Дифузия, дрифт и бариерно напрежение

За да заредиш батерията на един телефон, трябва да тече ток през батерията само в една посока. но токът, който получаваш от контакта, е променлив ток, токът постоянно променя посоката си. Тогава как можеш да заредиш телефона си, като го включиш в контакта? Ами, адаптерът трябва някак да преобразува този променлив ток в еднопосочен (или постоянен, прав) ток и тайната, чрез която се постига тази цел, лежи в p-n прехода, така че нека разберем този p-n преход. В предишно видео видяхме, че p-n преходът се състои от много дупки от едната страна и много електрони от другата страна. И се провеждат две движения. Едното е, че дупките от р дифундират в n, а електроните от n дифундират в р и това е поради разликата в концентрацията, но също така, поради ефектът на рекомбинация, имаме заредено пространство, което е било създадено тук и което забява дифузията, но това също позволява втори вид движение, при което по-малкото на брой носители на заряда се придвижват. И, забележи, дупките от n преминават в р, а електроните от р преминават в n и при равновесие за всяка дупка, която дифундира в n, една дупка преминава обратно и за всеки електрон, който дифундира в р, един електрон преминава обратно и се поддържа равновесие. В това видео ще говорим за участващите токове, които са създадени от тези две движения в p-n прехода. И също виждаш, че има напрежение през прехода, тъй като дупките и електроните са заредени частици и дупките се третират като частици, въпреки че не са, и движението на тока създава ток, в този p-n преход има ток и ще говорим за това. Първият вид ток ще е дифузия, токът поради дифузията. Да помислим малко за това. Каква мислиш ще е посоката на дифузионния ток? Припомни си, че посоката на тока е същата като посоката, в която се движи положителния заряд. И ако отрицателните заряди се движат, посоката на тока е противоположна. Спри видеото за момент и дори можеш да спреш анимацията. Трябва да можем да направим това без анимацията. И помисли каква е посоката на дифузионния ток – от р към n или от n към р. Да открием това. Забележи, че при дифузията дупките ще дифундират надясно, понеже тук има много дупки, и тук има по-малко дупки и това създава ток надясно. Ако запишеш това тук долу – това използва ток, движещ се надясно. Забележи, електроните дифундират наляво, понеже има повече електрони тук и по-малко електрони тук. Но електроните са отрицателно заредени частици и, тъй като се движат наляво, това също създава ток надясно. Забележи, движението на дупките и електроните поради дифузията създава ток в една и съща посока. Те не се съкращават, а се събират и дават ток в една и съща посока. И, следователно, токът на дифузията, който наричаме I дифузионен – и той е причинен от преобладаващите носители на заряда – се движи от р към n. И има втори вид ток, който е поради по-малкото на брой носители на заряда – помни, тази дупка, например, се носи навсякъде, докато не бъде "засмукана" от другата страна. Погледни посоката на движение – дупката се движи от n към р, това създава ток от n към р. Подобно, малцинствените носители на заряда като един електрон – когато този електрон си обикаля и бъде "засмукан" от другата страна, поради тези заряди тук, отново, това създава ток в противоположната посока, от n към р. Забележи, и двете от тези движения създават ток в противоположната посока – и наричаме този ток дрейфов ток. Това се нарича I дрейфов. Наричаме го дрейфов и е причинен от по-малкото на брой носители на заряда. И това е от n към р. И може да се чудиш защо се нарича дрейфов ток? Защо се казва така? Това е, понеже, ако разгледаш тази област тук, тук е заредената част на полупроводника, забележи – може би преди научи, че когато имаш заряди, те създават електрическо поле и електрическото поле е винаги от "+" към "-", това е общоприетата ни практика. Електическото поле тук, ако го начертаеш... Да вземем жълто. Ако начертаеш електрическото поле, то преминава насам, това е посоката му. Това е електрическото поле и, забележи, по-малкото на брой носители на заряда биват "засмукани" от другата страна, поради това електрическо поле и когато имаш движение на носители на заряда в едно електрическо поле, обикновено наричаме това дрейфово движение – може би научи това в главата за електричеството, но това е причината да се нарича дрейфово движение, дрейфов ток и при равновесие двата тока трябва да са равни един на друг. Видяхме, че за всяка дупка, която дифундира, друга дупка има дрейфово движение на обратно и, като резултат, общият ток е нула. И един технически детайл – забележи, ако разгледаш тази област, можем да разделим р-n прехода на три области. Три области – имаш тази област тук, която е неутрална, понеже отрицателните заряди са балансирани от дупките, това е неутрална област, имаш тази n област, която също е неутрална, понеже, отново, положителните заряди на фосфорните йони са балансирани от електроните тук, но, забележи, тази област между тях, близо до прехода, не е неутрална, тя е заредена. И затова тук имаш електрическото поле. И защо е заредена? Понеже няма електрони и дупки, които да съкратят заряда на йоните, в нея липсват подвижни носители на заряда и, като резултат, я наричаме обеднена зона. Поради очевидни причини – в нея липсват носители на заряда, а името обеднена просто означава, че тук няма носители на заряда и, разбира се, ако разгледаш анимацията още веднъж, дифузията и дрейфът продължават, съкращават се, но това продължава, тези не остават тук, това е ключовата точка, затова се нарича обеднена зона. Забележи, че дупките почти си стоят тук, електроните почти си стоят тук. Това е цялата идея зад това. И, ако разгледаш внимателно, поради това електрическо поле в обеднената зона, има бариера през този преход, има потенциална разлика и ето един начин да помислим защо се случва това. Нека първо дефинираме какво е потенциалът. Какво е значението на думата напрежение? Е, в електричеството напрежението V се приема за потенциалната енергия на заряд от +1 кулон. Добре. Казвам, че ако има заряд от +1 кулон и той се придвижи ще видиш, че потенциалната енергия през този преход ще се промени и нека разберем защо като наистина си представим, че тук има заряд от +1 кулон. Нека си представим един въображаем заряд от 1 кулон. Нека го придвижим и да видим какво се случва с неговата потенциална енергия. Да кажем, че в началото го бутна тук и поради това бутване той ще има някаква скорост и нека проследим какво се случва със скоростта му. Въз основа на това можем да видим какво се случва с кинетичната му енергия. Да кажем, че го бутнем и е в неутралната област. Забележи, че в неутралната област, понеже няма заряди, тя е неутрална, той не изпитва привличане или отблъскване поради зарядите и, като резултат, неговата скорост няма да се промени. В неутралната област кинетичната му енергия остава почти константа. И ако кинетичната енергия е константа, неговата потенциална енергия също трябва да е константа, понеже общата енергия трябва да остане постоянна. Помни запазването на механичната енергия. .. Кинетичната и потенциалната енергия са постоянни, така че напрежението е константа, когато това число е константа, но сега този заряд ще навлезе в обеднената зона. Забележи, след като навлезе тук, понеже има електрическо поле, това изпитва сила в противоположна посока. Можеш ли да видиш, че бива избутано назад? Сега помисли какво ще се случи със скоростта. Зарядът се движи надясно, бива избутан назад. Така че скоростта му ще намалее и, като резултат, когато зарядът премине оттук до тук, неговата кинетична енергия спада, той забавя и забавя, понеже бива избутан назад. Това е много подобно на случващото се, когато хвърлиш една топка нагоре – гравитацията я забавя. Кинетичната му енергия намалява, но потенциалната му енергия се увеличава. Това е цялата идея зад потенциалната енергия. Същото нещо се случва тук. Кинетичната енергия намалява, нека покажа това още веднъж. Зарядът идва оттук, забавя се, кинетичната енергия намалява, потенциалната енергия се увеличава и след като навлезе в тази област n, сега това е неутрално отново, скоростта му пок ще остане константа и напрежението ще остане константа. Ако направиш бърза рисунка на това как изглежда напрежението... нека начертаем това тук. Поставяме напрежението, V, на графика. В началото, забележи, тази ос е напрежението, в началото имаше малко напрежение, не знам какво беше, няма значение, но това напрежение беше константа, докато не стигнахме до обеднената зона – до тази точка напрежението е константа. Но после, докато преминаваш оттук до тук, потенциалната енергия се увеличава, понеже скоростта намалява. До тук напрежението се увеличава и след това напрежението отново остава константа. Надявам се, че виждаш логиката. И сега ясно можеш да видиш, че има разлика в потенциала в областта между р и n. n е под по-високо напрежение, отколкото р. И можеш да направиш изчисленията и да откриеш това, и хората вече са направили това – оказва се, че ако вземеш силиций при стайна температура, тази разлика в потенциала е около 0,7 волта и това напрежение действа като бариера за дифузията. Затова дифузията протича по-трудно. Наричаме това бариерен потенциал, или потенциална бариера. Също наричаме това VB, бариерен потенциал и разбирането на този потенциал е ключово за разбирането какво се случва, когато прикрепим батерия към това. Но, накратко, в един p-n преход при равновесие, когато няма батерии, има вродена разлика в потенциала през прехода. n-областта е при по-високо напрежение в сравнение с р-областта.