Элементы электроники
Скачать 0.58 Mb.
|
| Фих А.Я., Щевелев А.А., Мартемьянова Т.Ю. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 11 класс Пособие к лабораторному практикуму Глава I ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННО-ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ. § 1. Проводники и диэлектрики. Известно из курса физики, что электрический ток – это направленное движение свободных заряженных частиц вещества под действием электрического поля. Например, в металлах носителями электрического тока являются свободные электроны. Согласно современным представлениям атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов; при этом электроны в атомах могут обладать определёнными дискретными значениями энергии. Эти значения энергии принято называть энергетическими уровнями. Электроны, расположенные ближе к ядру, обладают меньшими энергиями и находятся на низких энергетических уровнях. Более удалённые от ядра электроны находятся на более высоких энергетических уровнях. На каждом энергетическом уровне в атоме могут находиться не более двух электронов, обладающих противоположными спинами, согласно запрету Паули. Если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, атом излучает определённую порцию энергии – так называемый квант энергии (фотон). Если атом поглощает квант энергии, то электрон переходит на более высокий энергетический уровень.  (1)Уравнение 1 – математическое описание идеи. Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме изображают схематически как показано на рис.1а. При этом если электроны заполняют все дозволенные энергетические уровни, то атом находится в невозбуждённом состоянии. Если же какие-то электроны находятся на более высоких уровнях, то атом в возбуждённом состоянии.   Рис.1а Рис. 1б По вертикали отложены дозволенные значения энергии Е электронов атоме данного элемента. Эти значения измеряются несколькими электрон-вольтами или десятками электрон-вольтом. При этом за нулевой энергетический уровень в атоме принимается такое его энергетическое состояние, при котором он теряет электрон и обращается в ион. Следовательно, все значения энергии электронов в атоме – отрицательные числа. Если, например, электрон в атоме находится на энергетическом уровне -13,6 эВ, то это означает, что минимальный квант энергии (фотон), который следует поглотить атому , чтобы этот электрон покинул атом, превратив его в ион hν = 13.6 эВ. Для атомов одного элемента Энергетические уровни электронов одинаковы. Для атомов различных элементов распределение энергетических уровней различно. В этом различии и заключается природа различия физических и химических свойств элементов. В кристаллах энергетические уровни расщепляются на N дискретных подуровней, где N – число атомов в решётке кристалла. Электроны, находящиеся на валентных энергетических уровнях атомов, образуют так называемую валентную зону подуровней. Энергетические уровни, соответствующие возбуждённым состояниям атомов, также расщепляются каждый на N подуровней и образуют так называемую зону проводимости. У диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости существует запрещенная зона W, достаточно широкий интервал значений энергий, недоступных электронам (порядка нескольких электрон-вольт) (рис. 2а). У металлов запрещённая зона отсутствует и «потолок» валентной зоны оделены от «дна» зоны проводимости квантом, величина которого соизмерима с квантом, отделяющем соседние подуровни в зоне (рис. 2б).  Рис. 2а  Рис. 2б У диэлектриков ширина запрещённой зоны ΔW>>kT, где Е – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана, kT – среднее значение кинетической энергии хаотического теплового движения электронов. Следовательно, возможность перейти в зону проводимости, т.е. стать свободным, способным принять участие в направленном под действием электрического поля движении есть только у очень малого количества электронов , кинетическая энергия которых много больше средней кинетической энергии их при данной температуре. Следовательно, концентрация свободных электронов у диэлектрика ничтожна и их сопротивление очень велико. У металлов же валентная зона и зона проводимости при T>0 практически совпадают, все валентные электроны свободны. Свободные электроны в металлах составляют так называемый электронный газ и под действием электрического поля хаотическое движение электронов этого газа превращается в электронный поток. Современная теория проводимости металлов была на основе квантовой механики разработана советским учёным Я. Френкелем и немецким учёным А. Зоммерфельдом. В электролитах, которые вследствие электролитической диссоциации состоят из ионов противоположных знаков, носителями тока являются ионы Проводниками являются также ионизированные газы. У них носителями тока являются ионы противоположных знаков и электроны. Существуют также и широко используются в современной электронике ещё один вид проводников – полупроводники, сопротивление которых меняется в очень широких пределах в зависимости от температуры или освещённости. Что собой представляют носители тока в полупроводниках, вы узнаете из II части данного пособия. § 2. Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в вакууме. Вакуумные диоды. В электронике широко используются электронные вакуумные лампы. (Следует отметить, что в современной электронике электронные лампы вытесняются их полупроводниковыми аналогами.) Под вакуумом здесь следует понимать такое состояние вещества, при котором средняя длина свободного пробега его частиц соизмерима с линейными размерами того пространства, которое занимает это вещество. Это так называемый «высокий» вакуум Средства современной техники – высоковакуумные разряжающие насосы позволяют получить высокий вакуум в запаянных стеклянных или металлических баллонах. Для получения носителей тока в вакууме – электронов используется явление термоэлектронной эмиссии – вылета электронов с поверхности нагретых до высокой температуры металлов (до температуры «красного каления»). Опишем это явление более подробно. Поскольку в металле существуют свободные электроны, составляющие электронный газ, то те из них, которые расположены вблизи поверхности металла, могут покидать металл, образуя слой электронов, обтекающий поверхность металла. При этом поверхность металла заряжается положительно, т. к. нарушается баланс между количеством электронов и зарядом ионной решётки металла. Вследствие этого вылетевшие из металла электроны стремятся вернутся в металл. Но их место занимают другие электроны, покидающие металл вследствие теплового движения. Таким образом вокруг металла образуется электронная плёнка, толщиной в несколько атомных расстояний (десятые доли нанометра), а поверхность металла оказывается заряженной положительно. Говорят, что поверхность металла представляет собой «двойной электрический слой» - слой электронов над слоем ионов поверхности решётки. В пределах этого слоя существует электрическое поле – «поверхностное» электрическое поле, препятствующее удалению электронов за пределы электронного слоя. Количественно поверхностное поле характеризуется разностью потенциалов между электронным и ионным слоями  .Чтобы уйти за пределы поверхностного слоя электрон должен иметь энергию Wэ  е, где е – заряд электрона.При низких температурах таких электронов ничтожное количество. Величина е = Авых (1) называется работой выхода. Для разных металлов она различна. Наименьшая работа выхода у металлов I группы таблицы Менделеева: натрия, цезия и др. Они называются оксидными. Она приблизительно равна 1 - 2 эВ.Если нагреть металл до температуры 1000 К и выше, то количество электронов, энергии которых становится больше работы выхода, резко возрастает, и возникает интенсивная эмиссия электронов с поверхности металла. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Оно используется для работы электронных ламп. В баллон, из которого выкачан воздух до уровня высокого вакуума, впаивается проволочка (или пластинка) из оксидного металла, концы которой выведены наружу. к концам этой проволочки подключают полюса источника постоянного или переменного тока с небольшой ЭДС, примерно 10 В. Тогда проволочка ведёт себя как спираль электроплитки, включённой в сеть. То есть нагревается до высокой температуры (обычно до температуры красного каления). Возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия. Вокруг металла образуется электронное облако из электронов, эмитировавших из него. При установлении термодинамического равновесия (Т = const) количество электронов в электронном облаке остаётся неизменным. Число электронов, покидающих металл в единицу времени сравнивается с числом электронов в единицу времени возвращающихся в металл. Такое поведение электронов в баллоне аналогично поведению молекул насыщенного пара. Интенсивность термоэлектронной эмиссии для данного металла – это число электронов, эмитирующих из металла в единицу времени. Обозначим эту величину n. Интенсивность термоэлектронной эмиссии для данного металла зависит только от температуры и с увеличением температуры возрастает. Итак, для электрического тока в вакууме выполнено одно из условий: есть свободные носители тока – электроны. Теперь следует обеспечить второе условие: создание электрического поля, превращающего электронное облако в поток электронов. С этой целью в баллоне должны быть впаяны два электрода: анод и катод. Анод присоединяется к положительному полюсу источника, а катод к отрицательному. ЭДС источника тока примерно от 100 до 200 В. В  качестве катода модно использовать описанную выше металлическую проволоку, которая эмитирует электроны. Так устроена двухэлектродная электронная лампа – диод.На рисунке 3а изображена схема такого диода. Он называется диодом с катодом прямого накала. Рис.3а На рисунке 3 б изображена схема диода с катодом косвенного накала.  Рис. 3 б В таких диодах катод представляет собой металлический цилиндр, Внутри этого цилиндра расположен нагреватель: металлическая спираль, через которую пропускают ток от источника с малой ЭДС, называемую нитью накала. Чаще всего используется цилиндрическая конструкция лампы и электродов.  Так примерно выглядит конструкция вакуумного диода с катодом косвенного накала. Основным свойством диода является его односторонняя проводимость. Электроны в диоде могут двигаться только от катода к аноду и только в случае, если катод присоединён к отрицательному полюсу источника, а анод к положительному. В противном случае, если на аноде отрицательный потенциал относительно катода, то эмитирующие из катода электроны тормозятся электрическим полем и обратно загоняются в катод. В этом случае говорят: «диод заперт», т.е. ток через лампу не идёт. Рис. 4а  Р ис. 4бНа рисунках 4а и 4б изображены схемы подключения диодов с катодом прямого и косвенного накала к источнику тока. Еп – источник тока, обеспечивающий накал катода, Еа – источник тока, создающий электрическое поле между анодом и катодом. Если собрать цепь по схеме. изображённой на рисунке 5, то можно получить так называемую «вольтамперную характеристику» диода, то есть график зависимости силы тока через диод от напряжения между анодом и катодом.  Рис. 5 Реостат 1 позволяет менять силу тока через нить накала, потенциометр 2 напряжение между анодом и катодом (анодное напряжение).Сила тока измеряется миллиамперметром. Анодное напряжение вольтметром. С помощью потенциометра анодное напряжение меняется от 0 до Еа. В результате эксперимента получаются графики, изображённые на рисунке 6  Рис. 6 На рисунке изображены графики зависимости силы тока от анодного напряжения при различных температурах катода. Анодное напряжение считается положительным, если анод подключён к положительному полюсу анодной батареи, а катод к отрицательному. Если полюса поменять местами, тока не будет. Лампа заперта. Из графиков видно, что при постоянной температуре катода с ростом напряжения ток сначала возрастает, затем при достижении некоторого напряжения возрастание тока замедляется, а затем почти полностью прекращается. Режим работы диода, при котором ток практически перестаёт возрастать называется насыщением. А величина установившегося тока – током насыщения. Такая зависимость объясняется так. С появлением анодного напряжения часть электронов из электронного облака под действием электрического поля достигает анода и, следовательно, появляется электрический ток. Чем выше анодное напряжение, тем больше количество электронов в единицу времени достигает анода и, следовательно, сила тока возрастает. С ростом напряжения электронное облако всё более преобразуется в поток электронов и при достижении режима насыщения все электроны в единицу времени, эмитирующие из катода достигают анода, т.е. все электроны в диоде движутся направлено. И сила тока практически перестаёт увеличиваться несмотря на рост анодного напряжения. (Незначительный рост силы анодного тока насыщения, наблюдаемый на практике, объясняется причинами, суть которых выходит за пределы школьного курса физики). Величину тока насыщения можно приблизительно оценить так. Iнас = en, где e – заряд электрона, n – количество электронов, эмитирующих с катода за единицу времени. При установившейся температуре катода n – величина постоянная и ток насыщения не должен меняться. Чем больше температура катода Т, тем больше интенсивность эмиссии и значит больше ток насыщения Iнас, который возникает при этой высокой температуре и при большом анодном напряжении. Кроме описанных выше конструкций диодов, часто используют так называемый кенотрон – двойной диод. Схема кенотрона такова:  Рис. 7 По этой схеме в одном баллоне совмещены два диода. Зависимость анодного тока от анодного напряжения не является линейной. Она приближённо выражается так называемым «законом трёх вторых»   , где α – зависит от геометрических размеров и формы электродов. Используют же диоды в том режиме, где эта зависимость мало отличается от линейной.В этом случае для характеристики свойств диода вводят две взаимно обратные величины: Крутизна характеристики  и внутреннее сопротивление  .Здесь  - изменение тока, которое возникает при изменении анодного напряжения  Для вычисления крутизны характеристики на графике I(Ua) выделяют участок кривой, где она мало отличается от прямой линии.  Рис. 8 Свойства односторонней проводимости диода используется для превращения переменного тока в постоянный. Такое устройство называется выпрямителем электрического тока. Простейшая схема такого выпрямителя приведена на рисунке 9.  Рис. 9  Рис. 10а Переменное напряжение на полюсах источника подчиняется синусоидальной зависимости от времени. U = U0 sin ωt и на графике эта зависимость выглядит так: Ток через нагрузку идёт только в течение тех промежутков времени (равных  ), когда на аноде положительный потенциал. а на катоде отрицательный, а следующую половину периода диод заперт – тока нет. Зависимость тока от времени выглядит так: Рис. 10 б Такой ток ещё нельзя назвать постоянным. Скорее это импульсы переменного тока одного направления. Однако с помощью некоторых дополнительных деталей можно дополнить эту схему так называемыми «сглаживающими фильтрами», с помощью которых в такой цепи можно получить ток постоянный не только по направлению, но и почти постоянный по величине. (Эти схемы приводятся во второй части пособия). Можно использовать для выпрямления кенотрон. Тогда схема выпрямления такова:  Рис. 11 Здесь Тр - трансформатор со средней точкой на вторичной обмотке, R – нагрузка, 1а – первый анод, 2а – второй анод кенотрона. По такой схеме в течение первой половины периода, когда на первом аноде «+», а на втором «-», электроны движутся от катода к первому аноду (второй анод заперт). В течение второй половины периода аноды меняют знаки и электроны движутся от катода к второму аноду. В течение всего периода направление тока сохраняется неизменным.(Указано на рисунке стрелкой.)  Рис. 12 В этом случае график зависимости i(t) выглядит так как указано на рисунке 12. Такой ток с помощью сглаживающих фильтров легче привести к постоянному. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Радиофизический факультет Дисциплина базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики, полупроводниковой электроники, электродинамики и... | | Реферат на тему: "Внешние носители информации. Iomega, zip, jazz,... Основные внутренние элементы дисковода дискетная pама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники |
 | Реферат по дисциплине «Групповое проектное обучение» В данной работе были изучены история, текущие проекты и перспективы развития квантовой электроники, общие принципы и закономерности,... | | Рабочая программа учебной дисциплинЫ «физические основы электроники» «Физические основы электроники» относятся к базовым дисциплинам математического и естественнонаучного цикла Б2 основной образовательной... |
| Выдержка требований к дисциплине из государственного образовательного стандарта Синхронные машины. Основы электроники. Элементная база современных электронных устройств. Источники вторичного электропитания. Усилители... | | Рабочая программа учебной дисциплины «физические основы электроники» Цель дисциплины «физические основы электроники» направления подготовки бакалавра 200100. 62 электроника и наноэлектроника профиль... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В 1996 году поступил в Московский институт электроники и математики, который закончил в 2002 году с красным дипломом по специальности... | | Урока: Вспоминаем, повторяем. Элементы содержания ... |
| Сибирская государственная геодезическая академия Обязательные структурные элементы выделены полужирным шрифтом. Остальные структурные элементы включают в дипломную работу по усмотрению... | | Исследовательская работа на тему: Фотоэлектромагнитный эффект и его... Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники |
| Доклад о результатах деятельности Санкт-Петербургского государственного... Публичный доклад о работе спб гб поу «Колледж электроники и приборостроения» (далее Колледж) в 2014-2015 учебном году содержит информацию... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Общая характеристика неметаллов. Неметаллы: элементы и простые вещества. • Химические элементы в клетках живых организмов» учитель... |
| Урок русского языка по теме: «имя прилагательное» Технологии: элементы игровой технологии, элементы технологии развивающего и дифференцированного обучения | | Антикоррупционное образование на уроках истории и обществознания Основные элементы Государственного стандарта среднего ( полного) общего образования по истории и обществознанию ( базовый уровень)... |
| Урока Тема урока Типы урока Элементы содержания Требования к уровню Отрезок. Длина отрезка; Единицы измерения отрезков. Треугольник. Элементы треугольника. Многоугольники | | 2 реферат реферат должен содержать Обязательные структурные элементы выделены полужирным шрифтом. Остальные структурные элементы включают в дипломную работу по усмотрению... |
