نگاه اجمالی
شاید برای افرادی که آشنایی کمتری با فیزیک دارند ، تعجب آور باشد که در مباحث فیزیک ، از واژه الکترونیک یاد شود. اما اگر مباحث مطرح در فیزیک را از نظر بگذرانیم ملاحظه میکنیم فیزیک و الکترونیک دو واژهای هستند که با هم مانوس بوده و تقریبا وابسته به یکدیگرند. بعنوان مثال ترانزیستور یک وسیله الکترونیکی است که نحوه اتصال آن در مدار در الکترونیک مورد بررسی قرار میگیرد. اما ساختار ترانزیستور ، مشخصههای ترانزیستور و اطلاعات دیگر که مربوط به ساختمان ترانزیستور است در فیزیک بحث میشود.


مفاهیم پایه فیزیک الکترونیک

* اجزای ساختمان ماده:
برای توضیح پدیدههای الکترونیکی ، فیزیکدانها فرضیههای مختلفی را درباره ساختمان ماده ، پیشنهاد کردهاند. میدانیم که ماده قابل تقسیم تا بینهایت نیست. کوچکترین کمیت از ماده را که میتواند به حالت آزاد وجود داشته باشد مولکول میگویند.
کمیتی از یک جسم خالص را که فرمول شیمیایی آن جسم معرفی میکند، مولکول گرم و جرم مربوطه را جرم مولکولی میگویند. هر مولکول گرم از یک جسم خالص ، شامل تعداد NA مولکول است، که NA عدد آووگادرو میباشد. مولکولها از اتمها تشکیل شدهاند. کوچکترین بخش از یک جسم ساده که میتواند در یک ترکیب شیمیایی شرکت کند، اتم نام دارد همانند مولکول ، اتم نیز دارای ابعاد بسیار کوچک است.

پیشرفتهای امروز ، الکترونیک ، نظریههای آلبرت انیشتین را که از سال 1905 به بعد بنا کرد ، کاملا به اثبات میرساند. برخلاف آنچه که در مکانیک کلاسیک تصور میشود ، در فیزیک نوین جرم یک جسم کمیتی تغییر ناپذیر نیست، بلکه با بالا رفتن سرعت افزایش پیدا میکند. سرعت نور معرف حدی است که تجاوز از آن را نمیتوان انتظار داشت.


* فلزات و نیم رساناها:
واژه نیم رسانا را برای مشخص کردن جامداتی که مقاومت ویژه آنها خیلی بزرگتر از مقاومت ویژه یک رسانای خوب و خیلی کوچکتر از مقاومت ویژه یک عایق خوب است، به کار میبرند. به علاوه این مقاومت ویژه میتواند در کرانههای عریض تحت تاثیر بعضی از عوامل نظیر دما ، نور ، جریانهای قوی و همچنین با افزودن ناخالصیهای معین تغییر کند. بدین ترتیب ، آنها میتوانند به طور دائم و برگشت پذیر از حالت عایق به حالت رسانا بروند.


* رسانش در فلزات:
یک رسانا در حالت عادی دارای الکترونهای آزاد است. اتمهایی که این الکترونها را از دست دادهاند یک شبکه یونهای مثبت تشکیل میدهند. الکترونهای آزاد که دیگر به اتم مشخصی تعلق ندارند، دارای یک حرکت بینظمند که از این لحاظ شبیه مولکولهای گاز است. این الکترونها نقش رسانش در فلزات را ایفا میکنند.


* نیم رسانای ذاتی (خالص):
نیم رساناهایی که بیشتر از همه مورد استفاده قرار میگیرند. ژرمانیوم و سیلسیوم هستند. به علت داشتن خواص مشابه ، در مورد یکی از آنها مثلا ژرمانیوم استدلال میکنیم. اتم ژرمانیوم دارای ظرفیت چهار است که هسته آن 32 پروتون دارد که توسط 32 الکترون احاطه شده است. این الکترونها در روی چهار لایه مدار که آخرین آنها چهار الکترون دارند توزیع شده است.
انرژی جنبشی الکترونها در دمای محیط معمولی خیلی بیشتر از انرژی آنها در صفر مطلق است. این امر موجب بریدگی بعضی از اتصالات و تولید حاملهای بار الکتریکی میشود. بدبن ترتیب یک نیم رسانای ذاتی در دمای عادی به طور جزئی رساناست.


* نیم رسانای غیرذاتی:

با افزودن تعداد خیلی کم از بعضی از ناخالصیها در یک نیم رسانای ذاتی میتوان با نسبتهای قابل ملاحظهای عده حاملهای بار (الکترونهای آزاد یا حفره) را افزایش داد. بدین ترتیب مقاومت ویژه ماده کاهش مییابد. بلوری که بدین ترتیب آلاییده میشود، نیم رسانای غیرذاتی نام دارد. بعنوان مثال با اضافه کردن یک گرم آرسنیک به 103 گرم ژرمانیوم خالص مقاومت ویژه از 50 اهم-سانتی متر به چند اهم-سانتی متر تغییر میکند. ناخالصیهای به کاربرده شده سه یا پنج ظرفیتی هستند که به دو نوع بلور مختلف هدایت میکنند.
* روشهای استخراج الکترون:

o گسیل ترموالکتریک:
این روش عبارت از گرم کردن رساناست. در واقع انرژی جنبشی الکترونها که در دمای عادی کم است ، با بالا رفتن دما به نسبت قابل ملاحظه افزایش مییابد. این انرژی در مورد بعضی از الکترونها به یک تعداد کافی میرسد به طوری که عبور آنها از سد پتانسیل میسر میکند. این گسیل را که در آن انرژی استخراج منشا حرارتی دارد ، ترموالکترونیک میگویند.

o گسیل توسط میدان:
بدون افزایش دمای رسانا ، با اعمال یک میدان الکتریکی خیلی قوی (در حدود (108V/m) بر سطح رسانا نیز میتوان از آن الکترون استخراج کرد. لامپهایی که در این شرایط کار میکنند، لامپهای کاتد سرد نامیده میشوند.

o گسیل ثانویه الکترون:
هنگامی که الکترونها یا یونهای با سرعت زیاد پرتاب شده ، بر سطح یک فلز میتابند، قسمتی از انرزی جنبشی خود را به الکترونهای مجاور منتقل میکنند و آنگاه این الکترونها میتوانند از فلز به بیرون پرتاب شوند، این گسیل را گسیل ثانویه مینامند. در مورد بعضی از مواد با کار استخراج کم ، تنها یک الکترون میتواند تا دو الکترون ثانویه را بیرون آورد.

o نشر فوتوالکتریک:
به کمک تشعشع نیز میتوان یک گسیل الکترونی ایجاد کرد. هر یک از فوتونها فرودی که دارای انرژی hf است میتواند قسمتی از این انرژی را به یک الکترون مجاور سطح انتقال دهد. هرگاه انرژی دریافت شد. توسط الکترون بیشتر از انرژی استخراج W0 باشد، الکترون از فلز به بیرون پرتاب میشود. اگر فرض کنیم که تمام انرژی فوتون به الکترون انتقال مییابد، در این صورت این الکترون با سرعت v0 کسب میکند که میتوان آن را از رابطه mv20/2=hf-W0 در حقیقت ، سرعت الکترون v از این مقدار نظری v0 کوچکتر است.

مرحله دوم در فیزیک الکترونیک
بعد از مطالعه مفاهیم اولیه که در بررسی فیزیک الکترونیک نیاز است، ساختار برخی قطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور ، مقاومت ، خازن و ... مورد بحث قرار میگیرد. همچنین نحوه قرارگیری این قطعات در مدار و عملکرد این قطعات بررسی میشود. البته آنچه در اینجا مطالعه میشود جدا از مطالبی است که در رشتههای مهندسی الکترونیک بحث میشود. چون در رشتههای مهندسی کاربرد و نحوه قرارگیری این قطعات در مدار مورد توجه است. و کمتر به ساختار این قطعات پرداخت میشود.