Атомна будова речовини. Електрон і його властивості. Енергетичні діаграми різних речовин. Поділ речовин на провідники, напівпровідники, діалектики

1. Атомна будова речовини. Електрон і його властивості. Енергетичні діаграми різних речовин. Поділ речовин на провідники, напівпровідники, діалектики.

2. Робота виходу електронів. Види електронної емісії. Рух електронів в електричному і магнітному полях.

Домінуючі методи навчання: лекція, розповідь, еврістична бесіда, демонстрація.

Матеріально - технічне забезпечення: кодопосібники, транспаранти, графопроектор "ЛЕКТОР 2000", кадропроектор "Альфа", макети з зображенням електрона, енергетичні діаграми різних речовин тощо [23, 5].

Початок навчання даної теми розпочинається з згадування студентами з курсу фізики про електрони в атомі, атомну будову речовини, електрони та їх властивості, роботу виходу електронів і види електронної емісії.

Викладач задає студентам наступні запитання:

1. Чому електрон найкращим чином відповідає вимогам, які ставляться до частинок, які виступають в якості носіїв струму в електронних приладах? 2. Як отримати потік вільних електронів, затрачаючи при цьому мінімальну кількість енергії? 3. Яким чином можна керувати рухом електронів? [8, 7].

Викладач розпочинає навчання з пояснення того, що у відповідності з електронною теорією всі оточуючі нас речовини складаються із найдрібніших частинок - атомів. Атом, у свою чергу, складається з ще більше дрібніших частинок, основними із яких є протони, нейтрони і електрони. Протони мають позитивний електричний заряд, електрони - негативний, рівний по величині заряду протона, а нейтрони нейтральні, їх заряд рівний нулю.

Протони і нейтрони утворюють ядро, у якому зосереджена практично вся маса атома. Навколо ядра під впливом його притягання рухаються по визначеним замкнутим траєкторіям (орбітам) негативно заряджені електрони. В нормальному стані атом має у собі однакову кількість протонів і електронів і через це він електрично нейтральний [14, 5].

Кількість протонів, нейтронів і електронів у атомі залежить від типу хімічного елемента, складовою частиною якого він є. Наприклад, в атомі водню навколо ядра обертається тільки один електрон, в атомі міді - 29, в атомі золота - 79. Число електронів, які обертаються навколо ядра, завжди рівне порядковому номеру елементу в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва. Наприклад, атом 92-го елемента таблиці (урана) має 92 електрона, які обертаються навколо ядра по багаточисленим орбітам [8, 15].

Електрони, обертаються в атомі, які розміщені на зовнішніх орбітах, зв'язані з ядром слабше, чим електрони, які знаходяться на внутрішніх, близьких до ядра орбітах. Тому під дією сусідніх атомів чи внаслідок інших причин зовнішні електрони можуть залишити свою орбіту, що потягне за собою зміну електричного стану атому. Електрони, розміщені на зовнішніх орбітах атомів, називаються валентними електронами. Вони визначають хімічну активність речовини, тобто приймають участь в створенні хімічного зв'язку між атомами. Електрони, які звільнилися від внутрішньоатомних зв'язків, отримали назву вільних електронів. Вони рухаються всередині речовини між атомами і з різною швидкістю. При наявності зовнішнього електричного поля хаотичний рух вільних електронів стає впорядкованим, направленим. У результаті чого виникає електричний струм. Чим більше вільних електронів має речовина, тим вища його провідність. Цим і пояснюється добра провідність металів, а також поділ твердих тіл по їх здатності проводити електричний струм на провідники, напівпровідники і діалектрики [6,16].

Далі викладач повинен розповісти про енергетичні діаграми провідників, напівпровідників і діалектриків. На рисунку потрібно показати типові діаграми енергетичних зон для цих речовин. У провідників зона провідності і зона валентних електронів перекривають одна одну, тобто заборонена зона відсутня і валентні електрони легко переходять в зону провідності. У діалектриків ширина забороненої зони велика, і, відповідно, для переходу валентних електронів в зону провідності їм потрібно надати потрібну енергію (не менше 3 еВ). Для напівпровідників заборонена зона відносно невелика (приблизно 0,5 - 3 еВ), під дією зовнішніх факторів (тепло, світло, електричне поле) електрони за рахунок зміни запасу енергії можуть перейти із нормальної зони в зону провідності [8, 21].

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.

3.2.2 Методика навчання теми: "Електрофізичні властивості напівпровідників"

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.