Физика. В 4 ч. Ч. 3. Электродинамика

Электронная

возникает при внешних воздействиях на метал-

эмиссия

лический электрод, в результате чего часть элект-

ронов приобретает энергию, достаточную для

преодоления энергии их связи с атомами метал-

ла, то есть для совершения работы выхода Авых.

Виды электронной

эмиссии

а) ионно-электронная

возникает при бомбардировке катода положи-

тельными ионами (используется в газах);

б) термоэлектронная

испускание электронов с поверхности нагретого

металлического электрода (используется в боль-

шинстве современных электронных вакуумных

приборов);

в) фотоэлектронная

испускание электронов из металла при воздей-

ствии на него электромагнитного излучения.

Работа

Двухэлектродный вакуумный баллон является

двухэлектродной

вакуумным диодом. Представляет собой стек-

лампы

лянный или керамический баллон с впаянными

с использованием

в него металлическими электродами: анодом и

термоэлектронной

катодом. Ток в цепи нити накала косвенно (ка-

эмиссии

тод тогда называют катодом косвенного накала)

или непосредственно (сама нить накала являет-

ся катодом, тогда катод носит название катода

прямого накала) нагревает катод до высоких

температур, вызывая при этом эмиссию элек-

тронов. Для увеличения числа испускаемых

электронов поверхность металлического катода

покрывают тонким слоем оксидов щелочнозе-

мельных металлов (бария, стронция или каль-

ция). Внутри баллона создается вакуум (воздух

откачан до давления 10-6–10-7 мм рт. ст).

Вольт-амперная

Схема установки для получения вольт-ампер-

характеристика

ной характеристики

вакуумного диода

него быстрых электронов. Электронный пучок

8, попадая на экран 9, вызывает свечение лю-

минофора.

С помощью электрических и магнитных полей

можно управлять движением электронов, полу-

чая на экране определенные картины.

Так в ЭЛТ осциллографа между анодом и экра-

ном находятся 2 пары параллельных пластин 6 и

7, называемых управляемыми электродами. Рас-

положение пластин таково, что одна пара откло-

няет электронный пучок в вертикальном, а дру-

гая – в горизонтальном направлениях. Смещение

пятна на экране пропорционально приложенному

напряжению, поэтому осциллограф может слу-

жить элетронно-измерительным прибором.

Электрический ток

возникает только при ионизации газов и пред-

в газах

ставляет собой направленное движение электро-

(газовый разряд)

нов и ионов (положительных и отрицательных).

Ионизация атома

процесс отрыва электронов от атома (молеку-

лы), при этом образуется положительный ион.

Энергия связи

минимальная энергия, затрачиваемая на отрыв

электрона (е–) от атома (молекулы (М)).

Ионизация газа

приводит к появлению электронов е–, положи-

тельных ионов, а также отрицательных ионов,

возникающих при присоединении электрона к

нейтральному атому (молекуле).

е–

–

е

и

М

и

М

Рекомбинация

процесс восстановления нейтральных молекул

254

Удельная проводимость у полупроводников, а, сле-

довательно, их удельное сопротивление ( = 1/ ),

изменяется в широких пределах. Удельное со-

противление полупроводников резко убывает с

ростом температуры. Этим полупроводники от-

личаются от металлов, удельное сопротивление

которых с ростом температуры увеличивается.

элементы, обладающие свойствами полупровод-

ников, занимают в таблице Менделеева централь-

ную часть и принадлежат III–VI группам таблицы.

Электропроводность

зависит также от освещения, напряженности и

полупроводников

направления электрического поля, может суще-

ственно изменяться при введении в их состав

незначительного количества примесей.

Элементы VI группы периодической таблицы

элементов Менделеева кремний Si и германий

Ge – типичные полупроводники. Их кристаллы

имеют атомную (ковалентную) кристаллическую

решетку. Четыре валентных электрона каждого

атома связаны с такими же электронами соседних

атомов химическими парноэлектронными связя-

ми. Плоская проекция такой решетки схематиче-

ски изображена на рисунке. Каждая черточка обо-

значает один из электронов ковалентной связи.

Парноэлектронные связи очень прочные и при

низких температурах не разрываются. Нагрева-

ние полупроводника до сравнительно невысо-

ких температур приводит к разрыву ковалент-

ных связей и появлению свободных электронов.

Энергия активации

энергия, необходимая для создания в чистых (бес-

собственной

примесных) полупроводниках электропроводности.

проводимости

Значения этой энергии различны для разных полу-

проводников и составляют не более 1,5–2,0 эВ.

257

Электрический ток в

полупроводниках

Собственная

или электронно-

дырочная

проводимость

полупроводников

Примесная

проводимость

полупроводников

Акцепторные примеси

258

Полупроводник

полупроводник с преобладанием дырочной при-

р-типа

месной проводимости над электронной (дыр-

ки – основные носители заряда, а электроны –

неосновные).

Донорные примеси

примеси, имеющие большее число валентных

электронов по сравнению с их числом у атомов,

образующих кристаллическую решетку полу-

проводника.

Так при замене в кристаллической решетке ато-

ма германия, имеющего четыре валентных элек-

трона, атомом мышьяка (или сурьмы), имеющим

пять валентных электронов, можно увеличить

концентрацию свободных электронов, так как

пятый валентный электрон примеси не участву-

ет в образовании ковалентной связи с соседним

атомом германия.

Полупроводник

полупроводник с преобладанием электронной

n-типа

проводимости над дырочной (электроны – ос-

новные носители заряда, дырки – неосновные).

Электронно-

область контакта двух полупроводников с раз-

дырочный переход

личным типом проводимости.

(p-n-переход)

Этот контакт создается не механическим со-

прикосновением полупроводников (p- и n-типа), а

путем внедрения в чистый полупроводник в

процессе кристаллизации с двух сторон донор-

ной и акцепторной примесей.

При таком контакте двух полупроводников n- и

р-типа вследствие теплового движения проис-

ходит взаимная диффузия носителей тока через

границу полупроводников: электроны переходят в

полупроводник р-типа, дырки – в n-типа. Воз-

никает контактное поле напряженностью Ek ,

препятствующее дальнейшей диффузии заря-

женных частиц, т. е. на границе образуется за-

пирающий электрический слой толщиной l, пре-

259

пятствующий дальнейшему переходу зарядов

через границу раздела полупроводников.

Этот запирающий слой обладает большим со-

противлением.

Если полупроводник n-типа подключен к отри-

цательному полюсу источника, а полупровод-

ник р-типа – к положительному, то под дей-

ствием электрического поля электроны в полу-

проводнике n-типа и дырки в полупроводнике

р-типа будут двигаться навстречу друг другу к

границе раздела полупроводников. При таком

прямом направлении внешнего электрического

поля толщина запирающего слоя и его сопро-

тивление уменьшается.

Электрический ток проходит через границу двух

полупроводников и называется прямым.

Если поменять направление внешнего электри-

ческого поля, т. е. полупроводник n-типа под-

ключить к положительному полюсу источника,

а полупроводник р-типа – к отрицательному, то

электроны в n-полупроводнике, а дырки в р-

полупроводнике будут перемещаться под дей-

ствием электрического поля от границы раздела

в противоположные стороны, что приведет к

увеличению толщины запирающего слоя и его

сопротивления.

При таком направлении внешнего поля электри-

ческий ток через контакт практически не про-

ходит и называется обратным.

Вольт-амперная

электронно-дырочный переход обладает одно-

характеристика

сторонней проводимостью и называется полу-

полупроводникового

проводниковым диодом (аналогично действию

диода

двухэлектродной лампы – вакуумного диода).

Обозначается на схемах

Примечание: комбинация двух n–р-переходов

260