Передаточная модель Эберса-Молла

Модель базируется на эквивалентной схеме, приведенной на рис. 3.14. Расчетные формулы, полученные ранее, объединим в систему

:       (3.19)

причем u_ЭП= - u_ЭБ , u_КП = - u_КБ.

Токи во внешних цепях транзистора рассчитываются по формулам:

(3.20)

В простейшем случае в модели используются три параметра:

• I₀ -тепловой ток транзистора;

•  - прямой коэффициент передачи тока базы;

•  _I - обратный коэффициент передачи тока базы.

Передаточная модель Эберса - Молла может уточняться (влияние объемных сопротивлений, генерационно-рекомбинационных токов переходов, эффект Эрли и т. д.) и поэтому именно она используется в компьютерных программах.

Классическая модель Эберса - Молла

 

Классическая модель Эберса - Молла базируется на эквивалентной схеме, изображенной на рис. 3.15. От передаточной модели классическая отличается тем, что составляющие токов транзистора сгруппированы иначе. Переходы транзистора представлены изолированными диодами, токи которых i ₁ и i ₂ определяются напряжениями u _эп и u _кп соответственно: , (3.21)

где и. (3.22)

Тепловые токи I_ЭБК и I_КБК имеют следующий смысл:

• I_ЭБК - это тепловой ток эмиттера в схеме с общей базой при u_КП = 0 ( замыкании выводов коллектора и базы).

• I_КБК - тепловой ток коллектора в схеме с ОБ при u_ЭП=0.

Формально тепловые токи соответствуют токам переходов при обратных напряжениях, много больших u _т. Однако реально измеряемые обратные токи переходов транзистора окажутся гораздо больше за счет токов генерации в переходах и токов утечки. (Аналогичная ситуация рассматривалась при анализе p-n-перехода). Поэтому определить значения тепловых токов транзистора можно только по результатам измерений при прямых напряжениях на переходах. Взаимодействие переходов отражено путем введения в эквивалентную схему генераторов тока  i₁ и  _I i₂ .

Соответственно токи в цепях каждого электрода можно рассчитать по формулам: . (3.23)

Классическая модель менее удобна для расчетов, чем передаточная, но широко используется для объяснения работы транзистора.

33. Статические характеристики биполярных транзисторов для схемы с общей базой.

Семейство входных характеристик схемы с ОБпредставляет собой зависимостьI_Э=f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метраU_КБ- напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОБ

При U_КБ= 0 характеристика подобна ВАХp-n-перехода. С рос­том обратного напряженияU_КБ(U_КБ< 0 дляp-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх:I_Эрастет при вы­бранном значенииU_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э =const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжениеU_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что приU_КБ< 0 иU_ЭБ= 0 существует неболь­шой ток эмиттераI_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряженииU_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБпредстав­ляет собой зависимостиI_К=f(U_КБ) при заданных значениях парамет­раI_Э(рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора приI_Э= 0 и обрат­ном напряжении |U_КБ< 0| подобна обратной ветвиp-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11)I_К=I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор - база.

При I_Э> 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок вp-n-pтранзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ= 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А' на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный токI_Э, тем большее прямое напряжение U_КБтребу­ется для полученияI_К= 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ< 0 (об­ратное) и параметрI_Э> 0 (что означает прямое напряжениеU_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11)I_К=I_Э+ I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметраI_Э. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи токаможно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К=const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту. Так как значениеблизко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

34. Статические характеристики биполярных транзисторов для схемы с общим эмиттером.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭпредставля­ет собой зависимостиI_Б=f(U_БЭ), причем параметром является на­пряжениеU_КЭ(рисунок 3.6,а). Дляp-n-pтранзистора отрицательное напряжениеU_БЭ (U_БЭ< 0) означает

а)	б)
Рисунок 3.6 Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОЭ

прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ= -U_БЭ> 0. Если при этомU_КЭ= 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении:U_КБ=U_КЭ+U_ЭБ=U_ЭБ> 0. Поэто­му входная характеристика приU_КЭ= 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­нияU_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (U_КБ=U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_КЭ 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжениеU_КЭдолж­но быть вp-n-pтранзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжениеU_ЭБ. В этом случае (U_КБ=U_КЭ+U_ЭБ=U_КЭ-U_БЭ< 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17):I_Б=(1 -)I_Э -I_КБО. При малом напряжении U_БЭинжекция носителей практически от­сутствует (I_Э= 0) и ток I_Б= -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ= -U_БЭвызывает рост I_Эи величины (1 -) I_Э. Когда (1 -) I_Э=I_КБО, ток I_Б= 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 -) I_Э>I_КБО и I_Бменяет направление и становится положительным (I_Б> 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.

Влияние U_КЭна I_Бв НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭпредста­вляет собой зависимостиI_К=f(U_КЭ) при заданном параметреI_Б(рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже от­мечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжениеU_БЭ, а входной токI_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению токаI_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличенияI_Бнеобходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б= 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22)I_К=I_КЭО= (+ 1 )I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ)I=I_КБО, если задать отрицательный токI_Б= -I_КБО. Выходная ха­рактеристика с параметромI_Б= -I_КБОможет быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметромI_Б= 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Эh_22Б) Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно иU_КБсопровождается уменьшением тока ба­зы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения U_БЭувеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектораI_К, т.е. увеличение выходной проводимо­сти (в схеме с ОБ токI_Эпри снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

35. Влияние температуры на статические характеристики биполярного транзистора.

Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэффициентов передачи токов с ростом температуры. Уменьшение потенциального барьера  _К с ростом температуры также, как и в изолированном переходе, (см. раздел 2) приводит к усилению инжекции, в результате чего увеличивается входной ток транзистора. На рис. 3.24 приведены входные характеристики транзистора в схеме с общей базой, полученные при различных температурах (заметим, что входные характеристики в схеме ОЭ при различных температурах выглядят аналогично и отличаются лишь масштабом по оси токов так как i_К >>i_Б. Как видно из рисунка 3.24, увеличение входного тока с ростом температуры эквивалентно смещению характеристики в сторону меньших входных напряжений. Это смещение описывается температурным коэффициентом напряжения , который составляет для кремниевых транзисторов = - 3 мВ/град. В расчетах транзисторных схем часто используют кусочно-линейную аппроксимацию входных характеристик. На рис. 3.24,б приведены идеализированные аппроксимированные характеристики без учета влияния сопротивления тела базы r_Б. Как видно из рисунка при r_Б =0 характеристики проходят вертикально и напряжение на переходе равно пороговому  - u_ЭБ = U*. Изменение этого напряжения с температурой также описывается коэффициентом  .

Увеличение тепловых токов переходов с ростом температуры, подробно рассмотренное в разделе 2, описывается приводимыми в справочниках температурными зависимостями токов I_КБ0, I_ЭБ0. Типовые зависимости токов I_КБ0 и I_ЭБ0 от температуры для кремниевого маломощного транзистора приведены на рис. 3.25.

Использование логарифмического масштаба по оси ординат позволило представить экспоненциальную зависимость токов от температуры в линейном виде. Как видно из рисунка, в рабочем интервале температур транзистора (-60  ...+ 80  C) токи I_КБ0 и I_ЭБ0 могут изменяться на 1...2 порядка. Следует заметить, что отмеченный рост тепловых токов заметно сказывается на выходных характеристиках лишь германиевых транзисторов, что связано с относительно большой величиной самих тепловых токов. В кремниевых транзисторах тепловые токи очень малы, поэтому их изменение с температурой не оказывает заметного влияния на характеристики. Увеличение коэффициента передачи тока эмиттера  и тока базы  с ростом температуры обусловлено ростом времени жизни электронов в базе (см. раздел 1) и соответствующим ослаблением их рекомбинации с дырками. На рис. 3.26 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов  и  , нормированных к значениям, полученным при комнатной температуре ( t =20  C). Из рисунка видно, что если изменение  с температурой выражено очень слабо (в рабочем интервале температур оно не превышает нескольких процентов), то изменение  может достигать нескольких сотен процентов.

Сказанное выше иллюстрируют приведенные на рис. 3.27 выходные характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ, полученные при различных температурах. Как видно из рисунка, увеличение температуры приводит к смещению (дрейфу) характеристик в сторону более высоких токов коллектора. При этом в схеме ОБ при фиксированном токе эмиттера  i_К=   i_Э температурный дрейф характеристик выражен довольно слабо, что объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента передачи тока эмиттера  - см. рис 3.26. У характеристик для схемы ОЭ, снимаемых при i_Б =const, в связи с сильной температурной зависимостью коэффициента передачи тока базы  температурный дрейф очень велик - изменение тока коллектора  i_К=   i_Б может достигать несколько десятков и даже сотен процентов. Температурная нестабильность характеристик транзистора в схеме ОЭ требует специальных мер по стабилизации рабочей точки. На рис. 3.27 приведены три типовые схемы задания режима работы транзистора по постоянному току. В схеме, приведенной на рис 3.27,а внешние элементы задают ток базы

.

Отсюда можно записать выражение для расчета коллекторного тока:

. (3.39)

Оценим изменение тока I_К при изменении температуры на 20  С. Будем полагать E_К=10 В, R_Б=100 кОм,  (20  С)=100, U*(20  С)=0.7В и I_КЭ0(20  С)=5мкА, откуда I_К(20  С )=100 · 10/10 ⁵-100 · 0.7/10 ⁵+5 · 10 ^-6= =9.305 мА. Будем также считать, что изменение  при изменении температуры на 20  С составляет 50%, изменение U* определяется коэффициентом  = -2 мВ/град , изменение I_КЭ0 определяется температурой его удвоения T* = 5  С. Тогда несложно определить значения  , U* и I_КЭ0 при t  =40  С:  (40  С) =1,5 ·100=150, U*(40  С)=0,7-20 ·2 ·10 ^-3=0,66 В и I_КЭ0( 40  С)=2 ⁴ ·5 ·10 ^-6=160 мкА. Тогда ток I_К ( 40  С)=150·10/10 ⁵-150 ·0,66/10 ⁵+160·10 ^-6=14,17 мА, то есть ток I_К изменился на 52,3 % и основной вклад в это изменение внес коэффициент передачи тока базы  . Расчет показывает, что эта схема обладает низкой температурной стабильностью. В схеме, приведенной на рис. 3.28,б, внешние элементы задают ток эмиттера

и .

Таким образом, в этой схеме обеспечивается высокая температурная стабильность (как в схеме ОБ), правда достигается она за счет использования дополнительного источника питания. Следует заметить, что указанная схема представляет собой по переменному току - схему ОЭ, а по постоянному току - схему ОБ. Третья схема (см. рис. 3.28,в) занимает промежуточное по термостабильности положение между двумя первыми схемами. В этой схеме фиксируется напряжение u_БЭ и при рациональном выборе R_Б1,R_Б2 и R_Э температурная стабильность всего в 2 - 3 раза хуже, чем во второй схеме.

1. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме.

Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные то­ки электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциа­лами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициен­тами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на приме­ре наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по тран­зисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых перемен­ных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ(I_Эили I_Б) и выходное на­пряжениеU_ВЫХ (U_KБ или (U_КЭ):

U₁=f(I₁,U₂) (3.23)

I₂=f(I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂ (3.25)

dI₂=h₂₁ dI₁ + h₂₂ dU₂

(h₁₁ -входное сопротивление,h₁₂ -коэффициент обратной передачи,h₂₁ -коэффициент передачи входного тока иh₂₂ -выходная проводимость). Названия и обозначе­ния этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11БdI_Э+h_12БdU_КБ(3.26)

dI_К=h_21БdI_Э +h_22БdU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характери­стикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ=const, можно найти h_11Би h_21Б, а считая dI_Э= 0, т. е.I_Э=const. определить h_12Би h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11ЭdI_Б+h_12ЭdU_КЭ (3.27)

dI_К=h_21ЭdI_Б +h_22ЭdU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в 4.

Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный харак­тер и в которых отсутствуют непосредственная свя­зь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 Эквивалентна схема БТ в системе Н-параметров.

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физи­ческими параметрами, которые опираются на нелинейную дина­мическую модель Эберса - Молла, т.е. тесно связаны с физичес­кой структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной ди­намической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме то­го, в усилительных схемах используется либо нормальный актив­ный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недо­пустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ог­раничиться рассмотрением наиболее распространенного нор­мального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включе­ния с ОБ можно изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОБ.

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Эпредставляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В пер­вом приближении его можно определить по формуле для идеализи­рованного р-nперехода:

R_Э=dU/dI_T/I_Э, (3.28)

где I_Э- постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при ком­натной температуре_т= 0,026 В, то при I_Э= 1 мАR_Э= 26 Ом.

Величина R_Кназывается дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и мо­жет быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_Кобратно пропорциональна значению парамет­раh_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присое­диненными параллельно резисторам R_ЭиR_К. Сопротивление базыr^_ББ, которое может превышать сотни ом, все­гда остается в модели.

r^_ББ=h₁₂/h₂₂. (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она при­менима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять мес­тами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с фи­зическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” - общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОЭ.

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изобра­жении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холо­стого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от токаH_21БI_Эк току Н_21ЭI_Би заменыR_КиC_КнаR_К^*и C_К^*соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К/( Н_21Э+1) , ( 3.31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характери­стики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимо­стью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшает­сяR_К^* по сравнению сR_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^*по сравнению с С_K, т.е.R_KC_K =R_K^*C_K^*. _]

2. Графоаналитическое рассмотрение биполярного транзистора в усилительном каскаде при большом сигнале.

3. Модели биполярного транзистора.

Рассмотренные выше нелинейные модели транзистора справедливы для любого режима работы. Однако, для наиболее важного активного режима они могут быть существенно упрощены:   Во-первых, можно исключить элементы, описывающие инверсную составляющую тока связи (генератор  _I i₂).   Во-вторых, в качестве одного из аргументов целесообразно рассматривать входной ток транзистора (ток эмиттера в схеме с ОБ и ток базы в схеме ОЭ), так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, и внешняя цепь по отношению к транзистору в большинстве случаев может рассматриваться как генератор входного тока.

 Рассмотрим транзистор в схеме с ОБ, работающий в активном режиме (рис.3.16). Если разорвать цепь эмиттера, то под действием обратного напряжения на коллекторе через коллекторный переход из коллектора в базу будет протекать обратный ток I_КБ0. Его величина приводится в справочных данных транзистора. Подчеркнем, что ток I_КБ0 следует именно измерять, так как аналитически оценить все составляющие обратного тока невозможно (если использовать формулу, связывающую I_КБ0 и I_КБК, получаемую из уравнений Эберса - Молла, то получится очень большая ошибка).

Таким образом, при i_Э =0 , i_К= I_КБ0.

Если теперь замкнуть цепь эмиттера, то появится ток i_Э=E_Э/R_Э (задаваемый внешней цепью). Ток эмиттера будет передаваться в коллектор с коэффициентом  .

В результате получим: i_К = i_Э+I_КБ0 . (3.24)

Напряжение на эмиттерном переходе можно вычислить с помощью (3.21). Пренебрегая малыми тепловыми токами, получаем:

. (3.25)

Эквивалентная схема транзистора для активного режима приведена на рис. 3.17. В схему добавлено сопротивление тела базы r _Б. Отметим, что в практических расчетах прямое напряжение u_ЭП часто считают не зависящим от тока эмиттера (при изменении тока эмиттера в 10 раз напряжение на эмиттерном переходе изменяется на 60 мВ) и принимают u_ЭП U*, где U* - пороговое напряжение перехода. Для кремниевых транзисторов U* 0,6-0,8 В. Током I_КБ0 для кремниевых транзистором пренебрегают.

Для включения с ОЭ (рис.3.18) в качестве входного тока рассматривается ток базы. Учитывая что i_Э= i_К+i_Б, исключим ток i_Э из выражения (3.24) i_К = ( i_К+i_Б)+I_КБО , тогда . (3.26)

I_КЭ0    _КБ0 - называется сквозным тепловым током транзистора. Это ток между эмиттером и коллектором при оборванном выводе базы. Для вычисления напряжения на эмиттерном переходе используем (3.25). Считая, что i_Б  (1-  i_Э), получим:

. (3.27)

Эквивалентная схема для включения с ОЭ приведена на рис.3.19.

4. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением: . А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения «+» полярности (U_BX> 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и егоI_Э = 0, а через резисторыR_K иR_Бпротекает обратный тепловой ток коллекторного переходаI_K0. этому режиму на ВАХ соответствует точкаM_З(рис. б). Значение токаI_K0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряженияU_BX⁺выбирают из условия, чтобы при протеканииI_K0 черезR_Бвыполнялось соотношение:

(1).

Рассмотрим режим насыщения транзистора (открытого состояния).

Он достигается подачей на вход транзистора напряжения противоположной полярности (U_BX< 0, на рис. а в скобках) и заданием определенной величиныI_Б. Этому режиму на ВАХ соответствует точка М₀. при увеличении отпирающегоI_Б( от нулевого значения) рабочая точка из положения М_Збудет перемещаться вверх по линии нагрузки,I_К расти, а напряжениеU_КЭ– уменьшаться. До некоторой величины (I_{Б нас}) будет сохраняться пропорциональная связь междуI_К иI_Б:

(2),

где - статический или усредненный коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (а не дифференциальный, характеризующий режим малого сигнала).

Полному открытию транзистора при i_Б =I_{Б нас}соответствует точка М₀на ВАХ. При этом через него и через резисторR_Кпротекает ток:

(3),

где U_{КЭ нас}падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это напряжение в зависимости от типа транзистора лежит в пределах от 50млВ до 1В, поэтому можно считать, что:

(4).

Отсюда I_Б, при котором транзистор полностью открыт и насыщен:

(5).

При дальнейшем увеличении I_Бостаточное напряжениеU_{КЭ нас}остается практически неизменным, т.к. все коллекторные характеристики приI_Б>I_{Б нас}проходят через точку М₀. Режим работы открытого транзистора приi_Б>I_{Б нас}называется насыщенным, а отношениеS=I_Б / I_{Б нас}– коэффициентом насыщения транзистора. В режиме насыщения транзистор устойчив к воздействию входных помех и изменение коэффициента, например, с температурой. Коэффициент насыщения в связи с этим выбирается в пределах от 1,5 до 3.

5. Повышение быстродействия ключевых схем. Транзистор Шоттки.

6. Ненасыщенные ключи.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением: . А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения «+» полярности (U_BX> 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и егоI_Э = 0, а через резисторыR_K иR_Бпротекает обратный тепловой ток коллекторного переходаI_K0. этому режиму на ВАХ соответствует точкаM_З(рис. б). Значение токаI_K0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряженияU_BX⁺выбирают из условия, чтобы при протеканииI_K0 черезR_Бвыполнялось соотношение:

(1).

42. Полевые транзисторы. Общие сведения.

Все полевые транзисторы делятся на две группы:

• Транзисторы с р – началом

• Транзисторы с n– началом

Каждая из этих групп делится ещё на три:

Iгруппа: транзисторы с управляющим р – n переходом

Обозначаются:

Рис. 3.11. транзисторы с управляющим р – n переходом

II группа – полевые транзисторы с изолированным затвором(МДП – транзисторы или МОП – транзисторы), со встроенным каналом.

Обозначаются:

Рис. 3.12. полевые транзисторы с изолированным затвором

III группа – МДП и МОП транзисторы с изолированным индуцирующим каналом

Обозначаются:

Рис. 3.13. транзисторы с изолированным индуцирующим каналом

Полевой транзистор, это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

42. Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом. Устройство и принцип действия.

Полевой транзистор с управляющим р – n переходом – это полевой транзистор управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего р – n перехода, включенного в обратном направлении.

Принцип действия:

Рис. 3.14. Принцип действия полевого транзистора с управляющим р – n переходом

Принцип действия: при отсутствии напряжения на затворе, через канал свободно течёт ток стока под действием напряжения сток – исток, то есть полевой транзистор с управляющим р – n переходом является нормально открытым прибором.

При изменении обратного напряжения на р – n переходе изменяется его толщина, а следовательно толщина области по которой проходит управляемый ток.

Область в полупроводнике, которой регулируется поток основных носителей заряда называется проводящим каналом.

Электрод через который в проводящий канал входят носители заряда, называется истоком электродов, через который из канала выходят носители заряда, называется стоком. Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором.

Т.к управление током стока происходит при изменении обратного напряжения на р – n переходе затвора, входные токи полевых транзисторов очень малы и равны обратному току р – n перехода, поэтому потребляемая мощность от источника сигнала практически равна нулю. И следовательно входное сопротивление полевого транзистора очень высоко в этом его преимущество перед биполярным транзистором

42. МДП-транзистор. Устройство и принцип действия.

Этот транзистор имеет структуру металл - диэлектрик - полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если осно­вой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл - окисел - полу­проводник).

а)	б)
Рисунок 4.4 Структура МДП ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

Транзистор с индуцированным каналом имеет обла­сти истока n⁺и стока n⁺, которые выведены путем металлизации че­рез отверстие в окиси кремния на контакты - исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затво­ром. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектри­ком, Если на металлическую часть затвора подать положительное на­пряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области кана­ла. С возрастанием положительно­го напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхност­ны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, со­единяющий исходные n⁺-области истока и стока. Поэтому умень­шается сопротивление материала между истоком и стоком, что ве­дет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электро­статической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник

n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и струк­тура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно уп­равлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подоб­ную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии со­здают слаболегированный канал c проводимостью n^--типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряже­ния на затворе (рис. 2.91б) ток между истоком и стоком опреде­ляется сопротивлением n^--канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При по­ложительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, по­тому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

42. Статические характеристики полевого транзистора с изолированным затвором.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с индуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами.

Из рисунка

видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи опи­сывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А - постоянный коэффициент; U_{ЗИ ПОР}- напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа про­водимости начинается лишь при достижении напряжения U_ПОР.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуциро- ванным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным ка­налом - на рисунке 4.5,б.

В области U_CИ< |U_ЗИ- U_{ЗИ ПОР}| теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение (3.42) описыва­ет восходящие ветви выход­ной характеристики Входное сопротивление МДП-транзистора из-за нали­чия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹²- 10¹⁴Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емко­стью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость -десятые доли пикофарад.

а)	б)
Рисунок 4.5 Выходные характеристики ПТ с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.

42. Параметры МДП-транзисторов.

Свойства МДП структуры.

В основе работы полевых транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП структуры

По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП структуре в отличие от pn перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника , а так же связей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника. На рис. 82 показана схема поверхности частично пассивированной радикалами ОН и атомами О, а так же соответствующие поверхностным дефектам поверхностные энергетические состояния, дающие дополнительные уровни в запрещенной зоне, которые локализованы вблизи поверхности. ЩР

Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный по величине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностными состояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда. Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то в приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностной проводимости (см. рис. 83) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 83.

Втой приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле имеется обедненная носителями область пространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд ОПЗ и соответственно ширина обедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП структуры. Зависимости емкости МДП структур от напряжения показаны на рис. 84. Емкость МДП структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - Сд и емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике Спп.

(6_13)

Если Сд>> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = Спп.

Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 84 ограничено линией С = Сд.

Рис. 84. Изменение емкости МДП структур от напряжения на затворе: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 83 и рис. 84 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области.

Рис. 84. Энергетические диаграммы приповерхностной полупроводниковой области n - типа при различных значениях напряжения на МДП структуре (см. рис. 82 и 83): т. А - начальное состояние (Uз_A = 0), т. B - обеднение (Uз_B < 0), т. C инверсия (Uз_C < Uз_B < 0), т. D обогащение (Uз_D.>0)

На рис. 84 показаны энергетические диаграммы МДП структуры при раличных значениях потенциала Uз. В качестве примера выбран материал n типа. Точка A соответствует случаю нулевого потенциала затвора. Поскольку материал n типа уровень Ферми находится в верхней половине запрещенной зоны и для концентрации электронов в глубине материала можно записать (через собственную концентрацию n_i):

, (6_14)

где φ_о = 1/q(E_i - F) При записи (6_14) считалось, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится при Eiв (примерно в середине запрещенной зоны). На рис. 84 для точки A вблизи поверхности наблюдается искривление зон (и соответственно Ei), что свидетельствует о наличии поверхностного потенциала φ_s = 1/q(Eis - F) заряда захваченного поверхностными состояниями (Ns). Для поверхностной концентрации электронов n_s и дырок p_s аналогично как в (6_14) можно записать:

(6_15)

Как видно из рис. 84 для т. А φ_s< φ_о и следовательно вблизи поверхности концентрация электронов ниже, чем в объеме, т.е. существует некоторое начальное обеднение поверхности основными носителями заряда.

При подаче на затвор отрицательного потенциала будет происходить дальнейшее обеднение поверхности электронами и при некотором напряжении на структуре (т. B на рис. 84) φ_s станет равным 0. При этом в соответствии с (6_15) для поверхностные концентрации равны: n_s = p_s = n_i. При дальнейшем увеличении отрицательного заряда на затворе будет иметь дальнейшее искривление зон и φ_s изменяет знак, при этом (см. 6_15) p_s> n_s > n_i и n_s < n_i , т.е. на поверхности происходит изменение типа проводимости - инверсия знака носителей на поверхности относительно объем (т. C на рис. 84). И чем больше отрицательный заряд на затворе, тем больше дырочная проводимость на поверхности.) Напряжение на затворе, приводящее к инверсии проводимости, принято называть пороговым (Uп), если |φ_s| = 2(Ec - F).

Если на затвор подать положительное напряжение величина φ_s возрастает соответственно (см. 6_15) концентрация электронов увеличивается. Действительно электрическое поле вблизи поверхности будет притягивать электроны и отталкивать дырки (их концентрации уменьшается). Когда поверхность обогащается основными свободными электронами или дырками (в случае инверсии) ширина ОПЗ стремится к нулю и емкость структуры определяется только толщиной диэлектрика. В этом случае обогащенная свободными носителями поверхность полупроводника ведет себя подобно поверхности металла.

42. Тиристоры. Принцип действия и область применения.

Тиристоры - многослойные структуры с чередующимися электронно-дырочными областям, двухэлектродные тиристоры называют денисторами, трехэлектродные - тринисторами. Иногда тиристоры называют кремниевыми управляемыми вентилями, что подчеркивает их основное назначение в силовой электронике - управление мощностью в нагрузке. На рис. 70 приведены примеры некоторых возможных структур тиристоров и их графические обозначения.

Функционально тиристоры являются электронными ключевыми элементами, сопротивление которых при определенном пороговом напряжении на них изменяется с высокого (выключенное состояние) на низкое (включенное состояние). Динистор имеет постоянный порог срабатывания, порог тринистора может

изменяться током управляющего электрода. Пример характеристик динистора приведен на рис. 71а и тринистора на рис. 71б.

Рис. 71. Схематичное представление вольтамперных характеристик тиристоров: ф) динистор; б) тринистор. Значения тока управляющего электрода I_у0­= 0, I_у1< I_у2.

К катоду тиристора прикладывается отрицательное напряжение, к аноду положительное, поэтому центральный pn переход для запертого тиристора (т.А на рис. 71) оказывается смещенной в обратном направлении.

При увеличении напряжения коллекторного перехода, в области ОПЗ коллектора начинается лавинное умножение неосновных носителей, что приводит к росту потоков электронов и дырок и их накопление в соответствующих базах. Появление дополнительного отрицательного заряда электронов в n базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp и инжекции дырок, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд электроны. Появление дополнительного положительного заряда дырок в p базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp транзистора и инжекции электронов, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд дырок. Инжектированные дополнительно носители через коллектор попадают в соседнюю базу, способствую дальнейшему открыванию соответствующих эмиттерных переходов и нарастанию тока. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предельно возможный в данной цепи ток, обусловленный внешней нагрузкой (если нагрузка активная, то это Imax ~Eк/Rн). При этом тиристор переходит во включенное состояние (т. В на рис. 71) в котором он обладает минимальным сопротивлением. При этом как pnp транзистор (в дальнейшем будем связанные с ним величины обозначать индексом "p"), так и npn транзистор (в дальнейшем будем связанные с ним величины обозначать индексом "n") попадают в режим насыщения. Схематическое распределение носителей в базах тиристора для выключенного и включенного состояния показаны на рис. 73. На рисунке обозначены значения основных носителей для каждой из областей, однако следует иметь ввиду условность этих обозначений (концентрация основных носителей на несколько порядков выше, чем неосновных и в выбранном масштабе можно только отобразить факт их наличия и превосходства по концентрации).

42. Вольт-амперная характеристика динистора.

Схематичное обозначение:

Рис. 4.1. Диодный тиристор

Диодный тиристор – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

Принцип действия:

Рис. 4.2. Структура динистора

Структура динистора состоит из 4-х областей с чередующимся типом проводимости.

Рис. 4.3. ВАХ тиристора

0)

Рис. 4.4. Энергетическая диаграмма. Первая стадия

1) При подаче прямого напряжения. Дырки и электроны оседают в средней области «Р»

Рис. 4.5. Энергетическая диаграмма. Вторая стадия

2)

Рис. 4.6. Энергетическая диаграмма. Третья стадия

В р – переходе накапливается разность потенциалов, которая при достижении определённого значения включает динистор.

3)

Рис. 4.7. Энергетическая диаграмма. Заключительная стадия

При подаче тиристор прямого напряжения т.е положительного потенциала на аноде, крайние р – n переходы смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, средний переход шлензен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным соответственно. В таком приборе существует две эмиттерные области и две базовые области.

Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, т.к он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах, электроны инжектированные из «n» эмит. в р – базу передвигаются к коллекторному переходу, втягиваются по полем и попадают вn– базу, дальнейшему продвижению электронов препятствует потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальнойn– яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода вызывает увеличение инжекции дырок из р – эмиттера вn– базу. Инжектированные из р – эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р – базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е в р – базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обуславливает увеличение инжекции электронов изn– эмиттера, таким образом в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой. Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е суммарное напряжение на коллекторном переходе будет уменьшаться, в результате высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении.

42. Тринистор и симистор.

Схематичное обозначение:

Рис. 4.9. Триодный тиристор

Структура:

Рис. 4.10. Структура триодного тиристора

Для переключения триодного тиристора также необходимо накопление зарядов в базах. В тринисторе, имеющем управляющий вывод от одной из базовых областей, уровень инжекции, через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить путём подачи положительного, относительно катода, напряжения на управляемый электрод. Поэтому тринистор можно переключить в необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении.

ВАХ тринистора:

Рис. 4.11. ВАХ тринистора

Баланс токов:

, следовательно из этого выражения: напряжение включенного тиристора зависит от тока управления. С увеличением тока управления, напряжение включения уменьшается.

42. МНОП транзисторы. Транзисторы с плавающим затвором.

На рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 - металлический затвор; 2,3 - области истока и стока соответственно; 4 - подложка.

Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

Ток в окисле Jox - туннельный ток инжекции, ток JN - ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A - константы, Е - напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться: - ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно; - подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10⁵.

42. IGBT транзисторы.

Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства полевого и биполярного транзистора привели к созданию комбинированного прибора - биполярного транзистора с изолированным затвором, в технической литературе его называют IGBT (от англ. Insulator Gate Bipolar Transistor). Этот прибор нашел широкое распространение в силовой электронике благодаря тому, что он позволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи.

Рис. 91. Обозначение биполярного транзистора с изолированной базой (IGBT)

Обозначение IGBT показано на рис.91. Как видно из обозначения вход IGBT подобен МДП - транзистору, т.е. это прибор управляемый потенциалом. Выход подобен выходу биполярного транзистора, т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же как у биполярного транзистора.Несмотря на то, что IGBT является единой монолитной кристаллической структурой, по существу это функциональное усилительное устройство, которое может быть представлено в виде схемы показанной на следующем рисунке. , как видно из схемы, коллекторный ток биполярного транзистора Т₂ поступает на вход биполярного транзистора Т₃, и часть коллекторного тока Т₃ поступает на вход Т₂. С выхода которого ток опять поступает на вход Т₃. Таким образом между двумя выходными биполярными транзисторами имеется положительная обратная связь.

Рис. 92. Эквивалентная схема IGBT

Для токов транзисторов можно записать: i_C1=SU_З, где S - крутизна T₁; i_К2= α₂ i_Э2 и i_К3= α₃ i_Э3, где α _i - коэффициенты передачи тока биполярных транзисторов. Для общего тока эмиттера можно записать i_Э=i_К2+i_К3+i_С. Откуда i_С = i_Э (1–α₂–α₃). Так как i_Э=i_К, то для выходного тока IGBT, равного коллекторному току T3 из предыдущего соотношения получим:

i_к=SU_ЗЭ/[(1–α₂-α₃)]=S_ЭКВU_З.

Соответственно для эффективной крутизны S_ЭКВ, равной отношению изменения выходного тока IGBT к изменению входного напряжения затвора можно записать S_ЭКВ=S/[[1 – (α2+α3)]. Как видно из этого соотношения управляя значениями α₁ и α₂ возможно получить весьма высокую величину эффективной крутизны.

42. (53) Принцип электростатического управления электронным током. Вакуумный диод.

В раскаленной металлической нити скорость движения и энергия электронов повышаются настолько, что они отрываются от поверхности нити и свободным потоком устремляются в окружающее ее пространство. Вырывающиеся из нити электроны можно уподобить ракетам, преодолевшим силу земного притяжения. Если к электроду будет присоединен плюс батареи, то электрическое поле внутри баллона между нитью накаливания и электродом устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток.

Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух, поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направление.

В электровакуумных приборах для эмиссии электронов используется специальный электрод, называемый катодом. Нагрев осуществляется за счет электрического тока, который пропускает через нить накала, как в электроплитке через спираль. Этот ток называется током накала. В приборах прямого накала сама нить является катодом и эмитирует электроны. В приборах косвенного накала нить подогревается металлический цилиндр, изолированный от нее, который и служит катодом.

Для получения приемлемой эмиссии электронов катоды необходимо нагревать до очень высоких температур порядка 2...3 тысяч градусов. Поэтому нити накала приходится выполнять из тугоплавких металлов, обычно используется вольфрам. Но и вольфрамовая нить накала при такой температуре быстро выходит из строя, так как проволоку абсолютно одинакового сечения по всей длине сделать невозможно. В тех местах, где сечение проволоки чуть меньше, происходит местный перегрев, отчего в этом месте сечение становится еще меньше, а это приводит к еще большему нагреву. Оказалось, что если нанести на поверхность вольфрама тонкий слой окиси или щелочного металла, эмиссия электронов с такого оксидированного или активированного слоя резко увеличивается. Оксидированный вольфрам при температуре 730 градусов Цельсия обеспечивает такую же эмиссию, как не оксидированный при температуре 1580 градусов Цельсия. Поэтому в электровакуумных приборах за редкими исключениями используются оксидированные катоды. В приборах прямого накала оксидный слой наносится непосредственно на вольфрамовую нить. В приборах косвенного накала оксидный слой наносится на катод, который обычно выполняется из никеля.

Вакуумный диод представляет собой двухэлектродный прибор. Одним из его электродов является катод прямого накала или подогревный. Второй электрод называется анодом. Конструктивно анод обычно выполнен в виде металлического цилиндра, на оси которого расположен катод. Вся система заключена в стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух до высокой степени вакуума. Выводы подогревателя, катода и анода впаяны в стекло баллона. При металлическом баллоне один из его торцов закрыт стеклянным диском с впаянными выводами, который приварен к баллону. Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, электрическое поле в пространстве между анодом и катодом вынуждает электроны из электронного облака двигаться к аноду. Их убыль в электронном облаке покрываться новыми электронами за счет термоэлектронной эмиссии катода. В цепи, соединяющий диод с источником питания, возникает ток, направление которого, как обычно, противоположно направлению потока электронов. Условное графическое обозначение вакуумного диода и его вольт – амперная характеристика показана на рис. 1. Выводы нити накала показаны стрелками.

Рис. 1. Включение и характеристика диода

При напряжении источника питания, равно нулю (если вывод анод и катод замкнуты внешним проводником), в цепи протекает ток, называемый начальным. Он вызван электронами, начальная скорость которых при вылете из катода достаточно велика. Только при отрицательном напряжении на аноде порядка 0,5В анодный ток полностью прекращается, а при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения обратный ток отсутствует.

42. Развитие электронных ламп, их классификация и особенности.

43. Характеристики электронных ламп. Диод и триод

Вакуумные диоды имеют сравнительно ограниченное применение. Значительно шире область применения трехэлектродных ламп – триодов. Триод отличается от диода наличием третьего электрода – управляющей сетки, которая выполнена в виде проволочной спирали, размещенной в пространстве между катодом и анодом. Если напряжение на сетке относительно катода отрицательное, она будет тормозить движение электронов от катода к аноду, что приведет к уменьшению анодного тока. При достаточно большем минусе на сетке анодный ток может вообще прекратиться. Если же потенциал сетки относительно катода положителен, сетка будет способствовать увеличению анодного тока. При этом часть электронов будет оседать на сетке, образую сеточный ток, хотя режим использования электронных ламп с сеточным током применяется редко. Таким образом, изменяя потенциал сетки относительно катод, можно управлять анодным током триода, что и послужило причиной названия сетки управляющей.

Рис. 2. Схема включения триода.

Условное графическое обозначение триода показано на рис. 2. Промышленность выпускает широкий ассортимент самых разных триодов, а также двойных триодов с общим и раздельными катодами, которые применялись в разной радиоаппаратуре, еще находясь в эксплуатации.

Кпараметрам триода относятся: внутреннее сопротивление – отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока, коэффициент усиления – отношение приращения анодного напряжения к приращению напряжения на сетке, крутизна характеристики анодного тока – отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на сетке:

Внутреннее сопротивление Riизмеряется в кОм, крутизна характеристикиS– в А/В, коэффициент усиленияμ– величина безразмерная.

К предельным эксплуатационным параметрам триодов относится те же параметры, что и к диодам: минимальное и максимальное напряжения накала, наибольшее допустимо обратное напряжение анода, наибольшее напряжение между катодом и подогревателем, наибольший средний анодный ток, предельная мощность, рассеиваемая анодная, а также дополнительные параметры (наибольшее отрицательное напряжение на сетке и наибольшее сопротивление в цепи сетки). Необходимость ограничения сопротивления в цепи сетки связана с тем, что сетка обычно располагается очень близко к катоду и может им нагреваться. При этом возможно появление термоэлектронной эмиссии с сетки, которая приводит к обратному сеточному току. Хотя эта эмиссия и обратный ток очень малы, но при большем сопротивление в цепи сетки ток создает на нем ощутимое падение напряжение, которое может нарушить нормальный режим лампы.

При использовании триодов в схемах, работающих на высокой частоте, приходится учитывать и собственные междуэлектродные емкости лампы: входную емкость между анодом и катодом, а также проходную емкость между анодом и сеткой. Если входная и выходная емкости оказываются подключенными параллельно нагрузкам предыдущего и данного каскадов, что не очень страшно, то проходная емкость может приводить к очень не приятным последствиям. В усилительных схемах слабый сигнал обычно подается на сетку лампы, а на аноде образует усиленный сигнал. Проходная емкость создает путь этому сигналу с анода обратно на сетку, что может привести к самовозбуждению каскада. Это особенно опасно на высокой частоте, когда сравнительно небольшая емкость обладает небольшим емкостным сопротивлением.

55. Особенности тетродов и пентодов. Общие сведения, область применения.

Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис. 3). У такой лампы между управляющей сеткой и анодом располагается экранная сетка, которая заземляется по переменному току конденсатором большой емкости. Благодаря этому проходная емкость уменьшается в сотни и тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку подается положительное напряжение, примерно такое же что и на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее поле, которым электроны из электронного облака вынуждаются лететь к аноду, и часть летящих к аноду электронов попадает на нее. Образуется ток экранной сетки, составляющий примерно 10...20% от анодного тока, с чем приходится мириться.

Рис. 3. Четырехэлектронная лампа – тетрод.

Основной недостаток тетрода – динатронный эффект – состоит в следующем. Электроны на пути от катода к аноду разгоняются до большой скорости. При напряжение на аноде 100 В эта скорость достигает 6000 км/с – в 10000 раз больше скорости пули при вылете из дула винтовки. Ударяясь о поверхность анода, электроны выбивают из него другие, вторичные электроны. Такое явление называется вторичной электронной эмиссией. Если напряжение на экранной сетке больше сетке на аноде, вторичные электроны с анода направляются на экранную сетку. В результате анодный ток уменьшается, а на анодной характеристике тетрода появляется провал.

Для борьбы с динатронным эффектом в конструкцию тетродов вводят специальные лучеобразующие пластины, которые концентрируют электронный поток на небольшой части поверхности анода, где создается пространственный заряд, препятствующий обратному потоку вторичных электронов на экранную сетку. Такие тетроды называются лучевыми. Другой способ борьбы с динатронным эффектом состоит в установке еще одной сетки между экранной сеткой и анодом. Она носит название защитной или антидинотродной сетки и соединяется с катодом внутри или снаружи лампы, для чего имеется отельный вывод. Такие пятиэлектродные лампы называются пентодами. Антидинатронная сетка выполняется редкой, на поток быстрых первичных электронов влияния не оказывает, медленные же вторичные электроны отталкиваются ею обратно на анод.

К многоэлектронным электронным лампам относятся лампы, имеющие более трех сеток, например, гептоды, у которых пять сеток. Гептоды предназначены для преобразования частоты сигнала и содержит две раздельные управляющие сетки. Очередность расположения сеток при счете от катода следующая: первая сетка является первой управляющей, вторая сетка – экранная, далее следует вторая управляющая сетка, за ней еще одна экранная и, наконец, антидинатронная сетка. Экранные сетки обычно соединены внутри ламп между собой и имеют общий вывод. Вольт – амперные характеристики гептодов такие же, как у пентодов, а наличие экранной сетки между управляющими снижает паразитную емкость между ними. Иногда используется устаревшее название гентода – пентагрид, что в переводе обозначает пять сеток.

56. Электронно-лучевые приборы. Классификация. Основные типы ЭЛТ.

Электронная пушка.

Электронная пушка - вакуум­ное устройство (обычно диод) для получения пучков электронов (рис 3.1). Электроны в электронной пушке вылетают из катода и ускоря­ются электрическим полем . Ис­пускание электронов из катода происходит главным образом в процессах термоэлектрон­ной эмиссии, эмиссии из плазмы, ав­тоэлектронной эмиссии. Формирова­ние заданного распределения элект­ронного пучка на выходе из электронной пушки осуществляется подбором конфигу­рации и величины электрических и магнитных полей. Термин «Электронная пушка» чаще применяют к устрой­ствам для формирования высокоинтенсивных электронных пучков (силь­ноточные электронные пушки); слаботочные электронные пушки, представляющие собой более простые совокупности электродов и использу­емые в клистронах, электронно-лучевых приборах и т. д., обычно называют электронными прожекторами (рис. 3.2).

Электронно-лучевая трубка.

Схема устройства электроннолучевой трубки представлена на рис. 4.1. В ее узкий конец вмонтирована электронная пушка П, состоящая из термокатода К, анода А и нескольких металлических колец. Электроны вылетают из катода, нагреваемого электрическим током, а электрическое поле металлических колец (фокусирующего устройства) сводит их в узкий пучок—электронный луч. Широкое дно Э электроннолучевой трубки покрыто слоем флуоресцирующего вещества и служит экраном. Под действием ударов попадающих на него электронов экран светится, и в том месте, куда попадает электронный луч, появляется обычно зеленое светлое пятнышко F.

Между электронной пушкой и экраном помещены управляющие электроды, образующие два конденсатора: C1 и С2. Электрические поля заряженных конденсаторов взаимно перпендикулярны. Поле конденсатора С1 отклоняет луч в горизонтальном направлении, поле конденсатора С2 — в вертикальном. Изменяя напряжение на пластинах каждого из конденсаторов, можно отклонить электронный луч в любом направлении так, что пятнышко возникает на экране на различных расстояниях от его центра. В центр экрана электроны попадают, когда конденсаторы не заряжены.

В некоторых типах электроннолучевых трубок отклонение элект­ронного пучка производится магнитным полем. При этом вместо отклоняющих пластин действуют две взаимно перпендикулярные пары катушек, расположенные снаружи трубки. Каждая пара катушек создает перпендикулярное лучу магнитное поле.

Электроннолучевые трубки имеют огромное практическое значение. Их применяют в радиолокационных установках, телевизорах, элект­ронных микроскопах и других приборах. Без электронного осцил­лографа не обходится ни одна физическая лаборатория, им широко пользуются в медицине, биологии и т. д. Электронная пушка работает в современной рентгеновской трубке, в электронном микроскопе. Нагревание, которое вызывает электронный пучок, попадая на какое-либо тело, используют для плавки сверхчистых металлов в вакууме.

Электронный осциллограф.

Электронным осциллографом называют электроннолучевую трубку, применяемую для исследования быстропротекающих электричес­ких процессов. Слово осциллограф означает «записывающий колебания». На первый конденсатор C1 осциллографа накладывается изменяющееся во времени пилообразное напряжение (рис. 5.1). На протяжении каждого периода оно сначала плавно растет, а затем мгновенно падает. Поэтому пятнышко на экране движется сначала слева направо, а потом мгновенно возвращается в исходное положение, а так как частота колебаний на­пряжения велика, то глаз все время видит горизонтальную светлую прямую. Если, на­пример, на пластины второго конденсатора г. вертикально направленным полем подать напряжение синусоидального переменного городского тока (v = 50 Гц), то при одновременном действии конденсаторов электронный луч опи­шет развертку синусоидальных колебаний, представляющую собой осциллограмму исследуемого напряжения.

Рентгеновская трубка.

Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми электронами. Для получения интенсивного пучка этих лучей Рентген (в 1895 г. открыл эти лучи) построил специальную трубку, состоящую из хорошо откачанного стеклянного шара (рис. 6.1), в который впаяны три металлических электрода: катод К в виде сферической чашечки, анод А и антикатод АК. Элект­роны, вылетающие нормально к поверхности катода, попадают в его центр кривизны С, лежащий на антикатоде, изготовленном из туго­плавкого металла. Антикатод установлен под углом 45° к катоду для наиболее удобного использования выходящих из него рентгеновских лучей. Накапливание на антикатоде отрицательного электрического заряда могло бы привести к прекращению работы трубки, поэтому он соединен с анодом.

В современных рентгеновских трубках (рис. 6.2) роль катода выполняет электронная пушка — вольфрамовая спираль, нагревае­мая током и служащая источником свободных электронов. Фокуси­ровка электронного пучка производится цилиндром Ц.. Антикатод трубки является одновременно анодом. Такие трубки работают устой­чивее, чем первая модель.

На рентгеновскую трубку любой конструкции подается напряже­ние в несколько десятков киловольт.

Рентгеновские лучи широко используют в медицине, технике и научных исследованиях. Приведем несколько примеров. При помощи рентгеновских лучей можно получить на флуоресцирующем экране или на фотографической пленке изображение не только костей, но и внутренних органов человека (например, желудка). Облучение этими лучами применяют при лечении злокачественных опухолей. С помощью рентгеновских лучей обнаруживают изъяны в литых металлических изделиях — раковины или трещины становятся видимыми на флуорес­цирующем экране в виде светлых пятен на тени от изделия. Большую роль играют рентгеновские лучи при изучении строения кристаллов.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

ЭОП – это вакуумный фотоэлектронный прибор для преоб­разования невидимого глазом изоб­ражения объекта (в ИК, УФ и рентгеновских лучах) в видимое либо для усиления яркости видимого изображения. В ос­нове действия ЭОП лежит преобразо­вание оптического или рентгеновского изображения в электронное с помощью фотока­тода, а затем электронного изобра­жения в световое (видимое), получа­емое на катодолюминесцентном экране. В ЭОП (рис. 7.1) изображение объекта А проецируется с помощью объектива О на фотокатод Ф (при использовании рентгеновских лучей теневое изображение объекта проецируется на фотокатод непосредственно). Излуче­ние от объекта вызывает фотоэлект­ронную эмиссию с поверхности фотокатода, причём величина эмиссии с разных участков последнего изменя­ется в соответствии с распределением яркости спроецированного на него изображения. Фотоэлектроны уско­ряются электрическим полем на участке между фотокатодом и экраном, фоку­сируются электронной линзой (ФЭ — фокусирующий электрод) и бомбар­дируют экран Э., вызывая его люми­несценцию. Интенсивность свечения отдельных точек экрана зависит от плотности потока фотоэлектронов, вследствие чего на экране возникает видимое изображение объекта. Раз­личают ЭОП одно- и многокамерные (каскадные); последние представ­ляют собой последовательное соединение двух или более однокамерных ЭОП.

В некоторых типах ЭОП изображение регистрируется матрицей из электронночувствительных элементов (в количестве 10— 100), установленной вместо люми­несцентного экрана.

ЭОП применяются в ИК технике, спектроскопии, медицине, ядерной физике, астрономии, телевидении, для пре­образования УЗ изображения в ви­димое. Современные многокамерные ЭОП по­зволяют регистрировать на фотоэмуль­сии световые вспышки (сцинцилляции) от одного электрона, испускаемого вход­ным фотокатодом.

Электронный проектор.

Электронный проектор – это авто-электронный микроскоп, безлинзовый электронно-оптический прибор для полу­чения увеличенного в 105—106 раз изображения поверхности твердого тела. Электронный проектор был изобретен в 1936 нем. физи­ком Э. Мюллером.

Основные части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером па конце, радиус кривизны которого r~10-7—10-8 м; стеклянная сферическая или конусообразная колба, дно которой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стен­ках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы отка­чивается воздух (остаточное давле­ние ~10-9—10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положительное напряжение в несколько тыс. Вольт относительно располо­женного в центре колбы катода, на­пряжённость электрического поля в непосредственной близости от точечного эмит­тера (острия) достигает 107—108 В/см. Это обеспечивает интенсивную авто-электронную эмиссию. При обычной форме катода электроны эмитировались преимущественно с мест локального увеличения напряжённости поля над небольши­ми неровностями и выступами поверх­ности эмиттера. Применение точеч­ных эмиттеров, сглаженных поверх­ностной миграцией атомов металла при повышенных температурах в хорошем вакууме, позволило получить устой­чивые токи.

Эмитированные электроны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное конт­растное изображение поверхности катода, отражающее её кристаллическую струк­туру. Контраст автоэлектронного изображе­ния определяется плотностью эмис­сионного тока, которая зависит от ло­кальной работы выхода, изменяющей­ся в зависимости от кристаллографического строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э. п. равно от­ношению R/br, где R — расстояние катод — экран, b — константа, за­висящая от геометрии трубки.

Электронные проекторы применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней моно­кристалла и пр. Для наблюдения фа­зовых превращений, изучения ад­сорбции атомов различных веществ на металлической или полупроводниковой поверхности и т. д. Э. п. используют весьма огра­ниченно, т. к. намного большие воз­можности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.

Электронограф.

Электронограф - прибор для ис­следования атомного строения твердых тел и газовых молекул методами электро­нографии. (Электронография – это метод изу­чения структуры веществава, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров). Электронограф — вакуумный прибор. В колонне, основном узле электронографа, электроны, ис­пускаемые раскалённой вольфрамо­вой нитью, разгоняются высоким на­пряжением (от 30 кВ и выше — быстрые электроны и до 1 кВ — медленные электроны). С помощью диафрагм и магнитнфх линз формируется узкий электронный пу­чок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в специальной камере объектов и установленный на специальном столике. Рассеянные электроны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракционное изображение (электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных электронов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов. Электронографы снабжают различными устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.

Электронограф включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала като­да, высокого напряжения, питания электромагнитных линз и различных устройств ка­меры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в О. «ЭР-100» 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность Э. составляет тысячные доли А и за­висит от энергии электронов, сечения элек­тронного пучка и расстояния от об­разца до экрана, которое в современном электронографе мо­жет изменяться в пределах 200— 600 мм. Управление современных электронографов, как пра­вило, автоматизировано.

Электронно-лучевой трубкой называется электровакуумный прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в видимое изображение, или наоборот. Существуют несколько разновидностей электронно-лучевых трубок по их названию: осциллографические, приемные телевизионные, телевизионные передающие и специальные.

Осциллографические трубки относятся к трубкам с электростатическими отклонениями луча. Условное графическое обозначение осциллографической трубки приведено на рис. 4.

Рис. 4. Обозначение осциллографической электронно-лучевой трубки

Рассмотрим ее устройство. Катод К представляет собой, как обычно, полый цилиндр, но с одним донышком. Оксидный слой нанесен только на это донышко, которым катод обращен внутри трубки. Далее установлен управляющий электрод или модулятор М, который выполнен в виде цилиндра с донышком, в котором имеется отверстие. На модулятор подается отрицательное напряжение относительно катода, которым отталкиваются к оси трубки электроны, вылетающие из катода под углом. Через отверстие в донышке модулятора походят лишь те электроны, которые находятся на оси. Модулятор также выполняет функции управляющей сетки: с увеличением отрицательного напряжения интенсивность выходящего из отверстия электронного потока уменьшается и при определенном отрицательном напряжении полностью прекращаются. Такое напряжение называется запирающим.

За модулятором установлен первый анод 1а, который подается относительно катода положительное напряжение. Конфигурация электрического поля в пространстве между модулятором и первым анодом имеет форму линзы. Этим полем осуществляется фокусировка электронного пучка, благодаря которой он приобретает форму спицы. Первый анод выполнен в виде полого цилиндра модулятора диаметром больше, чем диаметр цилиндра модулятора. Изменяя напряжение на первом аноде, можно осуществлять фокусировку электронного пучка. Далее следует второй анод 2а, который является ускоряющим электродом. Он также выполнен в виде полого цилиндра.

Основная часть электронов в пучке, разогнавшись до большой скорости, не попадает на стенки второго анода, а пролетает по его оси. На второй анод подается высокое напряжение, необходимое для придания электронам в пучке большой скорости. Комплект перечисленных электродов трубки (катод с подогревателем, модулятор, первый и второй аноды) образует электронный прожектор или электронную пушку и выполняется в виде жесткого единого узла, собранного на слюдяных пластиках, с использованием керамических цилиндрических изоляторов.

Далее на пути электронного пучка установлены две пары отклоняющих пластин ОП. Средний потенциал отклоняющихся пластин равен потенциалу второго анода и не должен воздействовать на электронный пучок. Но если между пластинами пары имеется напряжение, пучок отклоняется от оси трубки в сторону более положительной пластины. Одна пара пластин расположена вертикально, может отклонять электронный пучок в горизонтальном направлении и называется горизонтально – отклоняющей. Вторая пара пластин расположена горизонтально и называется вертикально – отклоняющей. Пройдя мимо системы отклоняющих пластин, электронный луч попадает на экран Э, покрытый слоем специального вещества, которое называется люминофором. Под воздействием электронной бомбардировки происходит свечение люминофора, наблюдаемое с внешней стороны экрана. В связи с тем, что бомбардировка люминофора, покрытого тонким слоем металла, сопровождается вторичной электронной эмиссией, коническая часть колбы трубки покрыта графитовым слоем (аквадагом) и соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны удавливаются аквадагом и образуют ток второго анода.

К приемным электронно-лучевым трубкам относится черно- белые и цветные кинескопы. Устройство черно-белого кинескопа ничем практически не отличается от устройства трубки с магнитным отклонением луча. В прожектор лишь добавлен ускоряющий электрод между модулятором и первым анодом. Промышленность выпускает самые разные кинескопы с размером экрана по диагонали от 8 до 67 см. Все современные кинескопы имеют прямоугольны экран с соотношением сторон в приделах 3:4 до 4:5, что примерно соответствует формату телевизионного изображения

Цветные кинескопы содержат три электронных прожектора и экран, покрытый люминофорами трех цветов – красного, синего и зеленого свечения. В настоящее время промышленность выпускает цветные кинескопы двух различных конструкций. У кинескопов с дельтовидным расположением прожекторов они расположены в вершинах треугольника, центр которого находится на оси кинескопа. У кинескопов с планарным расположением прожекторов они расположены в одной плоскости, один находится на оси кинескопа, а два других – по обе стороны от первого.

Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось дальнейшей разработкой и усовершенствованием различных электровакуумных приборов, радиоламп и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.

57. Электросветовые приборы.

58. Оптоэлектронные индикаторы. Классификация. Активные и пассивные индикаторы.

59. Фотоэлектрические приборы. Электровакуумные и полупроводниковые фотоэлектрические приборы.

60. Лавинно-пролетные диоды. Общие сведения, параметры и область применения.

Настоятельная необходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов. Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можным разработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ —отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1.Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на 0,5—1,5В, превышающих про­бивное напряжение, когда через диод проходил постоян­ный ток от 0,5до 10—15мА. Мощность колебаний в не­прерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милли­ватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8до 10см и зависела от размеров резонатора и значений реактив­ных параметров диодов. Перестраивая резонатор (на­пример, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность ко­лебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 15—20дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не при­нималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма об­ратной ветви их вольтамперной характеристики, пока­занной на рис. З сплошной линией. Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристики является резкий излом при пробивном напряжении U_пр. При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не) Uпр,ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет для различных диодов от0,01до 1мкA. ПриU=U_npвольтамперная характеристика претер­певает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личении отрицательного смещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ние постоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению R_дслабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50—300Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением диф­ференциального сопротивления R_дна этом участке. На некоторых диодах приU>U_прнаблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристи­ки с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотную генерацию (1—10кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблю­даться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремние­вых диодах и т. д.

Таким образом, была установлена возможность эф­фективной (с КПД > 1%)генерации, а также усиле­ния СВЧ колебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которого не имеет «падающих» участков или, иначе говоря, не имеет «статического» от­рицательного сопротивления.

Физическая при­рода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем в слое объемного заряда (запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно, известно два основных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенном р-п переходе — ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эф­фект Зинера — туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

57. Диоды Ганна. Общие сведения, параметры и область применения.

Диоды Ганна, как твердотельные генераторы токов в диапазоне СВЧ находят очень широкое применение в разнообразнейших устройствах благодаря своим несомненным преимуществам: легкости, компактности, надежности, эффективности и др.

Со времен своего появления диоды Ганна неоднократно совершенствовались. Шло повышение рабочих частот, приводящее к соответственному уменьшению размеров кристалла; принимались различные меры по увеличению КПД диодов и их выходной мощности.

Все это время рассчет диодов Ганна представлял собой очень длительный и трудоемкий процесс, даже с использованием компьютеров первых поколений. Однако, в наше время, в век стремительного роста материально-научной базы компьютерной техники становится возможным построить программное обеспечение, позволяющее произвести рассчет диода Ганна легко и просто.

Теоретические сведения

Эффект, применяемый в диодах Ганна, проявляется в особом классе полупроводниковх веществ – многодолинных полупроводниках. Чаще всего диоды Ганна изготавливаются на основе арсенида галлия (GaAs), поэтому в данной работе он и берется за основу. Арсенид галлия – двухдолинный полупроводник, имеющий разность энергий между долинами в 0,36 Эв. При этом, из-за различия эффективных масс в разных долинах, зависимость скорости электронов от величины приложенного поля такова:

Это происходит в силу того, что электроны, набирая начальную скорость, находятся в нижней долине, где их эквивалентная масса мала. При некотором значении энергии электроны начинают попадать во вторую долину, теряя при этом 0,36 Эв энергии. Кроме того, в верхней долине их эквивалентная масса велика, поэтому они ускоряются полем значительно медленнее, чем в нижней.

Диод Ганна работает в импульсном режиме, когда активизируется его отрицательное дифференциальное сопротивление. Для этого в теле полупроводника возле катода создается область повышенного легирования, излучающая порции (сгустки) электронной плазмы. При этом электроны концентрируются благодаря эффекту Ганна, и сгусток устремляется к аноду, вызывая во внешней цепи импульс тока.

57. Функциональная электроника. Элементы функциональной электроники на поверхностных акустических волнах. Общие сведения и принцип действия.

58. Элементы функциональной электроники на приборах с зарядовой связью. Общие сведения и принцип действия.

64. Преобразователи Холла.

Датчик ЭДС Холла – это элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной техники, используемый в качестве измерительного преобразователя, действие которого основано на эффекте Холла. Представляет собой тонкую прямоугольную пластину (площадь – несколько мм²), или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs), имеет четыре электрода для подвода тока и съёма ЭДС Холла. Чтобы избежать механических повреждений, пластинки Холла ЭДС датчика монтируют (а пленку напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (слюды, керамики). Для получения наибольшего эффекта толщина пластины (плёнки) делается возможно меньшей. Датчики ЭДС Холла применяют для бесконтактного измерения магнитных полей (от 10^-6до 10⁵Э). При измерении слабых магнитных полей пользуются Холла ЭДС датчиками, вмонтированными в зазоре ферро– или ферримагнитного стержня (концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Так как в полупроводниках концентрация носителей зарядов (а следовательно, и коэффициент Холла) может зависеть от температуры, то в случае точных измерений необходимо либо термостатировать Холла ЭДС датчик, либо применять сильнолегированные полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).

При помощи Холла ЭДС датчика можно измерять любую физическую величину, которая однозначно связана с магнитным полем; в частности можно изменять силу тока, так как вокруг проводника с током образуется магнитное поле, которое можно измерить. На основе Холла ЭДС датчика созданы амперметры на токи до 100 кА. Кроме того Холла ЭДС датчики применяются в измерителях линейных и угловых перемещений, а также в измерителях градиента магнитного поля, магнитного потока и мощности электрических машин, в бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный, и, наконец, в воспроизводящих головках систем звукозаписи.

64. Интегральные микросхемы. Общие сведения. Классификация.