В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью v 0, направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям. В этом случае на движущийся электрон действует так называемая сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору н0 и вектору напряженности магнитного поля Н. Величина силы F определяется выражением: F= ev0H.

При v0 = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости н0, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются по величине. Происходит лишь изменение направления скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью получается благодаря действию направленной к центру центростремительной силы, которой именно и является сила F.

Направление поворота электрона в магнитном поле в соответствии с правилом левой руки удобно определяется по следующим правилам. Если смотреть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стреле. Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv20/r. Приравняем его значению силы F = ev0H: mv20/r = ev0H. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r = mv0/(eH).

Чем больше скорость электрона v0, тем сильнее он стремится двигаться прямолинейно по инерции и радиус искривления траектории будет больше. С другой стороны, с увеличением Н растет сила F, искривление траектории возрастает и радиус окружности уменьшается.

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Рассмотрим зависимость r от m и e. Заряженная частица с большей массой m сильнее стремится лететь по инерции прямолинейно и искривление траектории уменьшится, т. е. rстанет больше. А чем больше заряд e, тем больше сила F и тем сильнее искривляется траектория, т. е. ее радиус становится меньше.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции по прямой линии. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Таким образом, магнитное поле изменяет только направление скорости электронов, но не ее величину, т. е. между электроном и магнитным полем нет энергетического взаимодействия. По сравнению с электрическим полем действие магнитного поля на электроны является более ограниченным. Именно поэтому магнитное поле применяется для воздействия на электроны значительно реже, нежели электрическое поле.

Управление движением свободных электронов в большинстве электронных приборов осуществляется с помощью электрических или магнитных полей. В чем состоит сущность этих явлений?

Электрон в электрическом поле . Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем – основной процесс, происходящий в большинстве электронных приборов.

Наиболее простым случаем является движение электрона в однородном электрическом поле, т.е. в поле, напряженность которого одинакова в любой точке, как по величине, так и по направлению. На рисунке показано однородное электрическое поле, созданное между двумя параллельными пластинами достаточно большой протяженности, чтобы пренебречь искривлением поля у краев. На электрон, как и на любой заряд, помещенный в электрическое поле с напряженностью Е, действует сила, равная произведению величины заряда на напряженность поля в месте нахождения заряда,

F = -eE . 1.11

Знак минус показывает, что вследствие отрицательного заряда электрона сила имеет направление, противоположное направлению вектора напряженности электрического поля. Под действием силы F электрон двигается навстречу электрическому полю, т.е. перемещается в сторону точек с более высоким потенциалом. Поэтому поле в данном случае является ускоряющим.

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда на разность потенциалов между этими точками, т.е. для электрона

где U - разность потенциалов между точками 1 и 2. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии

где V и V 0 - скорости электрона в точках 2 и 1. приравнивая равенства (1.12) и (1.13), получаем

Если начальная скорость электрона V 0 = 0, то

Отсюда можно определить скорость электрона в электрическом поле при разности потенциалов U :

Таким образом, скорость, приобретенная электроном при движении в ускоряющем поле, зависит только от пройденной разности потенциалов. Из формулы (1.17) видно, что скорости электронов, даже при сравнительно небольшой разности потенциалов, получаются значительными. Например, при U = 100 В получаем V = 6000 км/с. При такой большой скорости электронов все процессы в приборах, связанные с движением электронов, протекают очень быстро. Например, время, необходимое для пролета электронов между электродами в электронной лампе, составляет доли микросекунды. Именно поэтому работа большинства электронных приборов может считаться практически безинерционной.

Рассмотрим теперь движение электрона, у которого начальная скорость V o направлена против силы F , действующей на электрон со стороны поля (Рис. 1.8, б ). В этом случае электрическое поле является для электрона тормозящим. Скорость движения электрона и его кинетическая энергия в тормозящем поле уменьшаются, так как в данном случае работа совершается не силами поля, а самим электроном, который за счет своей энергии преодолевает сопротивление сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю. Действительно, поскольку движение электрона в тормозящем поле означает его перемещение в направлении отрицательного полюса источника поля, то при приближении электрона к последнему суммарный отрицательный заряд увеличивается и соответственно увеличивается энергия поля. В тот момент, когда электрон полностью израсходует свою кинетическую энергию, его скорость окажется равной нулю, и затем электрон начнет движение в обратном направлении. Движение его в обратном направлении является не чем иным, как рассмотренным выше движением без начальной скорости в ускоряющем поле. При таком движении электрона поле возвращает ему ту энергию, которую он потерял при своем замедленном движении.

В рассмотренных выше случаях направление скорости движения электрона было параллельным направлению электрических силовых линий поля. Такое электрическое поле называется продольным. Поле, направленное перпендикулярно вектору начальной скорости электрона, называется поперечным.

Рассмотрим вариант, когда электрон влетает в электрическое поле с некоторой начальной скоростью V o и под прямым углом к направлению электрических силовых линий (рис. 1.8, в ). Поле действует на электрон с постоянной силой, определяемой по формуле (1.11) и направленной в сторону более высокого положительного потенциала. Под действием этой силы электрон приобретает скорость V 1 , направленную навстречу полю. В результате электрон совершает одновременно два взаимно перпендикулярных движения: прямолинейное равномерное по инерции со скоростью V 0 и прямолинейно

равномерно ускоренное со скоростью V 1 . Под влиянием этих двух взаимно перпендикулярных скоростей электрон будет двигаться по траектории, представляющей собой параболу. После выхода из электрического поля электрон будет двигаться по инерции прямолинейно.

Электрон в магнитном поле. Влияние магнитного поля на движущийся электрон можно рассматривать как действие этого поля как на проводник с током. Движение электрона с зарядом е и скоростью V эквивалентно току i , проходящему через элементарный отрезок проводника длиной Δl .

Согласно основным законам электромагнетизма сила, действующая в магнитном поле на провод длиной Δl с током i равна

F = Bi Δlsin α. (1.20)

где В- магнитная индукция; α– угол между направлением тока и магнитной силовой линией поля.

Используя соотношение (1.18), получим новое выражение, характеризующее силу воздействия магнитного поля на движущийся в нем электрон,

F = BeV sinα. (1.21)

Из этого выражения видно, что электрон, движущийся вдоль силовых линий магнитного поля (α = 0), не испытывает никакого воздействия поля (F = BeVsin 0=0)и продолжает перемещаться с заданной ему скоростью.

Если вектор начальной скорости электрона перпендикулярен вектору магнитной индукции, т.е. α = 90, то сила, действующая на электрон,

F = BeV .(1.22)

Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Сила F всегда перпендикулярна направлению мгновенной скорости V электрона и направлению магнитных силовых линий поля. В соответствии со вторым законом Ньютона эта сила сообщает электрону с массой m e ускорение, равное . Поскольку ускорение перпендикулярно скорости V , то электрон под действием этого нормального (центростремительного) ускорения будет двигаться по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к силовым линия поля.

В общем случае начальная скорость электрона может быть неперпендикулярна к магнитной индукции. В данном случае траекторию движения электрона определяют две составляющие начальной скорости:

нормальная V 1 и касательная V 2 , первая из которых направлена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а вторая параллельно им. Под действием нормальной составляющей электрон движется по окружности, а под действие касательной – перемещается вдоль силовых линий поля рис. 1.9.

В результате одновременного действия обеих составляющих траектория движения электрона принимает вид спирали. Рассмотренная возможность изменения траектории движения электрона с помощью магнитного поля используется для фокусировки и управления электронным потоком в электронно-лучевых трубках и других приборах.

В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

При v0 = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv20/r. Приравняем его значению силы F = ev0H: mv20/r = ev0H. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r = mv0/(eH).

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Контроль за передвижением персонала и материалов
В повседневной жизни мы так вежливы, что придерживаем дверь, чтобы пропустить нашего невольного спутника в здание. Однако, чтобы никто не злоупотреблял этим жестом доброй воли и не проник в дом с не...

Заработная плата
В развитой рыночной экономике заработная плата — это цена, выплачиваемая работнику за использование его труда, величина которой определяется рынком труда, т.е. спросом на рабочую силу и ее предл...

Электричество и мир вокруг нас
Электричеством человек смог пользоваться только с 1800 года. Тогда Алессандро Вольта изобрел первую батарею и тем самым дал миру первый надежный постоянный источник тока. Вскоре стало известно, что эл...

Движение электронов в магнитном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны действует сила Лоренца, всегда направленная перпендикулярно вектору скорости. Поэтому электроны движется по дуге окружности. Магнитное поле изменяет только направление движения электрона.

Например, в кинескопах телевизора применяют магнитные отклонения луча, а в электронно-лучевой трубке осциллографа - электростатическое отклонение луча.

2) Классификация электронных приборов. Электронная эмиссия

По среде, в которой движутся электроны, различают:

а) электронные вакуумные приборы – источником свободных электронов служит явление электронной эмиссии;

б) ионные газоразрядные приборы - источником свободных электронов служит электронная эмиссия плюс ударная ионизация атомов и молекул

в) полупроводниковые (п/п) приборы – электроны освобождаются от атома под действием различных причин (изменение температуры, освещенности, давления) поэтому концентрация свободных носителей заряда может быть значительно больше чем в вакуумных и газоразрядных приборах и это обуславливает меньшие габариты, массу и стоимость п/п приборов.

Тема 1.1. Физика явлений в полупроводниках.

1. Полупроводники, виды полупроводников по проводимости.

2. Контакт двух полупроводников с различной примесной проводимостью.

2.1. Прямое и обратное включение p-n перехода. Основные свойства.

2.2. ВАХ p-n перехода. Виды пробоя.

2.3. Влияние температуры на p-n переход.

3. Контакт полупроводника и металла. Барьер Шоттки.

1. Полупроводники – это вещества, у которых электрическая проводимость заметно зависит от температуры освещенности, давления и примеси.

Например, при возрастании температуры на 1 градус по Цельсию сопротивление металла увеличится на 0, 4 % , а у полупроводника уменьшится на 4-8 %.

Примеры полупроводников: германий (Ge), кремний (Si), вещества на основе индия , арсенид галлия .

Виды полупроводников по проводимости:

А) собственная проводимость;

Б) примесная проводимость;

А) Собственная проводимость представляет собой движение свободных электронов и дырок, число которых одинаково и заметно зависит от температуры освещенности и давления.

Собственную проводимость можно наблюдать в чистом беспримесном полупроводнике.

Принято беспримесный полупроводник имеющий только собственную проводимость называть полупроводником i - типа.

Б) Примесная проводимость

Различают два вида примесной проводимости:

- электронная примесная проводимость получается при добавлении примесей с валентностью на единицу больше валентности полупроводника. При этом 4 из валентных электронов каждого атома примесей участвуют в образовании связей, а пятый легко становится свободным без образования дырки. Поэтому в таких полупроводниках преобладают свободные электроны.

Полупроводники, в которых преобладают свободные электроны, называются полупроводниками n-типа.

Например, Ge(германий) + As(мышьяк) – полупроводник n-типа .

- дырочная примесная проводимость получается при добавлении примесей с валентностью на единицу меньше валентности полупроводника. При этом у каждого атома примеси недостает одного электрона для завершения связи с атомами полупроводника, следовательно, преобладает количество дырок в полупроводнике.

Полупроводники, в которых преобладают дырки, называются полупроводниками p-типа .

Например, Ge + In(индий) –полупроводник p-типа .

2. Контакт двух полупроводников с различной примесной проводимостью «n и p» - типа, называется «p-n» переходом.

В месте контакта всегда существует электрическое поле перехода (E пер), направленное из «n»-области в «p»-область.

Рисунок 2 – Параметры p-n-переход

d - толщина «p-n»- перехода

U к – контактное напряжение

Пример: Ge d= (10 -6 ÷ 10 -8)м и U к = (0,2 до 0,3)В.

При росте концентрации примеси d- уменьшается, а U к – увеличивается.

2.1. Два способа включения p-n-перехода:

I. прямое включение p-n-перехода в p-области плюс , в n - области минус от источника, следовательно, при E ист < E пер прямой ток I пр =0 (на рисунке 6 отрезок ОД), при E ист > E пер создается прямой ток I пр, который заметно зависит от напряжения смотри на рисунке 3 и на рисунке 4.

Зависимость I от U называется вольтамперной характеристикой (ВАХ).

ВАХ p-n перехода при прямом включении показана на рисунке 4.

При прямом включении ток создают основные носители зарядов – примесная проводимость.

II. Обратное включение p-n-перехода показано на рисунке 5.

К p-области минус , к n-области плюс от источника, следовательно, электрическое поле источника (E ист) направлено по полю перехода и усиливает его, поэтому основные носителем зарядане участвуют в создании тока.

Ток обратный I обр создают неосновными носителями заряда, число которых мало, поэтому ток обратный I обр меньше I пр

I об << I пр (в 1000 раз) – основное свойство p-n перехода.

При обратном включении, ток почти не зависит от напряжения, смотри ВАХ на рисунке 6.

При достаточно большом обратном напряжении (Uобр max), поступает пробой «p-n» перехода – это явление заметного увеличением тока (десятки и сотни раз).

Различают два вида пробоев:

- электрический пробой ,наблюдается только при обратном включении, при напряжении Uоб max, при этом под действием электрического поля источника происходит ударная ионизация атомов, следовательно, образуются пары: свободный электрон – дырка , число которых растет лавинообразно.

Электрические пробои происходят при токе обратномменьше или равной току допустимому перехода (Iпер ≤ I доп) , поэтому электрический пробой считают обратимым , это значит что при снятии напряжения «p-n» переход восстанавливает свои свойства. Электрический пробой на рисунке 6 это участок АБ

- тепловой пробой возникает при прямом или обратном включении, когда ток превышает допустимые значения I доп. перехода, при этом увеличивается температура, следовательно, увеличивается I, следовательно, заметно растет температура и т.д. В результате «p-n» переход разрушается, поэтому тепловой пробой называется необратимым . Тепловой пробой на рисунке 6 это участок БГ.

2.3. С ростомтемпературы обратный ток заметно увеличивается, т.к. это собственная проводимость п/п, а прямой ток почти не изменяется. Например, при возрастании температуры на 10 градусов по Цельсию, обратный ток увеличивается в 2 ÷ 2,5 раза.

Это значит существует температура t кр, при которой обратный ток становится, сравним с прямым, т.е. происходит тепловой пробой. Эта температура t кр, начиная с которой, собственная проводимость сравнима с примесной, называется критической или температурой вырождения .

Хотя t кр и зависит от концентрации примесных носителей, определяющим параметром для нее является ширина запрещенной зоны энергии. Чем шире запрещенная зона, тем больше t кр.

Так, если для кремния t кр ≈ 330 ˚С, то для германия критическая температура будет меньше (~ 100 ˚С).

Существует так же и низшая температура, влияющая на проводимость полупроводника – это температура при которой примесь начинает проявлять свою проводимость называется температурой активации t акт.

Для всех полупроводников температура активации одинакова: t акт = -100 0 С.

Поэтому, для всех полупроводниковых приборов существует границы рабочих температур.

Например: Ge → t раб = – 60 до +75 0 С;

Si → t раб = -60 до +150 0 С.

3. Существует 2 вида контактов полупроводника и металла:

- выпрямляющий – это контакт подобен p-n-переходу, но с меньшей потерей напряжения, более высоким КПД. Выпрямляющий контакт описан впервые немецким ученым в 1937 г. В. Шоттки, поэтому выпрямляющий контакт называется барьером Шоттки и является основой диода Шоттки, транзистора Шоттки.

- невыпрямляющий – проводит ток одинаково при прямом и обратном включении. Применяется для создания металлических выводов, полупроводниковых приборов.

Тема №2. Полупроводниковые приборы

1. Классификация полупроводниковых приборов;

2. Полупроводниковые диоды: стабилитрон, варикап, фотодиод, туннельный диод;

2.1. Устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

3. Биполярный транзистор;

3.1. Виды, устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

3.2. Три схемы включения;

3.3. Основные параметры и характеристики;

3.4. Маркировка;

4. Полевые транзисторы;

4.1. Виды, устройство, принцип включения, работа, основное свойство, УГО, применение;

5. Однопереходные транзисторы.

Во всех электронных и ионных приборах электронные потоки в вакууме или газе, находящемся под тем или иным давлением, подвергаются воздействию электрического поля. Взаимодействие движущихся электронов с электрическим.полем является основным процессом в электронных и ионных приборах. Рассмотрим движение электрона в электрическом поле.

Рис.1 — Движение электрона в ускоряющем (а), тормозящем (б) и поперечном (в) электрических полях

На рис.1 а, изображено электрическое поле в вакууме между двумя плоскими электродами. Они могут представлять собой катод и анод диода или любые два соседних электрода многоэлектродного прибора. Представим себе, что из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из жатода, вылетает электрон с некоторой начальной скоростью Vo. Поле действует на электрон с силой F и ускоряет его движение к электроду, имеющему более высокий положительный потенциал, например к аноду. Иначе говоря, электрон притягивается к электроду с более высоким положительным потенциалом. Поэтому поле в данном случае называют ускоряющим. Двигаясь ускоренно, электрон приобретает наибольшую скорость в конце своего пути, т. е. при ударе об электрод, к которому он летит. В момент удара кинетическая энергия электрона также будет наибольшей. Таким образом, при движении электрона в ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет того, что поле совершает работу по перемещению электрона. Электрон всегда отнимает энергию от ускоряющего поля.

Скорость, приобретаемая электроном при движении в ускоряющем поле, зависит исключительно от пройденной разности потенциалов U и определяется формулой

Удобно скорости электронов выражать условно в вольтах. Например, скорость электрона 10 в, означает такую скорость, которую электрон приобретает в результате движения в ускоряющем поле с разностью потенциалов 10 в. Из приведенной формулы легко найти, что при U - 100 в скорость V ~ 6 000 км/сек. При таких больших скоростях время пролета электрона в пространстве между электродами получается весьма малым, порядка 10 в минус 8 — 10 в минус 10 сек.

Рассмотрим теперь движение электрона, у которого начальная скорость Vo направлена против силы F, действующей на электрон со стороны поля (рис.1 б). В этом случае электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким положительным потенциалом. Та,к как сила F направлена навстречу скорости Vo, то получается торможение электрона и поле называют тормозящим. Следовательно, одно и то же поле для одних электронов является ускоряющим, а для других- тормозящим, в зависимости от направления начальной скорости электрона.

Кинетическая энергия электронов, движущихся в тормозящем поле, уменьшается, так как работа совершается не силами поля, а самим электроном, который.преодолевает сопротивление сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю. Таким образом, в тормозящем поле электрон всегда отдает энергию полю.

Если начальную скорость электрона выражать в вольтах (Uo), то уменьшение скорости равно той разности потенциалов U, которую проходит электрон в тормозящем поле. Когда начальная скорость электрона больше, чем разность потенциалов между электродами (Uo> U), то электрон пройдет все расстояние между электродами и попадет на электрод с более низким потенциалом. Если же Uo < U, то, пройдя разность потенциалов, равную Uq, электрон полностью потеряет свою энергию, скорость его станет равна нулю, он на-момент остановится и начнет ускоренно двигаться обратно (рис.1 б).

Если электрон влетает с некоторой начальной скоростью Vo под прямым углом к направлению силовых линий поля (рис.1 в), то поле действует на электрон с силой F, направленной в сторону более высокого положительного потенциала. Поэтому электрон совершает одновременно два взаимно-перпендикулярных движения: равномерное движение по инерции со скоростью vQ и равномерно-ускоренное движение в ваправлении действия силы F. Как известно из механики, результирующее движение электрона должно происходить по параболе, причем электрон отклоняется в сторону более положительного электрода. Когда электрон выйдет за пределы поля (рис.1 в), то дальше он будет двигаться,по инерции прямолинейно равномерно.

Из рассмотренных законов движения электронов видно, что электрическое поле всегда воздействует на кинетическую энергию и скорость электрона, изменяя, их в ту или другую сторону. Таким образом, между электроном и электрическим полем всегда имеется энергетическое взаимодействие, т. е. обмен энергией. Кроме того, если начальная скорость электрона направлена не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то электрическое поле искривляет траекторию электрона, превращая ее из прямой линии в параболу.
Рассмотрим теперь движение электрона в магнитном поле.

Движущийся электрон представляет собой элементарный электрический ток и испытывает со стороны магнитного поля такое же действие, как и проводник с током. Из электротехники известно, что на прямолинейный проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила под прямым углом к магнитным силовым линиям и к проводнику. Ее направление изменяется на обратное, если изменить направление тока или направление магнитного поля. Эта сила пропорциональна напряженности поля, величине тока и длине проводника, а также зависит от угла между проводником и направлением поля.

Она будет наибольшей, если проводник расположен перпендикулярно силовым линиям; если же проводник расположен вдоль линий поля, то сила равна нулю.

Рис.2 — Движение электрона в поперечном магнитном поле.

Если электрон в магнитном поле неподвижен или движется вдоль силовых линий, то на него магнитное поле вообще не действует. На рис.2 показано, что происходит с электроном, который влетает в равномерное магнитное поле, созданное между полюсами магнита, с начальной скоростью Vo перпендикулярно к направлению поля. При отсутствии поля электрон двигался бы по инерции прямолинейно.и равномерно (штриховая линия); при наличии поля на него будет действовать сила F, направленная под прямым углом к магнитному полю и к скорости v0. Под действием этой силы электрон искривляет свей путь и двигается по дуге окружности. Его линейная скорость Vo и энергия при этом остаются неизменными, так как сила F все время действует перпендикулярно к скорости Vo. Таким образом, магнитное поле в отличие от электрического поля не изменяет энергию электрона, а лишь закручивает его.

Тематические материалы: