Области применения электроники

1. Электросеть.

2. Радиоэлектронная аппаратура.

3. Вычислительная техника.

4. Промышленная электроника.

Электросеть охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконно-оптическую и сотовую связи.

К радиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др.

Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронно-вычислительных машин, на основе которых создаются автоматизированные системы управления, системы автоматизированного проектирования, автоматизированные систем научных исследований, информационные, обучающие и др.

Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную технику, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др.

Использование электронных приборов в обработке сигналов

В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах электронных устройств различают четыре вида приборов-преобразователей сигналов:

электропреобразовательные (электрический – электрический);

электросветовые (электрический - световой);

фотоэлектрические (световой – электрический);

термоэлектрические (тепловой – электрический).

В зависимости от формы сигналов, которые обрабатываются в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.

Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи.

Аналоговый сигнал - сигнал изменяющийся непрерывно во времени и принимающий любые значения на некотором интервале.

Цифровой сигнал – сигнал в виде последовательности нулей и единиц (т.е. в двоичной системе счисления).

Импульс — сигнал в виде кратковременный всплеска определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы — единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы — всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др.

Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.

Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, и интегральных микросхем (ИМС).

Основным понятием электроники является понятие электрон.

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов.

Число и положение атомов определяют все химические свойства веществ.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Заряд электрона составляет 1.60217646 × 10-19 Кулона

Масса электрона равна 9,11∙10-31 кг

Размер электрона до сих поp не поддается измеpению. Известно лишь, что pадиус электpона заведомо меньше 10^–16 см. Размер ядра намного больше, порядка 10^–4÷ 10^–5 Å = 10^–12÷ 10^–13 см.

Длина свободного пробега электрона - д ля обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) ~ 10^{-5 см} , что примерно в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами.

А́нгстрем (Å) (в русском языке произносится а́нгстрэм, по-шведски о́нгстрём) — единица измерения длины, равная 10⁻¹⁰ м (1Å = 0,1 нм = 100 пм; 10000Å = 1 мкм). Популярна в оптике, схемотехнике, атомной физике и астрономии. Названа в честь шведского физика и астронома Андерса Йонаса Ангстрема, который ввёл её в 1868 году. Ангстрем прижился в языке физиков, так как 10⁻¹⁰ м — это приблизительный размер атома водорода. Примерно таким же является шаг атомной решётки. В результате вместо множества нулей можно оперировать обычными дробями. Диаметр атома водорода уже не 0,000000000158 м, а просто 8/5 Å.

Данную единицу не рекомендуется использовать в системе СИ. Вместо неё предпочтительнее употреблять нанометр (1 нм = 10 Å).

Ангстрем часто называют внесистемной единицей. Тем не менее, она определяется через единицы системы СИ.

Длина свободного пробега (точнее - средняя длина свободного пробега, ` l), средняя длина пути, проходимого частицей между двумя последовательными соударениями с др. частицами. Понятием Длина свободного пробега широко пользуются при расчетах различных процессов переноса, например вязкости, теплопроводности, диффузии, электропроводности и др.

Согласно кинетической теории газов, молекулы от столкновения до столкновения движутся равномерно и прямолинейно. Если за 1 сек молекула проходит в среднем путь v, испытывая при этом n упругих соударений с такими же молекулами, то

где n - число молекул в единице объема (плотность газа), s - эффективное поперечное сечение молекулы. С повышением плотности газа (его давления) Длина свободного пробега уменьшается, т.к. растет число столкновений n в 1 сек. Повышение температуры (интенсивности движения молекул) приводит к некоторому уменьшению s и, следовательно, к росту ` l. Для обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) ` l ~ 10^{-5 см} , что примерно в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами.
К частицам, движение и взаимодействие которых подчиняется законам квантовой механики, понятие Длина свободного пробега в ряде случаев также применимо (например, электроны проводимости в твердом теле, нейтроны в слабо поглощающих средах, фотоны в звездах), но расчет Длина свободного пробега для таких частиц более сложен.

Электрон и атом

А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.^[1]. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Современная модель атома исходит из того, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами.

Представления квантовой механики позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по неопределённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако изолированного атома не изменяет своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, модуль квадрата которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях.

ОРБИТАЛИ - атомные и молекулярные волновые функции электрона, который находится в поле одного или нескольких атомных ядер, а также усредненном поле всех остальных электронов этого атома.

Представления об орбиталях лежат в основе важнейшего метода квантово-химического расчета свойств атомов и молекул.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Поэтому электрон обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра.

Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома).

Электро́нво́льт (сокращённо эВ или eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а заряд электрона составляет −1,602 176 487(40)×10⁻¹⁹ Кл, то

1 эВ = 1,602 176 487(40)×10⁻¹⁹ Дж = 1,602 176 487(40)×10⁻¹² эрг.

Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней - состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным, а все остальные — возбуждёнными.^[41]

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона.

Уровень Ферми

Энергия Ферми E_F — максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля.

Абсолю́тный нуль температу́ры — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X-я Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура − 273,15 C ^[1].

В рамках применимости термодинамики абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего^[1].

Уровень Ферми — некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы электронов твердого тела.

Все энергетические состояния электрона, находящиеся ниже уровня Ферми заняты, а выше — свободны.

Физический смысл уровня Ферми: вероятность попадания частицы на уровень Ферми составляет 0,5 при любых температурах.

Например, для Ag он составляет 5,5 эВ,

Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле.

Электронный газ - теоретическая модель, описывающая поведение электронов проводимости (свободных) в электронных проводниках. В модели электронного газа пренебрегают кулоновским взаимодействием между электронами.

Для электронного газа в металлах при Т = 0 величина энергии Ферми однозначно определяется концентрацией электронов в единице объема.

Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.

Энергия электрона в отдельный атоме

Согласно постулатам Бора в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).

Энергия электрона в молекуле

В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали.

Энергия электрона в некотором объеме вещества (кристалле)

При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (количество атомов более 10²⁰), количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон.

Наивысшая из разрешённых энергетических зон, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней — зоной проводимости.

Промежуточное положение между валентной зоной и зоной проводимости занимает запрещенная зона.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы:

· проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

· диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

· полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

В полупроводниках при очень низких температурах уровень Ферми лежит посередине между зоной проводимости и валентной зоны.

(Для донорных полупроводников — полупроводников n -типа проводимости — уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем). С повышением температуры вероятность заполнения донорных состояний уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, и уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны. Аналогичные закономерности проявляются и полупроводниках р -типа проводимости.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также, проводимость можно увеличить, создав разрешенный энергетический уровень в запрещенной зоне, путем легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Дата добавления: 2014-01-06