PN преход

Виждали сме, че ако вземеш собствен полупроводник и добавиш, да кажем, елемент от група 13, като бор, който има само три валентни електрона, тогава той приема електроните, действа като акцепторна примес и, като резултат, ни дава много дупки и самият бор става отрицателно зареден, но е неподвижен, не може да се движи, той е това голямо нещо, заседнало в кристала. Но дупките сега са преобладаващите носители на заряда и, като резултат, можем да си представим, че имаме "подложка" от отрицателно зареден полупроводник, върху която имаме този газ от дупки – хубав начин да визуализираме това – който действа като одеяло и, като резултат, цялото нещо пак си е неутрално, тъй като преобладаващите носители на заряда са положителни дупки – наричаме това полупроводник вид р. И, подобно, ако добавиш елемент от група 15, като фосфор, който има пет електрона, бива дарен един електрон и това получава положителен заряд, но фосфорните йони не могат да се движат, неподвижни са, заседнали са и, отново, можем да си представим, че това е "подложка" с положителен заряд и отгоре имаш газ от електрони, които се движат на случаен принцип и, като резултат, цялото нещо отново е неутрално, и, тъй като преобладаващите носители на заряда са отрицателни, наричаме това полупроводник тип n. И говорихме за това в едно предишно видео, така че ако трябва да си изясниш това ще е чудесно да се върнеш и да гледаш тези видеа първо, а после да дойдеш отново тук, но сега ще направим едно изкушаващо нещо – ще вземем р частта и n частта и ще ги съберем, както се случва тук, и ще се запитаме какво се случва. Да направим това. Ако вземеш тези два отделни кристала и ги "слепиш" един към друг, тогава нищо няма да се случи, понеже ако ги слепиш, пак ще има множество микроскопични дупки по средата и, като резултат, ще действа като два различни контейнера, в които има газ, нищо няма да се случи. Ако искаш нещо да се случи, трябва да построиш единичен кристал, едната страна на който е р, а другата – n. И създаването на това в реалността може да е малко сложно, но нека приемем, че успеем да направим това и за малко да спрем анимацията, заболя ме главата от нея. Готово – имаме единичен кристал с много дупки от едната страна и много електрони от другата. Спри видеото и помисли какво ще се случи. Може да мислим, че електроните и дупките ще се привлекат взаимно, понеже едните са отрицателни, а другите са положителни. но това не е вярно. Не мисли за това така – дупките не могат да привлекат електрони, понеже, в реалността, дупките всъщност не са частици. Помни, те са липсата на електрони, празни места в ковалентните връзки, те не могат да привличат електрони. Не мисли за това така. По-добър начин да помислим за това е като газове. Представи си, че имаш един вид газ от едната страна на някакъв съд и друг вид газ от другата страна на съда и това, което ги разделя, бъде премахнато. Какво ще се случи? Знаем, че газовете се смесват един с друг и наричаме това дифузия. Това е случаен процес, при който частиците се движат от област с висока концентрация към област с ниска концентрация. Тъй като имаме много дупки тук, те ще дифундират в n-страната и, подобно, тези електрони тук ще дифундират в р-страната. Но, забележи, дифузията може да се случи само тук, няма да очакваш да се случи тук. Няма да очакваш тези дупки да започнат да се движат ето така, понеже, помни, може да има множество дупки, но няма разлика в концентрацията и, подобно, няма дифузия тук. Дифузията се случва само много близо до прехода. Забележи, поради дифузията електроните и дупките се сближават и когато се доближат много едни до други, знаем, че се разрушават. Рекомбинират се и точно при прехода тези носители на зарядите са напълно разрушени. Какво се случва след това? След това можем да очакваме дифузия тук и можем да очакваме тези дупки да дифундират и тези електрони да дифундират и те може да се рекомбинират, и, в крайна сметка, с времето можем да очакваме всички електрони бавно и стабилно да дифундират, да се смесят едни с други, точно както газовете биха направили, и ще са се рекомбинирали, ще са се разрушили и няма да имаме тези излишни дупки и електрони. Това ще е изключително лошо, понеже толкова се старахме да стигнем до тази точка тук. За щастие, има една ключова разлика между молекулите на газа и дупките и електроните. Тук работим със заредени частици и, като резултат, когато дупките и електроните се смесят, това смесване веднага ще спре. Можеш ли да помислиш защо това ще се случи? Искам да спреш видеото и да помислиш. Но като гледаме тук можеш ли да откриеш причината защо всички дупки и електрони няма да се смесят? Тайната се крие ето тук, поради по-ранното разрушаване на заряда, те са "оголили" отрицателните и положителните йони и сега, като резултат, когато повече дупки опитат да дифундират тук, забележи, тези положителни йони започват да отблъскват тези дупки и, като резултат, когато те опитат да дойдат тук, поради отблъскването, те не могат да направят това и трябва да се обърнат и да се върнат обратно, и, подобно, когато тези електрони опитат да дифундират – забрави да тази дупка, тя е от по-малкото на брой носители. Не се тревожи за това сега. Когато електроните опитат да дифундират тук, забележи, тези отрицателни йони на бора започват да отблъскват отрицателните електрони. Те опитват да дифундират, но не могат да направят това. И, забележи, понеже са оголили тези неподвижни йони, те действат като бариера за дифузията. Но може да има молекули, някои дупки и някои електрони, които са достатъчно енергизирани... може да има дупки, които може да са достатъчно енергизирани, че дори след отблъскване пак могат да дифундират и, подобно, някои електрони от тази страна може да са достатъчно енергизирани, че да дифундират и въпреки отблъскването. Те все пак може да дифундират и, забележи, може да дойдат тук и да се рекомбинират и, подобно, тези може да се рекомбинират някъде, понеже има толкова много места за рекомбиниране. Но, забележи, че колкото повече дифундират, толкова повече йони оголват и те затрудняват дифузията още повече, понеже отблъскването започва да се увеличава. Можем да видим накъде отива това. Докато дифузията продължава, ще видим, че все повече и повече йони ще бъдат оголени и, като резултат, дифузията може да се забави и в крайна сметка да спре. Е, не точно, Е, не точно. Дифузията се забавя, понеже бариерата започва да се увеличава, отблъскването започва да се увеличава, но винаги има електрони и дупки, които са достатъчно енергизирани, че да преодолеят това и пак да дифундират. Винаги имаме такива. Игнорирахме тези по-малко на брой носители на заряда твърде дълго. Помни, в р-страната имаме електрони тук и има дупки от n-страната. Не говорихме за тях досега, но след това те играят ключова роля. Нека се фокусираме върху един електрон. Да кажем, че вземем един. Забележи, тук никой не се интересува от това, всеки се интересува от дифузията, така че той си гледа работата, носи се наоколо. Доста е самотен и, да кажем, че навлиза в тази област тук, близо до прехода. Забележи, поради този положителен заряд, той бавно привлича електрона и го "засмуква" в n-страната и, подобно, ако имаш, да кажем един от по-малкото на брой носители на заряда тук, дупка, отново никой не се интересува от нея, тя не може да дифундира, а всичко тук се интересува от дифузията, всичко е фокусирано в дифузията. Тя е самотна, движи се тук и накрая навлиза тук и сега, забележи, отрицателният заряд ще привлече дупката и дупката ще бъде "засмукана". Можеш ли да видиш, че има втори вид движение, което се получава в напълно обратна посока? Помисли, за дифузия дупките се движат от р към n и тези заряди действат като бариера. Но, забележи, за по-малкото на брой носители на заряда, като дупка в тази област тук – тук имаше дупка – за по-малкото на брой носители на заряда движението е в противоположна посока и този заряд подпомага движението. Можеш ли да видиш, че има втори вид движение? То е в противоположна посока и с времето дифузията започва да намалява, но вторият вид движение започва да се увеличава и, тъй като двете са в противоположни посоки, в крайна сметка ще стигнем до момент, в който за всяка дупка, която дифундира в n-страната, по една дупка ще бъде "засмукана" обратно поради тези заряди и, подобно, за всеки достатъчно енергизиран електрон, който успее да дифундира в другата страна, един електрон ще бъде "засмукан" обратно. И, когато това се случи, забележи, средно аритметично общият брой тук и общият брой тук остават еднакви и тогава сме достигнали до равновесие. И това е историята за p-n преход, много интересни, много интересни концепции, но това беше много интензивно, нека набързо обобщим. В началото, когато p-n преходът току-що е създаден, преобладаващите носители на заряда започват да дифундират, дупките започват да дифундират в n-края, електроните започват да дифундират в р-края и, като резултат, се рекомбинират и разрушават, и оголват заряда на йоните на примеса, а това започва да действа като бариера, която започва да забавя дифузията, но дифузията продължава да се провежда. Но сега по-малкото на брой носители на заряда започват да биват "засмуквани", поради тези заряди, в противоположна посока и, в крайна сметка, се достига до равновесие, при което за всяка дупка, която дифундира, една дупка е "засмукана" обратно и за всеки електрон, който дифундира, един електрон бива "засмукан" обратно. И сега е достигнато равновесие и това устройство е много полезно, понеже ще действа като еднопосочен проводник.