Přechod PN zapojený v... závěrném směru...?
Moje nepochopení vůči přechdu PN, zapojenému ve všech možných směrech, vyvrcholila v poslední zahalený bod: uprostřed přechodu v místě styku polovodičů tipu P a N je stacionární elektrické pole tvořené nepohyblivými ionty. Anionty (P) tvořené prvky 3.A skupiny, obohacené o jeden elektron, a kationty (N) z prvků 5.A skupiny, které jsou zas o elektron ochuzeny. Proč se tedy elektrony v místě styku nepřesypou od 'přesycených' aniontů k 'hladovým' kationtům??
Odpovědi
Diskuze
zběžně jsem prolítla i tvůj minulí dotaz takže předpokládám že víš že se nejedná o anionty a kationty. Taky předpokládám že tvoje prohození P a N v této otázce je jen chyba ze zmotanosti :D a že víš že je to obráceně (tedy polovodiče typu P jenž jsou jak píšeš tvořeny prvky III. skupiny jdou "kladně nabité" díry a N nejsou kladné ale záporně nabité (protože jeden elektron přebívá zatímco u děr chybí))
Předpokládám taky že zapojení v propustném směru chápeš. V závěrném směru je N zapojeno u + a naopak, záporné elektrony tedy chtějí putovat směrem ke kladnému pólu a díry "chtějí putovat" k zápornému polu, mezi nimi je tím pádem ovšem "mezera" hradlová vrstava - která má v tuto chvíli velký odpor - podle vzorce U=RI tedy neprochází žádný (nebo zanedbatelný proud). Pokud není dioda zapojená elektrony se bez proudu nenaskáčou do děr aby se z polovodiče stal vodič.
U polovodiče typu N je situace jiná. Zde jako příměsi slouží prvky 5. skupiny s 5 elektrony. Ty vytvoří s křemíkem 4 kovalentní vazby, 5. elektron přejde na orbital d (hybridizace sp3d), kde zůstane nespárován. Nespárovaný elektron je jednak energeticky bohatší i díky tomu, že je na orbitalu d, a tudíž se velmi snadno uvolní. Při chaotickém pohybu v mřížce přejde rozhraní, kde je zachycen nepárovým elektronem na neúplně zaplněném orbitalu. Oblast, ze které byl vypuzen, získala kladný náboj. Tak vznikne na přechodu P-N napěťový spád. Na straně polovodiče N je kladný náboj, na straně polovodiče P je záporný náboj. V oblasti nejsou žádné snadno uvolnitelné elektrony z těchto majoritních nosičů náboje. Pokud teď na polovodič typu N přivedeme elektrony, budou zaplňovat místa po uvolněných elektronech v oblasti přechodu, protože jsou přitahovány kladným napětím, které tam vzniklo uvolněnými nevazebnými elektrony. Zánikem kladného náboje N-polovodiče v oblasti přechodu se mohou elektrony, které zapnily díry v polovodiči P v oblasti přechodu, pohybovat hlouběji do krystalu, až se dostanou ke kladně nabité elektrodě. Vnější pole je v tomto případě v souhlasu se spontánním polem, vzniklým v oblasti přechodu.
Když vnější napětí otočíme a přiložíme zápornou elektrodu na polovodič typu P, budou přivedené elektrony odpuzovány oblastí záporného náboje u přechodu. Pro elektrony, které přešly z oblasti N do oblasti P spontánně, je zpětný přechod energeticky nevýhodný, v polovodiči typu P jsou vázány pevněji, mají menší energii. Pokud mají přejít do oblasti, kde budou mít větší energii, musí jim být dodána, třeba vnějším polem - napětím, při kterém dojde k průrazu přechodu.
Nevím, jestli jsi se už setkal s teorií molekulových orbitalů. Pokud ano, pak připomenu - kombinací valenčních atomových orbitalů vznikají vazebné, nevazebné a antivazebné orbitaly. Energie elektronu v těchto oblastech roste od vazebných přes nevazebné až k antivazebným orbitalům. Orbitaly se zaplňují postupně tak, že nejprve se zaplní vazebné orbitaly, pak se zaplňují antivazebné orbitaly. Nevazebné orbitaly se nekombinují s orbitaly jiného atomu a jejich energie se přítomností okolních atomů mění jen velmi málo. V P-polovodiči tedy existuje nezapněný vazebný orbital, což je právě ona díra. Do ní zapadne volný elektron a vytvoří s elektronem křemíku elektronový pár, který se pohybuje na vazebném orbitalu. Tato situace je energeticky natolik výhodná, že dokáže vytvořit poměrně pevný záporně nabitý iont i ve vodném roztoku pomocí vazby donor-akceptor.V polovodiči typu P tedy většina elektronů přeskakuje mezi těmito místy. V místě přiložené kladné elektrody, elektroda odchytává elektrony v okamžiku přeskoku. Na přechodu vzniká napěťový spád proto, že nevazebné elektrony z polovodiče typu N mohou přecházet do polovodiče typu P, kde jsou zachyceny a vázány podsatně pevněji - energeticky výhodněji, jejich energie je menší než byla v neutrálním polovodiči typu N. Samovolně proto nemohou zpět, stejně jako voda neteče do kopce, každý systém se snaží dostat do stavu, kdy má nejmenší energii. Zaplnění volných míst v polovodiči typu N brání blízká oblast se záporným nábojem v polovodiči typu P. Obě opačně nabité oblasti se vzájemně ovlivňují a do jisté míry stabilizují. Napětí v propustné směru tento stabilizační vliv zruší, napětí v závěrném směru jej naopak zesílí.