2.8: Альтернативна гіпотеза щодо PN-переходів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30827

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

А тепер для чогось зовсім іншого...

Однією з чудових речей в Інтернеті є те, що ви можете знайти майже все, що на ньому. На відміну від цього, одна з жахливих речей в Інтернеті полягає в тому, що ви можете знайти майже все, що на ньому. Наступне представлено відповідно до диктуму про те, що «Це повинно бути правдою, тому що я бачив це в Інтернеті».

2.8.1: Альтернативна гіпотеза щодо PN-переходів

Для того щоб навчитися проектувати схеми і системи за допомогою транзисторів та інших твердотільних пристроїв, студентам електроніки на своїх курсах розповідають, як функціонують напівпровідники. Досліджено атомну структуру кристалічного кремнію у його внутрішньому та легованому станах. Швидко слідують обговорення рівнів енергії, електронів смуги провідності та виробництва дірок. Незабаром студент стикається з PN-переходом, основним будівельним блоком сучасної електроніки, і дізнається про більшість та меншість носіїв, областях виснаження, бар'єрні потенціали, струм витоку та іншу екзотику. Ця інформація призначена для пояснення того, як дійсно працюють твердотільні пристрої, і це може в кінцевому підсумку звучати досить тупим. Насправді це може здатися настільки складним, що студент припускає, що тільки геній може спроектувати такі пристрої і відводить його або себе на більш низькооплачувану інженерну або технічну роботу. Цього бути не повинно!

Останні дослідження авторів Farcebook виявили деякі вражаючі факти:

1. Напівпровідники насправді не працюють так, як нам усім говорили. Насправді фундаментальна теорія набагато простіше.

2. Ця брехня була сфабрикована та увічнена економічною та політичною елітою, групою людей з м'якими, високооплачуваними роботами; робочі місця настільки легкі у світлі реальної теорії, що навіть керівники хедж-фондів, менеджери хедж-фондів, телевангелісти, телевізійні екстрасенси та інші люди нульової здатності могли зробити це уві сні (ну, добре, керівникам все одно знадобиться армія помічників і телевангелісти продовжували б обурюватися вашим особистим життям, але ви отримуєте загальну думку). Роблячи свої робочі місця звучать важко, ці люди отримують сидіти цілий день, їдять еклери та читаючи Esquire для восьмизначного річного доходу.

Настав час, щоб правду сказати, і ця фарсична бутафорія буде знесена! Як приклад ми побачимо, як насправді працює простий діод.

Отже, ви думаєте, що діод складається з напівпровідникового матеріалу? Подумайте ще раз! Одним з головних дослідників у лабораторіях Белла в 1940-х і 50-х роках був певний доктор Шлокінг. Після декількох експериментів за участю твердотільних діодів доктор Шлокінг написав у своєму щоденнику:

«Цей матеріал взагалі не працює. Краще поверніться до тюбиків, перш ніж вони зможуть мені. Упс, повинен випустити собаку».

Шлокінг часто дошкуляв його собака Мелвін, який нагадував йому невелику самохідну пилову швабру, і який був приблизно таким же чистим. Щоденник продовжувався:

«Якби тільки був спосіб, яким Мелвін міг би себе випустити. Ще краще... якби він не міг повернутися!»

Цей зловісний тон призвів до винаходу Schlocking тепер сумнозвісної односторонньої собачої двері, яку можна побачити встановленою на дні звичайних дверей по всій країні. Шлокінг знав, як доїти ідею, і набрав форму до крайнощів, розробивши двері кота, двері миші, двері коника, двері блохи (рання спроба нашийника від бліх і кліщів) і навіть двері амеби. Цей останній агрегат при правильному проектуванні міг змусити мікроскопічних паразитів і бактерій з організму людини і не дозволити їм знову проникнути. Це зіграло важливу роль у розробці вакцини проти поліомієліту, незважаючи на те, що вакцина була вироблена декількома роками раніше. Однак найбільше досягнення Шлокінга прийшло, коли він зменшив дверцята собачки ще далі, щоб створити електронну двері. Це фундаментальна одиниця сучасної електроніки.

На малюнку нижче ми бачимо перетин діода і крупним планом.

Малюнок\(\PageIndex{1}\)

Навіть при збільшенні 10 000 разів ми все ще не можемо побачити нічого про PN-перехід. Якщо ми підемо трохи далі, у фокус потрапляє щось цікаве (див. Другу цифру).

Малюнок\(\PageIndex{2}\)

Так! PN-перехід - це не що інше, як величезний масив справжніх крихітних односторонніх собачих дверей! Ось як це працює: Електрони дуже схожі на мармур. Коли хтось потрапляє в двері собачки ззаду, двері відкриваються, дозволяючи мармур через (тобто, дозволяючи струму текти). Якщо електрон потрапляє в дверцята собачки спереду, заслінка закривається, і електрон не може пробратися (тобто немає потоку струму). Тепер очевидно, що якщо ми повісимо діод вертикально, гравітація повинна відкрити всі двері, і ми отримаємо багато електронів (тобто потік струму) в будь-якому напрямку. По правді кажучи, справжній діод цього не робить. Його робота не матиме значення від того, як діод орієнтований в просторі. Ця особливість досягається простим додаванням невеликої пружини до петлі дверцята собачки, змушуючи її залишатися закритою перед обличчям тяжіння. Це має негативний побічний ефект, що вимагає дещо вищих рівнів енергії від електронів, щоб змусити двері відкриватися. Ця сила буває бар'єрним потенціалом діода! Це не має нічого спільного з так званими областями виснаження. Якби ви були електроном, чи хотіли б ви пройти через місце, яке називається областю виснаження? Звичайно, ні! Ні електронів. Вони не дурні, знаєте. У будь-якому випадку, чим міцніше пружина, тим більший бар'єрний потенціал. В даний час діоди виготовляються або з кремнію, або германію з бар'єрними потенціалами приблизно 0,7 вольта або 0,3 вольта відповідно. Насправді кремній та германій - це справді кодові слова, що означають сильну весну та слабку весну! На розробку невеликих міцних пружин знадобився деякий час, і саме тому германієві діоди були першими побудованими.

Зверніть увагу, що міцність пружини також відіграє роль у тому, наскільки щільно заслінка може закритися, тим самим вказуючи зворотний струм витоку. Тут ми знову бачимо міцні пружинні «кремнієві» агрегати, що мають меншу витоку. Теорія також вказує, що витік повинен збільшуватися з температурою. Цей ефект добре видно в моделі собачьих дверей. В даний час неможливо створити і раму, і двері з точно одного і того ж матеріалу і таким чином існують два різних коефіцієнта розширення. Оскільки заслінка менша за кадр, вона, як правило, згорнеться при більш високих температурах, дозволяючи більшій кількості електронів пробиратися через прогалини. При дуже низьких температурах заслінка, як правило, прилипає до рами майже так само, як ваш язик або губи прилипають до металевого прапорця в морозну погоду (також відомий як явище різдвяної історії).

При дуже високих рівнях енергії вперед стулки можуть бути буквально відірвані з петель. Цей великий обсяг електронів при високій енергії дасть максимальний прямий струм. Також зверніть увагу, що якщо рівень енергії досить високий у зворотному напрямку, або стулки будуть зігнуті і проштовхнуті через рамки, або вони почнуть сильно відскакувати при резонансі, пропускаючи електрони. Ці два режими позначаються як лавинна і стабілітронікова провідність відповідно. Необхідний рівень енергії вказує на зворотну напругу пробою.

Інші тонкі моменти можна пояснити однаково моделлю собачих дверей, а також біполярними та польовими транзисторами, IGBT та майже всім іншим у галузі твердотільної електроніки, за винятком оригінальних логічних воріт TTL серії 7400, які використовували масив дрібних, їстівних грибів та мініатюрні комбайнові мурахи.

Детальніше про це в майбутньому викритті.