Konsp_Lec_MKREA

Такая энергетическая структура твёрдых тел также позволяет разделить их на проводники, полупроводники и диэлектрики. У проводников зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга и запрещённая зона фактически отсутствует. При этом валентные электроны легко переходят в зону проводимости и участвуют в создании электрического тока. У диэлектриков ширина запрещённой зоны велика и валентным электронам для перехода в зону проводимости необходимо сообщить значительную энергию (не менее 5 эВ). У

полупроводников запрещённая зона относительно невелика (примерно (0,5...3) эВ) и под воздействием внешних факторов (поглощение фотонов света,

поглощение квантов электромагнитного излучения, тепловые колебания кристаллической решётки и т.д.) электроны могут перейти в зону проводимости. Наиболее широко используются такие полупроводники, как германий ( Wзапр 0,67 эВ), кремний ( Wзапр 1,11 эВ), арсенид галлия (Wзапр 1,43 эВ), арсенид индия ( Wзапр 0,36 эВ) Ширина запрещённых зон приведена для температуры T 300 K .

Электроны обладают следующими основными свойствами:

1.В электрическом поле электроны испытывают воздействие силы и сами могут создавать электрическое поле;

2.Электроны отталкиваются друг от друга;

3.Направленное движение электронов образует электрический ток. Как и ток, проходящий по проводу, поток электронов создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, а в поперечном магнитном поле испытывает воздействие силы;

4.Находясь в движении, электрон обладает кинетической энергией

энергия превращается в тепловую. При соударении движущегося электрона с нейтральным атомом, кинетическая энергия электрона может быть затрачена на ионизацию атомов;

51

5. Ни одна другая частица не имеет такой высокой подвижности, как электрон. Подвижность электрона характеризуется величиной

q 1,759 1011 Кл/ кг. me

Управление движением свободных электронов в большинстве электронных приборов осуществляется с помощью электрических и магнитных полей.

Электрон в электрическом поле.

На электрон, как и на любой заряд, помещённый в электрическое поле с напряжённостью E , действует сила, равная произведению величины заряда на

двигается вдоль силовых линий электрического поля в сторону точек, с более высоким потенциалом.

Электрон в магнитном поле.

Влияние магнитного поля на движущийся электрон можно рассматривать как действие этого поля на проводник с током. Так, движение электрона с зарядом q и скоростью V эквивалентно току, протекающему через

элементарный отрезок проводника длиной l i l q V .

Согласно основным законам электромагнетизма сила, действующая в

52

Из выражения (4.4) видно, что электрон, движущийся вдоль силовых линий магнитного поля ( 0), не испытывает никакого воздействия магнитного поля ( F 0 ). Если же вектор скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции ( / 2 ), то сила, действующая на электрон максимальна

Работа выхода электронов.

Для работы ряда электронных приборов (например, электронных ламп) необходимы свободные электроны. Только в этом случае они могут выполнять функции носителей электрического тока. Для объяснения условий, выполнение которых необходимо для выхода электрона из вещества, вводят понятие уровня Ферми.

Уровень Ферми – это максимальный уровень энергии, который могут иметь электроны в твёрдом теле при температуре абсолютного нуля. Уровень Ферми определяется выражением

свободных электронов в 1 см3 проводника. В металлах N 1022...1023 .

При выходе за пределы проводника электрон оказывается под действием сил, возвращающих его обратно. Прежде всего это связано с тем, что между вылетевшими из металла электронами и оставшимися вблизи поверхности металла положительными ионами возникает электрическое поле. Это поле является «тормозящим» для электронов, стремящихся покинуть поверхность металла.

Для отрыва от поверхности проводника электроны должны затратить энергию

где W0 – работа выхода.

Работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона на пройденную разность потенциалов 0 .

53

Выход электронов за пределы твёрдого тела называют электронной эмиссией. В электровакуумных приборах источником электронов служит металлический электрод – катод. Для сообщения электронам энергии, необходимой для выхода из катода, им необходимо сообщить дополнительную энергию. В зависимости от способа сообщения электронам необходимой для выхода из катода энергии различают такие виды электронной эмиссии:

1.Термоэлектронная эмиссия, при которой энергия сообщается электронам в результате нагревания катода;

2.Фотоэлектронная эмиссия, при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;

3.Вторичная электронная эмиссия, при которой катод

«бомбардируется» потоком электронов или ионов;

4.Электростатическая эмиссия, при котором у поверхности катода действует сильное электрическое поле.

Более полную информацию об основных свойствах электронов, строении атомов вещества, свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков, воздействии на заряженные частицы электрического и магнитного полей можно получить в следующих источниках.

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Борисов О.В. Твердотільна електроніка: Навч. посібник / Політехніка, 2004. – 208с.

3.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

54

Лекция 5. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ. ОСНОВЫ

В большинстве электровакумных приборов для создания потока электронов используется термоэлектронная эмиссия. Электрод, создающий поток электронов называется катодом. Необходимая для выхода из катода энергия сообщается электронам путём нагревания катода. Ток термоэлектронного катода поэтому зависит от его температуры. Различают катоды с прямым и непрямым накалом (рис. 5.1). Во втором случае используется отдельный подогреватель. В качестве материала катода используют один из тугоплавких металлов с малой работой выхода электронов (вольфрам, барий, молибден и т.д.).

Рисунок 5.1 – Схематическое изображение диода

В процессе работы катод изнашивается (уменьшается количество электронов, нарушается целостность металлических контактов), происходит окисление поверхности катода и увеличивается удельная работа выхода электронов. Например, работа выхода из окисленного вольфрама увеличивается почти вдвое по сравнению с неокисленной поверхностью. В среднем время работы электровакуумных ламп составляет порядка 500-2000 часов. Очевидно, что износостойкость и время работы больше у катодов с непрямым накалом.

Электровакуумный диод – это двухэлектродная лампа, в которой совместно с катодом используют второй электрод, называемый анодом. Электроды размещают в стеклянном или керамическом баллоне, в котором создают искусственный вакуум. Если напряжение на аноде положительно по отношению к напряжению на катоде, то электроны эмиттируемые (испускаемые) катодом, попадают под действие ускоряющего электрического поля, движутся к аноду и создают анодный ток. При отрицательном напряжении на аноде (по отношению к катоду) электроны оказываются под действием тормозящего электрического поля и ток отсутствует. Следовательно,

55

диод проводит ток только в одном направлении. Это свойство диода определяет его основное назначение – выпрямление переменного тока и детектирование модулированных сигналов.

Ток анода, при неизменной температуре катода, зависит от напряжения между катодом и анодом. Во многих случаях катод имеет нулевой потенциал и ток анода является функцией напряжения на аноде. Для большинства конструкций электровакуумных диодов ток анода зависит от напряжения на аноде в соответствии с законом Чайльда-Ленгмюра.

где G – коэффициент, зависящий от размеров анода и конструкции лампы.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ), построенная по формуле (5.1) соответствует кривой 1 на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 – Вольт-амперная характеристика диода

Реальная ВАХ (кривая 2) совпадает с «идеальной» только на начальном участке, а при возрастании напряжения Ua начинает заметно отличатся от последней. Причины этого отличия следующие:

1.Эмиссионная способность катода ограничена. Когда ток анода становится таким, который соответствует максимальной эмиссии катода, дальнейший рост тока анода прекращается;

2.Потенциал катода не является одинаковым в каждой его точке, что

приводит к разной эмиссии из разных его частей.

Рассмотрим основные электрические характеристики электровакуумных диодов.

56

действие на электроны, эмиттируемые катодом. При этом анодный ток Ia

уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на электроны, увеличивая анодный ток. Однако, при этом, часть электронов попадает на сетку, создавая сеточный ток Ic . Этот ток

характеризует энергию, затрачиваемую на управление током анода в электровакуумном триоде. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует, что позволяет получить преобразователь (усилитель) с высоким КПД (малыми потерями энергии).

Для определения тока анода используем метод приведения триода к эквивалентному диоду. Схема триода с учётом междуэлектродных емкостей Cск и Cак приведена на рис. 5.3а. Схема эквивалентного диода приведена на

рис. 5.3б. При этом совместное действие анода и сетки триода заменяется действием анода, помещенного на место сетки в эквивалентном диоде. Считается, что напряжение на аноде эквивалентного диода U п создает ток,

равный току катода в триоде.

Рисунок 5.3 – Схематическое изображение триода и эквивалентного ему диода

Из условия равенства зарядов триода и эквивалентного диода

Разделив составляющие этого выражения на Cск , получим

58

отрицательном напряжении на сетке анодный ток отсутствует до тех пор, пока не выполнено условие U c Da U a 0 . Значит, анодный ток при Uc const

ускоренных электрическим полем между сеткой и катодом, «проскакивает» сетку и достигает анода.

Рисунок 5.4 – Семейство анодных вольт-амперных характеристик триода

Рассмотрим типовое семейство анодно-сеточных ВАХ триода (рис. 5.5). Для заданного значения U a const ток анода появляется при значении

Uc0 U a Da .

59

Рисунок 5.5 – Семейство анодно-сеточных ВАХ триода

Важным следствием формулы (5.10) является тот факт, что при Da 1

анодное напряжение триода влияет на ток анода в гораздо меньшей степени, чем напряжение на сетке. И это хорошо видно из рис. 5.4-5.5.

Определим полный дифференциал тока анода, как

Частные производные в данном выражении имеют вполне определённый

физический смысл. Так, Ia характеризует степень влияния на анодный ток

Uc

напряжения на сетке и называется крутизной триода S , или проводимостью

прямой передачи. Частная производная Ia характеризует степень влияния на

Ua

ток анода напряжения на аноде и называется внутренней проводимостью триода Gi . Тогда величина, обратная Gi , называется внутренним

сопротивлением триода Ri .

В статическом режиме, т.е. при отсутствии полезного переменного сигнала, dIa 0 и из выражения (5.11) можно получить