2072

ВАХ светодиода имеет такой же вид, как и у обычного диода. Отличается большим падением напряжения в прямом направлении. Яркостная (люкс-амперная) характеристика – зависимость яркости излучаемого диодом света B от величины протекающего через него прямого тока Iпр (см.

рис. 8.16) B f Iпр . Излучение СД становится заметным при Iпр Iпор. Спектральная характеристика B f зависит от типа материала. Свето-

диоды имеют высокое быстродействие: постоянная времени СД составляет

10 7 10 9 с.

9.СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

9.1.Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n–p–n-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительных биполярных транзисторов.

Структура транзистора IGBT (рис. 9.1, а) состоит из двух транзисторов VT1 и VT2 и имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора VT2 влияет на ток базы транзистора VT1, а ток коллектора транзистора VT1 определяет ток базы транзистора VT2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов

113

Ток стока Ic можно определить через крутизну S и напряжение Uз на затворе, используя выражение Ic SU . Определим ток IGBT транзистора:

где Sэ S 1 1 2 – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Очевидно, что при 1 2 1 эквивалентная крутизна значительна. Регулировать значения 1 и 2 можно изменением сопротивлений R1 и R2 при изготовлении транзистора. На рис. 9.1, б приведены вольтамперные характеристики IGBT-транзистора. Так, например, для транзистора типа BUP 402 получено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT транзистора является значительное снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление R1 канала шунтируется двумя

насыщенными транзисторами VТ1 и VТ2, включенными последовательно. Схематическое изображение этого транзистора приведено на рис. 9.2. Это обозначение подчеркивает его гибкость.

АIк

Рис. 9.2. Схематическое изображение (а) и область безопасной работы (б) транзистора БТИЗ

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0 мкс.

115

9.2. Статический индукционный транзистор

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляющим p–n-переходом, который может работать при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет собой нормально открытый прибор с управляющим p–n-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь «сток – исток» находится в проводящем состоянии. Перевод транзистора в непроводящее состояние осуществляется при помощи запирающего напряжения Uзи отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ-транзистора является возможность значительного снижения сопротивления канала Rсн в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

СИТ-транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ по сравнению с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20…25 нс при задержке не более 50 нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное состояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в биполярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключения и может лежать в пределах от 20 нс до 5 мкс.

Специфической особенностью СИТ-транзистора, затрудняющей его применение в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Для его запирания необходимо подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсечки. Этого недостатка лишены БСИТ-транзисто- ры, в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю. Благодаря этому БСИТ-транзисторы при отсутствии напряжения на затворе заперты, так же как и биполярные транзисторы, что и отражено в названии транзистора – биполярные СИТ-транзисторы.

116

Прежде всего выделяют группу электронных ламп. Они предназначены для различных преобразований электрических величин, применяются для построения усилительных, генераторных, выпрямительных, детекторных устройств.

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся приемные телевизионные трубки (кинескопы), передающие телевизионные трубки, осциллографические трубки, электронно-оптические преобразователи изображения, индикаторные трубки радиолокаторов и гидроакустических устройств. Особое место занимают рентгеновские трубки.

В группу фотоэлектронных ЭВ приборов входят электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители.

ЭВ приборы классифицируют также по типу катодов (накаленный, холодный); по материалу баллона (стеклянный, керамический, металлический); по роду охлаждения (естественное, лучевое, принудительное – воздушное, водяное, паровое).

10.2. Устройство электровакуумного диода. Виды электронной эмиссии. Термокатоды

Простейший ЭВ прибор – диод – имеет два обязательных электрода: анод и катод. Их помещают в стеклянную или керамическую колбу, из которой откачивают воздух. Условное графическое и позиционное обозначение диода в схемах приведено на рис. 10.1, б.

Основным электродом диода, а также других ЭВ приборов является катод, который служит для эмиссии (испускания) электронов.

Электронная эмиссия

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов с поверхности твердых или жидких тел, находящихся в вакууме или газе.

Процессу выхода электронов в вакуум при низких температурах препятствуют два фактора. В атомах металлов валентные электроны слабо связаны с ядром. При образовании кристаллов они свободно перемещаются между атомами кристаллической решетки. Электроны, имеющие максимальную энергию для данной температуры и движущиеся перпендикулярно к поверхности тела, вылетают в вакуум или газ. Вблизи поверхности снаружи они создают слой, заряженный отрицательно, а ионы кристаллической решетки тела создают вблизи поверхности изнутри положительно заряженный слой. Таким образом, во-первых, слой электронов на поверхности тела препятствует выходу других электронов. Во-вторых, на поверхности тела электрон испытывает притяжение к ионам кристаллической решетки.

118

Рис. 10.1. Конструкция (а), условное графическое и позиционное обозначение электровакуумного диода (б); принципиальная электрическая схема однополупериодного выпрямителя на диоде (в)

Следовательно, для выхода в вакуум электрон, находящийся внутри тела, должен обладать дополнительной энергией W0=4,52 эВ; для бария W0=2,52 эВ; для окиси бария W0=1,1 эВ. Эту энергию электронам сообщают извне различными способами.

Виды электронной эмиссии

В зависимости от способа сообщения электронам дополнительной энергии для совершения работы выхода различают следующие виды электронной эмиссии.

1.Термоэлектронная эмиссия происходит за счет нагрева катода электрическим током. Катод в этом случае называют термокатодом. Этот вид эмиссии используется в различных ЭВ приборах.

2.Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет действия световой энергии. Этот вид эмиссии используется в фотоэлементах, фотоумножителях и др. Катод в этих приборах также называют фотокатодом.

3.Автоэлектронная эмиссия происходит под действием внешнего электрического поля, действующего между анодом и катодом. Напряженность поля достаточно велика, чтобы электроны покинули поверхность катода без его подогрева.

119

4. Вторичная электронная эмиссия обусловлена бомбардировкой поверхности тела электронами или ионами. Электроны, вылетающие при этом с поверхности тела в вакуум, называются вторичными, а электрод, испускающий вторичные электроны, называется динодом. Вторичная эмиссия используется в фотоумножителях, где бомбардировка динода осуществляется электронами. Эмиссия, возникающая под ударами ионов, используется в газоразрядных приборах.

Конструкции термокатодов

Нагрев термокатода осуществляется электрическим током, поэтому его температура, а следовательно, эмиссионные характеристики зависят от величины тока или напряжения накала. Термокатоды в зависимости от конструкции делят на катоды прямого и косвенного накала.

В катодах прямого накала ток проходит непосредственно по нити накала, испускающей электроны. Нить накала изготовляется из вольфрама, рабочая температура нити 2 000 – 2 300 С. Такой катод обладает малым временем разогрева, равным 1 – 2 с. Однако потенциал катода изменяется по длине нити, что приводит к зависимости тока анода от параметров источника питания в цепи накала. Кроме того, при вибрациях изменяется расстояние от нити накала до анода, что может привести к нежелательной модуляции анодного тока.

В катодах косвенного накала, называемых также оксидными катодами, на подогреватель (нить накала) через изоляцию наносится слой оксидов щелочно-земельных металлов (кальция, бария, стронция). Это позволяет снизить температуру нити до 700 – 800 С и увеличить эмиссионную способность катода. Основной недостаток такого катода состоит в том, что требуется сравнительно большое время для его разогрева. Кроме того, в результате бомбардировки положительными ионами, которые всегда имеются в вакууме из-за неполной откачки воздуха и ионизации, оксидный слой распыляется. Это приводит к потере эмиссии. Достоинство такого ка-

тода – равенство потенциала во