Электроника является мощным ускорителем научно-технического прогресса практически во всех областях науки и техники.
В соответствии с Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, принятыми на XXVI съезде КПСС, «... развитие науки и техники должно быть в еще большей мере подчинено решению экономических и социальных задач советского общества, ускорению перевода экономики на путь интенсивного развития, повышению эффективности общественного производства»*1. Для этого, в частности, необходимо обеспечить опережающее развитие фундаментальных и повысить результативность прикладных исследований; в области естественных и технических наук сосредоточить усилия на решении таких важнейших проблем, как развитие физики элементарных частиц и атомного ядра, физики твердого тела, оптики, квантовой электроники и радиофизики.
Целью настоящей книги является система-тическ ое изложение физических основ элек-тронной техники, т. е. рассмотрение основных теоретических и экспериментальных данных, составляющих физический фундамент электроники—катализатора современного научно-технического прогресса. В книге рассмотрены качественные и количественные закономерности, определяющие физику процессов в квантовых, электроннолучевых, ионных, СВЧ, полупроводниковых, микроэлектронных приборах и в электронных лампах.
В электр онных прибор ах используются вещества во всех четырех агрегатных состояниях—твердые тела, жидкости, газы и плазма. Применяются различные типы электр омагнит-
*> Материалы XXVI съезда КПСС. М., 1981, с. 143.
ных взаимодействий, постоянные и переменные (в том числе сверхвысокочастотные) электрические и магнитные поля различных конфигураций, в которых движутся потоки заряженных частиц. При этом многие физические эффекты носят квантовый характер.
Для того чтобы хорошо понимать принципы работы электронных приборов, а тем более создавать новые приборы и устройства, необходимо знать происходящие в них сложные физические процессы. Физические основы электронной техники включают ряд достаточно самостоятельных разделов физики, что указывает на чрезвычайно Широкую научную базу этой области техники.
Центральное место в курсе занимают главы, посвященные изложению основ квантовой механики, физики твердого тела и эмиссионной электроники. Везде, где это возможно, кроме строгих математических соотношений, наиболее точно выражающих суть рассматриваемых закономерностей, авторы старались изложить и то, что принято называть физикой явления, т. е. дать качественную физическую картину процесса.
В главах 1—3 рассматриваются свойства отдельных микрочастиц, а также закономерности их классического и квантового движения в электрических и магнитных полях, что дает возможность в гл. 5 перейти к описанию коллективных эффектов, т. е. особенностей поведения систем частиц, обладающих либо классическими, либо квантовыми свойствами. Глава 4 посвящена свойствам фотона и квантовым закономерностям излучения, поглощения и рассеяния света.
Закономерности поведения отдельных микрочастиц и квантов излучения в сочетании с принципами квантовой статистики позволяют далее объяснить природу атомных и молекулярных спектров (гл. 6), зонную структуру, а также кинетические, контактные и оптические эффекты в твердых телах (гл. 7, 8, 9), т. е. понять природу связей в сложных системах, состоящих из частиц, подчиняющихся квантовым законам.
Материал главы 10, посвященной эмиссионной электронике, т. е. «разборке» твердого тела на составные части (электроны, ионы,' атомы, молекулы) под влиянием внешних возбуждающих факторов, и главы И, в которой рассмотрены электрические явления в газах и плазме, замыкает логическую цепь изложения курса —авторы вновь возвращают читателя к свойствам отдельных частиц и закономерностям их движения во внешних полях.
Главы 1—6, 10 написаны С. А. Фридриховым, главы 7—9, 11 — С. М. Мовниным.
Авторы благодарят рецензентов: д-ра физ.-мат. наук, проф. МГУ А. Ф. Александрова и коллектив кафедры электронных приборов Новосибирского электротехнического института за ряд ценных замечаний и советов, направленных на улучшение содержания и методики изложения данного курса.
Замечания и отзывы о книге просим направлять по адресу: 103051, Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа». Авторы
ГЛАВА t
СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .................. 3
Глава 1. Свойства основных элементарных частиц 5
§1.1. Электрон и его свойства......... 5
§ 1.2. Зависимость массы от скорости...... 9
§ 1.3. Дираковский вакуум, антивещество ... 13
Глава 2. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях....... 18
§ 2.1. Движение заряженной частицы в однородном постоянном электрическом поле .... 18
§ 2.2. Движение заряженной частицы в цилиндрическом постоянном электрическом поле 21
§ 2.3. Движение заряженной частицы в сферическом постоянном электрическом поле ... 29
§ 2.4. Движение заряженной частицы в переменном электрическом поле......... 37
§ 2.5. Движение заряженной частицы в однородном
постоянном магнитном поле ....... 44
§ 2.6. Движение заряженных частиц в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях................ 47
§ 2.7. Движение дипольных частиц в неоднородных постоянных электрическом и магнитном полях................ 50
Глава 3. Основы квантовой механики...... 53
§ 3.1. Волны де Бройля............ 53
§ 3.2. Соотношение неопределенностей Гайзенберга 58
§ 3.3. Уравнение Щрсдингера......... 62
§ 3.4. Квазиклассический метод решения уравнения Шредингера............. 68
§ 3.5. Общие закономерности одномерного движения квантовой микрочастицы....... 74
§ 3.6. Движение квантовой микрочастицы в области потенциальной ступеньки ....... 77
§ 3.7. Потенциальные барьеры......... 82
§ 3.8. Движение квантовой микрочастицы в прямоугольной потенциальной яме...... 86
§ 3.9. Квазиклассическое рассмотрение движения
микрочастицы в потенциальной яме ... - 93 § 3.10. Решение уравнения Шредингера для стационарных состояний линейного гармонического осциллятора............ •*'
§ 3.11. Жесткий квантовый ротатор....... 1(JJ
§ 3.12. Решение уравнения Шредингера для водо-
родоподобного атома .......... ||^
§ 3.13. Теория электрона Паули и Дирака ... 19 § 3.14. Принцип суперпозиции состояний . . • • |^ § 3.15. Теория возмущений........... ' у
606
Глава 4. Основы квантовой теории излучения.............. 146
§ 4.1. Плотность типов колебаний в электромагнитных резонаторах. Формула Планка......................... 146
§ 4.2. Плоская электромагнитная волна как виртуальный гармонический
осциллятор. Фотонная теория света . . . ."........... !51
§ 4.3. Коэффициенты Эйнштейна для спонтанного и индуцированного
испускания света........................ 154
§ 4.4. Эйнштейновский вывод формулы Планка............. 159
§ 4.5. Рассеяние света свободными электронами............ 161
Глава 5. Системы частиц в классической и квантовой механике..... 167
§ 5.1. Распределение Максвелла.................... 167
§ 5.2. Принцип неразличимости тождественных микрочастиц. Принцип
запрета Паули......................... 172
§ 5.3. Распределения Ферми и Бозе.................. 177
§ 5.4. Обменные взаимодействия. Природа гочсополярной связи .... 181 § 5.5. Решение уравнения Шредингера для системы из двух прямоугольных потенциальных ям..................... 187
Глава 6. Основы атомной и молекулярной спектроскопии ........ 192
§ 6.1. Закономерности в оптических спектрах атомов .......... 192
§ 6.2. Спектр атома гелия. Векторная модель атома .......... 198
§ 6-3. Векторная модель атомов- с двумя и большим числом валентных
электронов........................... 203
§ 6.4. Спектры атомов инертных газов ................ 208
§ 6.5. Рентгеновские спектры атомов и поглощение рентгеновского излучения .............................. 212
§ 6.6. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева....... 219
§ 6.7. Влияние магнитного поля па атомные спектры.......... 228
§ 6.8. Влияние электрического поля на атомные спектры........ 240
§ 6.9. Сверхтонкая структура атомных спекiров............ 243
§ 6.10. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света .... 249
Глава 7. Введение в физику твердого тела............... 259
§ 7.1. Структура кристаллов ..................... 259
§ 7.2. Типы связей в кристаллах.................... 270
§ 7.3. Дефекты кристаллической структуры .............. 274
§ 7.4. Колебания кристаллической решетки.............. 277
§ 7.5. Тепловые свойства твердых тел................. 282
§ 7.6. Диэлектрические свойства твердых тел............ . 289
§ 7.7. Магнитные свойства твердых тел.........'........ 295
Глава 8. Основы электронной теории твердого тела............ 310
§ 8.1. Энергетические зоны в кристалле................ 310
§ 8.2. Движение электронов в кристалле................ 318
§ 8.3. Металлы, диэлектрики, полупроводники............. 320
§ 8.4. Особые электронные состояния в кристаллах........... 324
§ 8.5. Статистика электронов в твердых телах............. 330
Глава 9. Кинетические, контактные и оптические явления в твердых телах .............................. 339
§ 9.1. Кинетическое уравнение Больцмана. Рассеяние носителей заряда
в кристалле.......................... 339
§ 9.2. Электропроводность твердых тел................. 346
§ 9.3. Сверхпроводимость....................... 349
§ 9.4. Полупроводники в сильных электрических полях ........ 359
§ 9.5. Термоэлектрические, гальванемагнитные и термомагнитные явления в твердых телах...................... 367
§ 9.6. Контактные явления в твердых телах.............. 378
§ 9.7. Явления на поверхности полупроводников и в тонких пленках 396
§ 9.8. Электронные процессы в аморфных полупроводниках....... 406
§ 9.9. Оптические и фотоэлектрические процессы в полупроводниках 411
Глава 10. Физические основы эмиссионной электроники ......... 429
§ 10.1. Виды электронной и ионной эмиссий............... 429
§ 10.2. Автоэлектропная эмиссия из металлов и полупроводников .... 435
§ 10.3. Взрывная эмиссия электронов.................. 417
§ 10.1. Эмиссия «горячих» электронов из топких диэлектрических слоев
на металлической подложке, структур металл—диэлектрик—• металл
и полупроводник —металл.................... 450
§ 10.5. Эмиссия «горячих» электронов из отнородных полупроводников и
р-п- переходов ......................... 456
§ 10.6. Эмиссия «горячих» электронов из диспергированных металлических
пленок............................. 464
§ 10.7. Фотоэлектронная эмиссия.................... 468
§ 10.8. Вторичная электронная эмиссия ................ 487
§ 10.9. Термоэлектронная эмиссия ................... 514
§ 10.10. Поверхностная ионизация и термоионная эмиссия........ 524
§ 10.11. Взаимодействие ионов с твердым телом............. 533
Глава 11. Электрические явления в газах................ 548
§ 11.1. Появление и исчезновение заряженных частиц в газе ...... 548
§ 11.2. Виды электрических разрядов в газе. Несамостоятельный и самостоятельный разряды...................... 558
§ 11.3. Тлеющий и дуговой разряды .................. 567
§ 11.4. Плазма газового разряда.................... 574
§ 11.5. Искровой, коронный и высокочастотный разряды......... 596
Список рекомендуемой литературы ................... 605
Цена: 300руб.
