• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ГЛАВА 3. ЕЛЕМЕНТНА БАЗА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Пояснення електропровідності речовини на підставі зонної

Теорії

Фізичною основою побудови елементної бази радіоелектроніки є техно­логічне і конструктивне використання електропровідних властивостей речовини, що Визначаються її структурою, внутрішньою будовою та агрегатним станом. Ці властивості можна схарактеризувати кількісно такою фізичною величиною, як електропровідність. Ця фізична величина виражається в сименсах (См) й опосередковано вказує на умови переміщення в речовині заряджених частинок під дією електричних, магнітних та електромагнітних полів. Як відомо, такими частинками можуть бути вільні електрони або йонізовані атоми, які втратили електрон або придбали його.

Згідно з планетарною моделлю атома, яку запропонував ще Ернест Резерфорд, електрони обертаються на стаціонарних орбітах навколо ядра, в якому розташовані позитивно заряджені протони та нейтральні частинки — нейтрони. Кількість протонів й електронів в атомі однакова. Залежно від того, яку енергію має електрон, він знаходиться на тій або іншій орбіті. Макс Планк ще в 1900 р. висловив гіпотезу, згідно з якою енергія електронів в атомі може мати лише певні дискретні значення, а її зміна може відбуватися стрибкоподібно. Узагальнюючи результати робіт М. Планка та Е. Резерфорда, Нільс Бор у 1913 р. дійшов таких висновків:

1. Електрони в атомах можуть перебувати у стійких станах, які називаються стаціонарними. Ці стани відповідають рухові електронів на стаціонарних орбітах. У цьому разі атом енергії не випромінює.

2. Атом випромінює або поглинає енергію лише при переході з одного стаціонарного стану в інший. Значення кванта енергії пов'язане з частотою випромінювання співвідношенням

( 3.1)

де h = 6,626·10 ^-34 Дж·с — стала Планка;f —частота випромінювання.

3. Момент кількості руху електрона на стаціонарній орбіті має бути

кратним числу —, тобто

(3.2)

де т_е — маса електрона; v — швидкість його руху на орбіті; r — радіус орбіти; п — ціле число.

Розвиваючи ідеї квантової теорії, Луї де Бройль у 1923 р. довів, що електромагнітна енергія зарядженої частинки, яка рухається на замкненій орбіті, не випромінюється (що відповідає стаціонарній орбіті) лише тоді, коли вздовж орбіти утворюється стійна хвиля, тобто орбіта містить цілу кількість довжин хвилі, яка відповідає цій частинці. Отже, для руху електрона на орбіті радіусом г має виконуватися співвідношення

(3.3)

де λ — довжина хвилі.

Довжину хвилі електрона, що має масу т_е і швидкість v, можна визначити, якщо порівняти його механічну та хвильову енергію:

(3.4)

Число п у співвідношенні (3.3) називають головним квантовим числом. Воно визначає орбіту електрона, яку він може займати згідно з рівнем своєї енергії.

Крім головного квантового числа стан електрона в атомі визначається трьома квантовими числами: орбітальним, орбітальним магнітним і спі­новим магнітним. Відповідно до принципу заборони Шулі в атомі не мо­же бути двох електронів з однаковими чотирма квантовими числами.

Отже, кожній орбіті відповідає строго визначена енергія електрона, або дозволений енергетичний рівень. Рівні енергії, яких не можуть ма­ти електрони при переході з однієї орбіти на іншу, називають забороненими.

Кількість електронів на кожній орбіті, а також кількість орбіт для кожної речовини чітко визначені. Так, на першій внутрішній орбіті може бути лише не більше двох електронів, на другій і третій — не більш як по вісім, на четвертій — десять, на п'ятій — знову вісім. Електрони завжди прагнуть зайняти рівні найменшої енергії, і ому всі внутрішні електронні орбіти завжди заповнені, частково заповненою може бути лише зовнішня орбіта. Чим далі від ядра знаходиться електрон, тим більшу енергію він має. Переходячи на орбіту ближче до ядра, електрон віддає частину своєї енергії у вигляді випромінювання. Навпаки, якщо електрон під дією теп­лоти, світла, інших зовнішніх факторів одержує додаткову енергію ззов­ні то він переходить на більш віддалену від ядра орбіту. Електрон, що одержав додаткову енергію, називають збудженим. Граничним випадком збудження є іонізація, коли електрон відривається від атома і стає вільним.

Принцип Паулі поширюється також на кристалічну структуру твердого тіла, яка розглядається як єдина система атомів, що взаємодіють між собою. В умовах кристалічних ґрат на електрони впливають ядра сусідніх томів. Взаємодія багатьох атомів спричинює зміщення і розщеплення енергетичних рівнів електронів, перетворюючи їх на енергетичні зони. Отже, енергетичний стан твердого тіла можна уявити таким, що складається з трьох основних зон: заповненої, забороненої їді вільної (рис. 3.1). У крайніх зонах, у свою чергу, можна виділити ще валентну зону і зону провідності.

Шириною забороненої зони визначається електропровідність матеріалу. Провідність тієї чи іншої речови­ни залежить від кількості енергії, яку треба надати валентним електронам, щоб вони могли перейти зі свого нормального енергетичного рівня на рівень зони провідності. В цьому разі електрони втрачають зв'язок з ядром атома І стають вільними. Така енергетична структура твердих тіл дає змогу пояснити фізичну суть провідників, діелектриків і напівпровідників (рис. 3.2).

Рис. 3.1. До розгляду зонної теорії електропровідності твердого тіла

У провідниках (а) зона провідності та зона валентних електронів перекривають одна одну, а заборонена зона відсутня. Тому валентні електрони легко переходять у зону провідності. В діелектриках (б) ширина забороненої зони велика, для переходу валентних електронів у зону провідності їм треба надати багато енергії, не менш як 3 еВ. У напівпровідниках заборонена зона відносно мала (приблизно 0,5 еВ) і під впливом зовнішніх діянь (теплота, світло, електричне поле тощо) електрони завдяки зміні своєї енергії можуть перейти з валентної зони в зону провідності, тобто елект­ропровідність напівпровідників нестійка і Істотно залежить від зовнішніх діянь.

В електронних приладах, крім електронів провідності, значну ролі, відіграють вільні електроні, що мають рухатися у вільному просторі за межами провідника. В провідниках, які мають високу концентрацію

Рис. 3.2. Структура енергетичних зон у провідниках (а), діелектриках (б) і

напівпровідниках (в)

електронів у зоні провідності, їх розподіл за енергією визначається формулою Фермі

(3.5)

де N — кількість вільних електронів в 1 см³ провідника (для металів N≈10²²...10²³ см^-3).

Хоча рівень Фермі W_F в металах досягає десятків електрон-вольтів, їх вихід за межі поверхні за відсутності зовнішніх діянь не відбувається. По-перше, та невелика кількість електронів, що можуть вийти за межі поверхні металу, втрачає більшу частину своєї енергії на шляху до поверхні. їх збільше­на концентрація поблизу поверхні металу сприяє створенню між електронами провідності та позитивними іонами, які знаходяться в металі, електричного поля, спрямованого назовні, тобто в напрямку розташування електро­нів провідності. Сукупність негативних іонів й електронів біля поверхні ме­талу називається подвійним електронним шаром, що перешкоджає виходу електронів з металу. По-друге, якщо деякі електрони все ж йдуть за межі поверхні металу, то він їх притягатиме, оскільки після виходу частини електронів метал матиме деякий позитивний заряд.

Таким чином, для відриву від поверхні провідника електрони мусять виконати роботу проти дії електричних сил, які намагаються повернути їх:

W=W_F+W₀ (3.6)

Величина W_о називається роботою виходу. Вона визначається зарядом електрона і різницею потенціалів, яку він при цьому долає. Для твердих тіл робота виходу залежить від їхньої структури й є фізичною характеристикою тіла. Вихід електронів можливий також з напівпровідників та ді­електриків. Однак у цьому випадку робота виходу витрачається не лише на подолання гальмівних електричних сил, а й на збудження електронів, Що переходять з валентної зони в зону провідності.

Таким чином, якщо до електронів металів або напівпровідників підвес­ти ззовні додаткову енергію, то відбувається електронна емісія, тобто вихід електронів з тіла у відкритий простір. Залежно від способу надання елект­ронам додаткової енергії розрізняють такі види електронної емісії:

• термоелектронну, при якій додаткова енергія підводиться нагріванням;

.• фотоелектронну, коли на поверхню тіла діє електромагнітне випро­мінювання;

• вторинну, що є результатом бомбардування твердого тіла швидкими електронами або іонами;

• автоелектронну (або електростатичну), при якій сильне зовнішнє електричне поле біля поверхні твердого тіла створює сили, що сприяють виходу електронів.

Слід мати на увазі, що поняття енергетичних рівнів і зон характеризують лише енергетичні стани електронів, а не їх просторове розташування в твердому тілі.

Фізичні властивості електронів добре вивчені. Нагадаємо основні з них, які використовуються в роботі напівпровідникових та електронних приладів:

•електрони відштовхуються один від одного;

•електрони утворюють навколо себе електричне поле і взаємодіють з зовнішніми електричними полями;

•потік електронів створює навколо себе магнітне поле і взаємодіє з поперечним магнітним полем;

•електрон, що рухається, має кінетичну енергію , яка при зіткненні з нейтральним атомом може витрачатися на його іонізацію, а з твердим тілом — перетворюватися на теплоту;

•електрон завдяки великому питомому заряду є найрухомішою зарядженою частинкою;

•електрон має хвильові властивості.

Читайте також:

1. Глава 1
2. Глава 1
3. Глава 1
4. Глава 1
5. Глава 1
6. Глава 1
7. Глава 1
8. ГЛАВА 1 0. РАДІОЛОКАЦІЙНІ СИСТЕМИ
9. Глава 1 понятие права собственности и его значение в гражданском праве
10. ГЛАВА 1 – ПРОЦЕС ВИДОБУВАННЯ НАФТИ
11. Глава 1. Організована злочинність
12. Глава 1. ОСНОВНІ ТИПИ СИСТЕМ МІСЦЕВОГО САМОВРЯДУВАННЯ

Переглядів: 907