Учебное пособие 800596

ВВЕДЕНИЕ Электроника проникла во все отрасли современной науки,

техники, промышленности. Электронные приборы используются в автоматике, телемеханике, проводной связи, атомной и ракетной технике, астрономии, метеорологии, медицине, биологии, физике, химии, металлургии, машиностроении, различных областях измерительной техники, в бытовой аппаратуре.

Электронные устройства позволяют проводить разнообразные исследования и измерения, в частности такие, которые сами не имеют ничего общего с электроникой. Электронные усилители, генераторы, выпрямители, осциллографы, измерительные приборы и другие аналоговые, цифровые и импульсные устройства стали мощным средством для научных исследований, автоматизации и контроля производственных процессов. Методы электроники значительно улучшили изучение свойств многочисленных веществ, существующих в природе, позволили глубже познать строение материи, приблизили нас к более правильному пониманию физических закономерностей, окружающего нас мира.

Электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она изучает принципы устройства, работы и применения различных полупроводниковых приборов. Развитие и использование физической электроники, технической электроники, промышленной электроники основывается на глубоком знании физических закономерностей, происходящих в элементах электронной техники. Многие направления современной электроники являются результатами выдающихся достижений физики твердого тела, квантовой физики. Особенно быстро развивается микроэлектроника.

Настоящее учебное пособие охватывает широкий круг вопросов электронной техники от рассмотрения физических основ электроники, до схемотехники и применения электронных устройств в системах автоматики.

По содержанию материал учебного пособия соответствует программам ряда технических специальностей и может использоваться при изучении соответствующих разделов курса «Физика», курсов «Физические основы электроники», «Типовые элементы и устройства цифровой техники», «Импульсная техника».

55

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

1.1. Движение электронов в однородном электрическом поле

Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом во всех электронных приборах. Будем полагать, что электроны движутся в вакууме, т.е. без столкновений с другими частицами. Такое движение совершается в электронных лампах. В газоразрядных и полупроводниковых приборах движение сложнее, так как происходит столкновение электронов с ионами и другими частицами газа или твердого вещества. Необходимо, прежде всего, рассмотреть движение электрона в однородном и постоянном во времени электрическом поле.

Законы движения одного электрона в однородном электрическом поле с известным приближением можно применить к движению его в электронном потоке, если пренебречь взаимным отталкиванием электронов.

Электрическое поле в большинстве случаев неоднородно и весьма сложно по своей структуре. Изучение движения электронов в неоднородных электрических полях представляет большие трудности и относится к области электроники, называемой электронной оптикой. Если неоднородность поля незначительна, то можно приближенно считать, что электроны движутся по законам, выведенным для однородного поля. Эти законы позволяют рассмотреть с качественной стороны движение электронов и в полях со значительной неоднородностью.

Напомним, что электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, абсолютное значение которого е=1,6∙10-19 Кл. Масса неподвижного электрона m=9,1∙10-28г. С возрастанием скорости масса электрона увеличивается. Теоретически при скорости с=3∙108м/с она должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1с и можно считать массу электрона постоянной.

Движение электрона в ускоряющем поле. На рис. 1.1 изо-

бражено в виде силовых линий (линий напряженности) однородное электрическое поле между двумя электродами, например катодом и анодом диода.

56

Формула с некоторым приближением может применяться и в том случае, когда начальная скорость v0 много меньше конечной

скорости v, так как при этом mv02/2<<mv2/2

Если условно принять заряд электрона за единицу количества электричества, то при U=1В энергия электрона принимается за единицу энергии, которую назвали электрон-вольтом (эВ). В большинстве случаев удобно выражать энергию электронов в электронвольтах, а не в джоулях.

Из формулы определяется конечная скорость электрона

v 2 me U

Подставляя сюда значения е и m, можно получить удобное выражение для скорости в метрах или километрах в секунду:

Таким образом, скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности потенциалов.

Начальную энергию электрона удобно выражать в элек- трон-вольтах, имея в виду равенство

W0=eU0,

т.е. считая, что эта энергия создана ускоряющим полем с разностью потенциалов U0.

Скорости электронов даже при небольшой разности потенциалов значительны. При U=1В скорость равна 600 км/с, а при

U=100В - уже 6000 км/с.

Найдем время t пролета электрона между электродами, определив его с помощью средней скорости:

t=d/vср.

Средняя скорость равноускоренного движения равна полусумме начальной и конечной скоростей:

vср=(v0+v)/2

Если v0«v, то

vср≈v /2 и t≈2d/v.

Подставляя сюда значения конечной скорости, получим время пролета в секундах:

58

здесь расстояние d выражено в метрах, а если выразить его в миллиметрах, то

Например, время пролета электрона при d=3мм и U=100В

Вследствие неоднородности поля расчет времени пролета электрона в электронных приборах более сложен. Практически это

время равно 10 8 10 10 с. Можно такое малое время пролета во многих случаях не учитывать. Но все же, из-за того, что электроны имеют массу, они не могут мгновенно изменять свою скорость и мгновенно пролетать расстояние между электродами. На ультра- и сверхвысоких частотах (сотни и тысячи мегагерц) время пролета электрона становится соизмеримым с периодом колебаний. Например, при f=1000МГц период Т=10-9с. Прибор перестает быть малоинерционным. Иначе говоря, проявляется инерция электронов, которая практически не влияет на работу при низких и высоких частотах. На этих частотах период колебаний Т много больше времени пролета электрона и переменные напряжения на электродах за время пролета не успевают заметно измениться, т.е. можно считать, что пролет электрона совершается при постоянных напряжениях электродов.

Режим работы при постоянных напряжениях электродов называют статическим режимом. Когда напряжение хотя бы одного электрода изменяется так быстро, что законы статического режима применять нельзя, режим называют динамическим. Если же напряжения изменяются с невысокой частотой, так, что явления можно рассматривать приближенно с помощью законов статического режима, то режим называют квазистатическим.

Выражения для энергии, скорости и времени пролета остаются в силе для любого участка пути электрона. В этом случае величины W, v, t, d, U относятся только к данному участку. Если на разных участках напряженность поля различна, то на отдельных участках электрон будет лететь с разным ускорением, а конечная скорость электрона определяется только конечной разностью потенциалов и начальной его скоростью. Из закона сохранения энергии вытекает, что конечная разность потенциалов U равна алгебраической сумме разностей потенциалов отдельных участков. По-

59

этому полное приращение кинетической энергии равно произведению eU.

Движение электрона в тормозящем поле. Пусть начальная скорость электрона v0 противоположна по направлению силе F, действующей на электрон со стороны поля (рис. 1.2), т.е. электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким потенциалом. Так как сила F направлена навстречу скорости v0, то электрон тормозится и движется равнозамедленно. Поле в этом случае называют тормозящим. Энергия электронов в тормозящем поле уменьшается, так как работа совершается не полем, а самим электроном, который преодолевает сопротивление сил поля. Таким образом, в тормозящем поле электрон отдает энергию полю.

Рис. 1.2

Если начальная энергия электрона равна vU0 и он проходит в тормозящем поле разность потенциалов U, то его энергия уменьшается на eU. Когда eU0>eU, электрон пройдет все расстояние между электродами и ударит в электрод с более низким потенциалом. Если же eU0<eU, то, пройдя разность потенциалов U0, электрон потеряет всю свою энергию, скорость его станет равна нулю и он начнет ускоренно двигаться обратно. Таким образом, электрон совершает движение, подобное полету тела, брошенного вертикально вверх.

Движение электрона в однородном поперечном поле. Ес-

ли электрон вылетает с начальной скоростью v0 под прямым углом к направлению силовых линий поля (рис. 1.3), то поле действует на электрон с силой F, направленной в сторону более высокого потенциала. При отсутствии силы F электрон совершал бы равномерное прямолинейное движение по инерции со скоростью v0. А под действием силы F электрон должен равноускоренно двигаться в направлении, перпендикулярном v0. Результирующее движение про-

60

исходит по параболе, причем электрон отклоняется в сторону положительного электрода. Если электрон выйдет за пределы поля, как показано на рисунке, то дальше он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Это подобно движению тела, брошенного с некоторой начальной скоростью в горизонтальном направлении. Под действием силы тяжести такое тело при отсутствии воздуха двигалось бы по параболической траектории.

Рис. 1.3

Электрическое поле всегда изменяет в ту или другую сторону энергию и скорость электрона. Таким образом, между электроном и электрическим полем всегда имеется энергетическое взаимодействие, т.е. обмен энергией. Скорость электрона при ударе об электрод определяется только начальной скоростью и пройденной разностью потенциалов между конечными точками пути.

1.2. Движение электронов в неоднородном электрическом поле

Для неоднородных электрических полей характерна разнообразная и часто сложная структура. Существует множество неоднородных полей, в которых напряженность от точки к точке изменяется по различным законам.

Наиболее простым является неоднородное радиальное поле между цилиндрическими электродами (рис. 1.4,а). Если начальная скорость электрона, вылетевшего из внутреннего электрода, направлена вдоль силовых линий, то электрон будет двигаться прямолинейно и ускоренно по радиусу.

В более общем случае неоднородное поле имеет силовые линии в виде кривых. Если это поле является ускоряющим (рис. 1.4, б), то электрон с начальной скоростью v0 движется по криволиней-

61

ной траектории, имеющей такой же характер кривизны, как и силовые линии. На электрон действует со стороны поля сила F, направленная под углом к вектору собственной скорости электрона. Эта сила искривляет траекторию электрона и увеличивает его скорость. Если бы электрон не обладал массой, а следовательно, и инерцией, то он двигался бы по силовой линии. Однако электрон имеет массу и стремится двигаться по инерции прямолинейно. Сила, действующая на электрон, направлена по касательной к силовой линии и образует некоторый угол с вектором скорости электрона. Поэтому траектория электрона искривляется, но «отстает» в этом искривлении от силовой линии из-за инерции электрона.

В тормозящем неоднородном поле с кривыми силовыми линиями (рис. 1.4, в) сила, действующая на электрон со стороны поля, также искривляет траекторию электрона и уменьшает его скорость. Но траектория искривляется в сторону, противоположную направлению силовых линий, т.е. стремится удалиться от силовой линии.

Рис. 1.4

Рассмотрим движение потока электронов в неоднородном поле, пренебрегая взаимодействием электронов. На рис. 1.5, а показано движение электронного потока в ускоряющем неоднородном поле. Если в направлении движения электронов силовые линии сходятся, то такое поле можно условно назвать сходящимся. Пусть в это поле влетает поток электронов. Для упрощения показаны только средний и крайние электроны. Очевидно, что траектории электронов искривляются в ту же сторону, куда и силовые линии. В результате электроны сближаются, т.е. происходит фокусировка электронного потока, напоминающая фокусировку светового потока с помощью собирающей линзы.

Если силовые линии в направлении движения электронов расходятся (рис. 1.5, б), то поле можно условно назвать расходя-

62