Електроніка та мікропроцесорна техніка

Електроніка та мікропроцесорна техніка

Інструкційна картка №1 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 1 Фізичні властивості електроніки

1.1 Основи електронної теорії

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Що називається роботою виходу електрону;

- Як визначається робота виходу;

- Види електронної емісії;

- Рух електрона в однорідному електричному полі;

- Рух електрона в однорідному магнітному полі.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Виконувати розрахунки роботи виходу;

- Відрізняти види електронної емісії;

- Використовувати рух електронів в електричному і магнітному полях.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [3, с. 7-8], [4, с. 5-12].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Робота виходу електронів.

2. Види електронної емісії.

3. Рух електронів в електричному і магнітному полях.

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що таке робота виходу електронів, що вона характеризує?

2. Що таке термоелектронна, фотоелектронна, електростатична та вторинна електронна емісія?

3. В чому полягає суть фізичних процесів руху електрона в однорідному електричному та магнітному полях?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Основи електронної теорії

План:

1. Робота виходу електронів.

2. Види електронної емісії.

3. Рух електронів в електричному і магнітному полях.

Література

1. Робота виходу електронів

Принцип дії електронних приладів заснований на явищі електронної емісії - процесі виходу електронів з поверхні твердого тіла у вакуум.

Як відомо, вільні електрони в провідних матеріалах знаходяться в безперервному хаотичному русі. За звичайних умов електрони не можуть вийти за межі поверхні тіл, оскільки цьому перешкоджають електричні сили взаємодії електрона з тілом. Щоб електрон вилетів за межі металу, він повинен володіти енергією, достатньою для подолання сил, що утримують його в металі. Внутрішній енергії електрона для цього недостатньо. Тому йому потрібно надати додаткову енергію ззовні. Найменша додаткова енергія, яку необхідно надати електрону ззовні для подолання сил, що утримують його в металі, називається роботою виходу і позначається W0. Вона вимірюється в електронвольтах. Робота виходу є однією з основних характеристик електронної емісії. Чим менше W0, тим краще емісійні властивості матеріалу. Значення роботи виходу для різних металів, використовуваних в електронних приладах, коливається в межах від 1,8 еВ для цезію до 4,5 еВ для вольфраму.

Залежно від виду додаткової енергії, використовуваної для того, щоб електрони могли зробити роботу виходу, розрізняють декілька видів електронної емісії: термоелектронну, фотоелектронну, вторинну і електростатичну.

2. Види електронної емісії

Термоелектронною емісією називається процес випромінювання електронів з поверхні нагрітого металу. Цей вид електронної емісії широко використовується в електровакуумних і деяких іонних приладах. При нагріванні металу електрони отримують додаткову енергію, швидкість електронів, а отже, їх кінетична енергія зростає, і деяке число електронів долає сили, що перешкоджають їх виходу з металу в зовнішній простір. Чим вище температура і менше робота виходу металу, тим більше число електронів володітиме енергією, достатньою для подолання сил, що перешкоджають виходу електронів з металу.

Фотоелектронною емісією називається процес виходу електронів з поверхні металу, що опромінюється променистою енергією. Явище фотоелектронній емісії носить назва зовнішнього фотоефекту. За рахунок поглиненої енергії світлового потоку збільшується енергія електронів в металі. При цьому електрони, що отримали енергію, достатню для здійснення роботи виходу, вилітають за межі металу, створюючи потік вільних електронів.

Фотоелектронна емісія може виникати при опромінюванні металу променями видимого спектру, інфрачервоними, ультрафіолетовими і рентгенівськими. Цей вид емісії використовується у фотоелементах, фотопомножувачах і в телевізійних трубках.

Вторинна електронна емісія - це емісія електронів з поверхні металу при опромінюванні його потоком електронів. Якщо електрони, рухомі з великою швидкістю, ударяються об поверхню металу, то їх кінетична енергія руху передається електронам металу. Електрони, що отримали необхідну додаткову енергію, вилітають з поверхні металу. При цьому електрони, падаючі на поверхню металу, називаються первинними, а що вилітають з металу - вторинними.

Струм вторинної емісії залежить від властивостей металу, стану його поверхні, швидкості і кута падіння первинних електронів. Кількісно вторинна емісія оцінюється коефіцієнтом вторинної емісії а, рівним відношенню кількості вторинних електронів n2 до кількості первинних електронів n1 Цей вид емісії використовується в електронних помножувачах і деяких спеціальних радіолампах. У деяких лампах вторинна емісія порушує нормальну їх роботу.

Електростатична (автоелектронна) емісія - це емісія електронів з поверхні металу (холодного) під дією сильного прискорюючого електричного поля (106-108 В/см). Дія зовнішнього електричного поля еквівалентна зменшенню роботи виходу електрона. Під дією цього поля відбувається як би виривання електронів з металу. Цей вид емісії використовується в рентгенівських трубках, а також в деяких, газорозрядних і напівпровідникових приладах.

3. Рух електронів в електричному і магнітному полях

Рух електрона в однорідному електричному полі

У електронних приладах рух вільних електронів відбувається під дією електричних або магнітних полів. Залежно від напряму початкової швидкості електрона електричне поле може його рух прискорювати, гальмувати або змінювати напрям.

Для з'ясування фізичних процесів розглянемо рух електрона в однорідному електричному полі. Уявимо собі, що в балоні, в якому створений вакуум, розташовані два взаємно паралельних електроду - катод К і анод А (мал. 1.1, а).

Мал. 1.1

Якщо до цих електродів приєднати батарею з напругою плюсом до анода і мінусом до катода, то в просторі між анодом і катодом буде створено електричне поле з напруженістю

де U - різниця потенціалів, d - відстань між електродами.

Якщо в електричне поле з напруженістю Е помістити електрон, заряд якого рівний е, то на нього діятиме сила електричного поля, рівна добутку заряду на напруженість поля:

Сила електричного поля направлена від катода до анода.

Якщо початкова швидкість електрона рівна нулю і співпадає з напрямом сили електричного поля, то електрон, поміщений в дане поле, зазнає прискорення і переміщатиметься з точок з меншим потенціалом до точок з вищим потенціалом. При цьому швидкість електрона і його кінетична енергія зростатимуть. Рух електрона буде рівномірно прискореним, тому таке поле називають прискорюючим.

На підставі закону збереження енергії приріст кінетичної енергії електрона повинен дорівнювати роботі, яку здійснює електричне поле при переміщенні електрона, тобто

де m - маса електрона; хн, х - початкова і кінцева швидкості електрона; U=U2 - U1 - різниця потенціалів, пройдена електроном, в електричному полі.

Якщо початкова швидкість електрона рівна нулю, то електрон рухатиметься тільки під дією сили поля. В цьому випадку кінетична енергія електрона визначається виразом

З (1.4) можна визначити швидкість електрона в кінці його шляху

Підставляючи е/т= 1,759?1011 К/кг, отримаємо вираз для швидкості електрона при русі його в прискорюючому електричному полі:

З (1.6) витікає, що швидкість руху електрона умовно можна виражати не тільки в км/с, але і у В.

Для визначення часу прольоту електрона в однорідному прискорюючому полі виразимо силу електричного поля через масу і прискорення:

Звідси

Шлях, пройдений електроном за час t, можна визначити з виразу d=at2/2, сюди підставимо значення з (1.7), отримаємо

звідки

Підставивши в отриманий вираз значення m і е, отримаємо формулу для визначення часу прольоту електрона:

Час прольоту t дуже малий, в багатьох практичних електронних пристроях не враховується, звідси електронну лампу можна вважати безінерційним приладом.

Якщо під дією початкової швидкості електрон рухається уздовж напряму ліній поля (від точок з великим потенціалом до точок з меншим потенціалом), то він здійснює роботу проти сил поля, при цьому його швидкість і запас кінетичної енергії зменшуються і він рухається прямолінійно і рівносповільнено. Поле, в якому електрон здійснює рівносповільнений рух, називають гальмуючим.

При повній втраті кінетичної енергії швидкість електрона впаде до нуля і він під дією сили поля рухатиметься рівноприскорено у зворотному напрямі, набуваючи втраченої кінетичної енергії.

Коли вектор початкової швидкості електрона перпендикулярний напряму дії сили електричного поля (мал. 1.1,6), траєкторія руху електрона матиме вид параболи. Таке поле називають поперечним.

Рух електрона в однорідному магнітному полі

У ряді електронних приладів управління траєкторією руху електронів здійснюється за допомогою сил магнітного поля. Дія магнітного поля на електрон аналогічно дії магнітного поля на провідник із струмом.

Сила, з якою діє магнітне поле на провідник із струмом, визначається виразом

де F - механічна сила, що діє на провідник завдовжки l; В - магнітна індукція; i - електричний струм в провіднику; б - кут між напрямом струму в провіднику і напрямом силових ліній магнітного поля.

Мал. 1.2 Мал. 1.3

Якщо струм для одного електрона рівний i=e/t і в даному виразі чисельник і знаменник помножити на швидкість руху електрона v, то (1.9) можна представити у вигляді F=Bev sinб.

Аналізуючи отриманий вираз, можна зробити наступний висновок, що на нерухомий електрон і електрон, що переміщається уздовж ліній поля, магнітне поле не діє. Сила магнітного поля на рухомий електрон буде максимальною, коли він переміщається перпендикулярно напряму сил магнітного поля Fmax = Bev. Напрям цієї сили визначається за правилом лівої руки. Сила F завжди перпендикулярна напряму швидкості електрона (мал. 1.2). Тому магнітне поле не змінює швидкості електрона, а змінює його напрям.

Якщо електрон входить в однорідне магнітне поле під кутом 90° до силових ліній, то він рухатиметься по колу, лежачому в площині, перпендикулярній лініям поля (мал. 1.2). Коли кут б не рівний 90°, то швидкість електрона може бути розкладена на дві складові vH і v (мал. 1.3).

Перша складова швидкості vH перпендикулярна напряму сил поля і примусить електрон обертатися по колу. Друга складова швидкості електрона направлена уздовж сил магнітного поля і тому з ним не взаємодіє. В результаті дії два складових електрон переміщатиметься по спіралі.

Таким чином, магнітне поле не змінює енергії рухомого електрона, а змінює тільки траєкторію його руху. Це властивість магнітного поля використовується в електронно-променевих трубках і інших електронних приладах.

Контрольні запитання:

1. Що таке робота виходу електронів, що вона характеризує?

2. Що таке термоелектронна,фотоелектронна, електростатична та вторинна електронна емісія?

3. В чому полягає суть фізичних процесів руху електрона в однорідному електричному та магнітному полях?

Інструкційна картка №2 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 1 Фізичні властивості електроніки

1.2 Електрофізичні властивості напівпровідників

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Види пробою;

- Температурні і частотні характеристики переходу;

- Еквівалентну схему р-п-переходу;

- Способи створення р-п-переходу.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Перевіряти справність р-п-переходу;

- Використовувати основні властивості р-п-переходу.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [2, с. 50-61].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

2. Температурні і частотні характеристики переходу. Еквівалентна схема р-п-переходу

3. Створення р-п-переходу

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що таке р-n-перехід та як він створюється?

2. Що собою являє вольт-амперна характеристика р-n-переходу?

3. Що таке пробій переходу, види пробою?

4. Як впливає температура на характеристики р-n-переходу?

5. Як залежать властивості р-п переходу від частоти прикладеної напруги?

6. Що таке еквівалентна схема p-n переходу?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І. В

Теоретична частина: Електрофізичні властивості напівпровідників

План:

1. Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

2. Температурні і частотні характеристики переходу. Еквівалентна схема р-п-переходу

3. Створення р-п-переходу

Література

1. Вольт-амперна характеристика р-п-переходу

Властивості електронно-діркового переходу наочно ілюструються його вольтамперною характеристикою (мал. 3.8, а), що показує залежність струму через р-п перехід від величини і полярності прикладеної напруги.

Мал. 3.8. Характеристики р-п переходу: а - вольтамперна; б - опору

Розрізняють два види пробою: електричний (оборотний) і тепловий (необоротний).

Електричний пробій відбувається в результаті внутрішньої електростатичної емісії (зінеровський пробій) і під дією ударної іонізації атомів напівпровідника (лавинний пробій).

Внутрішня електростатична емісія в напівпровідниках аналогічна електростатичній емісії електронів з металу. Суть цього явища полягає в тому, що під дією сильного електричного поля електрони можуть звільнитися від ковалентних зв'язків і отримати енергію, достатню для подолання високого потенційного бар'єру в області р-п переходу. Рухаючись з більшою швидкістю на ділянці р-п переходу, електрони стикаються з нейтральними атомами і іонізують їх. В результаті такої ударної іонізації з'являються нові вільні електрони і дірки, які, у свою чергу, розганяються полем і створюють зростаючу кількість носіїв струму. Описаний процес носить лавиноподібний характер і приводить до значного збільшення зворотного струму через р-п перехід. Таким чином, надмірно збільшувати зворотну напругу не можна. Якщо вона перевищить максимально допустиму для даного р-п переходу величину, то ділянка р-п переходу проб'ється, а р-п перехід втратить властивість односторонньої провідності (тепловою пробою).

Страницы: 1, 2, 3