Все атомы без воздействия на них - электрически нейтральные. Атом потерявший электрон или взявший на себя дополнительный электрон называют соответственно положительным ионом и отрицательным ионом.
Ковалентная связь образуется между атомами когда два электрона(один от одного атома, другой от другого начинают крутится вокруг этих двух атомов)
Ковалентная связь - это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла.
----------
----------
----------
----------
Чистый полупроводник (без добавления примеси)
Любой атом хочет(если есть рядом возможность) стать инертным, т.е. заполнить недостающими электронами свой внешний уровень. В данном случае у нас кремний(Si) который имеет 4ри электрона на внешнем уровне, и ему не хватает еще 4ри электрона. Атом кремния пытается притянуть еще 4ри электрона с соседнего атома, получается ковалентная связь, 4ри электрона уходят от своего атома и приходят к другому, в свою очередь другие 4ри приходят.
В чистом полупроводнике все валентные электроны заняты обменом с атомами(ковалентная связь). При комнатной температуре очень малое количество электронов стают свободными и уходят с ковалентных связей. В месте ухода электрона появляется дырка(пустое место), соответственно атом которому принадлежал электрон стает положительным ионом, а дырка называется(считается) положительно заряженной частицей.
----Без подключения напряжения к бруску кремния, дырки и электроны(относящиеся к ковалентной связи) дрейфуют(блуждают) в разных направлениях, электрон перемещается вверх например(или влево), на место дырки а дырка перемешается вниз(или вправо) на место электрона(дырка движется в противоположенном направлении электрона). Что же касается электрона ушедшего от ковалентной связи в результате которого образовалась дырка-> он переходит в свободную зону(зону проводимости -т.е. электрон стает свободным), которая находится над валентной зоной, блуждая в зоне проводимости электрон со временем натыкается на дырку в ковалентной связи - в результате чего происходит рекомбинация(электрон и дырка перестают существовать). Имеется ввиду что электрон стал опять на свое место в ковалентную связь.
----При подключении напряжения (полярность подключения не имеет значения) свободный электрон в результате воздействия электрического поля смещается в зону не хватки электронов(т.е. к плюсу блока питания), если он попадает на дырку (он там и остается-РЕКОМБИНАЦИЯ). Поскольку в ковалентной связи появилась дырка то эту дырку может занять другой электрон с соседнего атома(т.е. тот электрон что рядом - в валентной зоне), поскольку воздействует электрическое поле то дырку занимает электрон который идет к плюсу, получается дырка сдвигается к минусу. При подключении напряжения на минусовом конце появляются электроны они заставляют электроны что впереди двигаться по направлению к плюсу блока питания становясь на место дырки, таким образом дырка перемещается к минусу а электроны к плюсу.
В полупроводнике происходит постоянный процесс генерации(т.е. электрон стает свободным и появляется дырка) дырок и электронов, и в это же время постоянный процесс рекомбинации. При повышении температуры в полупроводнике(100% чистоты если такой есть
) пропорционально(одинаково) появляются дырки и электроны.----------
----------
----------
----------
Существуют материалы N типа(электронная проводимость) и материалы P типа(дырочная проводимость). они создаются легированием(добавлением примеси в кремний)
В N материале основными зарядами считаются электроны - потому как в кремний(Si) добавили 5ти валентную донорную примесь, т.е. 4ри электрона валентных создали ковалентные связи с атомом кремния, а 5й электрон остался вращаться на внешней орбите(дальше ковалентной связи - потому как ковалентная связь его вытеснила) который не участвует в ковалентной связи(данный электрон еще не свободен потому как в ядре атома протон все же его притягивает(может не так сильно?)). Отсюда следует что N материал обладает большим количеством электронов(чем дырок в ковалентных связях) и все ковалентные связи заполнены (т.е. нет дырок). Дырка может создастся только если электрон уйдет с ковалентной связи в результате нагревания или еше чего. 5й электрон свободным нельзя назвать потому как он еще не покинул свое ядро, для того чтоб 5й дальний электрон стал свободным требуется меньше энергии чем электрону в ковалентной связи.
В N-материале от возбужденного атома обладающего свободным электроном(атома примеси имеющего 5тый валентный электрон), этот свободный электрон, являющийся материальным носителем энергии, перепрыгивает на соседний нейтральный атом(атом кремния), после чего этот атом становится возбужденным, и электрон перепрыгивает на соседний атом (атом кремния), при уходе от возбужденного атома кремния атом становится нейтральным. Если свободный электрон попадает опять на свое место(на любой положительный ион донорной примеси), он там и остается (РЕКОМБИНАЦИЯ). При уходе 5го электрона от атома донора образуется дефект решетки, в некотором смысле "дырка" - которая в отличии от нормальной дырки(в ковалентной связи) не может перемещаться.
При подключении N материала к блоку питания, создается электрическое поле - под действием которого свободные электроны в зоне проводимости(т.е. находящиеся выше валентной зоны(ковалентных связей)), двигаются к плюсу блока питания(там где не хватает электронов). Свободный электрон пролетая над нейтральными атомами, положительными ионами(у которых нет электрона в ковалентной связи) и положительно заряжёнными ионами донорной примеси(у которых вместо 5го электрона место ионизации) меняют свою траекторию, так как если представлять изменит свою траектория комета(под действием гравитации) если будит проходить рядом с землей. Электроны рекомбинируют сталкиваясь с местом ионизации или с дыркой в ковалентной связи. Происходит также постоянный процесс генерации электронов и дырок.
Если говорить про то кто первым - электроны 5ти валентных атома донора, электроны 4х валентных атомов и дырки -> генерируются: С ростом температуры с начало электроны 5ти валентных атомов донора отрываются с дальней орбиты, далее с повышением начинается донорное истощение - уже все(или почти все) электроны доноров свободны, еще с повышением температуры появляются электронно дырочные пары.
Для поддержки тока в данном материале имеется много свободных электронов(больше чем дырок). Электроны основные носители заряда. ----------
В P материале основными зарядами являются дырки - потому как в кремний добавили 3х валентную акцепторную примесь, ядро данной примеси создало три ковалентных связи а четвертая ковалентная связь не вышла(получилась дырка и один электрон). В данном материале получилось много дырок, и электроны двигаются перескакивая в освобожденную дырку(ковалентной связи).
При подключении напряжения электрон(ковалентной связи) движется по направлению к положительному выводу а дырка по направлению к отрицательному выводу. Большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути. Сколько электронов втекает в + БП столько электронов и вытекает с - БП. Дырки основные носители заряда(просто есть место для движения электронов
). Наличие дополнительных дырок - электронам легко переходить от одной ковалентной связи к другой. Т.к. дырки легко принимают электроны. Движение электронов в данном типе материала проходит в ковалентных связях, валентной зоны.Дынный тип материала имеет дырок больше чем электронов. Дырки основные носители заряда.
----------
Таким образом мы имеет два типа материала, в которых по разному перемещаются электроны, в N материале электроны движутся в зоне проводимости (не участвуя в ковалентной связи) проходя весь путь в полупроводнике. В P материале перемещение электрона и соответственно и дырки происходит с использованием ковалентных связей, если где-то в середине бруска кремния(при подключенном к напряжению) электрон перешел в правую сторону на место дырки - значит самый правый электрон вышел с бруска в блок питания.
Что N что P материал из-за своих свойств легко пропускать электроны - лучше проводник чем чистый кремний без примесей. Чем сильней полупроводниковый материал легирован тем меньше его электрическое сопротивление.
P.S. _____ N и P материалы сами по себе нейтральны! так как количество электронов равно количеству протонов что в N или P материале!!!
----------
----------
----------
----------
Создание P-N перехода. Без напряжения P-N переход формируется так:
Когда соединены N и P материалы(просто при соединении P-N перехода не выйдет, т.е. при соединении двух брусков данных материалов), они как-бы на одном бруске(подложке) данных материал создают. Просто при соединении не получается потому как между брусками окисленная пленка.
Собственно P-N переход образуется когда с 5тивалентного N материала электроны переходят в P материал. Они туда очень хитро переходят - собственно в этом и смысл P-N перехода - в P материале нет одного электрона в ковалентной связи! поэтому 5й электрон попав в P материал нашел там свободное место в ковалентной связи (при том что атому электронов хватало!!! так как протонов у атома 3 и электронов 3) и пристроившись там - начал кружится на пару в ковалентной связи с тем электроном что там был.
Получается следующие электроны перейдя с N материала в P материал - оставляют атомы(протоны) которым недостает 5го электрона - то есть получился положительный заряд. А в P материале получается отрицательный заряд! атомы в P типе не хотят больше электронов! у них итак их уже стало у каждого вблизи перехода на 1 больше! из за ковалентной связи. Собственно весь фокус покус в придумывании P-N перехода - ковалентная связь.
Во общем когда образовывается P-N переход на границе данных материалов в P областе будит избыток электронов(электронов больше в атоме чем протонов) - появится знак - а в N области появится знак +(недостача у каждого атома одного электрона)
----------
Электроны с N материала заполняют ковалентные пустые(дырки) связи в P материале, это происходит под силами ДИФФУЗИИ(на подобии того как если разлить воду на столе, она расползется), если бы все происходило с электронами как с водой - то все электроны бы расползлись по P проводнику и количество электронов в P стало бы равно количеству в N.
Но этого не происходит из-за того что покидая N материал электроны оставляют после себя нескомпенсированный положительный заряд(положительные ионы доноров), и переходя в P материал к акцепторным атомам создают в P области отрицательный заряд. Диффузия распространяется с некоторой силой, а поскольку в N материале появился знак + а в P знак - минус, это нам говорит а том что в одной стороне стало больше электронов а в другой меньше! Получилась так сказать батарея, которая в своей области имеет силу электрического поля воздействующую на электроны которые хотят диффундировать с N в P, - получается когда сила электрического поля больше> силы диффузии электрон переходит назад с P области в N область - это называется ДРЕЙФОМ.
Дрейф это когда электрон под действием силы электрического поля движется направленно в сторону от минуса к плюсу. Вот так то туда то сюда из-за перепадов температур или еще каких-то воздействий борятся две силы, сила ДРЕЙФА и сила ДИФФУЗИИ - создавая барьер. Барьер в зоне P-N перехода(по обоим сторонам малое количество разно - заряженных атамов доноров и акцепторов). За пределами барьера что слева, что справа все атомы нейтральны.
P-N переход (подключение напряжения)
Прямое: электрон продолжает двигаться сквозь барьер его не замечая, т.к. в P-области тот же самый нейтральный материал, имеющий свободные места куда электроны могут прыгать. Но там много свободно разгуливающих злых дырок, которые увидев электрон совокупляются с ним, происходит рекомбинация, атом становится нейтральным, энергия возбуждения выделяется в виде фотона (кванта электромагнитного излучения) или фонона (квант тепла).
Обратное: ток осуществляется неосновными носителями заряда коих чрезвычайно мало, поэтому ток очень маленький.
Основные носители заряда тянутся полем от барьера, поэтому ток создать не могут.
---------
При подключении внешнего напряжения к диоду, в одном случае электромагнитное поле внешнего напряжения противодействует полю дрейфа(внутренней батареи так сказать), и совпадает с направлением диффузии, получается прорывается барьер и электроны проходят дальше. Соответственно если подключить внешнее напряжение к p-n переходу наоборот, то совпав с полем внутренней батареи(силой дрейфа), поле дрейфа увеличится и не даст пройти электронам.
(с)Kotische & Прокопенко Вадим
