Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [ 3 ] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

РАЗДЕЛ I

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

Глава 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ И ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Работа электронных прибороз основана на управлении концентрацией и движением потоков заряженных частиц в вакууме, газах и полупроводниках. Изучение свойств этих частиц и их поведения в различных условиях является необходимой предпосылкой для понимания работы электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

В связи с этим возникает ряд вопросов:

1. Почему именно электрон наилучшим образом удовлетворяет требованиям, предъявляемым к частицам, выступающим в качестве носителей тока в электронных приборах?

2. Как получить поток свободных электронов, затрачивая при этом минимальное количество энергии?

3. Каким образом можно управлять движением электронов? Для ответа на эти вопросы необходимо повторить ряд положений,

изученных ранее в курсе физики. Укажем лишь на те из них, которые представляются наиболее существенными с точки зрения технической электроники.

1.1. ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ.

ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

В соответствии с электронной теорией все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц - атомов. Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, основными из которых являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны - отрицательный, равный по величине заряду протона, а нейтроны электрически нейтральны, их заряд равен нулю.

Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Вокруг ядра под влиянием его притяжения движутся по определенным замкнутым траекториям (орбитам) отрицательно заряженные электроньк В нормальном состоянии атом содержит одинаковое количество протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален.

Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме зависит от типа химического элемента, составной частью которого он является. Так, например, в ато.ме водорода вокруг ядра вращается только один электрон (рис. в атоме меди - 29, в атоме золота - 79 и т. д.



Число электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядко-ному номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Например, атом 92-го элемента таблицы (урана) имеет 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Поэтому под действием соседних атомов или вследствие других причин внешгше электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома. Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными электронами. Они определяют химическую активность вещества, т. е. участвуют в создании химической связи между атомами. Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название - \

свободных электронов. Оии перемещаются внутри \

вещества между атомами в различных направле- v (±\ \ ниях и с различными скоростями. При наличии / \Ядро j внешнего электрического поля беспорядочное дви- \ /

жение свободных электронов становится упоря-

доченным, направленным. В результате возгш- р j j кает электрический ток. Чем больше свободных нияатома водорода, электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электрический ток на проводники, полупроводники и диэ.ектрики.

Теряя нли приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс отрыва электронов от атома или присоединения к атому лишнего электрона, в результате которого образуется гюложи-тельный или отрицательный ион, носит название ионизации атома. Ионы, имеющие разноименные заряды, притягиваясь друг к другу, образуют молекулы.

Необходимо отметить, что описанная выше так называемая классическая теория строения атомов не может дать ответы на ряд вопросов, связанных с поведением микрочастиц.

Действительно, согласно классической электродинамике, электрон, как каждая электрически заряженная частица, при вращении вокруг ядра должен непременно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Непрерывное уменьшение энергии должно вести к постепенному приближению орбиты к ядру, так как круговая скорость падает и для сохранения равенства центробежной и центростремительной сил необходимо все большее сжатие орбиты. В конечном итоге электрон должен упасть на ядро, а излучение прекратиться. Однако зтого не происходит. Кроме того, непрерывное изменение частоты вращения электрона на орбите, казалось бы, должно приводить к непрерывному изменению частоты излучения. Но известно, что атомные оптические спектры имеют линейчатую, прерывистую структуру с характерным чередованием линий, которым соответствуют определенные (дискретные) значения частот.



Таким образом, [(редложенная Э. Резерфордом планетарная модел;. атома НС могла объяснить излучение и поглощение энергии атомов.

Перед учеными возникла нсключите;[ьпо острая проблема, связанная с нроти-иоречийми между cyMMoii накопленных наукой теоретических представлений и новыми фактами, не укладывающимися в эти привычные представления. 1!а()яду с сугубо научными проблемами пришлось решать и проблемы мировоззренческие. Ряд ученых начали высказывать сомнение в истинности знаний, добытых наукой, и даже в самой возможности объективного научного познания.

Р1менно в эти годы В. Р1. JJennn в работе «Материализм и эмпириокритицизм» дал глубокий анализ мировоззренческой дискуссии в физике. Он показал, что возникшие проблемы и трудности не только ие противорСгат основным положениям диалектического материализма, но, наоборот, являются подтверждением их плодотворности. Суть кризиса физики, как отмечал В. И. Ленин, заключалась в том, что физика -чрождала!) диалектичсскнй материализм. Новые факты заставили сломать рамки механицизма и перейти к гибким диалсктико-материалнстическим представлениям, С особой силой подтвердилось важнейшее положение материалистической диалектики о том, что противоречия - (есточник развития, что будущее - итог, порождение противоречий, В то время когда физики ожесточенно дискутировали вопрос о реальности электрона, В. I-!. Ленин утверждал: «Электрэн также неисчеЕ;-паем, как и атом, прирэда бесконечна...» Все нослсдуюнес развитие физики подтвердило глубину ленинской мысли. У-\

Жизнь настоятельно требовала объяснения новых физических явлений. Такое объяснение было дано квантовой теорией строения вещества, в соответствии с которой электроны имеют свойства не только материальных частиц (корпускул), но и волновые свойства.

В основу квантовой теории положены следующие теоретические предпосылки:

Гипотеза М. Планка. В 1900 г. М, Планк выдвинул гипотезу, в соответствии с которой энергия электронов в атоме может принимать лишь вполне определенные дискретные значения. Изменение энергии электронов люжет происходить только скачкообразно. Перехо,д из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией может произойти при условии поглощения извне 1Юрции эргергии, равной разности значений энергии в этих состояниях. При обратном переходе эта порция энергии должна быть отдана. Такая порция энергии получила название кванта энергии.

Постулаты Н. Бора. В 1913 г. Н. Бор постулировал, что:

1. Электрон в атоме южeт находиться в определенных устойчивых состояниях, называемых стационарными. В этом случае атом не излучает энергии,

2. Атом излучает или поглощает энергию только при переходе из одного стационарного состояния в другое. Величина кванта энергии связана с частотой излучения соотношением

W = hv, (1.1)

где V--частота излучения; h - постоянная Планка (h ~ 6,625 X

X 10~ Дж с).

3. Момент количества дви>

должен быть кратным числу

X 10~ Дж с).

3. Момент количества движения электрона иа стационарной орбите

m,Vr = n-, (1.2)

Л е п II и В. И. Поли. собр. соч., т. 14, с. 249.



[0] [1] [2] [ 3 ] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.001