硅二极管阈值电压0.7

我想知道为什么将这个值固定在0.7 V（0.3 Ge）左右。我已经一遍又一遍地研究了这个话题，但是我总是找到相同的答案。他们说“因为硅二极管的电压为0.7”。这就像说天空是蓝色的，因为蓝色是天空的颜色。

我对Shockley二极管方程很熟悉，但是看不到与阈值电压的关系（之所以这样说是因为人们给了我指向其Wikipedia页面的链接）。

我还阅读了有关结附近杂质浓度与电压屏障相关的一些信息（我希望得到与此有关的答案以及制造工艺）。

我得到的另一个答案是硅的性质（我讨厌这个答案，因为我从中得到的是电压是一种增强的特性，而不是广泛的特性，这会使材料更加“可行”）。

因此，本质上的问题是：为什么是0.7，而不是0.4、0.11、1.2（对于硅）？

一个稍微更多的ELI5答案：

当我们同时接触任意两种不同的金属时，它们会充电，一种变为正极，另一种变为负极。它们形成一个自充电电容器或类似低压电池的东西。这种效应是在物理学的早期发现的，是在敏感的静电荷测量中发现的。它的行为很像丝绸在橡胶上的接触充电。但是对于金属，则不需要摩擦。后来很明显，两种不同的金属在它们之间总是产生相同的电压。（嗯，在室温下也是一样。电压随温度而略有变化。）

但是，电压表永远无法检测到该电压。我们可以用铜，铝，铁等构建电路，对于每个铜铝结，在其他任何地方总会有铝铜结。金属充电效应可能非常大，但在闭合回路中，其总和恰好为零。一个“电池”的负极端子始终面对另一个电池的负极端子。它不是能源。不是永动机。

如果我们将一个p型硅片撞在一个n型硅片上怎么办？这是一个自充电电容器，在硅片之间产生大约0.7V的电压。一块平板会从另一块平板窃取电子，但是直到移动载波的轨道能量差被抵消为止。注意，在接触点不需要形成二极管。我们可以使用不能形成二极管的高掺杂n-和p ++“金属”硅，但是当平板接触在一起时，它们仍然会产生自发的电荷和电位差。我们甚至可以将p型硅和n型硅焊接在一起（首先将两端镀银，这样焊料会润湿它们），仍然出现0.7V的电势。

为什么二极管以0.7V而不是零伏特打开？这是因为二极管的耗尽层内部始终具有自发的“差分金属接触” 0.7V。电压使二极管保持关闭状态。在断开的二极管上，这不是可测量的电压（如果不测量二极管端子周围的电场，您将永远无法直接检测到它。）嘿，如果我们可以用铁和铜形成二极管，那么那些二极管会转起来在所有铁铜结表现出的自然铁铜电位差的情况下。

当我们施加外部电压使二极管结正向偏置时，当外部电压抵消了恒定的内置不可见电压时，二极管便会导通。换句话说，只有当我们将“隐形”结电压降低到接近零时，二极管才会导通：将其短路。

所有这些都与许多其他效果有关。如果我们制作一个闭合的金属环，将一个铜的半环连接到一个铁的半环，然后加热其中一个结，则将流过许多mA或安培，因为两个“看不见”的电压不再相同，小的差异会在电路中产生大电流。换句话说，热电偶​​电压只是这个神奇的“看不见的电压”的很小一部分，这是由于不平衡而产生的热电压。我们仅检测到不平衡，但未检测到两种金属之间始终出现的原始电势差。

我们可以产生冷：半导体冰箱。如果我们将任何p型硅焊接到n型，然后通过反向电流迫使空穴从电子流走，则p对n连接变冷，而其他地方的金属接触变温。注意，没有形成二极管，因为两个独立的硅块通过焊料连接。交换引线，使金属触点变冷，而pn-焊料结则同样发热。

同样，这意味着太阳能电池无法像大多数人想象的那样工作。在黑暗的太阳能电池内部，pn结具有自然的0.7V电位差。在电路的其他地方，我们发现相反的差异（可能主要是在半导体的金属触点处发现的）。它们的总和为零。因此，当光线击中结时，结电位会短路！然后，与电路其他部分的所有其他电位差将提供电场，迫使电荷流动。发光的太阳能电池pn结不提供电压。奇怪的！取而代之的是，电线的金属触点提供电压，而发光的pn结提供了缺失的电压：在任何正常电路中都找不到的奇数。当将电压表（由铜，焊料，硅等制成）连接至太阳能电池时，pn结缺少的结电势使我们可以测量存在的所有其他导体结的总电势。（或者，相反，我们可以采取微观的观点，并说吸收的光子正在提高结中移动电荷的能级，即使它们在自然0.7V的强电场尝试下也能穿过结）击退它们。高能移动载波的泛滥使结点短路，使自充电电容器放电。）

但是为什么两种不同的金属接触在一起时会充电呢？

这是因为即使两个孤独的金属原子接触在一起也会带电。不同金属原子轨道的能级不相同。如果接触在一起，一个原子趋于从另一个原子窃取电子……但足以抵消轨道能级的差异。如果不是使用单个原子，而是使用两条长链的金属原子，一条是铜，一条是铁，那么当它们的末端接触时，一条链会从另一条链中窃取电子，直到链之间出现不可思议的电压值。适用于金属，适用于半导体。搜索词：金属的功函数和金属结的功函数差。

[请注意，这是小学一年级ELI5答案。如此处其他地方所述，二极管导通电势仅与功函数差成正比，而不等于它。断开连接的二极管实际上并不具有零结电流，而是具有相等且相反的载流子扩散电流。]

电压降会随温度变化而变化，您可以通过测量压降来用二极管或晶体管制成良好的温度传感器。用冰水和沸水校准。

在用于LED的材料中，带隙能量也是电流产生的光子能量。红色LED的带隙约为1.8伏，红色光的能量约为1.8电子伏，或波长约为700nm。您可以使用电压表和分光镜进行测试。同样适用于IR，绿色，蓝色和UV LED。随着您向紫外线的方向移动，二极管两端的压降会增加，紫外线具有更多的高能光子。

（有关硅的评论已删除。）

为什么[二极管阈值]是0.7，而不是0.4、0.11、1.2（对于硅）？

从电气工程的角度来看，这是一个答案（因为这是EE网站）：

正向偏置二极管中没有实际的“阈值”。正向偏置二极管的IV曲线具有很强的指数功能。0.7V的“拐点电压”（也称为“接触电势”或“内置电压”）是典型硅正向PN结的实际IV曲线的分段线性近似中的一个特征点。具有典型掺杂剂的材料。这是最简单的线性模型，请参阅“ jonk”建议的链接的第5.4节。内容为：

二极管的线性模型通过一条与直流偏置点处的实际曲线相切的直线来近似指数I-V特性。图5.8显示了在点（VD，ID）处有切线的曲线。该曲线在电压VD0与水平轴相交。对于切线点的VD和ID微小变化，切线可以很好地逼近实际曲线。

这是用于硅二极管的良好的第一近似大信号模型，已广泛用于EE棒球场估计中。为了更精确地建模，将更复杂的模型用作SPICE模型。

下一个问题将是，为什么硅基二极管的IV曲线具有这种特殊的指数形状，以使其“拐点”位于0.7 V的值附近？答案需要在半导体物理学中，PN结和晶体管的理论中进行搜索，并且答案可能需要上几堂课。在底部，电流的属性取决于特定半导体的固有原子结构及其特定的带隙（请参阅电子带结构）），以及在两个不同掺杂区域（p和n）的电子-空穴相互作用及其晶体结构的量子动力学。对于具有不同带参数的不同本征半导体材料（如锗），IV曲线的线性近似结果将产生约0.3V的不同拐点值。

有关“接触电势”与带隙电压的关系的说明，请参见本地物理站点。它说通常“接触电势”比相应的带隙电压低约0.3V。