Изображены энергетические диаграммы уединенного атома и кристалла натрия, представлены энергетические диаграммы материалов электронной техники: диэлектриков, полупроводников и проводников. <...> В околоядерном пространстве существуют объёмы (орбитали), в которых эта вероятность максимальна. <...> Таким образом, в классическую модель атома Резерфорда Бор ввёл принцип дискретизации, или по-другому квантования, энергии электрона в атоме и радиуса его орбиты (т. е. околоядерного пространства). <...> В околоядерном пространстве существуют объёмы (орбитали), в которых эта вероятность максимальна. <...> Выражения (1.11) и (1.12) определяют соответственно спектр энергий (разрешённых энергетических уровней) Wn и систему собственных функций уравнения Шредингера Ψn,l,m в сферической системе координат (r, θ, φ). <...> При l = 0 атомная орбиталь имеет сферическую (шаровую) форму, а при 0 <l ≤ n – 1 – гантелевидную форму. <...> Для всех n ≤ nв подоболочки с номером l = m = 0 имеют 1 орбиталь шаровой формы, занятую одним или двумя электронами; подоболочки с номерами l > 0 имеют 2l + 1 орбиталей гантелевидной формы с числом 2(2l + 1) электронных состояний, каждое из которых свободно либо занято одним электроном. <...> Каждая оболочка с номером n имеет одну орбиталь шарового вида (свободную, занятую одним или двумя электронами) и n2 – 1 орбиталей гантелевидной формы, каждая из которых свободна, занята одним или двумя электронами. <...> Из таблиц 1.3 и 1.4 следует, что эта оболочка состоит из двух подоболочек 2s и 2p (или по-другому обозначению L1 и L2) Подоболочка 2s имеет одну орбиталь в форме шара и может разместить 1 или 2 электрона. <...> Подоболочка 2p имеет три гантелевидных орбитали 2px, 2py и 2pz, которые ориентированы по трём координатным направлениям x, y, z и позволяют разместить до 6 электронов. <...> 1.4 изображена энергетическая диаграмма уединённого атома (химического элемента) с порядковым номером Z = 11 (натрий), имеющего заряд ядра qЯ = +11e. <...> В результате каждой из подоболочек 2s и 2p соответствуют свои <...>
Физические_основы_электроники.pdf
МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Д. П. Валюхов, Р. В. Пигулев
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Направление подготовки 210700.62 – Инфокоммуникационные
технологии и системы связи
Бакалавриат
Ставрополь
2014
Стр.1
УДК 519.7:004.8 (075.8)
ББК 22.18:32.85 я73
В 16
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального
университета
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. П. Мочалов,
д-р физ.-мат. наук, профессор Л. В. Михнев
Валюхов Д. П., Пигулев Р. В.
В 16 Физические основы электроники: учебное пособие. –
Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2014. – 135 с.
Пособие представляет курс лекций, в которых дано систематическое
изложение современной электроники, охватывающей
как основные теоретические представления, так и важнейшие экспериментально
установленные факты для объяснения принципов
действия широкого круга электронных приборов и устройств, изложены
физические основы процессов, лежащих в основе работы
электронных приборов.
Предназначено для бакалавров направления подготовки
210700.62 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи.
УДК 519.7:004.8 (075.8)
ББК 22.18:32.85 я73
© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2014
2
Стр.2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современная научно-техническая революция и переход от
индустриального к информационному обществу в значительной
степени обусловлены повышением производительности интеллектуального
труда за счет информационных технологий, материальную
основу которых составляют твердотельные полупроводниковые
приборы и устройства на их основе. Полупроводниковые
приборы широко используются и в силовой электронике, предоставляя
эффективные способы преобразования и генерации электроэнергетических
потоков. Поэтому курс «Физические основы
электроники» стал одним из базовых курсов, основой для изучения
дисциплин профессионального цикла.
Целью дисциплины является изучение физических закономерностей
и эффектов, лежащих в основе принципа действия современной
твердотельной, вакуумной и плазменной, квантовой электронной
техники, а также наиболее часто реализуемых структур
электроники с учетом их применения в различных областях техники.
Изучение курса прививает навыки, необходимые для проектирования
и применения элементов электронной техники
в устройствах различного назначения с учетом номенклатуры и
свойств активных приборов, особенностей технологии производства,
предельных частотных и мощностных характеристик.
Дисциплина относится к модулю профессиональной подготовки
цикла профессиональных дисциплин и базируется на результатах
изучения дисциплин естественнонаучного цикла, в том
числе «Математический анализ», «Физика».
Освоение дисциплины необходимо как предшествующее перед
освоением следующих дисциплин учебного плана: Б3. Б.2
Общая теория связи, Б3. Б.3 Цифровая обработка сигналов, Б3. Б.6
Электроника.
Изложены физические основы процессов, лежащих в основе
работы электронных приборов. Для этой цели привлекаются знания
не только общей физики, но и неорганической химии, физики
конденсированного состояния, атомной и ядерной физики.
Материал изложен на хорошем физическом уровне и вместе
с тем достаточно упрощен. Предназначен для бакалавров направ3
Стр.3
ления подготовки 210700.62 – Инфокоммуникационные технологии
и системы связи.
В результате освоения дисциплины реализуются следующие
компетенции:
– способность применять современные теоретические и экспериментальные
методы исследования с целью создания новых
перспективных средств электросвязи и информатики, организовывать
и проводить их испытания с целью оценки соответствия
требованиям технических регламентов, международных и национальных
стандартов и иных нормативных документов (ПК-17);
– способность планировать и проводить необходимые экспериментальные
исследования, по их результатам строить адекватные
модели, использовать их в дальнейшем при решении задач
создания и эксплуатации инфокоммуникационного оборудования
(ПК-18).
4
Стр.4
Глава 1
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Приведена история развития представлений об атомах,
начиная с древней Греции и до наших дней. Показаны упрощенные
модели атома Томсона, Резерфорда и Бора. Приводятся основные
выражения и физические константы, описывающие свойства
электрона, решения уравнения Шредингера, и вытекающие
из них спектры энергий и частот для водородоподобных атомов.
Изображены энергетические диаграммы уединенного атома и
кристалла натрия, представлены энергетические диаграммы
материалов электронной техники: диэлектриков, полупроводников
и проводников.
1.1. Модель атома и свойства электрона
В упрощённых моделях атома Резерфорда и Бора в центре
находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по
плоским орбитам вращаются электроны. Атом в целом электрически
нейтрален, так как заряд ядра компенсируется суммарным
отрицательным зарядом электронов. Более удалённым от ядра орбитам
(верхним) соответствует большая энергия. Переход электрона
с орбиты на орбиту сопровождается поглощением либо выделением
кванта энергии
где h – постоянная Планка, n – частота.
Движущийся электрон проявляет себя и как частица с массой
= ℎ
m, скоростью v, ускорением α и в то же время, как волна. Масса
электрона m и импульс p определяются выражениями:
=
1−
= 1−
,
,
(1.2)
(1.3)
где c – скорость света, m0 – масса покоя электрона, v – скорость
электрона.
По современным представлениям атом содержит положительно
заряженное ядро и отрицательно заряженное электронное
5
(1.1)
Стр.5