Научно-религиозная гипотеза о зарождении и эволюции
Вселенной - основа мировоззрения будущего.
А также альтернативные мнения обо всем.
 
В началоВаш псевдоним: ИнкогнитоВаш статус:  Читатель (можете только читать тексты) Контакт
 
      
  Red Dog    
  12.12.24    
     ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ - ЭТО ПРОСТО.

   Исходные данные.
   Полупроводник – это плохой проводник (по определению).
   Понятия «плохой» и «хороший» условны, и один «плохой» проводник может оказаться много лучше другого плохого проводника. Потребительские свойства полупроводников определяются, в основном, нелинейными свойствами сопротивлений у «бутербродов», складываемых из полупроводников с разной электропроводностью.
   Простейшим полупроводниковым «бутербродом» или прибором является диод – неоднородный полупроводник, составленный из двух последовательных однородных полупроводников с разной электропроводностью.
   Еще в 19-м веке было экспериментально установлено, что такой прибор может иметь существенно разные сопротивления постоянному току при его течении через прибор в прямом и обратном направлении.
    Для объяснения этого факта теоретики разработали специальную теорию электронно-дырочной проводимости, которая не выдерживает никакой критики даже для простейшего двухслойного проводника, а свойства многослойных конструкций эта теория даже и не пытается объяснять.
   Зато экспериментаторы на высоте и предлагают многочисленные все более сложные полупроводниковые схемы, называемые уже не просто приборами, а микропроцессорами, контроллерами, чипами...
   Но если оказаться от некоторых уже давно опровергнутых догм, то можно легко объяснить механизмы работы сколь угодно сложных конструкций из полупроводников.

   Модель электропроводности.
   По представлениям современных физиков-экспериментаторов атомы формируются энергетическими импульсами широкого спектра, циркулирующими вокруг единого центра, называемого ядром, как это условно изображено на рис.1:
   
   Электроны являются одной из форм калиброванных порций энергии, образующих атом. Атом содержит мириады таких порций, а его ядро – не материальное образование, а область сингулярного роста плотности циркулирующей энергии.
   Атомы вещества находятся в состоянии непрерывного энергообмена разными калиброванными порциями (фотонами) внутренней энергии. При отсутствии внешних воздействий в веществе устанавливается стационарный режим равновероятных внутренних энергообменов во всех направлениях и для фотонов всех типов. Пространственная симметрия нарушается, например, при подключении проводника в цепь постоянного тока. В проводнике возникает доминирующее направление перемещений порций энергии, называемых электронами.
   Существуют разные гипотезы по поводу природы электронов, наиболее перспективной выглядит гипотеза о подобии электронов и оптических фотонов. Такие электроны целесообразно называть электрофотонами, чтобы отличать от устаревших представлений о материальных частицах с гипотетическими электрическими зарядами. Электрофотоны не имеют ни массы покоя, ни специфического электрического заряда и могут проявляться (воздействовать), как подобно материальным частицам, так и подобно волнам, отличаясь от оптических фотонов только количественно.
   Процесс распространения электроэнергии (электрофотонов) через проводник имеет множество аналогов в макромире – это процессы распространения деформаций сжатия в различных макросредах, широко исследуемые прикладными науками в интересах промышленности. Процесс распространения электрофотонов в проводнике схематически представлен на рис.2:
   
   Каждый атом проводника непрерывно находится в состоянии готовности к высокоскоростному приему и передаче электроэнергии, и потому электрофотоны распространяются в проводнике практически беспрепятственно.
   Полупроводник оказывает существенно большее сопротивление распространению электроэнергии, что условно иллюстрируется на рис.3:
   
   Электропроводность вещества определяется способностью его атомов принимать и передавать электрофотоны. Электропроводность материала определяется балансом внутренней энергии его атомов. Хорошо проводят электроэнергию атомы, которые имеют электроэнергию, относительно легко принимают дополнительную электроэнергию и отдают ее. И наоборот, атомы, не имеющие и не принимающие электроэнергию, а также с чрезмерно высоким уровнем внутренней электроэнергии, могут оказаться плохими проводниками.
   Атомы проводников достаточно легко принимают и передают электрофотоны, и потому поток электроэнергии в проводнике распространяется с относительно малыми потерями. В полупроводнике ситуация изменяется. Атом полупроводника, получив энергию в форме электрофотона не всегда имеет возможность сразу передать ее соседнему атому. Избыточная энергия циркулирует внутри атома и может трансформироваться в другой вид, например, в тепло. А если и появляется возможность передать электрофотон, то направление может быть случайным. В результате поток электрофотонов в полупроводнике становится хаотичным и сопровождается выделением энергии в иных спектрах.
   Электрофотоны являются импульсами, которые передаются в электропроводящих средах от атома к атому подобно эстафетным палочкам. Получив электрофотон, атом может передать его одному из соседних атомов только при выполнении дополнительных условий. Например, соседний атом тоже должен быть электропроводящим, не должен иметь избыточное количество электрофотонов и т.д. В зависимости от состояния среды в смысле способности ее атомов принимать и передавать электрофотоны она может быть проводником, диэлектриком или полупроводником.

   Принцип работы полупроводниковых приборов.
   Полупроводники имеют относительно низкую электропроводность. Это может объясняться тем, что далеко не все их атомы в каждый момент времени могут принимать и передать электроэнергию.
   Если на пути потока электроэнергии в полупроводнике встречается другой полупроводник, то характер перемещений электрофотонов может существенно измениться.
   Очевидно, что электрофотоны будут достаточно легко преодолевать границу с более электропроводной средой. Но на границе с существенно менее электропроводным полупроводником слабый поток электрофотонов может практически полностью отражаться в обратную сторону. Этот сюжет иллюстрируется на рис.4:
   
   Одиночный электрофотон будет перемещаться в изотропной электропроводящей среде подобно броуновской частице в связи с тем, что каждый раз он передается от атома к атому равновероятно в любом направлении. Если распространяется поток электрофотонов, то изотропность среды нарушается: со стороны источника тока поступает энергия, которая распространяется из области с высокой плотностью в область более низкой плотности, и потому каждый электрофотон при каждом перемещении с большей вероятностью удаляется от источника электроэнергии.
   На границе полупроводников с разной электропроводностью эта тенденция может нарушиться. Если атомы второго полупроводника заметно менее «склонны к электропроводности», то может оказаться, что вероятность отражения электрофотонов от такой границы много выше вероятности ее прохождения и дальнейшего распространения во втором полупроводнике.
   При мощном потоке электроэнергии достаточное количество электрофотонов преодолеет границу двух полупроводников даже при низкой вероятности этого события для каждого отдельного электрофотона. При этом могут существенно измениться электропроводные свойства второго полупроводника, и произойдет так называемый «пробой» полупроводникового прибора, когда ток практически беспрепятственно проходит границу двух проводников в обоих направлениях.
   Зона полупроводникового прибора с относительно низким сопротивлением называется полупроводником n-типа, с относительно высоким – p-типа. В цепях постоянного тока электроэнергия передается от клеммы "+" к клемме "-". При распространении в полупроводниковых приборах электроэнергия преодолевает "p-n" переходы, но отражается от "n-p" переходов, поэтому диод пропускает постоянный ток, если его полупроводник p-типа соединен с клеммой "+".
   Более сложные полупроводниковые приборы содержат более двух границ между средами с разной проводимостью. Например, транзисторы собираются из трех слоев полупроводников в двух вариантах: два слоя с относительно хорошей проводимостью, а между ними слой с низкой проводимостью, либо два слоя с низкой проводимостью и слой с более высокой проводимостью между ними, как это изображено на рис.5
   
   Приборы, изображенные на рис.5, не проводят ток ни в одном из направлений в связи с наличием "n-p" перехода при распространении электроэнергии в любом направлении. Но при подключении к такому трехслойному прибору дополнительного контакта к среднему полупроводнику и подаче на него соответствующего напряжения прибор может открываться для протекания тока в одном направлении. Схема подобного подключения изображена на рис.6:
   
   Дополнительный контакт служит для обхода отражающей "n-p" границы. В отличии от диода транзистор является управляемым полупроводниковым прибором, и прохождение тока через транзистор зависит от управляющего воздействия - замыкания дополнительного контакта.
   Управление транзистором можно условно разбить на три последовательных этапа:
   1 - по дополнительному каналу подается потенциал на полупроводник p-типа, запирающий основную цепь транзистора;
   2 - полученный потенциал увеличивает уровень внутренней электроэнергии атомов полупроводника, в результате чего повышается электропроводность p-зоны;
   3 - при сближении параметров электропроводности n-зоны и p-зоны граница между ними открывается для электрофотонов, и основная цепь замыкается.
   Обход зеркальной "n-p" границы не является рабочим режимом передачи энергии транзистором, это канал служит только выключателем. Через обходной канал передается потенциал на полупроводник p-типа, что приводит к существенному повышению его электропроводности. Этот потенциал может поступать и от дополнительного независимого источника энергии и управляться произвольным образом сторонним устройством.
   Получив энергию, полупроводник p-типа приближается по проводимости к n-типу, в результате снижается разница проводимости граничащих полупроводников и цепь замыкается.
   Все полупроводниковые приборы основаны на свойстве условной электрической «зеркальности» границ между полупроводниками с разными электропроводностями. Электропроводность полупроводников может меняться на порядки при минимальных воздействиях, что и позволяет достаточно легко управлять степенью «зеркальности» указанных границ.
   Любые более сложные полупроводниковые приборы также легко «читаются». Каждый "n-p" переход либо всегда закрыт, либо открывается посредством того или иного воздействия на полупроводник p-типа. Следует учитывать специальные режимы работы "n-p" переходов. Некоторые приборы работают в этом направлении в режимах управляемого пробоя. Например, стабилитроны являются диодами со стабильным напряжением пробоя, при котором электроэнергия сбрасывается через "n-p" переход на «землю», если напряжение превышает установленный порог.
   Кроме каскадов из полупроводников, используются и однородные приборы. В основном, они применяются в различных анализаторах, благодаря высокой сильной зависимости проводимости полупроводников от внешних воздействий различного вида (нагрев, освещение и т.д.).
   Принципы функционирования полупроводниковых приборов понятны на качественном уровне, однако создавать полупроводниковые приборы с заданными свойствами пока удается исключительно экспериментальным путем, и все грандиозные успехи полупроводниковой промышленности достигнуты благодаря экспериментаторам и технологам.