Всем привет.
На днях в сотый раз решил попробовать разобраться с тем, как работает транзистор, и обнаружил, что не знаю, как работает p-n переход.
Погуглил, но не помогло.
Знаете ли вы, как он работает? И если да - можете ли объяснить это всем здесь?
А если не знаете - знает ли вообще современная наука ответ на этот вопрос?

Заранее спасибо всем, кто примет участие в этом обсуждении.
Своим бывшим (закончившим физфак) сокурсникам задавал этот вопрос - никто мне так и не смог объяснить...

* Только не давайте ссылок, лучше своими словами объясните

Если учебник совсем тяжело читать, вот тут простыми словами хорошо описано - http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/134373/

Я это уже читал.
Не прокатило.
Я же просил, без ссылок, своими словами.

Хмм, какой-то троллинг имхо. Даже и в википедии написано вполне понятно.
Но попробую объяснить своими словами, мне не жалко.
Итак, в обычном полупроводнике концентрации электронов и дырок, которые могут нести ток, равны и довольно малы. Но кусок полупроводника можно обработать таким образом, чтобы в нем значительно повысилась концентрация свободных электронов (тогда его называют полупроводником n-типа) или дырок (тогда это полупроводник p-типа). При этом полупроводник остается электрически нейтральным (заряды электронов и дырок скомпенсированы зарядами ионов). Если два таких куска соединить вместе, то диффузия приведет к тому, что электроны из n-полупроводника будут перетекать в p-полупроводник, где будут рекомбинировать с дырками и наоборот. В результате у границы двух областей возникнет область с нескомпенсированным зарядом ионов (положительным в n-полупроводнике и отрицательным в p.) Эти ионы будут создавать электрическое поле, которое будет противодействовать дальнейшей диффузии (положительно заряженные дырки будут отталкиваться положительно заряженными ионами), и в итоге установится равновесие, когда никакие заряды никуда течь не будут, а будет поле. Теперь если приложить напряжение так, что оно будет создавать поле, сонаправленное с полем, созданным ионами, то ток течь по-прежнему не будет. Это обратное смещение (+ прикладывается к n-области, - к p-области). А если приложить достаточно большое напряжение другой полярности (прямое смещение), то в какой-то момент оно превысит разность потенциалов, созданную ионами, и потечет ток, если уж совсем на пальцах.

Спасибо Вам за ответ, у меня тут как раз назрело несколько вопросов в ходе чтения википедии.
Я изложу сейчас то, как я вижу этот процесс, с парой вопросов по ходу.

Получаем n-полупроводник: смешиваем в кастрюле много кремния и очень мало фосфора. В итоге получаем, что фосфор прогибается под кремний, и встраивается в его кристаллическую решетку. Поскольку фосфор расположен сразу после кремния в таблице, то энергетические уровни валентных электронов фосфора и валентных электронов кремния - совпадают, и со встраиванием их в единую решетку не будет никаких сложностей. Не знаю, что бы было, если бы смешали кремний и мышьяк (у которого валентные электроны на других оболочках) - как бы он там встроился или не встроился вообще... Можно пока оставить этот вопрос за скобками.

(Кстати, наверное, у электронов кристаллической решетки, в отличие от валентных электронов, уже другие уровни энергии. В данном случае можно это оставить за скобками, но чисто так, если подумать - наверняка уровни электронов как-то видоизменяются при встраивании в решетку)

Смешали. В итоге, лишний электрон фосфора не участвует в кристаллической решетке, но до сих пор привязан к ядру фосфора, и обладает той же самой энергией валентности.

Поскольку фосфор - полупроводник, то его зоны валентности и проводимости близки. При комнатной температуре все эти лишние электроны переходят в зону проводимости.
Остальные электроны, которые участвуют в кристаллической решетке, не могут перейти в зону проводимости, потому что решетка их крепко держит.

В p-полупроводнике - похожее, только там валентного электрона, наоборот, не хватает, и это эквивалентно образованию "дырки" (чисто абстрактное понятие).
Его получают, скажем, смешивая в кастрюле много кремния и очень мало еще какого-нибудь подходящего трехвалентного полупроводника (теперь уже не знаю, сможет ли он встроиться в решетку кремния легко и безболезненно).

Соединяем p-полупроводник и n-полупроводник вместе.
Поскольку оба полупроводника основаны на кремнии, то энергетические уровни решетки в них совпадают.

Под действием броуновского движения, лишние электроны из n-полупроводника переходят в p-полупроводник, и соединяются там с дырками.
А ядра, потерявшие эти электроны, никуда не деваются, и поэтому образуются положительные ионы фосфора и отрицательные ионы трехвалентного примесного полупроводника, которые создают электростатическое поле, препятствующее тепловому перемещению электронов в область дырок.

Соединим проводами такой p-n переход с батарейкой (плюс к p, минус к n).

Электроны выходят из отрицательного полюса батарейки.

Сразу попутно вопрос: каким образом электроны переходят из одного металла в другой?
Провод может быть медным, аллюминиевым, стальным - каким угодно.
Для того, чтобы электрон вошел из одного провода в другой провод, он должен обладать энергией, не меньшей энергии зоны проводимости того провода, в который входит.
Получается, у всех металлов зоны проводимости начинаются на одной высоте?
Иначе, если бы мы соединили один металл с другим, некоторые электроны из первого во второй могли бы и не пойти, так как им бы не хватало энергии на этот переход.
Правильно ли я здесь рассуждаю?

Идем дальше: электроны вышли из минуса батарейки, и вошли в проводник.
Дальше они идут по нему, до n-полупроводника.
И опять им нужно выйти из провода и войти в полупроводник.
Возникает такой же вопрос: всегда ли им хватает на это энергии?
Может ли случиться так, что зона проводимости провода лежит ниже зоны проводимости n-полупроводника, и электроны из провода в полупроводник будут идти с затруднением?

Идем дальше: электроны вошли из провода в n-полупроводник.
Идут по нему, и подходят к границе с p-полупроводником.
Поскольку батарейка создает поле, противоположное запирающему полю, то это запирающее поле слабеет, и электроны снова могут идти в область дырок (под действием поля батарейки).
Приходя в область дырок, они соединяются с ними.

Казалось бы, на этом ток мог благополучно прекратиться, и запирающее поле еще более укрепилось бы.
Однако, поскольку у нас в цепи есть движущее напряжение батарейки, то эти соединившиеся с дырками электроны продолжают идти своим путем, перескакивая с одной дырки на другую (как в игре "пятнашки").
Электроны будут переходить из одной дырки в другую, продолжая течь под действием приложенного напряжения, и область стыка обедняться не будет.
Дойдя до края p-полупроводника, электроны переходят обратно в провод, и обратно в батарейку.

Теперь подключим батарейку по-другому: плюс к n-полупроводнику, минус к p-полупроводнику.

Электрон выходит из минуса батарейки, входит в провод.
Идет по проводу, входит в p-полупроводник.
Под действием поля батарейки электрон идет по дыркам до p-n перехода.
На переходе он не может пройти, так как там нет свободных дырок, по которым можно было бы "проскочить" (все дырки на стыке забиты электронами из n-полупроводника, постоянно диффундирующими в область дырок под действием тепла).
И поэтому ток в цепи не идет.
Если же напряжение батарейки сделать очень сильным, то под таким встречным напряжением электроны из n-области в конце концов не смогут диффундировать в область дырок на стыке, и тогда по освободившимся дыркам сразу потечет в цепи ток - наступит "пробой".

Правильно ли я все описал?

Сообщение отредактировал kuchumovn - 8.2.2012, 20:41

На тему моего же вопроса о том, как электроны умудряются перемещаться из одного проводника в другой в цепи - один друг ответил:



ок, меня это объяснение всем устраивает.

Сообщение отредактировал kuchumovn - 9.2.2012, 23:28

Прекрасно. Только делокализация электронов - не обязательная часть-постулат модели, несколько затеняющая общность процессов.
Разные уровни потенциальной энергии имеют разные координаты в пространстве, поэтому переход электронов между ними всегда является перемещением в пространстве. Электроны всегда самопроизвольно переходят-падают с более высоких уровней на соседние свободные более низкие. Это их "естественное" движение. Если при этом они не теряют свою энергию (иногда такое случается), то тут же сами возвращаются назад, и исходная ситуация повторяется, приводя к колебаниям электрона вокруг точки равновесия. Но чаще они отдают энергию волнам световым-электромагнитным или звуковым-электронным и не могут вернуться назад, пока другие волны не помогут им своей энергией. Поскольку в веществе при ненулевой температуре всегда есть такие волны, то многие электроны время от времени оказываются на более высоких уровнях, чтобы через короткое время опять опуститься вниз. Устанавливается некоторое распределение электронов по энергиям, разное в разных веществах и из-за разного распрелеления-конфигурации свободных и занятых электронами уровней энергии, и из-за разного распрелеления-конфигурации волн в пространстве.
При контакте веществ электроны в среднем сдвигаются в сторону вещества с меньшей средней энергией электронов в нем, поэтому это вещество заряжается отрицательно, останавливая дальнейший переход электронов. А дальше электроны ведут себя в зависимости от их концентрации в веществах. Если количество подвижных электронов в веществе велико, то они легко переходят-"туннелируют" в обе стороны по тем же правилам при соответствующем изменении потенциалов на переходе, и практически не замечают его. Если же их количество мало, то они ведут себя в зависимости от их распределения по уровням, что и послужило предлогом для замены представления о некоторых электронах представлением о "дырках". В pn-переходе электроны и дырки могут легко перемещаться только навстречу друг другу ("+" на полупроводнике "р"-типа, "-" на полупроводнике "п"-типа), туннелмруя из металла электродов. В противоположном направлении двигаться не могут, так как уходят в электроды, а в другой стороне их очень мало в полупроводнике противополложного типа проводимости. Но при росте запирающего напряжения все большая часть этого малого количества доходит до перехода и уносится ним. Кроме того, уменьшается ширина "нейтральной" средней части pn-перехода, заполненной ранее рекомбинировавшими электронами и дырками, и начинается туннелирование носителей через сузившийся переход, а при дальнейшем повышении напряжения - и размножение достаточно энергичных носителей и лавинный пробой перехода. Все токи склонны к "шнурованию" - боковому сжатию, прямой меньше, обратные больше в основном за счет локального разогрева, генерации носителей и повышения электропроводности полупроводника. ТермоЭДС и эффекты Пельтье возникают не в самом переходе, а вблизи от него из-за разного распределения электронов по энергиям по разные стороны перехода.

Сообщение отредактировал АИД - 10.2.2012, 13:37

Ничего не понял. Что значит "уменьшается ширина нейтральной средней части"? Во-первых, средняя часть как раз заряжена ионами, а нейтрально все остальное. Во-вторых, ширина этой заряженной средней части (обедненного слоя) увеличивается при увеличении обратного напряжения. Зинеровское туннелирование же возникает, когда ширина обедненного слоя мала из-за большой концентрации примесей. Из-за того что слой узкий, электрическое поле получается настолько большим, что вызывает ионизацию и высвободившиеся электроны и дырки дают ток. А если концентрация примесей не очень велика, обедненный слой широкий, и лавинный пробой начинается прежде Зинера.
2 kuchumovn
Отвечу позже, сейчас времени нет.

Сообщение отредактировал Iskander - 10.2.2012, 16:35

Отлично встраивается. Мышьяк активно используется в качестве донорной примеси. Есть технологические нюансы, но для локального легирования мышьяк в каком-то смысле даже предпочтительнее.
Спектры электронов в атомах и в твердом теле конечно же абсолютно разные, если ты это имеешь в виду. В твердом теле зоны, а в атомах дискретные уровни.
Зоны валентности и проводимости фосфора тут не имеют значения, потому что решетка состоит из кремния. Введение в нее атома фосфора приводит к появлению уровня чуть ниже зоны проводимости. При комнатной температуре электрон перебрасывается с этого уровня в зону проводимости тепловыми флуктуациями.
Если бы совпадали, то диод нельзя было бы сделать. В n-полупроводнике уровни сдвинуты вниз, а в p-полупроводнике вверх относительно энергии Ферми.
Под действием диффузии, а не броуновского движения. Это все-таки разные вещи. И дырки точно так же переходят в n-полупроводник и соединяются там с электронами.Опять неточность в терминах. Примесным полупроводником называется кремний, легированный донорными или акцепторными примесями, в противоположность собственному (intrinsic) полупроводнику (тому же кремнию, но не легированному ничем).

Контакты металл-полупроводник это отдельная тема. В зависимости от концентрации носителей в полупроводнике, может быть два случая: омический контакт или диод Шоттки. В первом случае барьера нет, и электроны перетекают без проблем, во-втором барьер есть и электроны перетекают с проблемами Ну то есть там образуется обедненный слой, целиком лежащий в полупроводнике (в металле электронов слишком много), и получается еще один диод (вдобавок к тому, который в p-n переходе). Когда делают реальные девайсы, конечно принимают меры, чтобы лишних диодов не было и делают омические контакты.
Под действием диффузии. Запирающее поле слабеет, но никогда не поворачивается в другую сторону. Обедненный слой всегда остается, и в самом контакте поле всегда направлено против тока.
Это не совсем так. В первом приближении все напряжение падает на обедненном слое. Ток в квазинейтральных областях (т.е. везде кроме обедненного слоя) поддерживается за счет инжекции носителей из батарейки.
Примерно так. За исключением опять же того, что дело не в поле батарейки, а в инжекции носителей.
Здесь ошибка. Обратное напряжение имеет ту же полярность, что и контактный потенциал, поэтому электронов продиффундирует на самом деле больше, и обедненный слой будет увеличиваться с увеличением напряжения. Но при этом, из-за тепловой генерации носителей будет всегда течь небольшой ток: если в обедненном слое сформировалась пара электрон-дырка, то электрон будет тут же притянут полем в n-область (там положительно заряженные ионы), а дырка в p (там отрицательные). Если напряжение достаточно большое, то обедненный слой достаточно широкий, и электрон за то время пока летит в n-область, может приобрести энергию, достаточную для того, чтобы выбить другие электроны. Тогда и возникнет лавинный пробой. Другой механизм пробоя - зинеровское туннелирование, о котором я писал выше.
Как-то так p-n переход и работает

Сообщение отредактировал Iskander - 11.2.2012, 2:55

Вся ли заряжена, а если заряжена, то какими ионами и какого знака?Вопрос тот же.И при микровольтах в прямом направлении?
Нет вопросов.

Вся заряжена: положительными донорами в n-части и отрицательными акцепторами в p.

Ответ тот же.

В обычных диодах нет, там небольшой ток из-за рекомбинации.

А в туннельных?


Сообщение отредактировал АИД - 12.2.2012, 9:28

В туннельных туннелирование, вызванное большим запирающим напряжением. Но это вроде уже следующий уровень, мы тут говорили про обычные диоды?

Ладно.

Здравствуйте,

Хвала богам, что сущесвует такой замечательный форум и такая замечательнейшая тема.

Пожалуйста позвольте мне так же задать вопрос по PN-переходу, очень очень хочу понять, как же он работает.

Легирование полупроводника атомамми доноров и акцепторов можно опустить и сразу прейти к рассмотрению оброзования PN-перехода при технологическом обьединеии двух кристаллов полупроводника с разным типом проводимости:

Соединили два кристалика и вот тут началось: "Свободные" электроны атомов донора и собсвенные "свободные" электроны полупроводника (временные "свободные" электроны, которые получили порцию энергии - их меньшинство) начинают под дейстием градиента концентрации электронов двиаться в сторону, где концентрация "свободных" электронов меньше, то есть "свободные" электроны начинают перемещаться в N-область, рекомбинирую с дырками, то есть занимая разорвонную ковлентную связь в атоме полупроводника, то есть "дырку" (которая оброзовалась, когда атом акцептор перетенул на себя электрон).

И далее как я понимаю:

В N-области из за покинувших ее "свободных" электронов появляються положительные ионы доноров - образую обьемный положительных заряд, который должен притягивать электроны:

- электроны или ушедшие в P-область
-или "свободные" электроны, которые есть в N-области.

Но если бы электроны притягивались положительными ионами доноров, то тогда бы объемный положительный заряд превращался в нейтральный и никакого PN - переходы бы не было. Но PN-преход существует, и вот я не могу понять каким образом такое может быть ? Или это это какой то непрерывно динамический процесс двыижения элекронов туда-сюда, но тогда бы PN-переход не обладал бы электроческим полем, по крайней мере более менее стационарным.

Великодушно прошу пожалуйста помочь с обьяснением.

Сообщение отредактировал Android - 11.7.2012, 10:19

В p-область.

А он и притягивает. Вот только диффузию-то никто не отменял. В равновесии электростатическое поле компенсируется диффузией.

Сообщение отредактировал Iskander - 11.7.2012, 12:50

Спасибо за ответ.

1)Но все таки получаеться, электроны "уходят" из N-области в P-область, образуеться электрическое поле нескомпенированных доноров и акцепторов, электрон притягиваеться положительным зарядом N-области, тем самым уменьшая положительный заряд и ка кследствие силу электрического поля PN-прехода.


2)И все таки какие электроны притягиваються положительным зарядлм N-области - те, что ушли в P-область, или те которые были в N-области ?

1) Поток электронов и дырок равен сумме потоков, вызванных диффузией и электрическим полем. Эти два потока имеют разный знак, в равновесии суммарный поток равен нулю.
2) Все электроны, которые находятся в области действия поля. Поле равно нулю за пределами обедненного слоя, и в простейшем приближении линейно возрастает до максимума на контакте p-полупроводника и n-полупроводника. С другой стороны в этом же приближении считается, что в обедненном слое никаких электронов уже нет. То есть в состоянии равновесия поле ничего не притягивает.

Сообщение отредактировал Iskander - 11.7.2012, 13:59

По другому задам вопрос: Почему "свободные" электроны N-области посредством дфиффузии не устремляються в положительную часть N-область, тоесть туда где недостаток электронов (положительный объемный заряд)?

А куда направлено поле в этой области?