Величина роботи виходу твердих тіл залежить від їх структури і є фізичною характеристикою тіла. Чим менша у даного провідника робота виходу, тим меншою повинна бути затрата енергії для отримання вільних електронів за межами даного провідника.
Вихід електронів можливий також із провідників і діалектриків. Однак при цьому робота затрачається не тільки на перемагання гальмуючих електричних сил, але й на збудження електронів, які переходять із валентної зони в зону провідності.
Якщо електронам металів чи напівпровідників надається додаткова енергія, то вихід електронів із тіла буде можливим - проходить електронна емісія.
Потік вільних електронів в електровакуумних і іонних (газорозрядних) приладах виникає із металічного чи напівпровідникового електроду - катода.
Щоб електрони могли вийти за межі електрода, необхідно надати їм зовні деяку енергію, яка достатня для переборення протидіючих сил [6,25].
В залежності від способу надання електронам додаткової енергії розрізняють такі види електронної емісії:
термоелектронну, при якій додаткова енергія надається електронам в результаті нагріву катода;
фотоелектронну, при якій на поверхню катода діє електромагнітне випромінювання;
вторинну електронну, яка є результатом бомбардування катода потоком електронів чи іонів, які рухаються з великою швидкістю;
електростатичну, при якій сильне електричне поле у поверхні катода створює сили, які сприяють виходу електронів за його межі [6,25].
Далі викладач повинен розповісти про рух електронів в електричному і магнітному полях. Керування рухом електронів в більшості електронних приладів здійснюється з допомогою електричних чи магнітних полів. В чому полягає сутність цих явищ? Яким законам вони підпорядковуються? Розглянемо ці питання спочатку для електричного поля, а потім для магнітного.
Електрон в електричному полі. Взаємодія електронів які рухаються з електричним полем - основний процес, який проходить в більшості електронних приладів. Найбільш простим випадком є рух електрона в однорідному електричному полі, тобто в полі, напруженість якого однакова в будь якій точці як по величині, так і по напряму.
В електронних приладах електричні поля звичайно неоднорідні. Вони характеризуються непостійністю напруженості по величині і напрямку. Конфігурація таких полів досить різностороння і складна. Вибираючи величини і напрямки напруженості електричного поля, можна заставити електрони рухатися по раніше розрахованій траєкторії, подібно до того, як напрямок світлового променя змінюють шляхом вибору першочергового напрямку і відповідних оптичних середовищ. Таким чином, є подібність між законами руху електронів в електричному полі і законами світлової оптики [8, 27].
Електрон в магнітному полі. Вплив магнітного поля на електрон який рухається можна розглядати як дію цього поля на провідник зі струмом. Під дією нормальної складової електрон рухається по окружності, а під дією дотичної - переміщується вздовж силових ліній поля [25,45]. У результаті одночасної дії обох складових траєкторія руху електрона приймає вид спіралі. Розглянута можливість зміни траєкторії руху з допомогою магнітного поля використовується для фокусування і керування електронним потоком в електронно - променевих трубках і інших приладах [25, 45]. Викладений на занятті матеріал дозволяє студентам зрозуміти сутність електронної теорії, а зокрема атомної будови речовини, поділу речовин на провідники, напівпровідники, діалектрики, роботу виходу електронів, види електронної емісії і також зрозуміти принцип руху електронів у електричному і магнітному полях [8,25]. На протязі пояснення потрібно використовувати рисунки, діаграми відповідно до того чи Іншого пояснення.
Методичними особливостями заняття з теми є:
Основні поняття з розділу;
Завдання самостійної роботи студентів з інструкційними вказівками;
Навчальна мета включає всі основні поняття з розділу;
Актуалізація розділу - запитання проблемного характеру.
Навчальна мета заняття: навчити студентів сутності електрофізичних властивостей напівпровідників.
Форма організації навчальної діяльності студентів: лекція.
План.
1. Фізичні властивості напівпровідників. Залежність провідності напівпровідників від температури та інших факторів.
2. Власна провідність напівпровідників. Домішкова провідність напівпровідників. Домішкова провідність напівпровідників. Електронно - дирковий перехід. Властивості р-п - переходу при відсутності і наявності зовнішньої напруги.
З, Вольт - амперна характеристика р-п - переходу.
4. Еквівалентна схема р-п - переходу. Температурні і частотні властивості р-п-переходу. Види і способи створення р-п - переходу.
Домінуючі методи навчання: лекція, пояснення, узагальнення, демонстрація.
Матеріально - технічне забезпечення: кодопосібники, плакати, графопроектор "ЛЕКТОР 2000 ", кадропроектор "Альфа", схеми з поясненням електрофізичних властивостей напівпровідників, таблиці [23, 5].
Студенти повинні добре засвоїти електрофізичні властивості напівпровідників і фізичні основи роботи напівпровідникових приладів. На основі набутих студентами знань по хімії викладач розповідає, що напівпровідники (кремній, германій та ін) відносяться до четвертої групи таблиці Менделєєва і у чистому вигляді мають високий питомий електричний опір, що наближає їх за електропровідністю до діалектриків. Значення питомого електричного опору чистих напівпровідникових матеріалів лежать у діапазоні від 0,65 Ом м (германій) до 108 Ом м (селен), що перевищує питомий опір міді приблизно в 35-106 і 55-1013 раз. Введення до чистого напівпровідника невеликої кількості домішок (наприклад, атом домішки на мільйон атомів напівпровідника) різко збільшує електропровідність такого матеріалу [5, 30].
У залежності від концентрації домішок напівпровідникові матеріали можуть мати питомий опір в межах 10"5 - 102 Ом-м, що в 600 - 6000-106 раз більше питомого опору міді. Дозуючи концентрації домішок, можна отримати напівпровідникові матеріали з різними значеннями питомого електричного опору, який можна змінювати в широкому діапазоні. Такі напівпровідники за своїми електропровідними властивостями займають проміжне положення між металами та діалектриками [6, 272].
Основне значення для роботи напівпровідникових приладів має електронно - дірковий перехід, який являє собою зону на межі двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший - діркову електропровідність. Такий перехід називають р - п - переходом. Утворюють р - п - перехід, наприклад, внесенням донорної домішки до певної частини напівпровідника р - типу [8,27].
Розглянемо схематично місце стикання напівпровідникових шарів п і р типу. Вільні електрони напівпровідника п - типу заповнюють вільні рівні рівні у валентній зоні напівпровідника п - типу заповнюють вільні рівні у валентній зоні напівпровідника р - типу, тобто заповнюють у ній дірки. У такий спосіб на межі двох напівпровідників утворюється шар, вільний від рухомих електричних зарядів. Такий шар має великий електричний опір і називається запираючим шаром. Його товщина - декілька мікрометрів. Розширенню запираючого шару перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішків з напруженістю Езап у р - і п - зонах. Напрям цього поля такий, що воно перешкоджає пересуванню основних носіїв зарядів через запираючий шар. Якщо до напівпровідникового кристалу прикласти зовнішню напругу так, як це показано на рисунку ("+" до структури п - типу і "-" до структури р - типу), то вона створить у запираючому шарі електричне поле напруженістю Е30вн> яке співпадає з напрямком поля нерухомих іонів Езап. Це приводить до розширення запираючого шару, збільшення опору р - п - переходу. Струм через нього малий, оскільки він створюється не основними носіями зарядів, тобто електронами в р - шарі і дірками п - шарі. Цей струм називають зворотним, а р - п - перехід у такому стані закритим.
Якщо змінити полярність зовнішньої напруги, то зовнішнє поле буде спрямоване назустріч запираючому, запираючий шар стає вужчим і при наявності напруги 0,3 + 0,5 В опір р - п - переходу різко зменшується і виникає відносно великий струм. Повна вольт - амперна характеристика (ВАХ) р - п - переходу показана на рисунку. Вона є суттєво нелінійною. На ділянці 3 існує лише зворотний струм за рахунок наявності невеликої кількості не основних носіїв зарядів, тобто електронів в р - зоні і дірок в п - зоні. Із збільшенням зворотної напруги Езовн стає такою великою, що не основні носії починають рухатися з великою швидкістю, достатньою для лавиноподібного розмноження носіїв зарядів - електронів і дірок. Цей вид пробою називають лавинним [8, 29].
Властивості чистих та легованих напівпровідників, а також р - п - переходу використовують в двохелектродних напівпровідникових приладах - резисторах та діодах. У більш складних приладах - транзисторах і тиристорах - використовують електричні властивості, які утворюються взаємодією декількох р - п - переходів [6, 274].
Методичними особливостями заключного заняття з розділу є:
Тестування з розділу (Додаток 5);
5. Узагальнення і систематизація з розділу у вигляді опорно - інформаційних схем, табличних алгоритмів.
Думка студентів про проведення теоретичних занять з дисципліни: "
Основи електроніки та мікропроцесорної техніки ".
Потрібне в відповідях підкреслити, анкету не підписувати.
1. Ви рахуєте, що викладач свій предмет?
а) знає і ясно викладає;
б) знає, але інколи викладає його неясно;
в) знає не досить.
2. Викладач звичайно читає?