Основные понятия твердотельной электроники презентация

Твердотельная электроника Основные понятия твердотельной электроники

Первым электронным переключающим прибором был вакуумный диод, запатентованный в 1904 году англичанином Д.А. Флемингом Первым электронным переключающим прибором был вакуумный диод, запатентованный в 1904 году англичанином Д.А. Флемингом

Джон Амброз (Амброзий) Флеминг – английский ученый и инженер, сделавший немало для развития электроники и радиотехники, родился 29 ноября 1849 года в городе Ланкастер в семье священнослужителя. Известен, прежде всего, как изобретатель первой двухэлектродной электронной лампы (лампового диода). Джон Амброз (Амброзий) Флеминг – английский ученый и инженер, сделавший немало для развития электроники и радиотехники, родился 29 ноября 1849 года в городе Ланкастер в семье священнослужителя. Известен, прежде всего, как изобретатель первой двухэлектродной электронной лампы (лампового диода).

С тех пор развитие электроники отмечено изобретением и практическим освоением вакуумного триода (1906 год, Л. Де Форест и Р. Либен) и полупроводникового транзистора, а затем интегральных микросхем (ИС) на кремнии, положившим начало микроэлектронике. С тех пор развитие электроники отмечено изобретением и практическим освоением вакуумного триода (1906 год, Л. Де Форест и Р. Либен) и полупроводникового транзистора, а затем интегральных микросхем (ИС) на кремнии, положившим начало микроэлектронике.

Ли де Фо́рест (англ. Lee De Forest; 26.08.1873 — 30.06.1961 США) — американский изобретатель, имеющий на своём счету 180 патентов на изобретения. Де Форест изобрёл триод — электронную лампу, которая принимает на входе относительно слабый электрический сигнал и затем усиливает его. Де Форест является одним из отцов «века электроники», потому что триод помог открыть дорогу широкому использованию электроники. Ли де Фо́рест (англ. Lee De Forest; 26.08.1873 — 30.06.1961 США) — американский изобретатель, имеющий на своём счету 180 патентов на изобретения. Де Форест изобрёл триод — электронную лампу, которая принимает на входе относительно слабый электрический сигнал и затем усиливает его. Де Форест является одним из отцов «века электроники», потому что триод помог открыть дорогу широкому использованию электроники.

Р. Либен (Robert von Liben) (5.09.1878  –20.02.1913 in Vienna) – австрийский физик. Р. Либен (Robert von Liben) (5.09.1878  –20.02.1913 in Vienna) – австрийский физик.

Создание первого транзистора

Создание Первой микросхемы с 5 транзисторами 12 сентября 1958 г. в компании Texas Instruments

изобретатели интегральной схемы (1959) изобретатели интегральной схемы (1959) Нобелевскую премию по физике за ее изобретение присудили лишь в 2000 г.

Создание Первой коммерческой ИС с поликремниевым затвором 1968 г.

Сама возможность существования твердого состояния вещества обусловлена взаимодействием сил притяжения и отталкивания (взаимодействия) между частицами (атомами, ионами или молекулами) при их сближении. Сама возможность существования твердого состояния вещества обусловлена взаимодействием сил притяжения и отталкивания (взаимодействия) между частицами (атомами, ионами или молекулами) при их сближении.

Выделяют несколько видов связи: Силы Ван-дер-Ваальса; Ковалентная; Ионная (полярная); Металлическая; Водородная

Кристаллы – это вещества, в которых составляющие их частицы (атомы, молекулы) расположены строго периодически, образуя геометрически закономерную кристаллическую структуру, при этом выделяют кристаллы изотропные и анизотропны. Анизотропия (от греч. ánisos — неравный и tróроs — направление) – зависимость свойств вещества от направления, аналогично анизотропия – инвариантность свойств по отношению к направлению.

Движение электронов в атоме Все окружающие нас тела состоят из элементарных частиц (атомов) или из групп определенным образом объединенных атомов (молекул). Любая молекула состоит из совокупности электронов и атомных ядер, движение и взаимное расположение которых определяют значение внутренней энергии молекулы

Постулаты Бора

Взаимодействие частиц в квантовой механике характеризуют потенциальной энергией, формула которой заимствуется из классической механики. Например, потенциальная энергия заряженной частицы (например, электрона с зарядом минус q) в электрическом поле другой заряженной частицы (например, ядра атома водорода c зарядом плюс q) выражается формулой Взаимодействие частиц в квантовой механике характеризуют потенциальной энергией, формула которой заимствуется из классической механики. Например, потенциальная энергия заряженной частицы (например, электрона с зарядом минус q) в электрическом поле другой заряженной частицы (например, ядра атома водорода c зарядом плюс q) выражается формулой

Квантование энергии атома Запишем условие вращения электрона массы по круговой орбите радиуса r под действием кулоновской силы со стороны ядра и формулу Бора квантования момента импульса электрона:

Решая эту систему уравнений, находим для радиусов стационарных орбит электрона в атоме водорода следующее выражение Решая эту систему уравнений, находим для радиусов стационарных орбит электрона в атоме водорода следующее выражение

Для скорости электрона на n-ой стационарной орбите получаем значение Для скорости электрона на n-ой стационарной орбите получаем значение Полная энергия электрона, движущегося по n -ой стационарной орбите, складывается из его кинетической энергии и потенциальной энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром эВ

Полная энергия электрона в атоме оказалась отрицательной, так как отрицательна потенциальная электростатическая энергия взаимодействия электрона с ядром. С ростом номера орбиты полная энергия электрона в атоме возрастает. При этом номер орбиты является квантовым числом в такой теории. Полная энергия электрона в атоме оказалась отрицательной, так как отрицательна потенциальная электростатическая энергия взаимодействия электрона с ядром. С ростом номера орбиты полная энергия электрона в атоме возрастает. При этом номер орбиты является квантовым числом в такой теории. Для описания атома используют квантовые числа – энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится

квантовые числа

Размеры атомной орбитали с увеличением атомного номера z уменьшаются приблизительно в z раз, а с увеличением главного квантового числа возрастают приблизительно как . Поэтому внутренние электронные оболочки атомов (с меньшими значениями квантового числа n) имеют значительно меньшие размеры и "скрыты" глубоко внутри внешних. Размеры атомной орбитали с увеличением атомного номера z уменьшаются приблизительно в z раз, а с увеличением главного квантового числа возрастают приблизительно как . Поэтому внутренние электронные оболочки атомов (с меньшими значениями квантового числа n) имеют значительно меньшие размеры и "скрыты" глубоко внутри внешних. Для внешних (валентных) электронов атома его ядро и внутренние атомные электронные оболочки образуют "квази-ядро", внутренний остов, суммарный положительный электрический заряд которого меньше, чем заряд ядра. Например, у атомов второго периода периодической системы элементов остовом атома является ядро, экранированное внутренней электронной оболочкой, т.е. катион с положительным электрическим зарядом (z-2).

Орбитальное квантовое число l определяет форму орбитали. Значение орбитального числа l=(n-1)=0,1,2,3...(n-1). Также вводят буквенные обозначения: орбитали с l = 0 называются s-орбиталями,  l = 1 – р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m), l = 2 – d-орбиталями (5 типов),  l = 3 – f-орбиталями (7 типов)

Изображения атомных орбиталей: 1 ряд – s-орбитали; Изображения атомных орбиталей: 1 ряд – s-орбитали; 2 ряд– р-орбитали; 3 ряд– d -орбитали; 4 ряд– f -орбитали

Каждому уровню энергии соответствует стоячая электронная волна, электрон колеблется вокруг и возле атомов и образует как бы облако электронной плотности. Плотность этого облака показывает вероятность обнаружения электрона в той или иной области пространства или долю времени, которую электрон проводит в той или иной области. Каждому уровню энергии соответствует стоячая электронная волна, электрон колеблется вокруг и возле атомов и образует как бы облако электронной плотности. Плотность этого облака показывает вероятность обнаружения электрона в той или иной области пространства или долю времени, которую электрон проводит в той или иной области.

Магнитное квантовое число характеризует величину магнитного поля, создаваемого при вращении электрона вокруг ядра. Поэтому значение магнитного квантового числа m связано со значением орбитального квантового числа и изменяется от –l до + l, а всего число может принимать (2l+1) значение, включая нулевое. Например, для l = 2: m = -2, -1, 0, 1, 2.

Спиновое квантовое число s Электрон помимо координат и импульса характеризуется вектором спина. Внутренний момент импульса, связанный с вращением, назвали спином (от англ. spin – вращение), а момент, связанный с вращением вокруг ядра – орбитальным моментом. Спин, подобно заряду, – внутренняя характеристика электрона, в классической теории аналогичного понятия быть не может. Спиновое число s =+½.

Число орбиталей на энергетических подуровнях