Вопросы по биполярным транзисторам

[Manolo]

Alex-Yu


Диффузия-взаимное проникновение одного вещества в другое. Как прочитал я-если у нас есть, скажем, полупроводник, в одной области больше одних зарядов, в другой-других, то система стремится к равновесию и эти заряды стремятся проникнуть в каждый в противоположную область. Так я понял, по крайней мере. А вот чего не понял-почему они "стремятся". Можно ли это объяснить примерно как если мы представим эту систему как кусок провода, грубо говоря, и за счет разности потенциалов электрическое поле сообщает зарядам движение в определенном направлении. Не так?

Я читал по схемотехнике-Рудольфа Свореня, Борисова, Мак-Комба, Хоровица-Хилла. Первые три книги весьма простые. Но нигде в них больше нескольких слов о диффузии в полупроводниках не разъясняется. Как понял я, надо почитать об этом и еще плюс зонная теория. Мне все это для себя интересно понять, я уже очень давно вышел из студенческого возраста, просто хочу по мере сил разобраться что к чему.

С чего вы решили, что я не понимаю, как ток возникает под действием электрического поля ? Это поле образуется вокруг зарядов и оказывает воздействие на неподвижные заряды, в него помещенные. Если у нас есть много зарядов, то, их воздействие будет равно сумме полей каждого заряда, векторной сумме, скажем так.

Критиковать легко, а вот объяснить, хотя бы какие-то моменты. Про диффузию ответите какая конкретно сила/силы ее вызывают ? Или это надо принять на веру, как аксиому-мол, стремятся и все тут, заряды равномерно распределиться.

[arseniiv]

Manolo в сообщении #1289610 писал(а):

А вот чего не понял-почему они "стремятся". Можно ли это объяснить примерно как если мы представим эту систему как кусок провода, грубо говоря, и за счет разности потенциалов электрическое поле сообщает зарядам движение в определенном направлении. Не так?

Диффузия и без внешнего поля будет, как и для каких-нибудь частиц краски в воде. Только частицы краски не возникают и не исчезают. Ну а при добавлении поля в количественное описание добавляются и ещё детали (другими словами, усложнения).

Manolo в сообщении #1289610 писал(а):

Это поле образуется вокруг зарядов и оказывает воздействие на неподвижные заряды, в него помещенные.

А где вы видели в типичном проводнике и полупроводнике неподвижные заряды? Они участвуют в тепловом движении.

[Manolo]

arseniiv

Я понял, что диффузия будет, а почему она будет-не понял. Выше сказал как понимаю я, почему диффузия будет происходить, если, скажем, в емкости две жидкости смешиваем. Мне ответили, что я говорю совершенно неправильно, но как правильно-не сказали. Частицы должны ведь с чего-то двигаться, хоть диффузия там, хоть что. Вот я и хочу понять, что конкретно вызывает их движение.

Некорректно выразился, хотел сказать, что когда мы хотим измерить силу того, как поле действует, то помещаем в него так называемый пробный неподвижный снаряд.

[arseniiv]

Manolo в сообщении #1289614 писал(а):

Частицы должны ведь с чего-то двигаться, хоть диффузия там, хоть что. Вот я и хочу понять, что конкретно вызывает их движение.

Это (в отсутствие поля) обычное тепловое движение.

[Manolo]

arseniiv
Могу ошибаться, но из сообщение других участников форума я понял, что не все так просто. Про тепловое движение я тоже упоминал, говоря о комнатной температуре, например. Но, судя по всему, диффузию вызывает главным образом тот момент, что неодинакова концентрация дырок и электронов, поэтому когда переход открывается они стремятся перемешаться, достигнуть некой равномерной концентрации. Почему так они так стремятся-мне не ясно. Когда на частицу действует какая-либо сила-это одно, а когда она просто куда-то там стремится, неизвестно под действием чего конкретно, то это мало понятно. Вернее, есть тут участники, которым, судя по всему, понятно, но сказать что же это за такие сила или силы, которые прикладываются в этом случае к частицам, они не хотят.

[arseniiv]

Manolo в сообщении #1289623 писал(а):

Почему так они так стремятся-мне не ясно.

Так ведь даже в самом простом случае диффузии это обусловлено тепловым движением. На пальцах, пусть по одну сторону от площадки до некоторого небольшого расстояния $N_1$ частиц, а по другую до такого же $N_2$ частиц (всё одинаковые) при одной и той же температуре, тогда с первой и со второй стороны через площадку за некоторое малое время перелетят примерно одинаковые доли частиц, а в абсолютном количестве — некоторые $M_1 : M_2 = N_1 : N_2$. Чем больше разность $N_1-N_2$, тем больше $M_1-M_2$, поток числа частиц через площадку. (Из подобных соображений и получается макроскопическое уравнение диффузии, и другие.)

От подробностей я лучше удержусь, потому что с применением даже наверняка не к транзисторам, а к какому-нибудь упрощённому диоду имел дело только на одной паре уже много лет назад. Мне просто показалось, что можно подкорректировать некоторые более глобальные недопонимания.

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289623 писал(а):

Почему так они так стремятся-мне не ясно. Когда на частицу действует какая-либо сила-это одно, а когда она просто куда-то там стремится, неизвестно под действием чего конкретно, то это мало понятно.

Вот пока ЭТО не ясно, и не пытайтесь что-нибудь про транзистор (и даже про диод) понять. Тем более при Вашей дотошности: почему то, почему это (задаваться такими вопросами --- дело хорошее, но чтобы понять ответы требуется серьезная предварительная подготовка). Сначала ЭТО поймите. И про движение электронов (для дырок практически также) полупроводника под действием электрического поля разберитесь. Изучите хотя бы теорию Друде (где почитать --- это к гуглу). Хотя теория Друде и не применима к металлам, к чему сам Друде пытался ее применять, но для полупроводников она в грубом приближении справедлива.

Может даже ДО ВСЕГО ЭТОГО Вам надо поразбираться с общими принципами статистической физики. Электроны и дырки в полупроводнике описываются именно статистической физикой. И Вам еще повезло, что для полупроводников годится классическая статистическая физика. Например для металлов нужна квантовая статистическая физика, которая значительно сложнее.

Вот когда со всем этим разберетесь, вот тогда можно будет уже и про транзисторы. А сразу с нулевого уровня и про транзисторы --- не получится. И никто Вам в этом безнадежном деле не поможет.

И главное: поменьше самостоятельных идей типа той, где про две жидкости и они смешиваются под действием силы тяжести (не поэтому они смешиваются на самом деле).

-- Сб фев 03, 2018 13:12:21 --

Manolo в сообщении #1289610 писал(а):

Можно ли это объяснить примерно как если мы представим эту систему как кусок провода, грубо говоря, и за счет разности потенциалов электрическое поле сообщает зарядам движение в определенном направлении. Не так?

Не так.

-- Сб фев 03, 2018 13:15:19 --

Manolo в сообщении #1289610 писал(а):

Это поле образуется вокруг зарядов и оказывает воздействие на неподвижные заряды, в него помещенные.

А вот и не правильно. Нет там (и в полупроводнике, и в металле) НЕПОДВИЖНЫХ зарядов. Точнее есть (примесные атомы), но как раз они в образовании тока и не участвуют.

[Manolo]

arseniiv

То есть причина диффузии-энергия, сообщаемая температурой? Других причин нет? Насколько читал я, если мы соединили некие два вещества в разной концентрации, то они будут стремиться максимально перемешаться между собой, до достижения равномерной концентрации. И вот откуда, что вызывает это "стремиться"-для меня загадка.

Alex-Yu

Вы говорите, где я неправ, спасибо за это. А пояснить, хотя бы коротко, как будет верно, невозможно?

Вот взять хотя бы электрическое поле-там что не так? Заряды обладают полем, много зарядов-сильнее поле, есть понятие напряженность электрического поля, есть направление этого поля. Если у нас(может это грубо и ненаучно) есть разность потенциалов между точками А и В, в точке А электронов больше, то они стремятся в точку B, к "плюсу", это если мы протянули проводник между ними. А если проводника нет, а заряды между этими точками, то поле будет воздействовать на них, в грубом приближении как рукой толкать, хотя это и ненаучно, и направлена будет сила этого воздействия от "плюса" к минусу, измеряться будет как напряжение, деленное на расстояние. И движение зарядов под действием этого поля будет в определенном направлении, с определенной скоростью. Вот и ток. Что не так?

Я благодарен вам, что поясняете хотя бы какие-то моменты, просто вы уже столько написали критики, давно бы объяснили как правильно. Там, где это можно сделать, не городя формул на три страницы. Про ту же жидкость, например. Под действием чего тогда идет перемешивание? Неужели это нельзя сказать в двух словах или двух предложениях? Я понимаю, что многое не совсем корректно говорю. Вы поймите правильно, я этот пример привел, чтобы показать свое недоумение-вроде как в этом случае есть какое-то воздействие, сила. А когда у нас транзистор лежит себе спокойно в комнате на столе, пусть мы открыли переход, но на электроны какая сила действует, что их заставляет осуществлять диффузию? Да причем не лишь бы как-во все стороны, "кто в лес, кто по дрова", а именно таким образом-стремясь установить некую равновесную концентрацию частиц, в определенных направлениях. Как они эти направления выбирают-неясно мне. И должна быть некая сила, которая сообщает им движение. Видимо, это тепло, температура окружающей среды. Но с направлением все равно непонятно тогда.

Господа, если кто может, объясните, пожалуйста, кому это нетрудно, как же все-таки обстоит дело с диффузией.

[Manolo]

Нашел более точное определение: "Диффузия – движение свободных носителей заряда под действием их градиента концентрации, то есть под действием сил, возникающих из-за их неравномерного распределения по объему проводника".

Что сказать-"очень понятно". Ну, разная концентрация, и что дальше? Откуда при этом возникают какие-то силы-пойди пойми. И какого рода эти силы. Если мы прикладываем некое физическое воздействие или, скажем, напряжение-тут все ясно. А с чего заряды двигаются в данном случае лично я не понимаю. Видимо, это надо принять просто как факт, аксиому, что если разная концентрация, то возникают какие-то там силы, под действием которых частицы стремятся перемешаться. Определение, говорящее о неком факте, но никак его не объясняющее, почему так происходит.

[epros]

Manolo в сообщении #1289779 писал(а):

Видимо, это надо принять просто как факт, аксиому, что если разная концентрация, то возникают какие-то там силы, под действием которых частицы стремятся перемешаться.

Ну вот газ в одной половине баллона высокой концентрации, а в другой низкой: Откуда берутся силы, заставляющие газ перемещаться из первой половины во вторую?

[arseniiv]

Manolo в сообщении #1289736 писал(а):

То есть причина диффузии-энергия, сообщаемая температурой?

Не думаю, что так говорить корректно (даже если пропустить «сообщаемую температурой»). Энергия сама по себе тут не важна. Если мы возьмём лёгкие-лёгкие частицы, для средней скорости, соответствующей определённому коэффициенту диффузии, им понадобится меньшая кинетическая энергия, чем более массивным. Важно, что движение каждой частицы хаотическое. В результате этого среднее расстояние от точки, где частица была в некоторый момент, со временем увеличивается. Теперь берём макроскопическое количество частиц и получаем расплывание их концентрации.

Никакого специального стремления попасть туда или сюда при этом у частиц нет (вот если включить поле, «стремление» появится). Частицы вообще не знают, что там где-то далеко вокруг них, а локальный градиент концентрации они, в принципе, «пощупать» тоже не могут, потому что концентрация — это макроскопическое понятие.

[Manolo]

epros

Разница в давлении.

arseniiv

Ну вот и я так понимаю, что частицы "не знают что там где-то далеко вокруг них"(если забыть о поле, я уж не буду каждый раз это оговаривать). И движение их вроде бы должно быть хаотическим. Вернее, все равно должна быть причина, почему один электрон двинулся по одному направлению, а другой-по другому. Ну, например, грубо говоря, по-разному приложенные к ним и постоянно меняющиеся в разных точках колебания температуры окружающей среды. Вы говорите, что среднее расстояние от точки, где частица была в некоторый момент, со временем увеличивается. Но раз движение хаотическое, как мы говорим, то получается что это не факт-что мешает электрону двигаться таким образом, что расстояние будет то увеличиваться, то сокращаться по абсолютной величине, хотя электрон может при этом иметь различные координаты, скажем так. Забудем вообще о поле. Нет его. Разговор шел о преобладающем над ним явлении диффузии. С точки зрения того, о чем пока поговорили с вами, для меня получается неясным, как при таком хаотическом движении удается получать все время одинаковое соотношение двух токов. Это как вещь, которую хотелось бы по итогу понять. И по распределению частиц в веществе тоже нет ясности, а в этом, судя по всему, "вся соль".

[epros]

Manolo в сообщении #1289862 писал(а):

Разница в давлении

Правильно. И разность давлений, умноженная на площадь границы - это и есть та самая сила. Теперь вспомните, что у электронного (или дырочного) газа тоже есть давление, и поймёте, что это за сила связанная с диффузией носителей зарядов.

[Manolo]

То есть, это в чем-то наподобие жидкостей-когда мы открываем переход, начинается смешивание. Я сам некорректно объяснил причину этого для жидкостей и как правильно-не знаю. Но хотя бы чисто визуально можно подумать про силу тяжести, выталкивания, ту же разницу давлений от плотности. А что тут-непонятно. Некое тепловое движение. Все же, раз частицы стремятся равномерно распределиться, то должно быть еще что-то важное, более первичное, что мы не оговорили. Тепловое движение-это как бы "бензин", сообщаемая энергия для движения, а вот что вызывает именно такое их стремление равномерно распределиться-это вещь другого порядка(так предполагаю).

-- 03.02.2018, 19:19 --

epros

К стыду моему, я не очень понимаю что за электронный(или дырочный) газ.

То есть, вещества, из которых образован транзистор, можно представить в некоем приближении как два очень плотных газа-по разную сторону границы. Мы открываем заслонку, есть разница в давлении, и эти газы начинают выравнивать давление. Только в нашем случае "действующими лицами" выступают дырки и электроны. Так?

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289736 писал(а):

направлена будет сила этого воздействия от "плюса" к минусу, измеряться будет как напряжение, деленное на расстояние. И движение зарядов под действием этого поля будет в определенном направлении, с определенной скоростью. Вот и ток. Что не так?

То не так, что если бы было как Вы говорите, то электроны бы все разгонялись и разгонялись под действием силы, о которой Вы говорите (да, такая сила есть). Ток бы все увеличивался и увеличивался.... И никогда бы не установился постоянным.

Вывод пока один: Вам действительно надо сначала познакомиться с основами (самыми-самыми основами) статистической физики. А может еще более сначала с основами классической механики? Ну-ка для проверки: как себя ведет электрон, на который не действует никакая сила?