シリコンダイオードしきい値電圧0.7

なぜその値が約0.7 V（0.3 Ge）に固定されているのか、私は疑問に思いました。私はこのトピックについて何度も調査してきましたが、いつも同じ答えを見つけます。彼らは「シリコンダイオードの電圧は0.7だから」と言います。青は空の色なので、空は青いと言っているようなものです。

ショックレーダイオードの式はよく知っていますが、しきい電圧との関係がわかりません（ウィキペディアのページへのリンクが提供されているためです）。

ジャンクション付近の不純物の濃度が電圧障壁に関連していることについても読んだことがあります（これに関連した回答と製造プロセスについての回答を期待しています）。

私が与えられた別の答えは、それがシリコンの性質であるということです（私がこの答えを得るのは、電圧が広範囲ではなく集中特性であるためです-これにより、材料がより「動作可能」になります。

したがって、質問自体は次のとおりです：なぜ0.7ではなく、0.4、0.11、1.2（シリコンの場合）？

もう少しELI5の答え：

2つの異なる金属を一緒に触ると、それらは帯電し、一方が正になり、もう一方が負になります。それらは自己充電コンデンサ、または低電圧バッテリーのようなものを形成します。この効果は、静電気の高感度測定中に発見された、物理学の初期に検出されました。これは、ゴムでこすったシルクの接触帯電のように動作しました。しかし、金属の場合、摩擦は必要ありませんでした。後で、2つの異なる金属が常にそれらの間に同じ電圧を生成することが明らかになりました。（まあ、室温でも同じです。電圧は温度によってわずかに変化します。）

ただし、この電圧は電圧計では検出できません。銅、アルミニウム、鉄などで回路を構築できます。すべての銅-アルミニウム接合部には、常にどこかにアルミニウム-銅接合部があります。金属充電効果は非常に大きいかもしれませんが、閉回路の周囲では正確にゼロになります。1つの「バッテリー」のマイナス端子は、常に別の「バッテリー」のマイナス端子に面しています。それはエネルギー源ではありません。永久運動機械ではありません。

n型シリコンのスラブに対してp型シリコンのスラブをぶつけるとどうなるでしょうか。これは自己充電コンデンサであり、シリコンスラブ間に約0.7Vを生成します。一方のスラブは他方からスラブを盗みますが、モバイルキャリアの軌道エネルギーの差が相殺されるまでです。接点にダイオードを形成する必要がないことに注意してください。ダイオードを形成できない高ドープのn--およびp ++ "金属"シリコンを使用することもできますが、スラブを接触させても、自然発生的な帯電と電位差が生じます。pシリコンとnシリコンを一緒にはんだ付けすることもできます（最初に端部を銀メッキして、はんだで濡らします）が、それでも0.7Vの電位が表示されます。

ダイオードがゼロボルトではなく0.7Vでオンになるのはなぜですか？これは、ダイオードの空乏層の内部に常に0.7Vの「differing-metals-contact」が発生しているためです。電圧はダイオードをオフに保ちます。切断されたダイオードでは、これは測定可能な電圧ではありません（ダイオードの端子の周囲の電界を測定せずに直接検出することはできません）。すべての鉄-銅接合が示す自然な鉄-銅電位差でオンに。

私たちは、適用すると、外部の順方向バイアスにダイオード接合、外部電圧がビルトイン見えない電圧定数を相殺するときにダイオードターン電圧を。言い換えると、ダイオードは、「見えない」接合部電圧をゼロ近くまで下げたときにのみオンになり、短絡します。

このすべてが他の多くの効果につながります。閉じた金属リング、銅の半リングを鉄の半リングに接続し、接合部の1つを加熱すると、2つの「見えない」電圧が同じではなくなるため、多くのmAまたはおそらくアンプが流れます。 、小さな差が回路に大きな電流を生成します。言い換えれば、熱電対電圧は、この不思議な「見えない電圧」のほんの一部であり、熱電圧は不均衡のために発生します。私たちは不均衡を検出するだけで、2つの金属間に常に現れる元の電位差は検出しません。

半導体冷蔵庫が冷えます。n型に対してp型シリコンをはんだ付けする場合、電子から正孔が流れる逆電流を強制すると、pからnへの接続が冷たくなり、他の場所の金属接点も同じように暖かくなります。2つの別個のシリコンブロックがはんだで接続されていたため、ダイオードは形成されなかったことに注意してください。リード線を入れ替えると、金属接点が冷たくなりますが、pnはんだ接合部は等しく加熱されます。

また、これは太陽電池がほとんどの人が想像するように機能しないことを意味します。暗い太陽電池の内部では、pn接合に自然な0.7Vの電位差があります。回路の他の場所で、私たちは反対の違いを見つけます（おそらく、ほとんどが半導体への金属接点で見つかります）。それらはすべてゼロになります。したがって、光がジャンクションに当たると、ジャンクション電位が短絡します。次に、回路の他の部分とのその他すべての電位差により、電荷を強制的に流す電界が提供されます。照らされた太陽電池のpn接合は電圧を提供しません。おかしい！代わりに、ワイヤーの金属接点が電圧を提供し、照らされたpn接合が電圧の不足を提供します。通常の回路にはない奇妙さ。電圧計（銅、はんだ、シリコンなどでできている）を太陽電池に接続すると、pn接合のジャンクション電位が失われるため、存在する他のすべての導体接合の合計電位を測定できます。（または、代わりに、マイクロビューを使用して、吸収された光子が接合部の可動電荷のエネルギーレベルを上昇させ、自然の0.7Vの強い電場が試みても、それらを通過できるようにすることができます高エネルギーのモバイルキャリアの洪水がジャンクションを短絡させ、自己充電コンデンサを放電させました。）

しかし、2つの異なる金属が一緒に接触すると充電されるのはなぜですか？

それは、2つの孤立した金属原子が一緒に触れたときにも充電されるためです。異なる金属原子の軌道のエネルギー準位は同じではありません。一緒に触れた場合、1つの原子が他の原子から電子を盗む傾向がありますが、軌道レベルの差を相殺するには十分です。単一の原子ではなく、代わりに金属原子の2つの長い鎖（銅と鉄の1つ）を使用した場合、それらの端に触れると、鎖の間に魔法の目に見えない電圧値が現れるまで、一方の鎖が他方から電子を盗みます。金属用、半導体用。検索用語：金属の仕事関数、および金属接合の仕事関数の差。

[注意してください、これは一次近似小学校のELI5回答です。ここの他の箇所で述べたように、ダイオードのターンオン電位は仕事関数の差に比例するだけであり、等しくはありません。切断されたダイオードは、実際には接合電流がゼロではなく、代わりに等しくて反対のキャリア拡散電流があります。]

電圧降下は温度によって変化します。電圧降下を測定することにより、ダイオードまたはトランジスタから適切な温度センサーを作成できます。氷水と沸騰水で校正します。

LEDに使用される材料では、バンドギャップエネルギーは、電流によって生成される光子のエネルギーでもあります。赤色LEDのバンドギャップは約1.8ボルトで、赤色光のエネルギーは約1.8電子ボルト、または波長は約700 nmです。これを電圧計と分光器でテストできます。同様に、IR、緑、青、およびUV LEDの場合。よりエネルギーの高いフォトンを持つUVに向かって移動すると、ダイオード両端の電圧降下が増加します。

（シリコンに関する備考を削除）

なぜ[ダイオードしきい値は] 0.7であり、0.4、0.11、1.2（シリコンの場合）ではないのですか？

これは電気工学の観点からの回答です（これはEEサイトであるため）。

順方向にバイアスされたダイオードには、実際の「しきい値」はありません。順方向にバイアスされたダイオードのIV曲線は、強力な指数関数です。0.7Vの「ニー電圧」（「接触電位」または「ビルトイン電圧」とも呼ばれます）は、典型的なシリコンの順バイアスPNジャンクションの実際のIV曲線の区分的線形近似における特徴的なポイントです。典型的なドーパントを含む材料。これは最も単純な線形モデルです。「jonk」によって提案されたリンクのセクション5.4を参照してください。それは読む：

ダイオードの線形モデルは、DCバイアスポイントでの実際の曲線に接する直線で指数I-V特性を近似します。図5.8は、点（VD、ID）に接線がある曲線を示しています。曲線は、電圧VD0で水平軸と交差します。接点の周りのVDとIDの小さな変化の場合、接線は実際の曲線を適切に近似します。

これは、シリコンダイオードの優れた一次近似大信号モデルであり、EE球場推定で広く使用されています。より正確なモデリングのために、より複雑なモデルがSPICEモデルとして使用されます。

次の質問は、シリコンベースのダイオードのIVカーブがこの特定の指数関数的な形をしていて、その「ひざ」が0.7 Vの値の近くにある理由です。答えは、半導体の物理学、PN接合とトランジスタの理論で検索する必要があり、答えはおそらくいくつかの講義を受けるでしょう。下部では、電流フローの特性は、特定のバンドギャップを持つ特定の半導体の固有の原子構造によって決定されます（電子バンド構造を参照））、2つの異なるドープ領域（pとn）にわたる結晶構造との電子-正孔相互作用の量子ダイナミクス。異なるバンドパラメーターを持つ異なる固有半導体材料（ゲルマニウムなど）の場合、IV曲線の線形近似により、約0.3 Vの異なるニー値が生成されます。

「接触電位」がバンドギャップ電圧にどのように関連するかについての説明は、ローカルの物理サイトにあります。通常、「接触電位」は対応するバンドギャップ電圧よりも約0.3V低いと言われています。