Елементи фізичної електроніки

Елементи фізичної електроніки.

План

Катодні та анодні промені. Термоелектронна емісія.

Діод. Тріод.

3. Електричний струм у напівпровідниках

4. Власна і домішкова провідність напівпровідників. P-n-перехід

5. Термо — і фоторезистори. Напівпровідникові діод і тріод.

Катодні та анодні промені. Газовий розряд у трубці з електродами, до яких прикладено напругу, припиняється, якщо тиск зменшити до 0,1 Па. Але починає світитися ділянка трубки, розташована навпроти катода. Це світіння зумовлене катодними променями, тобто потоком електронів, що вибиваються з катода, коли його бомбардують позитивні іони. Для того щоб виникли катодні промені, в трубці повинна бути невелика кількість газу. У разі сильного розрідження позитивні іони (і катодні промені) не виникають. Дуже розріджений газ — добрий ізолятор. Під дією катодних променів багато твердих тіл флуоресціюють, що використовується в катодних осцилографах.

Якщо в катоді трубки зробити отвори, частина позитивних іонів, прискорених електричним полем, пролетить через отвори і за катодом спостерігатиметься слабке світіння. Це так звані анодні промені. їх використовують для отримання позитивних іонів, у мас-спектрометрах, прискорювачах.

Термоелектронна емісія. Так називається явище випускання електронів тілами, нагрітими до високої температури. Електрон вилітає з металу, якщо його енергія достатня, щоб виконати певну роботу — роботу виходу—проти сил, що перешкоджають його вильоту:

Елементи фізичної електроніки,

Де Елементи фізичної електроніки— поверхнева різниця потенціалів (різниця потенціалів між поверхнею металу і вакуумом). Електрон зможе вилетіти, якщо його кінетична енергія буде більша за роботу виходу або дорівнюватиме їй: Елементи фізичної електроніки,

Де Елементи фізичної електроніки — маса електрона, Елементи фізичної електроніки— його швидкість. Робота виходу різна для різних металів і становить кілька електрон-вольт. Так, наприклад:

Речовина ЕВ АДж Речовина ЕВ АДж
Вольфрам 4,5 0,72 Платина 5,3 0,85
Калій 2,2 0,355 Срібло 4,3 0,69
Літій 2,4 0,38 Цезій 1,8 0,29
Оксид барію 1,0 0,16 Цинк 4,2 0,67

При 20°С дуже мало електронів має енергію, більшу за роботу виходу. Енергія електронів збільшується від: 1) нагрівання (термоелектронна емісія), 2) освітлення (фотоелектронна емісія), 3) бомбардування поверхні тіла потоком заряджених частинок — електронів, іонів (вторинна електронна емісія), 4) дії сильного (напруженістю кілька мільйонів В/см) електричного поля (автоелектронна емісія).

Електронна емісія значно підвищується, якщо метал, наприклад вольфрамову спіраль, покривають плівкою барію, торію, цезію або їх окислами, тобто речовинами, для яких робота виходу електронів дуже мала.

Явище термоелектронної емісії використовують у таких електронних приладах, як діоди, тріоди, електронно-променеві трубки.

Діод. Найпростішою електронною лампою є діод, який складається з відкачаного до високого вакууму скляного або металевого балона з двома електродами (катодом і анодом), один з яких (катод) підігрівний. Катод часто виготовляють з вольфрамової або молібденової спіралі (в лампах з прямим підігрівом). Такий катод потрібно розігрівати до 2000—2500 К для того, щоб відбувалася емісія електронів. У сучасних діодах часто використовують непрямий підігрів катода, покритого шаром оксиду барію, стронцію і кальцію, за допомогою невеликої спіралі, розташованої всередині циліндричного катода. У цьому разі температура підігріву досягає лише 1000 К. В електричному колі з діодом струм проходить тільки тоді, коли катод розігрітий до високої Т2 температури, а анод з’єднаний з позитивним полюсом джерела струму. Графік залежності сили струму від прикладеної між анодом і катодом напруги називається вольтамперною характеристикою діода. При деякому значенні напруги, що залежить від температури катода, струм досягає максимального значення і далі не змінюється, бо всі електрони попадають на анод. Його називають струмом насичення і». Вольт-амперна характеристика лампи — нелінійна, і закон Ома в цьому випадку не виконується. З підвищенням температури катода внаслідок збільшення кількості електронів, що вилітають з катода, струм насичення зростає.

Діод пропускає струм тільки в одному напрямі, коли анод з’єднано з позитивним полюсом джерела. Цю властивість діода використовують для випрямлення змінного струму.

Тріод. Електронна лампа з трьома електродами (анод, катод і сітка, розташована між ними) називається тріодом. На сітку подають змінний потенціал, який керує рухом електронів від катода до анода. При негативному потенціалі на сітці всі електрони повертаються до катода, струм через лампу не проходить — лампа закрита. Якщо потенціал на сітці позитивний, електрони досягнуть анода, і через лампу йтиме струм. Тріоди також мають нелінійну вольтамперну характеристику (анодну і сіткову).

Основними параметрами лампи, що визначають її властивості, є коефіцієнт підсилення Елементи фізичної електроніки, крутість Елементи фізичної електроніки вольтамперної характеристики та внутрішній опір Елементи фізичної електроніки

Коефіцієнтом підсилення лампи Елементи фізичної електроніки називають відношення зміни вихідної напруги Елементи фізичної електронікиДо зміни вхідної Елементи фізичної електроніки напруги: Елементи фізичної електроніки.

Крутість вольтамперної характеристики лампи визначає приріст анодного струму (мкА) при збільшенні напруги на сітці на 1В.

Тріоди використовують у різних радіосхемах, найчастіше для підсилення слабких струмів і напруг та генерації незатухаючих коливань.

Властивості електронних пучків. Електронні пучки поширюються прямолінійно, відхиляються в електричному і магнітному полях, мають певну енергію, викликають люмінесценцію (світіння деяких речовин). Їх використовують для нагрівання (плавлення) металів у вакуумі, отримання рентгенівських променів (при гальмуванні швидких електронів металевими поверхнями).

Електронно-променева трубка. Властивості електронних пучків: поширюватися прямолінійно, відхилятись в електричному або магнітному полів, викликати світіння люмінофорів використовують в електронно-

Елементи фізичної електроніки

Променевих трубках. Трубка має вигляд видовженої колби, на дно якої нанесено шар люмінофору і в якій створено високий вакуум У вузькій частині трубки розташована електронна гармата, що складається з катода 1 і анода 2, між якими створюється сильне електричне поле для прискорення електронів. Форму, розташування і потенціал анода підбирають так, щоб сформувати електронний пучок певної форми. Між анодом і екраном трубки 5 розташовані дві пари керуючих пластин 3 і 4, на які подається напруга, що відхиляє електронний промінь. Оскільки маса електронів мала, вони практично безінерційно реагують на зміну напруги на керуючих пластинах. Тому електронно-променеві трубки широко використовуються для вивчення швидкоплинних процесів. Вони є основною частиною осцилографів — приладів, за допомогою яких вивчають електричні періодичні процеси.

Електронно-променеві трубки (кінескопи) — складова частина телевізорів. Керування електронним пучком у кінескопі здійснюють за допомогою магнітного поля котушок, надітих на грубку.

Електричний струм у напівпровідниках

Матеріали, опір яких з підвищенням температури зменшується, а питомий опір (Елементи фізичної електроніки— 10-9 Ом-м) більший за питомий опір металів (Елементи фізичної електронікиЕлементи фізичної електроніки Ом-м), але менший, ніж ізоляторів (109— 1016 Ом-м), називають напівпровідниками. До них належать кремній, германій та інші хімічні елементи, а також оксиди, сульфіди, телуриди металів. Найширше використовуються германій і кремній.

Власна провідність напівпровідників. Вільні електрони в напівпровідниках виникають внаслідок відриву від атома. При цьому утворюється позитивно заряджений іон, тобто атом, що має вільне місце для електрона, гак звану дірку. Якщо сусідній атом віддає свій електрон цьому іону, виникає нова дірка, тобто дірка весь час зміщується. Оскільки дірці відповідає надлишковий позитивний заряд порівняно із сусідніми неіонізованими атомами, то рух дірки рівнозначний руху позитивного заряду. У зовнішньому електричному полі хаотичний рух електронів і дірок стає напрямленим. Повний струм зумовлений рухом електронів проти поля і дірок за полем, хоча насправді рухаються тільки електрони.

Концентрація носіїв зарядів з підвищенням температури швидко зростає, і питома електропровідність напівпровідника збільшується. Зі зниженням температури концентрація носіїв зарядів, що зумовлюють електричний струм, зменшується, і тіло практично стає ізолятором.

У напівпровідниках без домішок концентрація вільних електронів дорівнює концентрації дірок і струм зумовлений власною провідністю. Вона дуже мала, оскільки концентрація вільних електронів у чистих напівпровідниках низька.

Домішкова провідність напівпровідників. Домішки у напівпровідниках зумовлюють їх додаткову (домішкову) провідність. Підбираючи певний елемент, як домішку, а також її концентрацію, змінюють кількість носіїв заряду того чи іншого знака. У деяких випадках домішки приводять до значного збільшення кількості вільних електронів і струм зумовлений переважно рухом тільки електронів. Домішки, що віддають електрони, називають донорними, а напівпровідники з електронною провідністю — електронними напівпровідниками, або напівпровідниками Елементи фізичної електронікиТипу. Електронна провідність виникає тоді, коли валентність елемента, який додається, більша за валентність напівпровідника. Рух дірок у таких напівпровідниках майже відсутній. До напівпровідників Елементи фізичної електронікиТипу належить, наприклад, германій з домішками сурми або миш’яку. Якщо домішки мають меншу валентність, ніж напів» провідник, їх називають акцепторними, а напівпровідники з таким типом провідності — сірковими напівпровідниками, або напівпровідниками р-типу У напівпровідниках р-типу електрони майже не беруть участі в перенесенні зарядів. До напівпровідників р-типу належить германій з домішками індію. Існують також напівпровідники зі змішаною провідністю, носіями зарядів в яких є електрони і дірки.

Зонна теорія провідності напівпровідників. Зона провідності в напівпровідниках відокремлена од заповненої зони порівняно вузькою (кілька десятих електрон-вольта) забороненою зоною. У зоні провідності електронів мало, тому електропровідність напівпровідників при кімнатній температурі незначна. Під час нагрівання деяка кількість електронів переходить із заповненої зони в зону провідності, збільшується електропровідність. На звільнені місця (дірки) переходять електрони з нижчих рівнів.

Термо — і фоторезистори. З підвищенням температури на 10К електропровідність напівпровідників збільшується майже в 2 рази, а з підвищенням температури на 100К — в десятки і сотні разів (терморезистори). Електропровідність деяких напівпровідників збільшується також при освітленні (фоторезистори). Це можливо тоді, коли енергія фотона, що поглинається, більша за енергію, необхідну для переведення електрона в зону провідності. Концентрація таких електронів в результаті цього значно зростає.

Термо — і фоторезистори, дія яких ґрунтується на явищі залежності опору напівпровідників від температури або освітлення, широко застосовуються в різних галузях техніки. За допомогою терморезисторів вимірюють температуру і стабілізують напругу, якщо не дуже великі її коливання або малі струми. Фоторезистори (скляні пластинки, на які нанесено тонкий шар напівпровідника, а на поверхні укріплені електроди) використовують для сигналізації, в телебаченні, автоматичних пристроях тощо.

Елементи фізичної електронікиЕлементи фізичної електронікиПерехід. Напівпровідникові діод і тріод. Спеціальними методами можна ввести в напівпровідник різні домішки, щоб якась частина його мала електронну (Елементи фізичної електронікиПровідність), а інша — діркову (Елементи фізичної електронікиПровідність) (Рис.1). На контакті між частинами напівпровідника з різною провідністю створюється так званий р—п-перехід. Якщо ввімкнути напівпровідник з Елементи фізичної електронікиЕлементи фізичної електронікиПереходом в електричне коло так, щоб потенціал частини з Елементи фізичної електроніки провідністю був позитивним, а частини з Елементи фізичної електронікиПровідністю — негативним, то через напівпровідник проходитиме струм. Електрони з частини напівпровідника Елементи фізичної електронікиТипу рухаються в частину р-типу, а дірки — в протилежному напрямі; опір напівпровідника в цьому випадку малий, а провідність велика. Такий перехід називають прямим.

Якщо знаки потенціалів на кінцях напівпровідника поміняти на зворотні, струм у колі буде дуже малим. Це пов’язано з тим, що в частині напівпровідника Елементи фізичної електронікиТипу концентрація електронів, а в частині напівпровідника Елементи фізичної електронікиТипу концентрація дірок дуже мала, і струм зумовлений неосновними носіями; в цьому напрямі опір напівпровідника великий, а провідність мала. Такий перехід називають зворотним.

Елементи фізичної електроніки

Рис.1

Рис.1 р — n-переход і вольт-амперна характеристика напівпровідникового діоду.

Властивості Елементи фізичної електронікиЕлементи фізичної електронікиПереходу (малий опір у прямому напрямі і великий у зворотному) використовують для випрямлення змінного струму. Напівпровідникові діоди мають деякі переваги над двохелектродними лампами: вони мініатюрніші, економніші (оскільки не потребують енергії для емісії електронів), надійні і можуть працювати тривалий час. Але вони мають недоліки: надійно працюють лише у вузькому інтервалі температур (—70 —120°С). Діоди виготовляють з германію, кремнію, селену.

Транзистором називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад, який має один або декілька р-n-переходів, три або більше виводів і здатний посилювати потужність електричного сигналу.

Широко розповсюджені транзистори з двома р-n-переходами, що мають назву біполярних. Термін „біполярний” пов’язаний з наявністю у цих транзисторів носіїв заряду двох різних типів: електронів і дірок. Для виготовлення транзисторів використовують германій і частіше кремній. Два р-n — переходи створюють за допомогою пришарової структури з чергуванням областей, що мають електронну і діркову електропровідності.

У відповідності до чергування областей з різними типами електропровідності біполярні транзистори поділяються на два класи n-p-n і p-n-p типу, як показано на рис.2

Рис.2 Умовне позначення транзисторів n-p-n та p-n-p типів

Рис. 3 Еквівалентні схеми транзисторів у вигляді двох діодів( р-n — переходів) увімкнутих зустрічно.

Центральний шар біполярних транзисторів має назву „база”. Зовнішній лівий, який є джерелом носіїв заряду (електронів чи дірок) і, головним чином, створює струм приладу, називається „емітером”. Правий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називається „колектором”.

На перехід емітер-база напруга подається у прямому напрямку, тому, навіть при невеликій напрузі через перехід тече значний струм. На перехід колектор-база напруга подається у зворотньому напрямку, її величина у декілька разів перевищує напругу на переході емітер-база.

На рис.3 наведені еквівалентні схеми транзисторів у вигляді двох діодів

( р-n — переходів) увімкнутих зустрічно. З них видно, що така конструкція не те що не може забезпечувати підсилення електричного струму, а в загалі непрацездатна – струм від колектора до емітера протікати не може.

Підсилюючі властивості біполярного транзистора забезпечуються тим, що р-n — переходи в ньому не залежні, а взаємодіють один з одним, що, в свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури, а саме:

1. емітер виконано з великою кількістю домішки – він має велику кількість вільних носіїв заряду;

2. база виконана тонкою і має деяку кількість основних носіїв заряду;

3. колектор – масивний і має кількість носіїв меншу, ніж емітер.

Напівпровідникові тріоди (транзистори) широко застосовуються в сучасній радіотехніці.

Tagged with: , , , , , ,
Posted in Фізика
фоторюкзак
Перелік предметів:
  1. Інформаційні технологіі в галузі
  2. Інформаційні технологіі в системах якості стандартизаціісертифікаціі
  3. Історія української культури
  4. Бухоблік у ресторанному господарстві
  5. Діловодство
  6. Мікропроцесорні системи управління технологічними процесами
  7. Науково-практичні основи технологіі молока і молочних продуктів
  8. Науково-практичні основи технологіі м’яса і м’ясних продуктів
  9. Організація обслуговування у підприємствах ресторанного господарства
  10. Основи наукових досліджень та технічноі творчості
  11. Основи охорони праці
  12. Основи підприємницькоі діяльності та агробізнесу
  13. Політологія
  14. Технологічне обладнання для молочноі промисловості
  15. Технологічне обладнання для м’ясноі промисловості
  16. Технологічний семінар
  17. Технологія зберігання консервування та переробки молока
  18. Технологія зберігання консервування та переробки м’яса
  19. Технологія продукціі підприємств ресторанного господарства
  20. Технохімічний контроль
  21. Технохімічний контроль
  22. Управління якістю продукціі ресторанного господарства
  23. Вища математика 3к.1с
  24. Вступ до фаху 4к.2с.
  25. Загальні технології харчових виробництв
  26. Загальна технологія харчових виробництв 4к.2с.
  27. Мікробіологія молока і молочних продуктів 3к.1с
  28. Математичні моделі в розрахунках на еом
  29. Методи контролю харчових виробництв
  30. Основи фізіології та гігієни харчування 3к.1с
  31. Отримання доброякісного молока 3к.1с
  32. Прикладна механіка
  33. Прикладна механіка 4к.2с.
  34. Теоретичні основи технології харчових виробництв
  35. Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса
  36. Фізика
  37. Харчові та дієтичні добавки
  38. Фізичне виховання 3к.1с

На русском

  1. Методы контроля пищевых производств
  2. Общая технология пищевых производств
  3. Теоретические основы технологий пищевых производств
  4. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
LiveInternet

Интернет реклама УБС