Преден и обратен механизъм на тока

В предишно видео видяхме, че ако имаш p-n преход с предно свързване – което означава, че положителният терминал е свързан с р-страната – тогава p-n преходът провежда ток от р към n, но ако обърнеш батерията, ако направиш това с обратно свързване като свържеш отрицателния терминал с р-страната, тогава диодът не провежда Разбира се, много малък ток прочита от n към р, поради по-малкото на брой носители на заряда. В това видео ще навлезем в повече детайли и ще навлезем в тънкостите на механизма на потока на тока и при предно свързване, и при обратно свързване. Това ще е изключително важно по-късно, за да разберем както трябва механизма на един транзистор. Да започваме. Нека започнем с предното свързване. Виждали сме, че предното напрежение е приблизително 0,7 волта, ако стигнеш 0,7 волта, силен ток протича тук – дупките преминават в n-областта, а електроните преминават в р-областта. Но големият въпрос е какво причинява този ток. Защо дупките се движат тук? И защо електроните се движат насам? И след като имаме два вида носители, имаме дупки и електрони, които се движат, ще е трудно да следим всичко, така че нека спрем тази анимация за момент и да се фокусираме само върху един от тях. Нека се концентрираме върху дупките – при електроните ще е подобно. Въпросът е какво кара тези дупки да преминат в n-областта. Нека се концентрирам върху една дупка и да ти покажа. Ако има дупка тук, има положителен заряд тук и това "избутва" дупката. Тук има отрицателен заряд, който "придърпва" дупката. Отрицателният терминал "придърпва" дупката и, като резултат, дупката започва да се движи от р към n и това създава ток. Проста работа, нали така? Е, оказва се, че не е. Оказва се, че не работи по този начин. Така се получава провеждането в проводниците, но при предно свързаните проводници не става така и ето защо. Помни, дори преди да свържем батерията, имаше обеднена област и в тази обеднена област имаше силно електрическо поле и това електрическо поле не позволяваше на тази дупка да премине през прехода, понеже действаше като бариера, отблъскваше дупката назад. Батерията предоставя на дупката достатъчно енергия, само за да преодолее тази бариера. При 0,7 волта ѝ дава минималната енергия за преодоляване на бариерата, след това няма никаква енергия, за да стигне чак до тази страна. Това не е възможно. Така че всъщност кое създава тока? Това е големият въпрос. И отговорът е – дифузията. Понеже има много дупки от тази страна, има висока концентрация на дупки от тази страна, но има много ниска концентрация на дупки от тази страна, а тази разлика в концентрацията кара тези дупки да преминат оттук до тук – този процес се нарича дифузия. Така че дифузията "придвижва" тези дупки оттук до тук, а не батерията. Същото е и при електроните – понеже имаш голям брой електрони тук и по-малко електрони тук, това кара електроните да дифундират от n към р – дифузията е причината това да се случи. Но сега изниква друг въпрос. Дифузията протича докато има разлика в концентрацията – сега протича, логично е, но с времето, докато все повече и повече дупки дифундират от р към n, не мислиш ли, че концентрацията на дупки тук ще се увеличи, а концентрацията на дупки тук ще намалее? В крайна сметка концентрацията на дупки няма ли да се изравни? И, ако това се случи, дифузията ще спре, понеже вече няма да има разлика в концентрацията. Това би се случило, ако имаш газ в стая – в началото газът ще дифундира, докато не е запълнил цялата стая, а после няма да има повече движение, поне в макроскопичен мащаб. Защо не се случва? Ако това се случи, тогава дифузията ще е спряла и токът във веригата ще е спрял. Но токът не спира. Какво се случва? Отговорът, или ключът към разбирането на това, е рекомбинацията. Поради рекомбинацията дифузията никога не спира и ето как работи това. Когато дупките дифундират в n-страната... Нека разгледаме тази дупка отново. Когато тази дупка дифундира – можем да се отървем от това електрическо поле, нека го забравим за сега, няма го. Добре. След като тази дупка дифундира в n-страната, не си мисли, че дупката ще продължи да се движи поради дифузията. Не може да направи това, понеже тук има много електрони и, като резултат, дори след като измине много малко разстояние, има голяма вероятност електронът да се рекомбинира с дупката и тя ще бъде разрушена. Друг начин да помислим за това е, че вероятността една дупка да стигне чак дотук е изключително малък, понеже тя трябва да премине през толкова много електрони, че има огромна вероятност да се рекомбинира. Ако разгледаме концентрацията на дупки от тази страна, тя винаги ще е минимална, ще има минимален брой дупки тук, просто защото поради рекомбинацията дупките имат много нищожен шанс да стигнат тук. Но можем да кажем същото нещо и за електроните, нали така? Електроните също имат много нищожен шанс да стигнат до тук и, следователно, ще има минимален брой електрони от тази страна, което означава, че винаги ще има максимален брой дупки от тази страна. И, познай, докато преминаваме оттук до тук ще видим, че концентрацията на дупки плавно намалява и тази концентрация се поддържа на това ниво, не се променя с времето. Поради рекомбинацията броят дупки тук никога не може да се увеличи, понеже вероятността дупките да достигнат тук е много нищожна. А дупките тук не могат да намалеят, понеже вероятността електроните да достигнат тук е изключително нищожна. Този ефект е на лице в цялата област. И, понеже тази разлика оттук до тук се поддържа през цялото време, дифузията никога не може да спре. Тоест причината за протичане на ток напред при това предно свързване е рекомбинацията. И поради това в някои учебници или статии ще видиш, че това се нарича рекомбинационен ток, понеже ако този ефект го нямаше, ако електроните и дупките не се рекомбинираха, тогава концентрацията щеше да се изравни и, в крайна сметка, токът щеше да спре. Тоест, токът напред при предно свързване е поради рекомбинацията. Едно последно нещо – какво ще се случи с тези дупки, когато в крайна сметка достигнат до – това, което искам да кажа, е, че някои от дупките в крайна сметка стигат до този край и какво се случва с дупките, които стигат до там? Помни, понеже в този метален проводник има електрони като резултат, електроните биват "засмукани" тук и дупката бива разрушена. Но понеже тази част, този метален проводник е изгубил един електрон, придърпва един електрон оттук и това, в крайна сметка, придърпва един електрон оттук и така електроните биват "придърпани" един по един, а така токът тече дори във външния проводник. И, в крайна сметка, един електрон бива "придърпан" оттук – това "придърпва" един електрон от ковалентната връзка тук, което създава една дупка тук. Тоест в този момент тук е създадена дупка, което означава, че за всяка дупка, която е изгубена тук, една дупка бива генерирана ето тук. И така историята продължава. Накратко, при предното свързване токът е породен от дифузията и дифузията никога не спира, понеже концентрацията никога не се изравнява поради рекомбинационния ефект. Сега нека поговорим за обратното свързване. Тук, понеже отрицателният терминал е свързан с р-страната, а положителният е свързан с n-страната, обеднената област се разширява и имаме силно електрическо поле в тази обеднена област, което означава, че дифузията почти спира. Но по-малкото на брой носители на заряда, например дупките в n-страната... Нека отново се фокусираме върху само една дупка. По-малкото на брой носители на заряда, ако стигнат до тази обеднена област, забележи, поради електрическото поле те биват ускорени и това води до протичане на ток във външната верига, така че има много малък ток, който протича от n към р, поради по-малкото на брой носители на заряда. Но този ток почти не зависи от напрежението. Дори ако увеличиш напрежението, токът не се увеличава, остава същият. И за това ще говоря тук. Защо се случва това? Забележи, тук, тъй като дупката е в тази n страна, която има много електрони, докато дупката се движи има много голяма вероятност да се рекомбинира незабавно и, като резултат, тази дупка се рекомбинира и после, някъде другаде, поради топлинното генериране тази дупка се връща обратно и може да се рекомбинира, и, отново, поради топлинното генериране, идва ето тук. Не мисли, че тази дупка просто се промъква от другата страна много плавно. Не. Прекарва много време тук, а за да премине от другата страна, тази дупка трябва да бъде топлинно генерирана в обеднената област. Да предположим, че тази дупка се рекомбинира, а после, може би, по случайност бива генерирана тук поради топлината. След като бъде създадена поради топлинното генериране, тя бива прехвърлена от другата страна. И, за да имаме ток, ни трябва топлинно генериране в обеднената област. Да си представим, че поради топлинното генериране всяка секунда биват създадени по пет дупки. Пет дупки биват създадени на всяка секунда, а после ще видим, че всички тези пет дупки ще преминат от другата страна ще преминат от другата страна и, като резултат, ще имаме ток поради тези пет дупки. Но ако увеличим напрежението, ако увеличиш силата на това електрическо поле, може би тогава дупките ще ускоряват повече. И това е вярно. Но ако само по пет дупки биват създавани в секунда, тогава това ще доведе до същия ток като преди. Понеже токът, по определение, е броят заряди, протичащи на секунда. Броят дупки пак е същият – пет. Така че, виж, дори ако дупките биват прехвърлени от другата страна по-бързо и по-бързо, ако увеличиш напрежението, този ток си остава същият, понеже токът е броят дупки, които преминават от другата страна за една секунда. Тоест ако искаш да увеличиш тока, трябва да увеличиш създаването на дупките. И това може да се направи чрез увеличаване на температурата, понеже ако увеличиш температурата, има по-голяма вероятност за създаване на дупка и, като резултат има по-голяма вероятност тук да бъдат създадени повече носители на заряд. Или можеш да осветиш това със светлина – ще говорим за това в друго видео – но можеш да осветиш това със светлина, за да увеличиш носителите на заряда тук. Но, накратко, токът тук не е захранван от напрежението, а само от ефекта на създаване на носители на заряда Затова често този обратен ток се нарича генерационен ток. Често се нарича генерационен ток. А предният ток – токът при предно свързване – обикновено се нарича рекомбинационен ток. Това позволява дифузия. А обратният ток е причинен от създаването (генерирането) на носители на заряда. Тази генерация при обратното свързване води до протичане на ток и е почти независима от напрежението.