Гравитационные и гидродинамические модели PN-перехода и Полупроводниковых приборов (водная-канализация)

РисунокНавеяно «зонной теорией проводимости твердых тел», которая не всё объясняет…

«Водная-канализация» и подобные «комиксы» — это эффективный метод наглядного и образного представления всяких нудных вещей, чтобы их легче понять и лучше запомнить.

Данный топик является экспериментальным (мне интересно как его встретят читатели). Все представленные рисунки и модели придумал я сам, и на 100% верность не претендую — высказывайте ваши отзывы и замечания.

Извините, что картинки представлены в черновом виде: с рукописным текстом и кривыми линиями. Рисовал от руки, чтобы компьютер не мешал мыслить. Затем, решил опубликовать это в оригинальном виде (чтобы сохранить авторский стиль и образ мысли).

Внимание: все картинки кликабельны и ведут на увеличенное изображение!


Гравитационно-Ветряная модель

Здесь использована образная аналогия:

  • Потенциалы зарядов — высота и масса.
  • Электроны (материальные носители электрического тока) — это камни (тоже квантизованные носители массы).
    Примечание: «Вода» тут бы хуже подошла, как носитель тока, так как она неквантизованная…
    Причём, «Камни» здесь идеальные — катятся без трения, только под воздействием сил тяжести и ветра…
  • Приложенная внешняя сила (E_внешнего_поля, созданного разностью электрических потенциалов на Аноде -> Катоде диода) — это Ветер, сдувающий камни со склона, или даже задувающий их обратно на склон (что гораздо труднее).
  • Результирующий электрический ток — формируется количеством перенесённых камней.

1.1. Гравитационно-Ветряная модель. Диод

1.1. Гравитационно-Ветряная модель. Диод

1.2. Гравитационно-Ветряная модель. Обратное включение Диода

1.2. Гравитационно-Ветряная модель. Обратное включение Диода

1.3. Гравитационно-Ветряная модель. Прямое включение Диода

1.3. Гравитационно-Ветряная модель. Прямое включение Диода


Гравитационная модель

«Ветер сдувающий камни» — выглядит красиво, конечно. Но так мы вводим отдельную сущность (ветер), отделяя её от потенциала (уровня земли) и гравитации — таким образом, гармоничное взаимодействие между этими силами затруднено, невозможно показать зависимость одного от другого, и многие явления так пояснить не удастся. Ведь в реальном диоде — все явления электрической природы, одной и той же.

Поэтому в следующей модели «Сила Ветра» преобразовывается также к потенциальной:

  • Пусть образная аналогия будет такой: приложенная внешняя сила (E_внешнего_поля) выражается в наклоне всей местности относительно гравитационной нормали.
  • Тогда «внешняя сила» также будет выражаться гравитационной природой — такой же что и «разность работы выхода» барьера p-n-перехода…

2.1. Гравитационная модель. Обратное включение Диода

2.1. Гравитационная модель. Обратное включение Диода

2.2. Гравитационная модель. Прямое включение Диода

2.2. Гравитационная модель. Прямое включение Диода


Гидродинамическая (электронная) модель

Однако, поток камней (несвязанных и невзаимодействующих между собой частиц) уже не сможет показать аналогию движения зарядов в более сложных полупроводниковых приборах, состоящих из нескольких p-n-переходов (таких как транзисторы, тиристоры) — потому что реальные заряды всё же очень взаимосвязаны между собой (взаимодействуют друг с другом дистанционно: притягиваются и отталкиваются) — поэтому чтобы перейти к дальнейшим иллюстрациям, вместо потока камней нужно перейти к аналогии льющейся жидкости (воды), жертвуя квантизиванностью (в конце концов, при перетекании совокупного заряда, отдельные электроны также не выделяют, игнорируют).

Внимание! Ключевой момент этих моделей в том, что вода должна течь самотёком, без избыточного давления в трубах (давление столба жидкости создаёт движение).

Данная аналогия ещё удачна тем, что вместо «инерции» камней (зарядов) использует понятие «уровень высоты» (потенциал напряжения). Ведь в реальном npn-транзисторе, например, электроны же не влетают в «тонкую» Базу на большой скорости, так что пробивают/пролетают Базу, инжектируясь в Коллектор «по инерции» (как принято говорить во многих учебных пособиях)? Нет, на самом деле, сколь бы ни была «тонка» База, но с точки зрения атомарных расстояний микромира — она всё же очень велика, поэтому «бал там правят» Потенциалы и Напряжения. В частности, это напряжение Коллектор-База вытягивает электроны из Базы в дальнейший путь (в Коллектор)… Но механизм работает ещё и потому, что в Базе (кристалле p-типа) также появляется этот излишек неосновных носителей заряда (электронов) — таким образом есть что вытянуть напряжением из Базы в Коллектор…

Однако, прежде чем переходить к более сложным приборам (типа транзисторов), сначала промоделируем «водно-канализационной аналогией» простые диоды:

3.1. Гидродинамическая (электронная) модель. Диод

3.1. Гидродинамическая (электронная) модель. Диод

3.2. Гидродинамическая (электронная) модель. Обратное включение Диода

3.2. Гидродинамическая (электронная) модель. Обратное включение Диода

3.3. Гидродинамическая (электронная) модель. Прямое включение Диода

3.3. Гидродинамическая (электронная) модель. Прямое включение Диода

Примечания:
Обратите внимание, что в данных моделях я не поддерживаю напрямую общепринятую формулировку механизма работы p-n-перехода в режиме запирания, встречающуюся во многих учебниках: «при приложении обратного напряжения, ШИРИНА ЗАПИРАЮЩЕГО СЛОЯ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ… ЗАПИРАЮЩИЙ СЛОЙ ПРЕПЯТСТВУЕТ прохождению тока в обратном направлении…» (вернее, поддерживаю, но опосредованно)

«Ширина запирающего слоя» (в понятии зонной теории) изменяется каждый текущий момент, в зависимости от приложенного к диоду внешнего напряжения. В представленных моделях эта «ширина» проявляется как: масса наваленных в текущий момент камней под горой; величина давления столба жидкости в сосуде — т.е. это «сила реакции» опоры, а не геометрия самой опоры. И здесь «запирающий слой препятствует прохождению тока» лишь в той мере, в которой давление столба жидкости в сосуде уравновешивает входное давление на входе.

Приложенное внешнее напряжение хоть и меняет геометрию запирающего слоя (куча камней наваливается под горой; в сосуде: набирается жидкость, подступая к верху; в реальных диодах: перераспределяются заряды в кристаллах, где то обнажаются или наоборот рекомбинируют «дырки», и повышается концентрация свободных электронов) — но высота потенциального барьера не меняется (горный склон и стенки сосудов не деформируются, высота стен не меняется).

Высота этого барьера зависит только от типа материалов, из которых сделаны кристаллы данного диода. «Максимальное обратное напряжение» (основная характеристика диода) фиксировано для каждого типа диода, прописано в datasheet, и не зависит от приложенного напряжения. Так и на представленных здесь условных моделях: «профиль горного склона» и «форма сосудов» остаются неизменными в любых режимах работы.

Характер тока, динамика и скорость его изменения (DC, AC, импульсный или случайный сигнал) — также не влияют на высоту барьера, сдерживающего ток (как и в реальных диодах: ВАХ фиксированная, без участков гистерезиса и случайных эффектов). Примечание: а вот у тиристоров, напротив, есть нелинейный участок ВАХ — открытие и закрытие ключа идут по разным участкам. Но тиристоры — это более сложные системы, состоящие из нескольких p-n-переходов — и будут представлены ниже, более сложной «канализационной системой».

«Обратный пробой» в диоде наступит тогда и только тогда, когда объём кристалла p-типа накопит достаточное количество/концентрацию электронов (неосновных зарядов), чтобы суммарный заряд превысил «потенциальный барьер» и стал скатываться/переливаться через край горы/сосуда…

Итак, «высоту сдерживающего ток барьера» (оно же «высота горы или сосуда» на представленных моделях; оно же «Максимальное обратное напряжение» диода в datasheet) не следует путать с понятием зонной теории «ширина запирающего слоя».

Ещё нужно учитывать, что данные модели несовершенны: «электрические заряды» иногда упрощённо описывают как «электронный газ» или «квантовую жидкость», но гораздо меньше они похожи на обычную гидродинамическую жидкость — законы перетекания этих веществ существенно различаются. Мы здесь говорим лишь об образных и очень опосредованных аналогиях («электронные камни», «электронная жидкость»)…


Гидродинамическая (позитронная) модель

А теперь забудем что реальные носители зарядов в металлах и полупроводниках — это только электроны: «(-) частицы». Перейдём к более традиционному (привычному, сложившемуся) порядку, когда считают что «электрический ток — это течение положительных зарядов»: «(+) частиц». Переделаем потенциальные «водно-канализационные» модели с точки зрения положительных потенциалов (инвертируем уровень: выше там, где больше «(+)») — это позволит более естественно соотнести данные модели с теорией электрических цепей и электротехникой

Подчеркну лишний раз: данные модели — ограниченные и подходят для ассоциативного моделирования только постоянного тока (DC) или медленно изменяющегося (от 0 до VCC) квазипостоянного тока (не СВЧ); но не подходят для переменного-двухполярного тока (AC), который течёт в разные стороны!
Потому что в других режимах тока — те же рассмотренные радиокомпоненты (диоды, транзисторы) проявляют также и иные свойства, выдают иное поведение и режимы…

4.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Диод

4.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Диод

4.2. Гидродинамическая (позитронная) модель. Прямое включение Диода

4.2. Гидродинамическая (позитронная) модель. Прямое включение Диода

4.3. Гидродинамическая (позитронная) модель. Обратное включение Диода

4.3. Гидродинамическая (позитронная) модель. Обратное включение Диода

// Виват паропанк! ;)


Тиристор («неполностью управляемый ключ»)

Вы когда-нибудь высасывали бензин шлангой из бензобака? А вино из большого бутля?

Опускаем трубочку в большой сосуд, другой конец опускаем пониже (ниже уровня жидкости во входном сосуде) и помещаем в выходной сосуд… Но жидкость пока не течёт самотёком (ключ закрыт)! Почему? В шланге нет жидкости и нет разницы давлений на концах.

Нужно форсировать наполнение шланги жидкостью (подсосать из нижнего конца; или импульсно нагнетать в верхний конец). Или нужно сперва опустить всю шлангу в другой сосуд, наполнить весь её объём жидкостью (возбудить p-n-переходы ключа), и затем подключить между сосудами (в положении оговоренном выше)… Какой способ открытия мы выберем?

5.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Симметричный Динистор

5.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Симметричный Динистор

5.2. Гидродинамическая (позитронная) модель. Несимметричный Тринистор

5.2. Гидродинамическая (позитронная) модель. Несимметричный Тринистор


Биполярный Транзистор («полностью управляемый ключ»)

Этот прибор представлен самой сложной конструкцией, поскольку транзистор работает не только в ключевом, но и в линейном режиме (режиме усиления). В основе конструкции лежит управляемый водяной вентиль.

6.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Биполярный Транзистор

6.1. Гидродинамическая (позитронная) модель. Биполярный Транзистор

Без каких-нибудь особенных затрат
Создан этот самогонный аппарат.
А приносит он, друзья, доход,
Между прочим, круглый год… (с)

Комментарии закрыты.