1. Движение электрона в электрическом поле. Приборы, созданные на основе особенностей движения.

Э

Е

F

лектрон представляет собой материальную заряженную частицу, имеющую массу m и отрицательный заряд q. Это означает, что электрон должен подчиняться 2му закону Ньютона и тем законам, которые определяют его движение в электрическом поле

Пусть имеется однородное электрическое поле.

Движение электрона в эл. поле происходит под действием силы, связанной с эл полем . Эта сила определяет направление движения электрона. Электрон движется с ускорением и в процессе движения приобретает определенный запас кинетической энергии Е_К. Т.о. можно утверждать, что с помощью эл. поля можно управлять движением электрона и передавать ему со стороны поля определенный запас энергии.

Электронно-лучевая трубка

Электрическое поле между отклоняющими пластинами однородно (поле конденсатора), эта конструкция помещается в вакуумированный обьем:

Триод

Пусть имеется металлический цилиндр, в котором находится вольфрамовая нить. Катод сделан из материала, обладающего наибольшим коэффициентом термоэмиссии.

Вольфрам при нагреве окисляется и покрывается оксидной пленкой, являющейся диэлектриком, поэтому нить спиралевидная – витки изолированы друг от друга и вольфрамовая нить работает по всей длине.

Сетка может полностью отсутствовать, тогда получим вакуумный диод, с одной сеткой – триод. Триод усиливает электрический сигнал. Рассмотрим триод, включенный в электрическую цепь.

Электрическое поле анод-катод воздействует на электроны, т. е. электроны, эмитированные с катода устремляются к аноду. Сетка расположена вблизи катода. Напряжение на ней (по отношению к катоду) . Несмотря на то, что , ввиду близости сетки к аноду, потенциал на ней может создавать напряженность , т. е. E_СК может быть , а может быть и .

На участке ток существует за счет наличия высокоэнергетичных электронов, эмитируемых с катода (их энергия достаточно велика, чтобы преодолеть тормозящее действие сетки и, преодолев сетку, электроны попадают в чисто ускоряющее поле).

Расстояние между сеткой и катодом влияет на крутизну характеристики . При увеличении расстояния она будет более пологой.

Клистрон

В клистроне можно выделить ускоряющее поле E_СК и тормозящее E_АС. На сетку подается положительный потенциал. Сетка редка, электроны попадают в объемном резонатор, где поле тормозящее. Электрическое поле сетка-катод для электрона является ускоряющим полем. Электрон движется ускоренно, его энергия возрастает.

В объемном резонаторе электроны, тормозясь в поле, излучают.

Клистроны генерируют мощность от милливатт до десятков киловатт в см и мм диапазоне излучения.

2. Основы зонной теории. Энергетические уровни. Зонная диаграмма.

Энергетические уровни отдельных атомов полупроводникового материала, объединенных в кристалл, расщепляются и образуют зоны раз­решенных энергетических состояний, отделенных друг от друга энергетиче­скими интервалами (запрещенной зоной). Этим интервалам соответству­ют значения энергии, которыми не может обладать ни один электрон.

Пусть 2^ой атом свободный, т.к. он находится далеко от первого. Затем он начинает приближаться к первому атому. На определенном расстоянии возникает кристаллическая решетка, а - период кристаллической решетки. При сближении атомов и возникновении кристаллической решетки 1^ый уровень не претерпевает каких-либо изменений. n=1- соответствует не возбужденному состоянию. Все остальные расщепляются в зоны, в системы множ энергетических уровней (подуровни). Количество подуровней соответствует количеству атомов в объеме вещества. Зоны, которые представляют собой систему подуровней наз. разрешенными зонами значений энергий (электрон может иметь энергию). Разрешенные зоны разделены запарещенными. Количество подуровней =N, на каждо уровне может находиться 2е^- , следовательно в разрешенной зоне м.б. 2N электронов

Энергетическая диаграмма собственного полупроводника показана на рисунке, где по оси ординат отложена полная энергия электрона ε, по оси абсцисс — координата электрона в твердом теле х; Δε_з— ширина запре­щенной зоны. Каждой горизонтальной прямой на диаграмме соответст­вует энергия, которую может иметь электрон, находящийся в любой точке х кристалла. Валентная зона ВЗ образуется в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов, зона проводимости ЗП— в результате расщепления уровней возбуждения и ионизации атомов. Эти две зоны разделены запрещенной зоной ЗЗ. Проводимость собственного полупроводника в равной степени определяется как электронами, так и дырками (концентрация е^- =концентрации дырок).

Однако для изготовления приборов собственные полупроводники используются редко. Обычно применяются легированные полупроводники, электропроводность которых обусловлена преимущественной концентрацией подвижных носителей, несущих либо положительный электрический заряд (дырка), либо отрицательный электрический заряд (электрон). В n-полупроводнике основной носитель заряда е^-; в р- полупроводнике основной носитель заряда дырки. В р- полупроводнике имеется акцепторный уровень, в n – донорный.

Уровень Ферми

Процесс появления свободного носителя заряда, способного принимать участие в токе, называется процессом генерации заряда.

Обратный процесс, захват электрона, уничтожение дырки, представляет процесс рекомбинации носителя заряда.

Под уровнем Ферми понимаем значение энергии ионизации атома отнесенной к одному электрону.

Все примесные уровни располагающиеся над уровнем Ферми относятся к проводнику n-типа.

Свойства

1. Т=0к уровень Ферми по своему положению совпадает с положением потолка валентной зоны.

T>0к уровень Ферми располагается в середине запрещенной зоны.

2. Примесные полупроводники. Т=0к уровень Ферми совпадает с положением уровня примесного атома.

уровень Ферми Располагается посередине между уровнем примесной зоны и потолком.

уровень Ферми перемещается в середину запрещенной зоны.

3. В любой системе состоящей из полупроводников различной проводимости и вообще из различных полупроводников в условии термодинамического равновесия уровень Ферми во всех частях системы располагается одинаковым образом.