И.П. Жеребцов - Основы электроники, страница 6

Поскольку сила Р действует под прямым углом к скорости оо, она не совершает рабо- ' Каждая зквипотенциальная поверхность перпендикулярна силовым линиям, и все ее точки имеют одинаковый потенциал. рис. В.б. Фокусировка н рассеивание электронного потока в неоднородном электрическом поле Рнс. В.7. Движение электрона в однородном поперечном магнитном поле ты. Энергия электрона и его скорость не изменяются, а изменяется лишь направление скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью происходит благодаря действию направленной к центру (центростремительной) силы, т.

е. силы Е. Направление движения электрона в магнитном поле удобно определять по следующим правилам. Если смол|реть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стрелке. Или иначе: поворот электрона совладает с вращательным движением винта, который ввинчивается в Раправлении магнитна!х силовых линий. Определим радиус г окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуеьвся, выражением для центростремительной силы, известным из механики, Е = тоаз/г (В.15) и приравняем его значению силы Г по формуле (В.14): твоа/г = еооВ. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: г = ишо/(еВ).

(В.!б) Чем больше скорость электрона оо, тем сильнее он стремится к прямолинейному движению по инерции и тем больше радиус траектории. С увеличением В растет сила Е, искривление траектории усиливается и радиус уменьшается. Выведенная формула справедлива для частиц с любой массой и зарядом. !8 Чем больше масса, тем сильнее стремится частица лететь по инерции прямолинейно, т. е. радиус г становится больше. А чем больше заряд, тем больше сила Е и тем сильнее, искривляется траектория, т.

е, ее радиус становится меныпе. Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции прямолинейно. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности. Рассмотрим более общий случай, когда электрон влетает в магнитное поле под любым углом (рис. В.8). Выберем координатную плоскость так, Рис. В.8. Движение электрона по винтовой линии а однородном магнитном поле чтобы вектор начальной скорости электрона о, лежал в этой плоскости и чтобы ось х совпадала по направлению с вектором В. Разложим оо на составляющие и„и пк Движение электрона со скороетью о„ эквивалентно току вдоль силовых линий.

Но на такой ток магнитное поле не действует, т. е. скорость о не испытывает никаких изменений. Если бы электрон имел только эту скорость, то он двигался бы прямолинейно и равномерно. А влияние поля на скорость о такое же, как и в основном случае по рис. В.7. Имея только скорость е„электрон совершал бы движение по окружности в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям. Результирующее движение электрона происходит по винтовой линии (часто говорят «по спирали»). В зависимости от значений В, о„ и о„ эта винтовая траектория более или менее растянута. Ее радиус легко определить по формуле (В.16), подставив в нее скорость о .

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СПЕЦИАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ ГЛАВА ПЕРВАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1.1. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ !9 Современной физикой доказано, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями. Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т. е.

находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть их взаимное притяжение, а следовательно, затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями, т. е. находятся на более высоких энергетнчеких уровнях. Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т. е.

определенными порциямн. Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически так, как на рис. 1.1. Горизонтальными линиями показаны уровни энергии 1!' электрона. В соответствии с так называемой заннай теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах.

Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, заполненных электронами (на рисунке не изображены), но эти зоны не играют роли в явлениях электропроводности. В металлах и полупроводниках сушествует большое число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях.

Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов. Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную реигетку, называемую иначе ионной или кристаллической.

Такое состояние вещества соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению обшей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости. а) ) Зона прододимости > Валент ноя эона Зона проВоди- мости Запрещенная оояа > Валентина гона Рис.

1.!. Схема уровней энергии электронов для металла (а) и диэлектрика (б) а) тио )по )от ах Рис. 1.2. Распределение электронов в металле по уровням энергии 20 На рис. 1.1, а изображена схема уровней энергии, или донная энергетическая диаграмма, для металла. Следует отметить, что в действительности схема эта сложнее, число уровней в ней очень велико и распределены они неравномерно. Можно построить диаграмму распределения электронов по уровням энергии (рис. !.2).

Здесь Ио — наибольшая энергия, которой обладают электроны при температуре, равной абсолютному нулю (Т= О). По горизонтали отложена энергия И', а вертикальные отрезки изображают число электронов й), обладающих данным значением энергии (в действительности число этих отрезков очень велико).

Диаграмма на рис. 1.2, а соответствует температуре абсолютный нуль. Она показывает, что число электронов, не имеющих энергии, равно нулю. Чем больше значение энергии, тем больше электронов обладает такой энергией. Максимальное число электронов имеет энергию Ит Для более высокой температуры показана диаграмма на рис. 1.2, б. В этом случае некоторое число электронов имеет энергию больше Ио и соответственно уменыпается число электро- нов с энергией меньше Ио. Число электронов с более высокой энергией, чем Ио, убывает по мере возрастания энергии.

Чем выше температура, тем больше максимальная энергия И',. Рис. 1.1, а показывает, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости по крайней мере один электрон. Таким образом, число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов. Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться (рис. 1.1, б). Ширина запрещенной зоны, т.

е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон-вольт. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне Рис. !.3. Кпвалснтная связь между атомами германия проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. По при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость. У полупроводников зонная диаграмма подобна изображенной на рис. 1.1, б, но только ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около одного электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.