Як вивчати електроніку

До навчального матеріалу потрібно відноситися диференційовано. В курсі предмету є матеріал, про який за тими чи іншими причинами достатньо мати лише загальну уяву. До такого матеріалу можна віднести, наприклад, різні сторичні дані, відомості про роботи вчених і їх наукової біографії тощо.

Не підлягає сумніву також, що в будь-якому розділі і майже в кожній темі курсу є відомості, які необхідно запам'ятати. До таких відомостей відносяться сякі постійні величини (наприклад, швидкість світла, звуку), співвідношення між розмірностями, які виражені в різних одиницях виміру, умовні графічні означення тих чи інших приладів, найбільш вживані формули та ін.

Значне місце в навчальному предметі займає матеріал, який вимагає від студента перш за все розуміння (фізична суть явищ і процесів, які відбуваються електронних приладах, принципи побудови і призначення елементів нестройних схем, переваги і недоліки схемних розв'язків і т. п.)

Нарешті, майбутній технік-електрик повинен оволодіти вміннями і навиками, характерними для спеціаліста - зборка і дослідження схем, робота з вимірювальною апаратурою, виконання технічних розрахунків, грамотне використання довідникової літератури і т. п.

Слід пам'ятати, що головна задача навчання - навчитися самостійно і творчо працювати.

Прочитавши текст, постарайтесь виділити головне із прочитаного і скласти перелік слів або словосполучень, які несуть найбільше смислове навантаження і в найбільшій мірі відображають суть викладених відомостей. Такі слова називають ключовими. Ключові слова допомагають зосередитися і мислити саме головне із прочитаного. Також гарний ефект дають опорні конспекти (опорний конспект - це скорочений виклад навчального матеріалу в словесній формі або графічному зображенні, в якому формули, елементи, логічно зв'язані між собою).

Розділ 1. Фізичні основи електронної теорії

1.1 Основи електронної теорії

1.1.1 Електрон та його властивості

Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра по орбітам.

Електрон - елементарна частка матерії з масою спокою m₀ = 9,1∙10^-31кг і елементарним негативним зарядом, абсолютне значення якого q = 1,6∙10^-19Кл.

Ядро атома містить протони і нейтрони.

Маса протона приблизно в 1842 рази більша маси електрона. Заряд - позитивний, рівний за величиною заряду електрона.

Нейтрон має приблизно таку ж масу, але не має електричного заряду.

Кількість протонів, нейтронів і електронів в атомі залежить від типу хімічного елементу, складовою частиною якого він є.

електрон ядро Число електронів завжди дорівнює

порядковому номеру елемента в

періодичній системі елементів Менделєєва

Рис. 1.1. Схема будови атома водню

Число електронів дорівнює числу протонів в ядрі - тому атом електрично-нейтральний. Згідно квантової теорії, електрони в атомі здійснюють рух не по будь-яким , а лише по дозволеним орбітам, на кожній із яких може знаходитись не більше двох електронів з протилежними спінами (спін - особистий момент кількості руху елементарних часток).

Електрони, які обертаються на ближніх до ядра орбітах, мають меншу повну енергію ніж електрони, які обертаються далі від ядра. Тому перехід електрона з однієї дозволеної орбіти, з відповідним енергетичним рівнем, на другу проходить із випусканням або поглинанням кванта енергії (квант - найменша можлива кількість енергії електромагнітного випромінювання з даною частотою коливань).

Електрони, розміщені на зовнішніх орбітах атомів називаються валентними. Вони визначають хімічну активність речовини.

Вільні електрони - електрони, які звільнилися від внутріатомних зв'язків. Вони пересуваються в середині речовини в різних напрямках і різними швидкостями. При наявності зовнішнього електричного поля хаотичний рух вільних електронів стає впорядкованим - виникає електричний струм.

Чим більше вільних електронів має речовина, тим вища її електропровідність. Цим і пояснюється поділ твердих тіл за їх здатністю проводити електричний струм на: провідники, напівпровідники і діелектрики.

Витрачаючи або набуваючи електрони, нейтральний атом стає зарядженим - іоном. Процес відриву або приєднання електронів - іонізація.

Іони, які мають різнойменні заряди, притягуючись один до одного, становлять молекули.

У відповідності з квантовою будовою речовини електрони мають властивості не лише матеріальних часток (корпускул), але й хвильові властивості.

В основу квантової теорії входять:

1. Гіпотеза Планка. Енергія електронів в атомі може приймати лише визначені дискретні значення. Зміна енергії електронів може проходити лише скачкоподібно.

2. Постулати Бора.

1. Електрон в атомі може знаходитись в визначених стійких станах, які називаються стаціонарними. В цьому випадку атом не випромінює енергію.

2. Атом випромінює або поглинає енергію лише при переході із одного стаціонарного стану в інший. Величина кванту енергії пов'язана з частотою випромінювання співвідношенням

(1.1)

де v - частота випромінювання

h - постійна Планка, h = 6,626∙10^-34Дж∙Гц^-1

3. Момент кількості руху електрона на стаціонарній орбіті повинен бути кратним числу .

3. Гіпотеза де Бройля. Електромагнітна енергія зарядженої частини, яка рухається по замкнутій орбіті не випромінюється тільки в тому випадку, якщо вздовж орбіти укладається ціле число хвиль (утворюється стояча хвиля).

Таким чином, при рухові по орбіті з радіусом r повинно виконуватись співвідношення

(1.2)

де - довжина хвилі;

n -ціле число, n= 1,2,3 ...

Довжину хвилі електрона, який має масу m_e і швидкість v знайдемо:

(1.3)

(1.4)

Число n в співвідношенні (1.2) - головне квантове число. Воно визначає орбіту електрона, яку він може займати у відповідності з рівнем своєї енергії.

В твердому тілі (кристалі) сусідні атоми розміщені настільки близько один до одного, що між ними проходить взаємодія.

Взаємодія багатьох атомів викликає зміщення і розщеплення енергетичних рівнів електронів. Кожній орбіті атома відповідає строго визначена енергія електрона або дозволений енергетичний рівень. Рівні енергії, які не можуть мати електрони при переході з однієї орбіти на іншу, називаються забороненими.

а) б)

Рис. 1.2. Енергетичні зони твердого тіла

При об'єднанні в твердому тілі N однакових атомів, кожний рівень енергії розщеплюється на N близько розміщених один до одного енергетичних рівнів, які становлять енергетичну зону.

На рисунку 1.2. показано розщеплення енергетичних рівнів W₁ i W₂ електронів в одиничному атомі при утворенні системи із шести однакових атомів (N = 6). При достатньо великій відстані r між атомами вони майже не впливають один на одного. При зближенні томів до відстані r = r₂ проходить розщеплення енергетичного рівня W₂ на шість дискретних значень. Подальше зменшення віддалі до величини r = r₁ супроводжується розщепленням W₁. При деякому значенні r = r₀ в системі утворюється дві сукупності декретних енергетичних станів, які лежать в інтервалі між ∆W₁ i ∆W₂, і називаються енергетичними зонами. При r = r₀ - заборонена зона. При подальшому зближенні атомів наступає перекриття енергетичних зон ∆W₁ i ∆W₂ (заповнюється заборонена зона ∆W₃). Утворюється заповнена зона.

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів утворюють валентну зону.

Слід пам'ятати, що поняття "енергетичний рівень" або "енергетична зона" характеризує тільки енергетичний стан електрона.

Основні властивості електрона:

1. Електрон - електрично заряджена частка, яка має негативний заряд е = 1,602∙10^-19Кл, масу m_e = 1,109∙10^-31кг, питомий заряд = 1,759∙10¹¹Кл/кг.

2. Електрони відштовхуються один від одного.

3. В електричному Полі електрони зазнають впливу сили і самі можуть утворювати електричне поле.

4. Володіють високою рухливістю.

5. Впорядкований рух електронів створює електричний струм. Потік електронів створює магнітне поле.

6. Знаходячись у русі, електрон має кінетичну енергію, яка дорівнює

7. При зіткненні електронів з будь-яким тілом їх кінетична енергія перетворюється в теплову.