If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание
Текущ час:0:00Обща продължителност:9:12

Видео транскрипция

В предишно видео говорихме за електрони и дупки в собствен полупроводник. Но в това видео ще навлезем по-надълбоко и ще проучим как хората изчисляват броя електронни дупки, които са налични в един полупроводник при която и да е температура. Ще говорим малко за това. И, за да разберем това, трябва да говорим за два много важни процеса, които протичат в полупроводниците. Един от тях се нарича генериране, или топлинно генериране. Просто ще го наречем генериране. Това е нещо, което вече знаеш. Ще говорим за това. И вторият се нарича рекомбинация. Тези два процеса ще са ключът към разбирането на всичко в полупроводниците по-късно. Генерирането е нещо, за което вече говорихме – процесът, при който електроните абсорбират собствена енергия и прескачат към провеждащата лента, и стават свободни. Този процес, сам по себе си, се нарича топлинно генериране. Налича се генериране, понеже поради процеса сме генерирали свободен електрон и дупка – имам предвид, не сме създали електрон, електронът вече е бил там, но не е бил свободен да се движи преди, а сега е свободен. Така че един вид е създаден и това е идеята зад генерирането. Рекомбинацията е точно обратното. Когато тези електрони и дупки се движат през твърдото вещество, понякога електроните и дупките могат да се приближат много едни до други. И когато го направят, електроните ще паднат обратно в дупките. Може да паднат обратно в дупката. И когато направят това, свободният електрон е загубен, понеже вече не е свободен, но свободната дупка също е изгубена. И, като резултат, това е разрушение на носители на заряда. Рекомбинацията е рекомбинирането на електроните и дупките. И, като резултат, те разрушават носителите на заряда. Генерацията е процесът, при който създаваме заредени носители. Това са два противоположни ефекта. И едно нещо, което винаги ме обърква, е, че винаги мисля, че тези електрони са тук, а тези дупки са тук долу. Как се доближават едни до други? Но, помни, това е енергийна диаграма. Това може да бъде подвеждащо. Електроните не са на "горния етаж", а дупките на "приземния етаж". Електроните и дупките са приблизително в едно и също пространство, понеже са в един и същи кристал, в едно и също твърдо вещество. Така че определено могат, когато се движат, случайно да се доближат едни до други и да протече рекомбинация. Помисли за това, при всяка дадена температура, да кажем, стайна температура – винаги предпочитам да взимам стайна температура... Ако имаш силикон при стайна температура, тогава този брой електрони и дупки при тази температура трябва да е фиксирано число, не може постоянно да се променя. Трябва да е фиксиран, но генерацията протича непрекъснато. Непрекъснато биват създадени двойки електрон-дупка. И рекомбинацията протича непрекъснато – двойки електрон-дупка биват разрушени. Но броят трябва да остане фиксиран. Можеш ли да видиш, че за всяка двойка електрон-дупка, която е създадена, трябва да бъде разрушена двойка електрон-дупка, поне средно погледнато? Така че можем да кажем, че при всяка температура, при постоянна температура, или можем да кажем при топлинно равновесие – тази дума предпочитат да използват хората – при топлинно равновесие... Това означава, при постоянна температура, равновесие. Броят двойки дупки, създадени на секунда, да кажем, трябва да е равен на броя разрушени двойки дупки в секунда, средно погледнато. И можем да кажем, с други думи, че скоростта на генерация, скоростта на генерация, която е скоростта, с която биват създадени двойки електрон-дупка, трябва да е равна на скоростта на рекомбинация. Трябва да е. Скоростта на рекомбинация. Добре, да помислим за това. От какво зависи скоростта на генерация? Тъй като генерацията протича поради топлинна енергия, можем да кажем, че скоростта на генерация зависи от температурата. Трябва да зависи само от температурата за всеки даден материал. Така че бихме казали, че скоростта на генерация е някаква функция на температурата. И, като функция, помисли за това като за някакъв израз, някаква формула, в която има температура и група други константи. И можем да кажем това, понеже интуитивно можем да кажем, че ако температурата се увеличи, тогава повече топлинна енергия означава повече генерация. Това е логично. Но в същото време не знаем точно как са свързани. Не можем да кажем, че е право пропорционално, понеже не знаем това. Ако удвоим температурата, скоростта на генерация може да се увеличи. Не знаем това. Всъщност, оказва се, че не е така. Това е малко сложна зависимост. Отново, ако караш курс по полупроводници за напреднали, може дори да знаеш, да научиш каква е тази функция. Но за нас не е важна. Има значение само, че е някаква функция на температурата. Подобно, идва следващият въпрос. От какво зависи скоростта на рекомбинация? Знаем, че е равна на скоростта на генерация, но, независимо, ако помислиш за това, от какво зависи това число? Рекомбинацията е падането на електроните в дупките. Можем да кажем, отново, че има повече електрони и дупки, че има повече шансове да паднат... Логично ли е това? Всъщност, помисли така. Ако имаш само един електрон и една дупка, да кажем, има някакъв шанс, много малък шанс за рекомбинация. Но ако имш две дупки, тогава шансът за рекомбинация се удвоява. С дву дупки имаш два пъти по-голям шанс за падане. Ако имаш три дупки, има три пъти по-голям шанс за падане. Логично ли е това? Можеш да кажеш, че скоростта на рекомбинация е пропорционална на броя дупки, пропорционална е на броя дупки, но също можеш да кажеш същото нещо за електроните. Ако удвоиш електроните, имаш два пъти по-голям шанс електроните да паднат, понеже имаш два такива, и ако ги утроиш, шансът се утроява. Можеш също да кажеш, че това е пропорционално на броя електрони. И тъй като е пропорционално, можеш да кажеш, че някаква константа – можем да сложим някаква константа К по това. И при топлинно равновесие тези две трябва да са равни едни на други. И още един детайл, който можем да добавим, е, че за собствения ни, или чист, полупроводник, при който всички атоми са силиконови, броят свободни електрони трябва да е равен на броя дупки, понеже за всеки електрон, който прескочи тук, трябва да остане една дупка. Така че ако имаш сто свободни електрона, трябва да има точно сто дупки, нито повече, нито по-малко. И, следователно, можем да кажем, че за чист полупроводник броят дупки трябва да е равен на броя електрони. И обикновено записваме това като N с индекс I, като I е за собствен, чист. И ако въведеш това, можем да запишем уравнението като някаква функция на температурата трябва да е равна на К, някаква константа, която е свързана с тази рекомбинация, по NI^2, понеже умножаваш тези двете. Получаваш NI^2. И ако погледнеш внимателно това уравнение, можеш да изчислиш f, ще знаеш каква е тази функция. И също знаеш колко е К, ако направим по-сложна физика. Това означава, че можем да открием стойността на NI. И това е удивително, ако помислиш за него, фактът, че можеш да си стоиш вкъщи, да вземеш лист хартия, да направиш изчисленията и да откриеш броя електрони и дупки, които могат да се срещнат в един силиконов кристал – това е удивително. Можеш да направиш това. И хората са правили това. Ние просто ще вземем резултата. Ако изчислиш броя електрони и дупки при стайна температура, тази стойност при стайна температура е приблизително 10^10 на кубичен сантиметър. И първия път, когато видях това, си казах, че това са много електрони и дупки. Тогава защо наричаме това полупроводник? Защо не го наричаме проводник? 10 милиарда електрони и дупки на кубичен сантиметър. Това ем ного. Трябва да получим някаква перспектива. Да направим това. Да погледнем нещата в перспектива. Това изглежда като голямо число, но трябва да помислим за броя атоми, налични на кубичен сантиметър. Оказва се, че ако вземеш силикона, той има около 10^22 налични атоми на кубичен сантиметър, което означава, че 10^22 атоми допринасят за 10^10 електрона. Колко допринасят за един елетрон? Можем да умножим и да намерим това. Това ни помага да разберем това число. Ако умножиш, получаваш 10^22 делено на 10^10, това е 10^12. 10^12 атома допринесли с един електрон и една дупка. Ако помислиш за това така, това е изключително малко. Това са трилион атоми. Трябва да "умоляваш" трилион атоми да отдадат един свободен електрон, една дупка. И това е много ниско. За разлика, ако вземеш медта, един атом приблизително ти дава един електрон. Това ти дава представа как се различават тези два материала. И това е причината да наричаме това проводник, понеже сега всеки атом ти дава един свободен електрон – говоря за свободен електрон – но тук 10^12 атоми ти дават един свободен електрон, една дупка – много малко. Затова ги наричаме полупроводници.
Кан Академия – на български благодарение на сдружение "Образование без раници".