Реба Последно редактирано на 28.07.2020 от stewie, видяно: 1616 пъти. #1054
Отварям тази тема по желание на code2, тук ще споделя някои интересни знания които по един или друг начин са влезли в главата ми я покрай електрониката, я покрай писането на симулатори, заемащо над половината ми професионална кариера :) После разбира се ще се отдадем на караница и обиди като "невеж", "това и малките деца го знаят", "ти тъп ли си или какво", "като не знаеш чети ето тука линка бе" и други такива реплики, характерни за всички форуми засягащи физиката :)
И така, работата тръгна е една реплика в темата за асемблера касаеща работата на полупроводниците, и аз ще започна с това, по-точно с принципите на най-простия диод. Не защото е прост, а защото е всъщност много по-интересен отколкото изглежда. Във всички учебници веднага почват да ви говорят за разни електрони, дупки и други ненужни технически детайли, но всъщност конкретните имплементации на диода изобщо не са толкова интересни, и честно да си кажем не дават идея защо все пак диода работи. Разни електрони падали в разни дупки, добре де, както са паднали така и ще излязат, защо не го правят, защо диода работи? Така, ще се опитам да направя така, че който дочете до края да го разбере, ама наистина, в дълбочина. Което съдейки по материала който вече придобива форма в главата ми е съмнително че изобщо ще стане, но нека пробваме.
Така, ще започна много отдалеч - запитвали ли сте се какви физични закони би имала вселена, във която капките излитат от локвите, летят нагоре и стават на облаци, или където парчетата стъкло по земята се засилват едно към друго, слепват се и образуват чаша? Говоря за фундаменталните физични закони, такива като F=m*a, какви трябва да са за да произведат филм прожектиран на опаки? Ако човек поразбирва от училищна физика, лесно ще стигне до идеята че всъщност трябва да са точно същите каквито са си сега, ако гледаш движението на звездите и планетите не можеш да разбереш дали филма е реверсиран, гравитацията е напълно "обратима" по време, но един бърз поглед върху електродинамиката показва че не само тя, но всички сили са напълно обратими (има дребни нарушения, но за темата не са важни, финално важи така наречената CPT симетрия).
И така, как тогава става така че съвсем ясно можем да различим дали един филм е реверсиран? Примера с чашата всъщност подсказва отговора - дори и да имаше някаква "реверсна" физика с различни закони, малко трудно ще се озоват на земята парчета стъкло с точно пасващи до атом форми, които като се наредят да стане точно чаша. С една дума, "реверсирането" не е невъзможно, просто е много много малко вероятно. Добре, няма как да имаме парчета с пасваща форма, но то и подскачането им ей така от нищо пак не звучи много по сегашната физика. Ами не, всъщност е, и забавното е че дори лесно може да се демонстрира в домашни условия. "Чистата" физика изисква когато нещо падне на земята, да отскочи точно до височината от която е паднало, да но на практика то вярно отскача, но винаги до по-ниско. Някои неща отскачат почти до същата височина, други едва едва. Но винаги е по-ниско. Защо? Е, всеки знае, част от енергията се е загубила, станала е на топлина. Всъщност не съвсем веднага, първо е станала на звук, той е отпрашил, и с отслабването постепенно се е омесил със вездесъщите термичните случайни трептения, добавяйки своята енергия към тях. Тоест, част от енергията е отлетяла като звук. Можем ли да твърдим че ако включим тоя звук във "филма", то тогава вече няма лесно да различим коя посока е права и коя реверсна? Оказва се ДА, и това лесно се демонстрира в къщи. Ако тръснете на плота полусферична купа с вода, от стените и тръгва акустична вълна, която достига до центъра почти в един и същи момент, като резултата е изстрелването на тлъста капка нагоре. Това изглежда точно като реверсиран вариант на "капка пада в купа с вода" само дето е прав вариант на "тръшваме купа с вода в плота". Аз това съм го виждал с очите си на живо, само че не с вода а с лютеница, и тавана пази спомен за експеримента.
Освен това на тоя принцип работят бронебойните снаряди. Добре, значи падането на капка във купа все пак е все още обратимо, кога става така че ама тотално вече няма как да върнем времето? Ако се разгледат всички такива конкретни случаи, ще се набие на очи че нещата стават необратими когато се намеси топлината. Ако акустичната вълна все още е "двупосочна", демек не можем да кажем дали записа е прав или реверсиран, стане ли на топлина, вече определено казваме "аха, това е". Оказва се че топлината винаги е свързана по един или друг начин с превръщането на симетричните обратими процеси в асиметрични необратими (може би тук вече усещате какво е общото с диода). Тоя дял от физиката който е натрупал знанията в тая област е Термодинамиката, и е един от най-забележителните във физиката. Всеки с повечко нюх веднага усеща че има нещо смущаващо - термодинамиката не лежи на фундаменталните физични закони, а някак си следва от "чиста" статистика. Както казах по-горе, дори хипотетично да имаме "реверсирана" физика, то парчета стъкло с пасваща форма няма как да имаме случайно намиращи се по земята. По същия начин звука лесно се обръща в хаотични безредни трептения, но хаотичните безредни трептения е много невероятно да съвпаднат по фаза и да се обърнат в звук. И също така ако презаписваш аудио касета (ох, това едва ли младите ще го разберат) един два три пъти, накрая песента ще стане на шум, но ако презаписваш шум един два три пъти, малко вероятно да стане на песен (но все пак може). Важно е да се схване обаче че тук говорим за статистика, а не за истинска забрана, като например ЗЗЕ. Така, какво общо има с диодите? Диода не е очевидно че демонстрира еднопосочен необратим процес, просто защото тока е невидим, но ако мислим за токоносителите и тока като за течност и движението и, нещата са очевидни - филм в който тока тече срещу "вярната" посока е реверснат. Диода бачка заради термодинамиката, как точно, по-натам.
Сега, искам първо да обърна внимание на друго - диода не е сам, има още много еднопосочни устройства в живота ни, например вентилите за течности или ключовете с тресчотка. Тресчотката е може би най-удобна за вникването в същността на диодите от всякакъв тип, затова ще разгледам нея в детайли. Какво представлява грубо? Зъбно колело със асиметрични зъби, от едната страна са полегати, от другата са вертикални. Пластинка която е закрепена натегнато върху полегатата част, когато колелото се завърта в правилната посока, пластинката се повдига, и когато края и премине върхана зъба, прави "тряс" и пада в ниското. Ако се опиташ да я завъртиш наобратно, пластинката заклинва във вертикалната стена на зъба.
Къде е тук термодинамиката? Ами във ей това "тряс" което се чува при падането на пластинката в междузъбието. Ако нямаше термодинамика, пластинката щеше да отскочи обратно точно до височината на зъба, и щеше да можем да си завъртим колелото наобратно. Сега, тук идва друго интересно - на пръв поглед напълно техническия (а не е) въпрос колко малка тресчотка можем да направим? Колкото ни кефне, това е очевидния (и неверен) отговор. Всъщност ако направим много малка тресчотка, тя ще изпуска наобратно! Това е съвсем неочевидно и неубедително, но.. няма да каже "е факт", защото никой не е правил толковамалка тресчотка, така че строго погледнато не е, но донякъде все пак е факт, ще видите защо. Освен тресчотки, има и диоди, и вентили, и кво ли още не, да не забравяме. Та защо все пак? Термодинамиката освен че следва от "нищото" има и други удивителни свойства. Едното от тях е "кинетичната теория на топлината", което ако махнем всичките сложни формули, гласи долу горе следното - при равновесие всички взаимодействащи си "складове" на енергия, получават средно по 1.4Е-23*T джаула. Не всеки точно толкова, но средно, подмятат си я като горещ картоф енергията, но средно всеки има толкова, без оглед на това как точно е реализиран тоя "склад" на енергия, дали е частица която се движи, или молекула която се върти, или камертон който трепти, или нещо друго. Това значи че наистина камертона си трепти с някаква малка амплитуда постоянно, и тък като енергията е пропорционална на квадрата на амплитудата, то ако камертона е достатъчно малък, дори може да бъде видяно с микроскоп. Айде бе, ще каже някой, но да, брауновото движение е пряко проявление на същия тоя закон, частиците се движат точно защото всяко нещо което е подвижно е "склад" на енергия - чрез кинетичната му енергия. И скоростта на брауновото движение може да се сметне от изравняване на кинетичната с топлинната енергия mv^2/2=1.4Е-23*300, и който не вярва да си направи експеримент с много финен прах с контролиран размер и микроскоп, да види че е толкова.
И пак, какво общо има с диодите? Ами първо да видим какво общо има с тресчотката. Значи тая пластинка, дето законтря и не дава да въртим наобратно, тя също е склад за енергия, защото е еластична. Всички еластични неща могат да трупат енергия, която расте квадратично на отклонението от нулевото им състояние. тоест ако разпънем пружина с 3 и с 6 мм, за второто ще ни трябва четворна енергия. И така, колкото по-малка е тресчотката, толкова по-малка е енергията която е необходима за огъване на пластинката до височината на зъбите. При достатъчно малък размер тая енергия ще стане съизмерима с 4е-21, което е термичната енергията на стайната температура, демек пластинката видимо ще подскача "от нищото", така както брауновите частици се движат "от нищото" важно е да се отбележи че тези подскоци няма да са с еднаква големина, някои ще са по-малки от kT, други ще са по-големи. точно за това тресчотката ще започне да изтърва още преди да сме стигнали енергия кТ, един на хиляда ще достига височината на зъбчето още при 7 пъти над кТ. Защо точно 7 пъти? защото логаритъм от 1000 е долу горе 7. Ето тук влиза в сила още едно интересно правило на термодинамиката - частиците може да имат средно кТ енергия, но това е средно. Тези които имат х пъти повече от средното са долу горе e^-x пъти по-малко, мисля че болцман го е открил, но не съм сигурен. Така. Взех за пример тресчотката, защото работата и е супер очевидна, но е важно да се разбере че нейните свойства са общи за всички "диоди", без значение на конкретната имплементация а те са:
1.всеки диод оказва някаква характерна за конструкцията си съпротива, трябва да бутаме, да дадем на "пластината" му нужната енергия да преодолее "зъба", след което казва "щрак" и тая енергия изфирясва във вид на някакви вълни. При тресчотката това е звук, но при диода е светлина, така бачкат светодиодите. всеки диод излъчва светлина, но не всеки е в прозрачен корпус.
2. Количеството на тая енергия е според конструкцията, това е "характеристичната" енергия на "диода". Тя също дава и минимума на силата с която трябва да натиснем,за да "пусне". За силициев диод тая сила е 0.6 волта, за германиев е 0.3 волта.
3. Всеки диод пропуска, макар и малко и наобратно заради експоненциалната дистрибуция на топлинната енергия в енергийните "складове". Не винаги пропуска само толкова, понякога е повече, но това е абсолютния теоретичен минимум, не можеш да направиш диод с утечка по-ниска от exp(-E/kT), където Е е характеристичната му енергия (0.6 електронволта за силиций).
4. Не можем да смучем енергията на топлината нито механично нито електрически (вечен двигател от втори род) защото ако направим диод с енергия на преминаване по-малка от кТ, той няма да е никакъв диод, и ще "връща" от нашия кондензатор обратно в морето от "мръсна енергия". Това е така наречената "термодинамична смърт" Това беше само за диода, ако някой изобщо го прочете до края, може да пиша и други неща
Ако минем директно към физичните въпроси, то веднага може да питаме:
Защо полупроводника е почти диелектрик, но "импрегнираме" ли го с дупки или с анти-дупки (забравих термина) то веднага почва да протича ток. При това импрегнацията е сравнително слаба, а не е на всеки втори атом.
Защо за диода е нужен pn преход. Защо между тях не може да сложим проводник. С какво този проводник възпрепятства диодния ефект.
А изобщо дупките що за дупки са това? Съответния атом там си е напълно пълен, при това си е от материал на диелектрик. Така така няма нищо против да получи нещо в повече.
Наелектризираните диелектрици защо не могат да провеждат електричество? Излишните електрони в тях защо не се отблъскват един друг и така да тече ток, примерно по повърхността им? Това вече го питах, но нека пак.
Реба Създадено на 28.07.2020, видяно: 1594 пъти. #1060
отговарям само за диелектриците в детайли, но отговора частично покрива генерално явлението проводимост значи, на атомно и молекулно ниво, всички вещества и тела имат електрически "неравности", най-точно можеш да си ги представяш като протуберансите на слънцето. протуберансите са на магнитна основа, но все тая, това е само визуална аналогия. ако изрисуваш електрическото поле около разните молекули, то има точно формата на протуберанси, и това няма как да е иначе, защото все пак няма как да направиш хомогенна електронеутрална конструкция от заречени части, така както от червени и сини тухли няма как да направиш хомогенна лилава сграда. точно тези електрически "неравности" впрочем са двигателя на всички ензими, белтъци, и изобщо цялата биологическа машинария. как точно кой с кой материал и защо, са детайли които просто се мерят, а не се обясняват, но факт е че при допир на конкретни вещества, електрони от едното се лепват в "протуберансите" на другото, в положителния им край. триенето мисля не играе друга роля освен да увеличи неимоверно мащаба в който това се случва. цялото тяло разбира се придобива негативен заряд, но макар и много пъти по-силен от заряда на един протон, все пак и размерите са много пъти по-големи от атомните, та като теглиш чертата локалния интензитет на протуберанса е по-силен и си държи откраднатия електрон здраво. затова и не провеждат ток - тези електрони са свързани като останалите, не могат да се движат
А при наелектризирането? Тогава излишните електрони къде отиват. Ако наелектризирането е доста голямо, няма ли да запълни всички протуберанси и пак да трябва да има електрони, които няма как да са вързани? Или технически това не е възможно, т. е. имаме максимален електричен заряд, който може да се поеме???
Стиви, моля те форматирай го, че така не се чете :)
Stewie : Дай предложения къде да слагам нови редове, аз също не съм чел тази научна статия. Ще ти намаля цитата тук, че става още повече мармалад. Направих каквото мога като го чета като луд с уя си.
Реба Създадено на 28.07.2020, видяно: 1582 пъти. #1074
да, точно така, имаш максимален заряд, но той е доста големичък електрическата сила е огромна, хората често не си дават сметка колко огромна е.
Реба Създадено на 28.07.2020, видяно: 1579 пъти. #1075
обърни се към джонката, казах му че офрума не приема ретурни, той ми каза да съм четял документацията. :)
Шибвай по два \r за да става нов ред за абзац. В поста ти имаше точно един \r на едно място.
Джонката е повлиян от течението reurn;return; Пробвах го и наистина работи!
Явно на същия принцип при проводниците протуберанси са толкова много и големи, че се свързват един с друг и така дават възможност електроните да прескачат и да се движат? Така ли е?
В този ред на мисли е интересно да се направи и някакъв конкретен хипотетичен модел за полупроводниците. Както и това как добавените дупките променят положението на протуберансите.
Интересно е, прочетох го докрая. Мерси за писането. За диода не знам но мисля че разбрах тресчотката как работи така че все има полза някаква :)
Реба Създадено на 28.07.2020, видяно: 1538 пъти. #1101
е, ти сега от визуалната аналогия цяла теория изгради :) значи, ако следваме тая логика, слети или не, електроните биха се намърдали в някаква по-слаба или по-силна връзка с атомите и кристалната решетка. това обаче не става, дори на студено. казвам дори на студено, щото ако евентуално имаше някаква макар и слаба връзчица между атомите и електроните (все пак атома без електрона си е положителен и ще го дърпа), под някаква температура (кТ<енергиятана връзката) металите щяха да минават в неметално състояние,демек свободните електрони ще престанат да са свободни и ще си залепнат заатомите, така както водните молекули надостатъчно студено престават да са свободни и залепват една за друга. факт е обаче че това не става, което ще рече че електроните в метала са напълно свободни, и макар и атомите да са положителни, те не могат да се свържат с тях. е как става това дееа? ами квантова магия, така става. електроните не могат да се свържат с атомите, защото няма възможна вълнова конфигурация, няма орбитала на която могат да се кротнат. забележи, това важи само за свързани в кристал атоми, ако атома е свободен, орбитала ще се намери.
Това и при 0 по Келвин ли е така? То тогава пуснем ток на продовник с температура 0 по Келвин, вероятно ще се затопли, както става и вече няма да е 0 по Келвин.
И аз го прочетох цялото, наистина ли всички диоди светят ? Тогава не трябва ли и транзисторите да светят ?
Реба Създадено на 29.07.2020, видяно: 1484 пъти. #1276
малко или много да, светят. цвета на нормалните диоди обаче е в инфрачервената област, защото енергията на прехода им е само 0.6 волта. все пак чисто конструктивно те не са направени за излъчване на светлина, силиция не е прозрачен и ако не се погрижиш прехода да е силно изложен, то светенето е доста слабо. транзисторите, поне мос транзисторите не би трябвало да светят
Реба Създадено на 29.07.2020, видяно: 1481 пъти. #1280
не разбирам кое "така ли е", но да така е вероятно. обаче няма да се затопли, ако плътността на тока е под някаква стойност. защо ли? ами как работи загряването - когато електроните се наджаскат в кристалната решетка, те отдават енергията си, която се обръща в трептения на атомите. да обаче заради "квантовата магия" атомите не могат да трептят както им кефне, най-грубо казано трябва да спазват правилото "цяло число брой вълни в ямата". когато този "цял брой" е голямо число, например 1000, минаването от 1000 към 1001 иска много малко енергия. не така седят нещата обаче при малките числа, минаването от 1 към 2 иска доста енергия. защо това е така няма значение, но ако някой е любопитен математиката зад това правило е седмокласническа, и мога да го разцъкам в детайли. та ако плътността на тока е такава, че кинетичната енергия на електроните е под прехода 1->2 на осцилаторите, то електроните просто не могат да загубят енергия, защото нямакак да вдигнат осцилатор от 1 към 2. не че не се "блъскат" , но отскока е абсолютно еластичен, никаква енергия не минава в решетката, и никакво загряване няма
Тогава проводника би имал нула резистентност?
