Свободных энергетических

Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа приведена на 7.21. Основным узлом осциллографа является вакуумная электронно-лучевая трубка ЭЛТ, которая преобразует электрические сигналы в световое изображение. Катод 2, подогреваемый нитью накала 1, является источником свободных электронов, которые формируются в электронный луч

Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решгтки тормозят их поступательное (дрейфовое) движение. Это противодействие направленному движению свободны}* электронов, т. е. постоянному току, составляет физическую сущности сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах.

В схемах, в которых транзистор применяется для усиления сигналов, основным является его активный режим работы. При подключении положительного полюса источника постоянной ЭДС Е^ =~^ЭБ к ^азе потенциальный барьер р-п перехода (п-р-п транзистор на 10.14) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируются) из эмиттера в базу, образуя ток /э в цепи эмиттеоа. ЕСЛИ между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Е„ = t/Kg отрицательным полюсом к базе, то увеличивается потенциальный барьер р-п перехода между базой и коллектором, Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью &КБ этого р-п перехода, образуя ток /к в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор— база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС ЕК (см. 10.4). Поэтому ток коллектора от значения напряжения (/КБ > 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток /Б в цепи базы.

Для создания внутри прибора между электродами (в вакууме) потока электронов необходима электронная эмиссия. Так принято называть выход свободных электронов в вакуум или в газ из твердых или жидких материалов. Работа выхода, например, для платины 5,32 эВ, вольфрама 4,60 эВ, ртути 4,52 эВ, меди 4,26 эВ, тория 3,35 эВ, цезия 1,81 эВ.

Э.ц„с„ Кает , изображенная на 2.2 отрезком 0В и имеющая ыесто при токе ьиийулдения, равном нулю, называется э.д.с. остаточного намагничивания. Она обусловлена потоком остаточного намагничивания Фае/п , который всегда существует в матине из-за наличия ориентированных свободных электронов в кписталлической

Таким образом электропроводность в полупроводниках осуществляется перемещением отрицательно заряженных свободных электронов в зоне проводимости и положительно заряженных дырок в валентной зоне. При любой температуре количество (концентрация) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне равны. Это справедливо для чистых полупроводников (при отсутствии атомов примеси), которые называют собственными или с собственной электропроводностью (i'-типа) и обладают наименьшей для данного материала электропроводностью.

Коэффициент оптического поглощения пленок «-Si : Н при большей энергии фотонов резко возрастает, так как эта энергия становится сравнимой с шириной запрещенной зоны материала. Следовательно, энергии оказывается достаточно для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Такой перевод электронов означает также увеличение концентрации как свободных электронов в зоне проводимости, так и дырок в валентной зоне, что ведет, как известно, к росту электропроводности материала.

Для изготовления полупроводниковых ИМС применяют монокристаллический сверхчистый кремний. Плотность размещения атомов в кристаллической решетке кремния 5 • 10281/м3. Ширина запрещенной зоны 1,12 эВ. В беспримесном (собственном) полупроводнике общее число свободных электронов п равно числу дырок р:

В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда — свободных электронов и дырок — составляет лишь 101в—1018 на 1 см3 вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности — электронной при преобладании свободных электронов или дырочной при преобладании дырок — в чистые полупроводники вносят определен-

Вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента имеют вид, показанный на 4.21. При малых значениях анодного напряжения Ua характеристики имеют крутой подъем. Это объясняется тем, что при низких напряжениях Ua только небольшая часть эмиттированных фотокатодом электронов попадает на анод, площадь которого мала по сравнению с фотокатодом. С повышением анодного напряжения все большее число свободных электронов, находящихся в колбе, стягивается к аноду. По мере нарастания анодного напряжения этот процесс происходит очень интенсивно,

Свободные носители заряда могут появиться также и в полупроводниках, но этот процесс отличается от процесса появления свободных электронов в металле, что объясняется различиями кристаллической решетки металла и полупроводника.

При приложении, разности потенциалов к металлам их энергетический уровень смещается относительно друг друга. Уровни Ферми в металлах становятся различными, что приводит к возрастанию количества свободных энергетических уровней и потока электронов (туннельный ток.) иа одного металла в другой.

Генерация носителей заряда приводит к тому, что электроны могут перемещаться в зоне проводимости, переходя на ближайшие свободные энергетические уровни, а дырки — в валентной зоне. Это эквивалентно перемещению положительных зарядов, равных по абсолютной величине зарядам электронов. Перемещение дырок можно представить как заполнение свободных энергетических уровней в валентной зоне электронами близлежащих занятых энергетических уровней.

прещенной зоны. Для перемещения электрона в пределах одной разрешенной зоны необходима существенно меньшая энергия возбуждения. Такую энергию электрону способно передать внешнее электрическое поле. Следовательно, необходимым условием электропроводности вещества является наличие в разрешенной зоне электронов и свободных энергетических уровней.

В рассматриваемом случае каждый атом как бы дополняет свою внешнюю электронную оболочку до восьми электронов, что соответствует полностью занятым состояниям, т. е. отсутствию свободных энергетических уровней в валентной зоне, а это говорит о том, что электроны не могут изменять свою энергию под действием электрического поля, т. е. кристалл будет являться диэлектриком. Плоская схема структуры кристалла германия изображена на 2.5 в виде атомной решетки. Примерно также выглядит атомная решетка для кремния.

Межзонная, или непосредственная, рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда — свободного электрона и дырки. Однако такой процесс межзонной рекомбинации маловероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте крис-

и свободных энергетических уровней, соответствующих тем же значениям энергии, с другой стороны ^-«-перехода (в данном случае в зоне проводимости «-области). Оба эти условия возникли в двух сравниваемых стабилитронах при разных пробивных напряжениях. Но непосредственно под потолком валентной зоны /?-области электронов значительно меньше, чем на более глубоких уровнях валентной зоны. Особенно это справедливо для второго из сравниваемых стабилитронов, концентрация примесей в котором значительно больше. Поэтому с дальнейшим приращением обратного напряжения приращение числа электронов, способных протуннелировать, в первом стабилитроне оказывается значительно большим, чем во втором. Следовательно, дифференциальное сопротивление первого стабилитрона должно быть меньше, чем второго.

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм га- и р-областей для свободных электронов га-области не будет свободных энергетических уровней в р-области ( 3.60, д). Однако при этом через диод будет проходит прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер р-га-перехода, т. е. ток, связанный с инжекцией.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т, е. могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

такого, у которого электроны в зону свободных энергетических уровней (зону проводимости) могут поставляться только из заполненной электронами зоны (валентной зоны). Распределение электронов по уровням энергии, изображенное на 8-1, а, соответствует некоторой температуре Т, при которой в зону проводимости перешло несколько электронов, образовав в валентной зоне соответствующее число дырок. Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно создаются два заряда противоположных знаков, то общее число носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т. е.

Рассмотрим образование связей между атомами германия (Ge). Взаимодействие внешних электронных оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие орбиты ( 2.4), на которых в соответствии с принципом запрета Паули может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Эти общие орбиты связывают между собой атомы германия, образуя так называемые ковалентные, или парноэлектрон-ные, связи. Внешняя электронная оболочка каждого атома как бы дополняется до восьми электронов, что соответствует полностью занятым состояниям их, т. е. отсутствию свободных энергетических уровней в валентной зоне. Вследствие этого энергия электронов не может изменяться под действием электрического поля, т. е. кристалл будет являться диэлектриком.

Генерация носителей заряда приводит к тому, что электроны могут перемещаться в зоне проводимости, переходя на ближайшие свободные энергетические уровни, а дырки — в валентной зоне. Это эквивалентно перемещению положительных зарядов, равных по абсолютной величине зарядам электронов. Перемещение дырок можно представить как заполнение свободных энергетических уровней в валентной зоне электронами близлежащих занятых энергетических уровней.