Тема 1. электровакуумные приборы

 

             лекция 2. основы электроники

                 1. Виды электронных приборов

Электронные  приборы  относятся к активным элементам РЭА, так как могут осуществлять выпрямление, усиление, генерацию, преобразование частоты переменных токов и другие активные процессы. К активным элементам относятся:

 - электровакуумные

 - ионные

 - полупроводниковые приборы

Пассивными элементами являются: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и другие элементы.

 

 

                            2. Электроны в твёрдых телах

Физикой доказано, что электроны в твёрдом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определённые значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Электроны расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т.е. находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть их взаимное притяжение, т.е. затратить некоторую энергию. Поэтому удалённые от ядра электроны обладают большими энергиями, т.е. находятся на более высоких энергетических уровнях. Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон  переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий уровень. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т.е. определёнными порциями.

Рисунок 1.1  Схема уровней энергии электронов для металлов (а),                       полупроводников (б) и диэлектриков (в)

 

  Распределение электронов по уровням энергии схематически изображают так, как показано на рисунке 1.1. Горизонтальными линиями показаны уровни энергии W электрона.

  В соответствии с так называемой зонной теорией твёрдого тела   энергетические уровни объединяют в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону.

  Валентные  электроны участвуют в электрических и химических процессах. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, заполненных электронами, но эти зоны не играют роли в явлениях электропроводимости.

В металлах и полупроводниках существует большое число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называ-емые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводимость металлов.

Атомы вещества, отдавшие электрон в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в опреде-лённом порядке, образуя пространственную решётку, называемую иначе ионной или кристаллической. Такое состояние вещества соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальным значе-нием общей энергии всех частиц атома. Внутри пространственной решётки происходит беспорядочное движение электронов проводимости.

Рисунок 1.1 а. показывает, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдаёт в зону проводимости, по крайней мере, один электрон. Таким образом, число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости  и валентной зоной существует запрещённая зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны  не могут находиться (рис.1.1 в.). Ширина запрещённой зоны, т.е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня вален-тной зоны, составляет несколько электрон-вольт. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов. Поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании, некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону прово-димости и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

  Зонная диаграмма  полупроводников изображена на рис.1.1 б. Как видно из рисунка ширина запрещённой зоны полупроводников меньше, чем у диэлектриков и в большинстве случаев составляет около одного электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводник явля-ется диэлектриком,  а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются такие вещества как   германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную четырём. Внешняя оболочка атомов германия и кремния имеют четыре валентных электрона. Пространственная кристаллическая решётка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парно-электронной. Схема такой связи для германия изображена на рис.1.2.

Как видно из рисунка, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанных точками.

    Таким образом, с точки зрения электропроводимости существует три вида вещества:

                  - проводники

                  - полупроводники

                  - диэлектрики

 

       

           Рис.1.2. Схема кристаллической решётки германия.

 

 

                     3. Электрон в электрическом поле

На электрон е в электрическом поле напряжённостью  Е действует сила F = е Е, противоположная по направлению вектору напряжённости. Рассмотрим возможные случаи взаимодействия электрона с электричес-ким полем.

     При движении электрона вдоль силовых линий электрического поля (угол между векторами скорости V электрона и напряжённостью Е электрического поля α = 0°) происходит его торможение, сопровожда-ющееся уменьшением энергии (рис.1.3.).

     При движении электрона навстречу силовым линиям электрического поля (α = 180°) наблюдается ускорение электрона и его энергия возрас-тает (рис.1.4.).

 

 

          

  Рис. 1.3. Движение электрона в тормозящем электрическом поле.

  

Рис. 1.4. Движение электрона в ускоряющем электрическом поле.

При движении электрона под углом к силовым линиям электричес-кого поля (α ≠ 0° или α ≠ 180°) происходит искривление траектории движения электрона в сторону положительного электрода, которое сопровождается энергетическим обменом  между электроном и электрическим полем (рис.1.5.).

        

Рис. 1.5. Движение электрона в поперечном электрическом поле.

 

                          4. Электрон в магнитном поле

В магнитном поле на заряженную частицу действует сила F, перпен-дикулярная векторам индукции В магнитного поля и скорости V электрона. Рассмотрим возможные случаи взаимодействия электрона с магнитным полем.

Электрон не  взаимодействует с магнитным полем, если он неподвижен (V = 0) или летит вдоль силовых линий поля (угол между векторами скорости V электрона  и индукции В магнитного поля α = 0° или α = 180°).

Если угол α = 90°, то траектория электрона представляет собой окруж-ность, которая лежит в одной плоскости с вектором скорости V (рис.1.7.).

     Если угол α отличается от 0°, 90° или 180°, то траектория электрона становится спиральной (рис.1.6.).

Во всех случаях движения электрона в магнитном поле энергетического обмена между ними нет.

                  

  

Рис.1.6. Движение электрона под углом к силовым линиям магнитного     поля.

         

Рис.1.7. Движение электрона под углом 90° к силовым линиям магнитного поля.