Статья: Физические основы электроники
Электроника и виды электронной эмиссии
Электроника – это наука, изучающая взаимодействие электронов и заряженных частиц с электромагнитными, электрическими и магнитными полями, которое является физической основой функционирования электронных приборов и устройств, используемых для обработки, передачи и хранения данных.
Различают три основных вида электронных устройств:
- Полупроводниковые приборы, работа которых основана на перемещении дырок и электронов в твердом теле.
- Электровакуумные приборы, работа которых на перемещении электронов в условиях вакуума.
- Газоразрядные приборы, работа которых основана на перемещении ионов и электронов в пространстве, заполненном газом.
Электронная эмиссия – это выход электронов из металла, который обусловлен их хаотическим движением.
Различают термоэлектронную, вторичную электронную и фотоэлектронную эмиссии. Термоэлектронная эмиссия происходит при нагревании металлов и происходит в термических катодах. Вторичная электронная эмиссия осуществляется при бомбардировке поверхности металла электронами. Явление вторичной электронной эмиссии применяется для внутреннего усиления электрического тока. Фотоэлектронная эмиссия представляет собой процесс выхода электронов из металла под действием световой энергии. Данное явление используется в работе фотоэлектронных устройств.
Основные физические характеристики электронных приборов
К основным физическим характеристикам электронных приборов можно отнести следующие:
- Эффективная плотность состояния, представляющая собой число уровней, которое отнесено к единице объема.
- Удельное сопротивление, представляющее собой сопротивление между противоположными гранями куба, которые были вырезаны из полупроводника с с единичным размером грани.
- Ширина запрещенной зоны, представляющая собой энергетический зазор между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости.
- Подвижность носителей, представляющая собой скорость перемещения носителей, в условиях воздействия электрического поля.
- Продолжительность жизни носителей, представляющая собой время, в течении которого концентрация избыточных электронов снижается в определенное количество раз.
- Коэффициент диффузии, представляющий собой количество частиц, которые проходят через единичную площадку, находящуюся перпендикулярно по отношению к вектору потока, за единицу времени.
- Длина диффузионного смещения, представляющая собой расстояние, на протяжении которого концентрация носителей уменьшается в определенное количество раз.
- Собственная концентрация носителей, представляющая собой концентрацию свободных электронов, а также дырок в собственном полупроводнике при установленной температуре.
- Электрическая прочность, представляющая собой напряженность поля, при котором происходит пробой.
- Диэлектрическая проницаемость, представляющая собой характеристику материальной среды, где осуществляется перемещение носителей заряда.
- Дрейфовый ток, представляющий собой перемещение заряженных частиц, происходящее под действием сил электрического поля.
- Диффузионный ток, представляющий собой обусловленное движение дырок и электронов благодаря градиенту концентрации.
Одним из основных уравнений электроники является уравнение Пуассона, которое выглядит следующим образом
Рисунок 1. Уравнение Пуассона.
Физический смысл данного уравнения следующий: если известна плотность заряда (р), то значения напряженности электрического поля (Е), а также потенциала ф могут быть определены в абсолютно любой точке пространства посредством решения уравнения Пуассона и задания граничных условий.
Генерация носителей заряда и рекомбинация
Генерация носителей заряда представляет собой процесс образования свободных носителей в полупроводниках в условиях различных внешних воздействий. Для появления свободных носителей необходимо затрачивать энергию, которая нужна для освобождения электронов из связанного состояния. Вид генерации заряда определяется характером передачи энергии. Существуют световая, ударная, тепловая и полевая генерации. Тепловая генерация заряда происходит при увеличении температуры до определенного критического значения. Световая генерация происходит благодаря передачи связанным электронам энергии фотонов во время облучения светом. Ионизация или полевая генерация заряда происходит за счет энергии электрического поля. При ударной генерации заряда энергия передается в виде кинетической энергии передвигающихся частиц.
Рекомбинация представляет собой процесс возвращения свободных носителей заряда в связанное состояние. Механизм рекомбинации реализовывается в зависимости от того, как расходуется энергия, которая выделяется при исчезновении электронно-дырочной пары.