais je trouve toujours la même réponse. Ils disent "Parce que la tension des diodes au silicium est de 0,7". C'est comme dire que le ciel est bleu parce que le bleu est la couleur du ciel.
Je connais l'équation de la diode Shockley, mais je ne vois pas le lien avec la tension de seuil (je dis cela parce que les gens m'ont donné un lien vers sa page Wikipedia).
J'ai également lu quelque chose sur la concentration d'impuretés près de la jonction liée à la barrière de tension (j'espère obtenir une réponse à ce sujet et sur le processus de fabrication).
Une autre réponse qui m'a été donnée est que c'est la nature des silicones (je déteste en quelque sorte cette réponse, car ce que j'en retire, c'est que la tension est une propriété intensive, au lieu d'être étendue - ce qui rendrait les matériaux plus "utilisables").
La question en soi est donc: pourquoi 0,7 et non 0,4, 0,11, 1,2 (pour le silicium)?
Réponses:
Une réponse ELI5 légèrement plus:
Lorsque nous touchons deux métaux différents ensemble, ils se chargent, l'un devenant positif, l'autre négatif. Ils forment un condensateur auto-chargé, ou quelque chose comme une batterie basse tension. Cet effet a été détecté aux premiers jours de la physique, découvert lors de mesures sensibles de la charge électrostatique. Il se comportait un peu comme le chargement par contact de la soie frottée contre le caoutchouc. Mais avec les métaux, aucune friction n'était nécessaire. Plus tard, il est devenu clair que deux métaux différents produisent toujours la même tension entre eux. (Eh bien, même à température ambiante. La tension change légèrement avec la température.)
Mais cette tension ne peut jamais être détectée par des voltmètres. Nous pouvons construire nos circuits en cuivre, aluminium, fer, etc., et pour chaque jonction cuivre-aluminium, il y aura toujours une jonction aluminium-cuivre ailleurs. L'effet de charge des métaux peut être très important, mais il se résume exactement à zéro autour d'un circuit fermé. La borne négative d'une "batterie" fait toujours face à la borne négative d'une autre. Ce n'est pas une source d'énergie; pas une machine à mouvement perpétuel.
Et si on heurte une plaque de silicium de type p contre une plaque de silicium de type n? C'est un condensateur auto-chargé, et il produit environ 0,7 V entre les plaques de silicium. Une dalle vole des électrons à l'autre, mais juste jusqu'à ce que la différence d'énergie d'orbite des porteuses mobiles soit annulée. Notez qu'aucune diode n'a besoin d'être formée au point de contact. Nous pourrions utiliser du silicium «métallique» à dopage élevé n et p ++ qui ne peut pas former de diodes, mais quand elles sont touchées ensemble, les plaques produisent encore cette charge spontanée et ce potentiel de diff. Nous pourrions même souder le silicium p et n ensemble (plaquer d'abord les extrémités en argent, afin que la soudure les mouille), et tout de même ce potentiel de 0,7V apparaît.
Pourquoi les diodes s'allument-elles à 0,7 V plutôt qu'à zéro volt? C'est parce que la couche d'appauvrissement de la diode a toujours à l'intérieur ce "contact de métaux différents" spontané de 0,7V. La tension maintient la diode éteinte. Sur une diode déconnectée, ce n'est pas une tension mesurable (vous ne la détecterez jamais directement, non sans mesurer les champs électroniques entourant les bornes de la diode.) Hé, si nous pouvions former des diodes à partir de fer et de cuivre, alors ces diodes tourneraient à la place à la différence de potentiel naturel fer-cuivre que toutes les jonctions fer-cuivre présentent.
Lorsque nous appliquons une tension externe pour polariser la jonction de la diode, la diode s'allume lorsque la tension externe annule la tension invisible intégrée constante. En d'autres termes, les diodes ne s'allument que lorsque nous avons réduit la tension de jonction "invisible" à près de zéro: la court-circuiter.
Tout cela se connecte à de nombreux autres effets. Si nous fabriquons un anneau métallique fermé, un demi-anneau de cuivre connecté à un demi-anneau de fer, puis chauffons l'une des jonctions, de nombreux mA ou peut-être des ampères couleront, car les deux tensions "invisibles" ne sont plus les mêmes , et la petite différence produit un grand courant dans le circuit. En d'autres termes, les tensions de thermocouple ne sont qu'un infime reste de cette "tension invisible" magique, la thermotension résultant d'un déséquilibre. Nous ne détectons que le déséquilibre, mais pas la différence de potentiel d'origine qui apparaît toujours entre deux métaux.
On peut produire du froid: un réfrigérateur semi-conducteur. Si nous soudons du silicium de type p contre le type n, puis forcons à travers un courant inverse où les trous s'échappent des électrons, la connexion p-à-n devient froide et les contacts métalliques ailleurs deviennent également chauds. Notez qu'aucune diode n'a été formée, car deux blocs de silicium séparés ont été connectés par soudure. Échangez les fils et à la place, les contacts métalliques deviennent froids, tandis que la jonction PN-soudure se réchauffe également.
Cela signifie également que les cellules solaires ne fonctionnent pas comme la plupart des gens l'imaginent. À l'intérieur de la cellule solaire sombre, la jonction pn a une différence de potentiel naturelle de 0,7 V. Ailleurs dans le circuit, nous trouvons des différences opposées (que l'on trouve probablement principalement au niveau des contacts métalliques avec le semi-conducteur). Elles s'additionnent toutes à zéro. Ainsi, lorsque la lumière frappe la jonction, le potentiel de jonction est court-circuité! Ensuite, toutes les autres différences de potentiel des autres parties du circuit fourniront les champs électroniques qui forceront les charges à circuler. Les jonctions pn des cellules solaires éclairées ne fournissent pas de tension. Bizarre! Au lieu de cela, les contacts métalliques des fils fournissent la tension et la jonction pn éclairée fournit une tension manquante:une bizarrerie qui ne se trouve dans aucun circuit normal. Lorsqu'un voltmètre (en cuivre, soudure, silicium, etc.) est connecté à une cellule solaire, le potentiel de jonction manquant de la jonction pn nous permet de mesurer le potentiel total de toutes les autres jonctions conductrices présentes. (Ou, au lieu de cela, nous pourrions prendre la micro-vue et dire que les photons absorbés élèvent le niveau d'énergie des charges mobiles dans la jonction, leur permettant de le traverser, même lorsque le fort champ électronique du 0,7 V naturel essaie pour les repousser à nouveau. Le flot de transporteurs mobiles à haute énergie a court-circuité la jonction, déchargeant le condensateur auto-chargé.)
Mais pourquoi deux métaux différents se chargent-ils lorsqu'ils sont touchés ensemble?
C'est parce que même deux atomes de métal isolés se chargent également lorsqu'ils sont touchés ensemble. Les niveaux d'énergie des différentes orbitales des atomes métalliques ne sont pas les mêmes. S'il est touché ensemble, un atome a tendance à voler des électrons à l'autre ... mais juste assez pour annuler la différence de niveaux orbitaux. Plutôt que des atomes simples, si au lieu de cela nous utilisions deux longues chaînes d'atomes métalliques, une de cuivre et une de fer, puis lorsque leurs extrémités se touchaient, une chaîne volait des électrons à l'autre, jusqu'à ce que la valeur de tension invisible magique apparaisse entre les chaînes . Travaux pour les métaux, travaux pour les semi-conducteurs. Terme de recherche: fonction de travail des métaux et différence de fonction des jonctions métalliques.
[Attention, ceci est une réponse ELI5 de première année. Comme mentionné ailleurs ici, les potentiels d'activation des diodes ne sont que proportionnels à la différence de fonction de travail, pas égaux à celle-ci. Les diodes déconnectées n'ont en fait pas de courant de jonction nul, au lieu de cela, elles ont des courants de diffusion de porteurs égaux et opposés.]
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La chute de tension varie avec la température et vous pouvez faire un bon capteur de température à partir d'une diode ou d'un transistor en mesurant la chute. Calibrer avec de l'eau glacée et de l'eau bouillante.
Dans les matériaux utilisés pour les LED, l'énergie de bande interdite est également l'énergie des photons produits par un courant. Une LED rouge a une bande interdite d'environ 1,8 volts et la lumière rouge a une énergie d'environ 1,8 électron-volts, ou une longueur d'onde d'environ 700 nm. Vous pouvez le tester avec un voltmètre et un spectroscope. De même pour les LED IR, vertes, bleues et UV. La chute de tension à travers la diode augmente à mesure que vous vous dirigez vers les UV, qui ont plus de photons énergétiques.
(Remarques sur le silicium supprimées.)
la source
Voici une réponse du point de vue de l'ingénierie électrique (car il s'agit d'un site EE):
Il n'y a pas de "seuil" réel dans une diode polarisée en direct. La courbe IV pour une diode polarisée en direct est une fonction exponentielle forte. La "tension de genou" (également connue sous le nom de "potentiel de contact" ou "tension intégrée") de 0,7 V est un point caractéristique dans une APPROXIMATION LINÉAIRE par morceaux de la courbe IV réelle pour une jonction PN à polarisation directe de silicium typique matériau avec des dopants typiques. Il s'agit du modèle linéaire le plus simple, voir la section 5.4 du lien proposé par "jonk" . Ça lit:
Il s'agit d'un bon modèle à grand signal de première approximation pour les diodes au silicium, qui est largement utilisé dans les estimations EE approximatives. Pour une modélisation plus précise, des modèles plus complexes sont utilisés comme modèle SPICE .
La question suivante serait, pourquoi la courbe IV pour une diode à base de silicium a cette forme exponentielle particulière, telle que son "genou" est situé près de la valeur de 0,7 V? La réponse doit être recherchée dans la physique des semi-conducteurs, dans la théorie des jonctions PN et des transistors, et la réponse prendra probablement plusieurs conférences. En bas, la propriété du flux de courant est déterminée par la structure atomique intrinsèque du semi-conducteur particulier avec sa bande interdite particulière, (voir la structure de la bande électronique), et la dynamique quantique des interactions électron-trou avec sa structure cristalline à travers deux régions dopées différemment (p et n). Pour un matériau semi-conducteur intrinsèque différent (comme le germanium) avec des paramètres de bande différents, l'approximation linéaire résultante de la courbe IV donnerait une valeur de genou différente d'environ 0,3 V.
L'explication de la façon dont le "potentiel de contact" est lié à la tension de bande interdite peut être trouvée sur le site local de physique . Il indique que le "potentiel de contact" est généralement inférieur d'environ 0,3 V à la tension de bande interdite correspondante.
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