p-n Переход (электронно-дырочный переход)

[Kotische]

1)Кака сила заставляет Электроны из n-области перемещатсья в P-область, при том, что образующийся положительный потенциал должен прпятсвовть уходу этих электронов.

Почему же они все таки уходят в p-область и почему не возвращаються обратно ?

Допустим, Ты бросил мяч вверх.
После того как мяч покинул твою руку, единственная сила которая на него действует (если пренебречь сопротивлением воздуха) - сила всемирного тяготения ТЯНУЩАЯ МЯЧ ВНИЗ!
Однако мяч ЛЕТИТ ВВЕРХ и может улететь на некоторую (весьма значительную) высоту!
Так какая сила заставляет мячь подниматься на 10 метров в высоту?!
НИКАКАЯ!!! Его заставляет подниматься СКОРОСТЬ, а точнее кинетическая энергия!

Наоборот, СИЛА всемирного тяготения НЕ ПОЗВОЛЯЕТ мячу улететь нахер (в космос).

В процессе подъема мяча происходит обмен кинетической энергии (скорость) на потенциальную (высоту).

У электрона всё точно так же!
Тепловое хаотическое движение сообщает электрону скорость - кинетическую энергию - являющуюся функцией температуры.
А пространственный заряд создает тормозящее поле мешающее электрону беспрепятственно диффундировать.
По мере движения против электрического поля электрон теряет кинетическую энергию, но приобретает потенциальную.
Когда вся кинетическая энергия электрона превратится в потенциальную, он остановится, а потом поле начнет разгонять его и бросит обратно в n-область.
Поскольку процесс стационарный (нигде не происходит накопления зарядов), оба процесса находятся в равновесии, и электрон летает туды-сюды, то в n-область то в p-область.

[Lander]

"летает туды-сюды, то в n-область то в p-область."


Воооот Я думал он диффузировал в p-область и там остался !

Теперь и пока понятно

Пойду читать дальше

[Kotische]

Я думал он диффузировал в p-область и там остался !

С первыми электронами/дырками так и происходит, они там остаются и создают объемный заряд.
Но те кто идут за ними следом, уже ощущают на себе действие поля пространственного заряда,
и им там остаться уже не удается, они мотаются туды-сюды.

[Lander]

Так какая сила удерживает Электроны которые создают объемный заряд ??

1)Положительный заряд (силя тежести земли) должа приятнуть эти электроны (мяч у которого киническая энергия израсходована). Мячь должен упасть, а электроны вернуться на свое "место".

Почему не возвращаются ?


2)Кстати еще появился интересный вопрос - почему тогда остальные Электроны в n-области, не стремяться зантья положительные ионы Доноров ??

[Kotische]

Электрон сгинет в p-зоне не просто так, он рекомбинирует с дыркой.
При рекомбинации выделяется энергия потраченная на создание электронно-дырочной пары - порядка ширины запрещенной зоны. Именно глубина этой потенциальной ямы и удерживает электрон в p-зоне.

Кстати, p-зона может удерживать в себе не любое количество электронов, а строго равное количеству внесенных атомов примеси - акцептора.
На орбите атома акцептора электрон удерживается энергией спинового взаимодействия.
Два электрона со спаренными спинами обладают меньшей энергией чем два независимых электрона, что создаёт потенциальную яму удерживающую электрон на орбите.

По сути, все электроны создающие объемны заряд сидят захваченные соответствующими атомами бора.
При этом в узкой зоне кристалла наблюдается примесное истощение - все атомы примеси ионизированы,
и зона между p и n является зоной лишенной свободных носителей заряда - изолятором!

[Lander]

Спасио большое ну вроде боее менее понятно.

Но появился еще интересный вопрос - почему тогда остальные Электроны в n-области, не стремяться занть положительные ионы Доноров ??

Могу конечно предположить, что им мешает отрицательный заряд из P-области, но почему он сильнее, чем положительный тогда. Ведь положительный заряд ближе

[Kotische]

Подправил/дополнил предыдущий ответ.

Но появился еще интересный вопрос - почему тогда остальные Электроны в n-области, не стремяться занть положительные ионы Доноров ??

При абсолютном нуле температуры они их и занимают!
При этом все свободные электроны связываются с ионами донорной примеси и полупроводник превращается в изолятор.

Но "горячий" электрон с температурой 300*К не может там удержаться. Глубина потенциальной ямы слишком мала.
Оно пролетает её не заметив, как автомобиль летящий на большой скорости не замечает маленькой выбоинки в асфальте.

[Lander]

Но положительный объемный заряд существует ? Существует.

Значит Электроны просто обязаны туда стремиться ! Но из того участа n-полупроводника откуда они ушли также оразуеться положительный заряд, то есть весь n-полупроводник должен ходить ходуном туда-суда ??

[Kotische]

Да, весь полупроводник ходит туда-сюда.
Но не только р-область, но и n-область!
Дырки точно так же диффунидируют и отражаются полем пространственного заряда.
И в силу хаотичности теплового движения этот ток идет не туда - сюда,
а одновременно существуют 4 независимых тока:
диффузионный ток электронов из n в p,
диффузионный ток дырок из p в n,
обратный ток проводимости электронов из p в n,
обратный ток проводимости дырок из n в p.
Все они существуют одновременно и друг друга уравновешивают.

[Lander]

Здравствуйте,

1)"Дырки точно так же диффунидируют и отражаются полем пространственного заряда." (с)


Но реально (без приявязки к энергетическим диаграмам) физически разорванные связи (дырки), ни куда не диффундируют они заплняються электронами из n-области, а дрыки в N-области появляються лишь потому, что оттуда ушли электроны. Ведь так ?


2)"диффузионный ток дырок из p в n" (с)

И реально физически никакого тока дырок в данном расматриваемом случае (барьер PN-перехода) никакого тока дырок нет, есть только ток в одну сторону из n-области в p-область Донорных электронов. Ведь так так????


3)Вообще логично предположить если система такая шаткая и "ходит" туда-сюда, то никакого стационраного энергетического барьера на граниуе PN-перехода не должно быть.

[Kotische]

Но реально (без приявязки к энергетическим диаграмам) физически разорванные связи (дырки), ни куда не диффундируют они заплняються электронами из n-области, а дрыки в N-области появляються лишь потому, что оттуда ушли электроны. Ведь так ?

Формально - да.
Но следить только за одними электронами очень неудобно.
Если рассматривать pn-переход, только с точки зрения движения одних электронов,
это настолько неподъемно сложная задача, что даже и вникать не хочется.

И реально физически никакого тока дырок в данном расматриваемом случае (барьер PN-перехода) никакого тока дырок нет, есть только ток в одну сторону из n-области в p-область

Да.

Донорных электронов. Ведь так так????

Нет. Не донорных, а просто электронов!
Донорные электроны обладают ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГИЕЙ, и к распространению дырок не имеют вообще никакого отношения.
Если хочешь обойтись без дырок, то будь добр следить ЗА КАЖДЫМ электроном в кристалле с учетом его энергии,
потому что от его энергии зависит как он может двигться, а как не может.

3)Вообще логично предположить если система такая шаткая и "ходит" туда-сюда, то никакого стационраного энергетического барьера на граниуе PN-перехода не должно быть.

Ну здрасти приехали.
Вот течет река, на реке плотина, до плотины уровень воды один, после плотины другой.
И хотя вода непрерывно течет, и сверху и снизу, а в некотором узком промежутке даже стремительно падает,
как то язык не поворачивается сделать вывод, что плотина не существент.

[Lander]

Нет. Не донорных, а просто электронов!
Донорные электроны обладают ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГИЕЙ, и к распространению дырок не имеют вообще никакого отношения.
Если хочешь обойтись без дырок, то будь добр следить ЗА КАЖДЫМ электроном в кристалле с учетом его энергии,
потому что от его энергии зависит как он может двигться, а как не может.[

Неужели электироны из ковалентных связей n-полупроводника, которые обладают меньшей энергией, чем 5 электрон атома Донора, которому нужно меньше энергии, чтобы покинуть атом, чем остальным электронам, неужели они будут разрываться связь и диффундировать в p-полупроводник ???


2) У платины можно поставить мотор, и платина буде его вращать, пока сущесвует платина

А можно тогда в PN-переходу, который обладает напряжением в среднем около 0.3 В - приделать микроконтакты и подключить светодиодик ?? И он будет гореть вечно

[Kotische]

Неужели электироны из ковалентных связей n-полупроводника, которые обладают меньшей энергией, чем 5 электрон атома Донора, которому нужно меньше энергии, чтобы покинуть атом, чем остальным электронам, неужели они будут разрываться связь и диффундировать в p-полупроводник ???

Если там будет свободное место куда можно прыгать то будут.

2) У платины можно поставить мотор, и платина буде его вращать, пока сущесвует платина

Ну раз пошел стёб, значит вопросы по существу закончились и можно дискуссию сворачивать?

А можно тогда в PN-переходу, который обладает напряжением в среднем около 0.3 В - приделать микроконтакты и подключить светодиодик ?? И он будет гореть вечно

Да будет, но никаких контактов приделывать не надо. Любая рекомбнировавшая электронно дырочная пара выделяет квант света, поэтому твой pn-переход будет светиться вечно, пока его температура выше абсолютного нуля. В полном соответствии с законом Планка.
Правда энергии 0.3эВ соответствует ну очень далекий инфракрасный свет, так что свечение это ты вряд ли увидишь.

[Lander]

Никаого стеба!!!

"Если там будет свободное место куда можно прыгать - то будут." (с)

Но если есть свободное место, то какова вероятность, что туда прыгнет элкектрон которому надо разорвать ковалентную связь, который обладает меньшей энергией, по сравнению с пятым электроном Донора, который обладает большей энергией и более подвижен ??

[Kotische]

какова вероятность... ??

Ну если речь таки зашла о вероятностях...
Кури Уравнение Шрёдингера! http://ru.wikipedia.org/wiki/Уравнение_Шрёдингера
Там функция как раз вероятность и характеризует.
Ответом на твой вопрос будет вероятность туннелирования из одного квантового состояния в другое.

Так вот как это не парадоксально, верятность туннелирования электрона с низкой энергией может быть гораздо выше, чем электрона с энергией высокой.

элкектрон которому надо разорвать ковалентную связь

Ещё раз повторяю, если есть место куда прыгать, то "разрыв связи" происходит без затрат энергии!

[Lander]

Спасибо!

Нет все таки хочу понять, почему же выделяют именно стационарный обьемный заряд на границе PN-перехода:

Рассмотрим только n-часть - часть электронов диффундировали в p-область и там остались (ну и фиг с ними) образовался положителный обьемный заряд. Стационарный/постоянный. Так почему же электроны из той же n-части не стремяться к положительному полюсу, нарушая и разрушая этот обьемный положительный заряд, разрушая тем самым энергетический барьер на границе PN-перехода ???

[Kotische]

Lander, на счет того что и куда может двигаться,
вот тебе информация для размышления:
Полупроводник НИЧЕМ принципиально не отличается от диэлектрика (изолятора).
Отличия там не качественные, а количественные.
Различие между ПП и изолятором ТОЛЬКО в ширине запрещенной зоны!

[Kotische]

Нет все таки хочу понять, почему же выделяют именно стационарный обьемный заряд на границе PN-перехода:

Рассмотрим только n-часть - часть электронов диффундировали в p-область и там остались (ну и фиг с ними) образовался положителный обьемный заряд. Стационарный/постоянный. Так почему же электроны из той же n-части не стремяться к положительному полюсу, нарушая и разрушая этот обьемный положительный заряд, разрушая тем самым энергетический барьер на границе PN-перехода ???

Вот представь, наклонная плоскость (допустим овраг) и ты стоишь на стенке этого оврага.
Естественно сила тяжести тянет тебя в низ, и ты того и гляди скатишся кубарем на дно оврага.

Но на дне оврага находится мощный пажарный банспойт, который пускает вверх могучую струю пены,
которая бъет тебе в грудь, и толкает тебя вверх.

Так вот поток пены - диффузионный ток,
а гравитация+наклонная плоскость - электрическое поле объемного заряда.

Когда обе силы уравновешивают друг друга ты можешь стоять на наклонной стенке оврага не прилагая сил.

Так и в pn-переходе, диффузионный ток и ток проводимости уравновешивают друг друга с высокой точностью.

Бранспойт (тепловое движение) постоянно закидывает электроны вверх (на потенциальный барьер),
и гравитация (электрическое поле) тянет их вниз.
Возникают два направленных навстречу друг другу потока (тока).

Так что ничто не мешает электронам стекать вниз и уменьшать пространственный заряд, и они это делают,
и пространственный заряд постоянно рассасывается. Но бранспойт (тепловое движение) постоянно подкидвает наверх всё новые и новые электроны. Посколько ВСРЕДНЕМ потоки равны, то со стороны кажется что барьер стоит незыблемым.

Кстати, барьер совсем не является незыблемым!
С изменением температуры интенсивность хаотического движения меняется и электроны закидываются на барьер с другой интенсивностью, что приводит к изменению величины пространственного заряда и как следствие высоты барьера (барьерного потенциала), что успешно используется в диодных датчиках температуры!

Вот формула зависимости величины барьерного потенциалла от температуры:

видно, что произведение qU = 2*kT
где qU - потенциальная энергия электрона в поле объемного заряда, а kT - средняя кинетическая энергия теплового движения.

[Lander]

Спасибо!

Позвольте рассмотреть PN-переход




при обратном включении напряжения:




Соовтесвенно Минус источника питания подключен к P-области, Плюс к N-области. И вот тут я опять непонимаю

1)Как начинают двигаться заряды. Почему потенциальнй барьер расширяеться ?

Ну можно предположить что часть "свободных" электронов из N-области уходят на "+" питания батарейки. Но тогда из Минуса батарейки должно выйти такое же кол-во электронов, но в P-области нет "Свободных" электронов ... и все я путаюсь.

2)И неонимаю про обратный ток, понятно, что он вызван неосновными носителми зарядами в соответвующих P и N облостях полупроводника, но вот если рассмотреть неосновной носитель заряда "свободный" электрон в P-области - он под действием поля стремиться к плюсу батарейки, но как он пройдет область обьемнгого положительно заряда в N-области, ведь там нет "свободных" электронов ???

[Gudd-Head]

Почему потенциальнй барьер расширяеться ?

Потому что дырки притягиваются к "-", а электроны — к "+". Между ними как бы "ничего нет", т.е. барьер.