【官方雙語】二極管、LED 以及太陽能板的工作原理

此影片為獨立的說明影片 二極體、發光二極體和太陽能電池的工作原理 如果你非得繼續看下去的話，那就這樣吧。 但它也是兩部分系列的第二部分。 如果你想看二極體做出奇怪行為的影片， 然後先查看第一部分。 連結在卡片中以及說明裡。 二極體的作用是限制 電路中電流的流動。 電流只能單向通過二極體。 這正是重點所在。 基本上有幾種方式可以製造二極體。 傳統的真空管方式 或以現代的半導體方式。 這段影片解釋了現代的作法，因為 半導體二極體 遠不止是電流的單向閥門這麼簡單。 二極體是透過將兩小塊半導體材料壓在一起製成的。 並弄清楚接下來會發生什麼 當你這麼做的時候，你需要理解共價鍵。 你可能知道，原子喜歡擁有八個電子 在外殼上，有一些例外情況。 是的，我正在把原子擬人化。 原子實際上並不在乎外層殼是否擁有八個電子， 但我實際上認為賦予人類特徵並沒有問題。 只要每個人都知道是你在做這件事 而且這是一種更複雜過程的簡化表達。 而且，我還會做更多，所以準備好吧。 如果你有一個氟原子，例如 其最外層有七個電子 當它處於中性時，就會想要再多一個。 因此，如果有另一個氟原子靠近的話， 他們可以聚在一起，各自分享一個電子。 所以，看看兩層外殼交疊的部分， 有兩個電子。 因此，這個原子的最外層現在有八個電子 這個原子的最外層有八個電子 他們倆都很快樂。 我連空氣引號都不會打。 因此，這就是氟分子（F₂）的共價鍵。 但現在想想矽吧。 矽的最外層有四個電子。 因此，它需要分享它所擁有的四個。 周圍還有四個矽原子。 而其周圍的四個原子也必須被矽原子包圍。 以便它們能擁有完整的外殼。 而且那些原子周圍還需要有其他原子。 這樣他們才能擁有完整的外殼，以此類推。 因此，晶體透過共價鍵向外生長。 這張平坦的二維晶體表示圖 只是幫助我們看清那些完整的外殼。 其實，它是一個三維結構， 於是你就會得到這些四面體鍵結，就像這樣。 所有這些電子都被封存起來了。 在那些完整的殼裡，他們無法移動。 因此，矽晶體中沒有自由移動的電荷粒子。 因此，矽並不是電的良好導體。 但假設我們用磷原子替換部分這些矽原子。 磷是元素週期表中的下一個原子， 因此它多了一個電子。 但由於所有這些電子層都已經填滿， 這多餘的電子無處可去。 意思是，它沒有外殼可以填滿。 它並沒有固定在原地，而是可以自由移動的。 因此，當你以這種方式摻雜矽時， 你引入了這些自由移動的帶電粒子，也就是電子。 因此，這種摻雜物質能夠導電， 這稱為N型半導體。 N僮代表負，因為電荷載子為負。 另一方面，我們可以將矽原子替換為其他原子 像硼一樣，它們的最外層電子少了一個。 當你這麼做的時候…… 你在晶格中有一些不完整的晶胞。 你會發現附近的電子 跳進那些洞裡。 當他們這麼做的時候， 他們離開後，只留下一個空洞。 然後那個空缺會被鄰近的電子填補。 然後，那個空缺將由鄰近的電子填補。 因此，這個洞會移動。 而且你實際上可以把這個洞視為一個粒子來建模。 就像一個帶正電的電荷載子。 因此，當你摻雜硼到矽中時， 你製造出所謂的P型半導體 因為電荷載子帶正電。 因此，要製造一個二極體，你只需要取一個n型半導體 以及P型半導體 並將它們推到一起。在N型中，你會有 這些電子在周圍移動，以及在P型半導體中 你有這些洞在移動 你可以把它們想成類似於氣體，而你都知道 因此，氣體會擴散。 所以， 當你將這兩塊半導體結合在一起時， 這個電子雲，如果你喜歡的話 在N型半導體中會稍微擴散一點 進入P型半導體。 換句話說，電子將會漂移過去 並填補那些漏洞。 你最終得到的是一種平衡狀態 因為實際上，當電子擴散時 進入P型半導體 那裡會積聚負電荷。 同樣地，當電子已經逃逸之處 N型半導體 你會積聚正電荷， 並產生一個電場，其 將電子拉回過來。 因此，你最終得到的是電子之間的平衡狀態。 穿過接面擴散 以及電場的累積對它們產生反向推力。 但重點是，有 耗盡區中沒有自由移動的電荷粒子。 當你將電池連接到二極體時，會發生什麼情況？ 這取決於你如何連接它。 當電池的正極接上時 對n型半導體而言， 那些自由移動的帶負電粒子，也就是電子， 被吸引到電池的正極 因為異性電荷相吸。 在另一側也發生了類似的情況。 P型半導體中的正電洞被吸引向 因為異性電荷相吸，所以是電池的負極。 因此，在這種情況下，電子正從右側被拉出。 而且孔洞正從左側被拉出 耗盡區域的範圍會隨之增大。 有一個較大的非導電材料區域 在某個時刻，你會達到一個新的平衡狀態， whereby 這個耗盡區內額外累積的電荷是能夠的 抵擋電池的吸力，因此沒有電流流過。 此時此刻，我认为有必要直接 重新確立我們正在進行模擬的事實 好像它們是粒子一樣的洞 並把它與實際發生的情況聯繫起來。 真正發生的是負極 電池的電勢正在排斥電子 p型半導體，因為同性電荷相斥。 但大部分位於P型半導體中的電子無法移動 因為他們被完全鎖在裡面 殼 能夠移動的，只有那些人 有孔洞在旁邊，可以移動的 進入 所以，想想這裡的一個電子。 就在洞口的右側 電池的負極排斥該電子 掉進洞裡。於是那個洞消失了 一個新的洞在電子原來的位置出現。 但如果退後一步來看那幅畫， 看來洞的位置移動了。 在左邊。這就是我們之所以…… 將那些洞穴建模為移動的粒子， 因為它們以那種方式移動。 那我們把電池反過來裝會怎樣呢？ 現在電池的負極 將電子推入N型半導體 正極正在將電洞推入其中 p型半導體及其推動電子的行為 以及朝向接合處的孔洞。 它正在縮小耗盡區域 並施加足夠大的電壓來自電池 電子實際上能夠穿過這個縮小的耗盡區域。 它們跳入P型半導體的電洞中。 突然之間，你便能讓電子流動起來 通過二極體。 因此，當電池這樣放置時， 電力能夠流動 二極體已達成其目的。 但二極體的內容遠不止如此。 因為當電子穿越耗盡區時 並掉進了一個洞裡， 它從高能量狀態轉變為低能量狀態。 而且你可能知道，當電子這樣做時， 它發射出一個光子。 要簡要說明原因， 你可以明明這段影片。 但重要的是， 當你讓電流通過二極體時 朝正確的方向時，它會發出光。 這就是為什麼我們能製造發光二極體（LED）。 但讓我們先拿掉電池一下 並照亮二極體。 我們來反其道而行之吧。 因此，如果光子的能量足夠高， 他們可以將電子從電子殼層中踢出 留下一個洞。 換句話說，就是產生一個電子空穴對。 並且由於那裡存在的電場 在耗盡區中， 電子被推入N型半導體 而且孔洞被推入P型半導體中。 換句話說，你可以在二極體兩端產生電壓 透過照射光線來照亮它。 這就是為什麼太陽能電池也由二極體製成的原因。 關於材料的簡要說明。 我們一直在談論以矽為基礎的半導體， 但以矽為基底的發光二極體會發出…… 紅外線，是你看不見的光， 那正是你電視遙控器內部LED的組成材料。 但如果想要可見光LED， 然後你需要使用砷化鎵和鎵的合金 磷化物。你以不同比例混合它們，就能得到紅色。 橙色和黃色的發光二極管。如果你 若要藍光發光二極體，則需使用氮化鎵。 這一切都與電子下躍的時機有關 一個穿過耗盡區的洞。 基本上，這是能量下降。因此，電子正在失去那部分能量。 釋放那股能量。 光子，因此電子移動得越遠， 帶隙越大，能量越高 釋放出來的光子 而且你可能知道，光子的能量之間存在著某種關聯 其顏色也，光子能量越高，顏色越偏向高能端 你往光譜的高頻方向越走越遠，就會發現 矽，你一開始使用紅外線，但後來改用鎵 磷化砷，你會經過紅色、橙色和黃色。 真正大幅降低能耗的是氮化鎵。 那非常大的能隙，正是產生藍色光子的原因。 由於太陽能電池和發光二極體都是由二極體製成的， 你其實可以反過來使用它們。 因此，如果你想看太陽能板像發光二極體一樣運作的影片 以及發光二極管像太陽能電池一樣運作， 然後看看第一部分。 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做了，別忘了按讚訂閱，下次見。