Tensione di built-in e tensione ai capi di un diodo

[jaelec]

So che un diodo ha una sua tensione di built-in (non so se sia misurabile esternamente). Dovrebbe essere la tensione che si trova tra gli estremi della regione di svuotamento e, visto che dopo le regioni n e p sono neutre, anche la tensione che si trova tra gli stremi p ed n del diodo stesso.
Supponiamo ora di imporre esternamente una tensione nulla tra i terminali A e K, per esempio mediante un corto circuito.
Quale sarà ora la tensione di built-in? Più in generale, partendo ad esempio da zero all'estremo A del diodo, quale sarà l'andamento del potenziale fino ad arrivare di nuovo a zero all'estremo K?
(Sto immaginando un diodo "normale", non illuminato o altro).

[jaelec]

Nel frattempo ho fatto delle ricerche su internet. La mia domanda nasceva dal fatto che non avevo mai capito in che modo si potesse mai dire che imponendo una tensione ideale Vak dall'esterno di un dioco allora la tensione di barriera interna, di fatto presa fra gli fra gli stessi punti ma con riferimento inverso, si "abbassava" di Vak. Quello che invece secondo me doveva succedere e che deltaVint=-Vak.
Se invece le cose stanno nel modo seguente, tutto acquista un senso logico:

Diodo

Infatti, ancora prima di imporre una tensione esterna, accade che deltaVint=Vbi e Vak=Vbi-Vbi=0 (chiamo Vbi la tensione di barriera centrale "a vuoto"). In tale situazione la somma delle due tensioni di contatto laterali, somma che chiamo deltaVlat, vale Vbi e, per qualche ragione che ho intuito, resterà tale anche con valori Vak diversi da zero: deltaVlat=Vbi sempre. Insomma, in generale, quindi, Vak=Vbi-deltaVint e quindi anche deltaVint=Vbi-Vak. Nel caso in cui io impongo dall'esterno una tensione Vak allora accade che la tensione di barriera interna deltaVint diminuerà o aumentarà a seconda se Vak è positiva o negativa. Se invece con qualche altra energia esterna, per esempio tramite illuminazione, io riesco a diminuire deltaVint, allora dall'esterno potrò misurare una Vak diversa da zero (positiva) e quindi sfruttare il diodo come generatore.


Quindi tutto risolto? Sì e no. Sì, in questo modo tutto risulta logico e non ci sono tutte quelle stranezze e cose che non mi quadrano quando non viene impostata la questione in questo modo. Ma anche no, perché lo stesso documento da cui ho tratto una parte (http://www.die.ing.unibo.it/pers/ribani ... one_pn.pdf), dice che le cose stanno in questo modo ma intanto comunque spiega i vari funzionamenti del diodo un po' come fanno tutti, non sfruttando cioè il fatto che le cose stanno in questo modo.

Non capisco perché.

[Piercarlo]

Quando ci si pone questo genere di interrogativi occorre chiarire fin da subito, per non andare fuori strada, che all'interno di una giunzione NON ESISTE ALCUN GENERATORE DI TENSIONE e pertanto non vi è neppure una tensione da misurare. il gap di tensione esistente nella giunzione è semplicemente la tensione minima che un generatore di tensione ESTERNO deve applicare alla giunzione stessa per iniziare a farvi scorrere una corrente attraverso di essa. La tensione che una giunzione impone a un generatore collegato ai suoi estremi non rappresenta altro che la quantità di lavoro minima che viene richiesta ai portatori di carica per attraversare la giunzione stessa e porla così in conduzione. Essa, finché non è presente un portatore di carica che deve attraversare la giunzione, semplicemente non esiste: esiste solo quando il portatore di carica attraversa la giunzione, azione per la quale gli viene richiesto di spendere un "pedaggio" di energia che è quantificato dal prodotto della carica trasportata per il gap di tensione della giunzione in questione.

[jaelec]

Quando ci si pone questo genere di interrogativi occorre chiarire fin da subito, per non andare fuori strada, che all'interno di una giunzione NON ESISTE ALCUN GENERATORE DI TENSIONE e pertanto non vi è neppure una tensione da misurare.

Il fatto che una tensione non sia misurabile non vuol dire che non esiste. D'altro canto non è vero nemmeno che esistono tensioni da misurare solo dove ci sono generatori.
In ogni caso, tu ritieni falso ciò che viene detto nella parte di documento che ho riportato?

[Piercarlo]

Non intendevo dire che è falso ma solo che pensare ad una tensione "interna" ad una giunzione è fuorviante. In realtà quel che esiste realmente è il requisito che il portatore di carica debba possedere una certa energia cinetica (una velocità) che gli consenta di attraversare la giunzione altrimenti non passa. Se ci rifletti un momento ti rendi conto che è lo stesso requisito richiesto per ottenere l'effetto termoionico: se i portatori di carica non posseggono una certa velocità (temperatura) non possono liberarsi dal reticolo del catodo e non possono quindi rendersi disponibili alla conduzione elettrica.

[gill90]

Secondo me in realtà quelle tensioni "esistono" tutte.

Quello che succede è che, mettendo due contatti metallici per collegare il dispositivi verso l'esterno, si formano due nuove giunzioni metallo-semiconduttore che spostano i livelli energetici e creano un nuovo equilibrio.

[Piercarlo]

Secondo me in realtà quelle tensioni "esistono" tutte.

Domanda: quei generatori di tensione sono in grado di fornire autonomamente energia a un carico connesso ai loro terminali?

[gill90]

Non parlerei di generatori di tensione, può essere fuorviante in questo caso. Quando si uniscono diversi materiali tra loro succedono degli squilibri interni nella struttura a bande, generando localmente delle differenze di potenziale nelle giunzioni che si formano; all'equilibrio questi potenziali si devono globalmente bilanciare.
Più che tensioni quindi parlerei più propriamente di differenze di potenziale interne; per questo secondo me non le si può assimilare a dei generatori di tensione veri e propri.

[Piercarlo]

È esattamente quanto ho cercato di dire io solo con parole leggermente diverse. È per questo che parlare di "tensioni interne" può portare (e spesso, se non si approfondiscono un po' le cose, porta proprio) fuori strada perché queste non sono tensioni in grado di reggere un carico che, per quanto infinitesimale, assorbe energia ma, al contrario impongono a questi DI FORNIRE energia per poter oltrepassare questo "generatore" (gap di tensione). Per il resto si possono anche considerare com tensioni per comodità di conto e di discorso ma prestando attenzione al fatto che si tratta in un certo senso di un generatore di tensione "passivo" (che assorbe energia dai portatori di carica anziché fornirgliela).

[jaelec]

Secondo me in realtà quelle tensioni "esistono" tutte.

Quello che succede è che, mettendo due contatti metallici per collegare il dispositivi verso l'esterno, si formano due nuove giunzioni metallo-semiconduttore che spostano i livelli energetici e creano un nuovo equilibrio.

E' quello che avevo capito anch'io. Ma ciò dice che il legame tra tensione di barriera interna e la tensione esterna avviene di fatto tenendo conto delle tensioni "laterali". Intuisco, perché ho dato uno sguardo, che di questo si può tener conto anche attraverso cose come il livello di Fermi e via discorrendo ma la mancanza della considerazione diretta di queste tensioni laterali non mi fa capire bene alcuni fenomeni. Per esempio, come già accennavo, è abbastanza semplice spiegarmi il comportamento del diodo da generatore (non quindi quando le tensioni sono in equilibrio), in un contesto dove le tensioni laterali sono evidenziate: se tramite energia solare e quindi con la generazione di coppie elettrone-lacuna mantengo tendenzialmente nulla la tensione interna, anche a dispetto della ricombinazione, quello che misurerò all'esterno, a vuoto, sarà la somma delle due tensioni laterali. E' chiaro che se la luce supera una certa soglia tale da compensare la ricombinazione misuro una determinata tensione, ma anche se ci fosse una maggiore intesità luminosa misurerei la stessa tensione perché più che cancellare la tensione interna non si può fare. Se invece non sono a vuoto la generazione elettrone-lacuna deve compensare anche le cariche che fanno il giro attraverso il carico, oltre che quelle che si ricombinano direttamente, e quindi la tensione interna viene ridotta di meno e quindi sarà più bassa la tensione esterna. Se esternamente metto un corto circuito avrò una tensione nulla perché le coppie elettrone-lacuna generate fanno il giro senza riuscire a diminure la tensione interna e avrò quindi tensione esterna nulla e una corrente di corto circuito che dipende dall'intensità luminosa.

Ti sembra logica questa spiegazione?