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Una respuesta de ELI5 un poco más:
Cuando tocamos dos metales diferentes juntos, se cargan, uno se vuelve positivo, el otro negativo. Forman un condensador de carga automática, o algo así como una batería de bajo voltaje. Este efecto se detectó en los primeros días de la física, descubierto durante las mediciones sensibles de la carga electrostática. Se comportó de manera muy similar a la carga por contacto de la seda frotada contra la goma. Pero con los metales, no se necesitaba fricción. Más tarde quedó claro que dos metales diferentes siempre producen el mismo voltaje entre ellos. (Bueno, lo mismo a temperatura ambiente. El voltaje cambia ligeramente con la temperatura).
- https://en.wikipedia.org/wiki/Volta_potential
- https://en.wikipedia.org/wiki/Galvani_potential
Pero este voltaje nunca puede ser detectado por voltímetros normales. Podemos construir nuestros circuitos de cobre, aluminio, hierro, etc., y por cada unión de cobre-aluminio, siempre habrá una unión de aluminio-cobre en algún otro lugar. El efecto de carga de metales puede ser muy grande, pero suma exactamente cero alrededor de un circuito cerrado. El terminal neg de una “batería” siempre se enfrenta al terminal neg de otra. No es una fuente de energía (¡no es la máquina de movimiento perpetuo que Alessandro Volta pensó que había descubierto!)
¿Qué pasa si chocamos una losa de silicio de tipo p contra una losa de silicio de tipo n? Es un condensador de carga automática y produce aproximadamente 0,7 V entre las losas de silicio. Una losa le roba electrones a la otra, pero solo hasta que se cancele la diferencia en las energías de la órbita de los operadores móviles. Tenga en cuenta que no es necesario formar diodos en el punto de contacto. En su lugar, podríamos usar silicio “metálico” altamente dopado ++ py –n que no puede formar diodos, sin embargo, cuando se tocan, las losas aún producen esa carga espontánea y ese mismo diferencial de potencial. Incluso podríamos soldar el silicio pyn juntos (primero platee los extremos, para que la soldadura los moje) y aún así aparece el mismo potencial de 0.7V.
¿Por qué los diodos se encienden a 0,7 V en lugar de a cero voltios? Es porque la capa de agotamiento del diodo siempre contiene ese espontáneo “contacto de metales diferentes” 0,7 voltios en su interior. El voltaje mantiene el diodo apagado. En un diodo desconectado, esto es no es un voltaje medible (Nunca lo detectará directamente, no a menos que comience a medir los campos electrónicos que rodean los terminales del diodo). Eh, si pudiéramos formar diodos de hierro y cobre, entonces en lugar de 0.7V, esos diodos se encenderían al nivel natural diferencia de potencial hierro-cobre que exhiben todas las uniones hierro-cobre.
Cuando aplicamos un externo voltaje para polarizar hacia adelante la unión del diodo, el diodo se enciende cuando el voltaje externo cancela el voltaje invisible incorporado constante. En otras palabras, los diodos solo se encienden cuando hemos reducido el voltaje de unión “invisible” a casi cero: lo cortocircuitamos aplicando un diferencial de potencial opuesto.
Todo esto se conecta con muchos otros efectos físicos. Si hacemos un anillo metálico cerrado, un medio anillo de cobre conectado a un medio anillo de hierro, luego calentamos una de las uniones, fluirán muchos mA o quizás amperios, ya que los dos voltajes “invisibles” ya no son los mismos. , y la pequeña diferencia produce una gran corriente en el circuito. En otras palabras, los voltajes de termopar son solo un pequeño resto de este mágico “voltaje invisible”, el termovoltaje solo surge debido a un desequilibrio. Solo detectamos el desequilibrio, pero no la diferencia de potencial original que siempre aparece entre dos metales.
Podemos crear una “fuente de frío”: un frigorífico semiconductor. Si soldamos cualquier silicio tipo p contra tipo n, luego forzamos una corriente inversa a través de la unión, donde los agujeros fluyen lejos de los electrones, luego la conexión p-to-n se enfría y los contactos metálicos en otros lugares se calientan igualmente. Tenga en cuenta que no se formó ningún diodo, ya que dos bloques de silicio separados se conectaron mediante soldadura. Cambie la polaridad y, en cambio, los contactos de metal se enfrían, mientras que la unión de soldadura pn se calienta por igual.
Además, esto significa que las células solares no funcionan como la mayoría de la gente imagina. Dentro de la celda solar oscura, la unión pn tiene una diferencia de potencial natural de 0,7 V. En otras partes del circuito encontramos diferencias opuestas (probablemente se encuentran principalmente en los contactos de metal con el semiconductor). Todas suman los mismos 0.7V, lo que cancela el voltaje de la unión pn. Entonces, cuando la luz golpea la unión, los portadores la atraviesan y el potencial de unión se corta. Entonces, todas las otras diferencias potenciales de otras partes del circuito proporcionará los campos electrónicos que luego obligarán a las cargas a fluir alrededor del circuito. Una unión pn iluminada en una celda solar no proporciona el voltaje de activación. ¡Extraño! En cambio, los contactos metálicos de los cables proporcionan el voltaje de accionamiento, y la unión pn iluminada proporciona un falta de voltaje que de otra manera detendría la corriente. Los potenciales de unión perdidos son una rareza que no se encuentra en ningún circuito normal. Cuando un voltímetro (hecho de cobre, soldadura, silicio, etc.) se conecta a una celda solar iluminada, el potencial de unión faltante de la unión pn nos permite medir el potencial total de todas las demás uniones conductoras presentes. (O, en su lugar, podríamos tomar la micro vista y decir que los fotones absorbidos están elevando el nivel de energía de las cargas móviles en la unión, lo que les permite cruzarla, independientemente del fuerte campo e del 0,7 V natural que intenta para repelerlos de nuevo.) La avalancha de portadores móviles de alta energía ha provocado un cortocircuito en la unión, descargando el condensador autocargado. Pero esto también significa que el Vout de una celda solar NO estará relacionado con la energía de los fotones. En cambio, el Vout es solo la barrera de potencial (que ahora falta) de la unión pn.
Pero, ¿por qué se cargan dos metales diferentes cuando se tocan?
Es porque incluso dos átomos de metal solitarios también se cargan cuando se tocan. Los niveles de energía de los orbitales de los diferentes átomos metálicos no son los mismos. Si se tocan, un átomo tiende a robar electrones del otro … pero lo suficiente para cancelar la diferencia en los niveles orbitales. En lugar de átomos individuales, si en cambio usáramos dos largas cadenas de átomos metálicos, una de cobre y otra de hierro, cuando sus extremos se tocaran, una cadena robaría electrones de la otra, hasta que el mágico valor invisible del voltaje apareciera entre las cadenas. . Es un condensador de 2 placas autocargable. Trabajos para metales, trabajos para semiconductores. Término de búsqueda: función de trabajo de metales y diferencia de función de trabajo de uniones metálicas (y potenciales de Volta o Galvani en electroquímica).
[Beware, this is a first-approximation gradeschool ELI5 answer. As mentioned elswhere here, diode turn-on potentials are only proportional to the work-function difference, not equal to it. Disconnected diodes don’t actually have zero junction current, instead they have carrier-mobility effects, equal and opposite carrier diffusion currents, etc.]
La caída de voltaje varía con la temperatura y puede hacer un buen sensor de temperatura a partir de un diodo o transistor midiendo la caída. Calibre con agua helada y agua hirviendo.
En los materiales utilizados para los LED, la energía de la banda prohibida es también la energía de los fotones producida por una corriente. Un LED rojo tiene una banda prohibida de alrededor de 1.8 voltios y la luz roja tiene una energía de alrededor de 1.8 electronvoltios, o una longitud de onda de alrededor de 700 nm. Puede probar esto con un voltímetro y un espectroscopio. Lo mismo ocurre con los LED IR, verde, azul y UV. La caída de voltaje a través del diodo aumenta a medida que avanza hacia el UV, que tiene fotones más energéticos.
(Se eliminan los comentarios sobre el silicio).
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