Verwirrend bei der Messung des Barrierenpotentials eines pn-Übergangs mit einem Voltmeter

Die Antwort des Physik-Stackaustauschs ist falsch. Er macht es richtig mit dem Fermi-Niveau. Aber er missversteht die Natur dieses „Galvani“-Potentials im Vergleich zu „Spannung“ völlig falsch. Es gibt kein Geheimnis: Sie sind dasselbe. Ein ideales Voltmeter würde gerne das eingebaute Potential über einem nicht angeschlossenen PN-Übergang messen, es wird kein Strom benötigt. Es ist eine echte Spannung, genau wie die Spannung zwischen geladenen Kondensatorplatten.

Das Problem ist, dass (schätzen Sie!) Wenn Sie einige Metall-Voltmeter-Sonden gegen Silizium berühren, eine Schottky-Spannung an den beiden neuen Übergängen erscheint! Ignorieren Sie nicht die Kupfer-Silizium-Übergänge, an denen die Sonden des Voltmeters Kontakt herstellen.

Die eingebaute Spannung am PN-Übergang ist vollkommen echt. Es ist nicht irgendein seltsames, gespenstisches, magisches, unermessliches Ding. Das Problem ist, dass echte Voltmeter aus Kupfer bestehen (oder Messing/Zinn/usw. wählen Sie Ihr Metall). Wenn sie mit einem dotierten Halbleiter in Berührung kommen, erzeugen die Drähte des Voltmeters zwei neue Übergangsspannungen an den Metall-Silizium-Verbindungen. Diese zwei neuen eingebauten Spannungen werden in der entgegengesetzten Richtung der pn-Übergangsspannung sein. Ein echtes Voltmeter kann also nicht an den PN-Übergang gelangen, um ihn zu messen. Die verzinnten Kupfersonden stören. Aber ein ideales Voltmeter (ein Potentialdetektor, vielleicht ein sich drehendes FET-Gate oder eine spannungsempfindliche optische Faser) würde diese unerwünschten Kontaktpotentiale nicht erzeugen. Um an die Spannung des pn-Übergangs zu gelangen, benötigen wir ein berührungsloses Voltmeter sowie ein Messgerät mit unendlicher Impedanz. oder mindestens einer mit Picoampere-Leckage. Diese sind nicht unmöglich, nur teuer. Das statische pn-Potential ist nicht unmöglich zu messen, nur schwierig. Ihr DVM kann das nicht; Sie brauchen eine Art Elektrometer mit beweglicher Sonde. Oder drehen Sie einfach ein kleines PN-Übergangsgerät mit hoher Geschwindigkeit und messen Sie die Wechselspannung im umgebenden Raum! Ein PN-Übergang ist ein permanent geladener Kondensator.

Beachten Sie, dass wir, wenn wir Kupfer mit Stahl oder mit Zinn, Messing, Silizium usw. berühren, immer eine Spannung über dem Übergang erzeugen, auch wenn wir keine Diode erzeugen. Eisen, das gegen Kupfer geschweißt oder geschraubt ist, ergibt eine Verbindungsspannung, aber wenn wir versuchen, daraus Energie zu gewinnen, müssen wir etwas Kupfer-Eisen an einem anderen Punkt miteinander verbinden, um einen Stromkreis zu bilden. Die beiden Spannungsabfälle sind in entgegengesetzte Richtungen, Kupfer-Eisen gegenüber Eisen-Kupfer. Die Summe ist Null und der Strom ist Null. (Kein Perpetuum mobile, whaaa, schade.) Kupfer und Eisen werden durch einfachen Kontakt wirklich aufgeladen und haben eine erhebliche Spannung zwischen sich. Aber es ist keine Energiequelle.

Doch kommt Ihnen dieser Eisen-Kupfer-Übergang nicht bekannt vor? Sie haben es erraten: So funktionieren Thermoelemente tatsächlich. Thermoelemente erzeugen keine Mikrovolt. Stattdessen besteht bereits Spannung zwischen den beiden Metallen im Thermoelementkreis (eine bekannte Spannungsdifferenz . ) Wenn wir dann die Temperatur nur an einem der beiden Kontaktpunkte ändern, werden die Spannungen an jedem der beiden unterschiedlichen Punkte nicht sein das gleiche (ein Unterschiedzwischen zwei getrennten Spannungsdifferenzen.) Es ist dieses Ungleichgewicht zwischen den beiden entgegengesetzten Spannungen, das vom Messgerät im Thermoelementkreis abgelesen wird. (Oder wir könnten es komplett kurzschließen und dann den Kurzschlussstrom ablesen.) Wenn jedoch die beiden Temperaturen gleich gemacht werden und das Messgerät Null anzeigt, ist die Eisenseite immer noch negativ wie eine Kondensatorplatte und das Kupfer geladen positiv.[*] Metallübergänge sind Ladungspumpen ähnlich wie Batterien. Jedes Ungleichgewicht an einer der Verbindungsstellen und ein großer Strom können auftreten, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Das Ungleichgewicht kann Temperatur, einfallendes Licht oder Unterschiede in der aktiven Korrosion sein, wenn Metall leitfähiges Wasser berührt. All dies bietet eine Energiequelle, obwohl die einfache Kupfer-Eisen- (oder Kupfer-Silizium-) Spannung dies nicht tut.

Schlüsselwörter für die Suche: "nichtgleichrichtende Verbindungen". Beim Anbringen von Drähten an einem Halbleiterblock möchten wir den Übergang beschädigen, damit sich dort keine unerwünschte Diode bildet. (Denken Sie an einen "Katzenschnurrhaar" -Funkdetektor. Einige Stellen auf dem Halbleiter schließen nur die Drahtspitze kurz. Andere erzeugen einen Diodeneffekt. Sie geben jedoch immer dieselbe Metall / Halbleiter-Übergangsspannung, gleichrichtend oder nicht. Zum Anschließen der beiden Drähte an Für unser pn-Silizium möchten wir Spoiled-Catswhisker-Übergänge verwenden, Nicht-Dioden-Schottky-Übergänge.)

Beachten Sie, dass eine Diode eigentlich aus drei separaten Thermoelementen in Reihe besteht. Aber normalerweise haben sie alle die gleiche Temperatur, sodass sich die Kupfer-Silizium-Übergangsspannungen addieren, um die pn-Übergangsspannung genau aufzuheben. An den Kupferleitungen tritt keine Spannung auf. Wenn eine Diode in einem Kreis verbunden ist (oder an ein Mikroamperemeter angeschlossen ist), erscheint kein Strom. Damit die drei Ladungspumpen unausgeglichen sind, müssen wir einen Punkt erwärmen, während wir einen anderen kühlen. Das, oder beleuchten Sie eine Stelle, während Sie eine andere dunkel halten.

Hier ist ein bisschen Ketzerei: Immer wenn wir eine Diode in Vorwärtsrichtung vorspannen, reduzieren wir die pn-Übergangsspannung auf nahezu Null. Mit anderen Worten, wenn wir diesen Messwert von 0,7 V oder was auch immer erkennen, messen wir tatsächlich die Kupfer-p-Spannung, die zur Kupfer-n-Spannung hinzugefügt wird (da die pn-Spannung größtenteils aus dem Bild eliminiert wurde, sobald sie ~ 0 wird und Ladungsträger können über den fehlenden Spannungshügel fließen.) Die Vf war nie die pn-Übergangsspannung! Stattdessen war es immer derselbe Wert wie die pn-Übergangsspannung, und wenn wir plötzlich die interne pn-Übergangsspannung entfernen, werden die Metall-Leiter-Übergangsspannungen extern sichtbar. Heh, was wäre, wenn Dioden lange, schmale Siliziumfäden wären, ohne Metalle? Verwenden Sie einfach das p und das n als Verbindungsdrähte? Gleiches Problem: Wir müssten das Filament "p" mit dem Filament "n" verbinden

[*]Ich glaube, ich habe diese Polarität richtig hinbekommen. Muss es überprüfen.