книги из ГПНТБ / Смирнов Б.В. Основы электроники и техники связи учебник

диск становится катодом. Свечение получается кратковременное, но при высокой частоте питающего напряжения оно воспринимает­ ся глазом как непрерывное.

5.Стабилитроны

Вгазоразрядных стабилизаторах напряжения, называемых ста­ билитронами (рис. 20,а), используется постоянство нормального катодного падения газового разряда. Стабилитрон (рис. 20,6) име­ ет анод 1 в виде стержня, помещенный в цилиндрический катод 3 со слюдяными дисками 4. Электрод 2 облегчает зажигание. Боль-

а — внешний вид; б — устройство; в — характеристика; г —схема включения.

30

ш'ая поверхность катода обеспечивает получение максимального тока, при котором сохраняется по­ стоянство катодного па­ дения напряжения. Бла­ годаря этому напряжение на стабилитроне остается постоянным при широких пределах изменения тока (рис. 20, б). Стабилитрон включается параллельно рабочему сопротивлению R через балластное со­ противление г (рис. 20, г) .

6. Ионные разрядники

стеклянного баллона, в котором помещаются два электрода. Бал­ лон заполнен аргоном до давления в несколько десятков миллимет­ ров ртутного столба. При появлении между электродами напряже­ ния Н= 250-у-500 В возникает тлеющий разряд. Так как электроды разрядника покрыты веществами (калий, барий и т. п.), облегчаю­ щими выход электронов, тлеющий разряд переходит в дуговой, со­ противление разрядника падает и напряжение между электродами снижается до 10— 15 В.

При устранении повышенного напряжения дуговой разряд пре­ кращается и первоначальное большое сопротивлениеразрядника восстанавливается.

Ионные разрядники .используют для защиты схем, приборов, входных цепей приемников и линий связи (рис. 21,6) от кратковремеииых переиапряжений.

7. Вакуумные термопреобразователи

Вакуумный термопреобразователь (рис. 22, а) состоит из стек­ лянного баллона 4, внутри которого в разреженной атмосфере во­ дорода помещен подогреватель 2—3 (с выводами 2'—3') и термо­ пара с проводниками 1—5 (и выводами V—5'). Полюс термопары припаян к нагревателю. При подогреве термопары возникает тер­ моэлектродвижущая сила, создающая постоянный ток в своей цепи.

Напряжение Uвых в цепи термопары возрастает при увеличении тока I нагревателя (рис. 22,6).

31

Вакуумные термопреобразователи применяются в измеритель­ ных цепях для преобразования тока высокой частоты в постоянный (до десятков и сотен миллиампер).

8. Бареттеры

Бареттер (рис. 23,а) состоит из стеклянного баллона (напол­ ненного водородом), в котором размещается вольфрамовая или же­ лезная нить накала. При прохождении тока по нити она разогре­ вается, поэтому ее сопротивление увеличивается. Но из-за охлаж­ дения нити в атмосфере водорода ее сопротивление, наоборот, уменьшается. Параметры проволоки и количество водорода под­ бираются так, чтобы ток бареттера оставался постоянным, незави­ симо от изменения напряжения цепи от UБ, до UБ„ (рис. 23,6).

32

Бареттеры применяют в различных устройствах, когда необхо­ димо обеспечить постоянство тока в цепи при изменении ее на­ пряжения.

9.Декатроны и цифровые индикаторные лампы

Многокатодные лампы. На явлении тлеющего разряда основа­ на работа газонаполненных ламп с несколькими катодами. Такие лампы используются для счета числа импульсов (пересчетные дека­ троны), коммутации электрических цепей (коммутаторные декатро­

ны), цифровой индикации (цифровые сигнальные лампы). Декатроны. Баллон С (рис. 24, а) декатро­

на после откачки воздуха заполняется смесью гелий — неон или гелий — водород. Вокруг ди­ скового анода А по кругу расположены иголь­ чатые катоды К. Общее число катодов кратно десяти, а у упомянутого декатрона их 30.

Тлеющий разряд возникает между анодом и катодами. Но катоды разделяются на основ­ ные, или индикаторные, и подкатоды. Разряд на индикаторных катодах задерживается дольше, чем на остальных, и это свечение ста­ новится видимым. Подкатоды применяют с целью облегчения перехода тлеющего разряда с одного основного катода на следующий, ря­ дом расположенный. По номеру основного ра­ ботающего катода (он .светится) можно су­ дить о числе счетных импульсов, поступивших в декатрон.

Работой катодов управляют два импульса (двухимпульсные декатроны). На первую группу подкатодов 1ПК (рис. 24, в) подается входной импульс UDxi, на вторую группу под-.

Рис. 24. Внешний вид (а), обозначение (б) и схема включения электродов (в) декатрона.

3 Б. В. Смирнов

33

катодов 2 П К — входной импульс U Bx2. Импульсы знакопеременные. Поэтому между отрицательными импульсами на подкатодах (когда возникает тлеющий разряд) появляется положительное напряжение смещения (разряд существовать не может). Уровень смещения на основных катодах K i , Ко, ..., Ко, Ко принят нулевым (соединение с

подается отрицательный входной импульс Нвхь Подкатод 1ПК\ вместо положительного приобретает отрицательное смещение, и между ним и анодом А возникает разряд. Затем в момент t\ пода­ ется отрицательный входной импульс t/ BX2 на подкатод 2ПК\ и возникает разряд между ним и анодом А (разряд между анодом и 1ПК\ прекращается, так как подкатод 1ПК\ приобрел положи­ тельное смещение), а затем между анодом А и основным катодом К\, который долго и ярко светится. Переход разряда от катода к катоду происходит с каждым входным импульсом. В цепи послед­ него катода Ко включено нагрузочное сопротивление R H, на котором

Рис. 26. Цифровой индикатор:

а — внешний вид; б — вид со стороны анода (сверху лампы); в — рас­ положение электродов.

34

В коммутаторных декатронах все основные катоды имеют внеш­ ние выводы, при помощи которых коммутируемые цепи подключа­

ются к декатрону.

Цифровые сигнальные лампы. В стеклянном баллоне таких

ламп (рис. 26, а) размещается несколько катодов, форма каждого из которых соответствует одной цифре (0, 1, 2, ..., 9). Катоды изго­ тавливают с применением нихрома или вольфрама. Поэтому при разогревании они светятся, что и позволяет вести визуальное на­ блюдение за цифрами (рис. 26,6). Анод выполняется в виде сетки, располагаемой над катодами (рис. 26,в). Сквозь сетку хорошо вид­ ны светящиеся под ней катоды-цифры.

Поочередное включение катодов цифрового индикатора ЦИ (рис. 27) достигается при помощи декатрона ДК и транзисторов Т1, Т2, Тз, включаемых, как указано на рисунке. При появлении счетного выходного импульса на одном из сопротивлений нагрузки Rn декатроца открывается соответствующий транзистор Ти Т2, Т3, К катоду сигнальной лампы ЦИ подается отрицательный потен­ циал — Еа1, и разряд возникает на данном катоде. Каждый счетный импульс вызывает свечение определенного катода.

'10. Маркировка газоразрядных приборов

Первый элемент обозначает назначение прибора; Н — сигналь­ ная лампа; ИН, ТН, МН, ТНИ — световые индикаторы; С Г —-ста­ билитрон; ТХ, МТХ — тиратрон тлеющего разряда (с холодным ка­

конструктивное оформление прибора. Четвертый элемент — число в виде дроби, где числитель — среднее значение тока в амперах, зна­ менатель— амплитудное допустимое значение обратного напряже­ ния в киловольтах.

5.Объясните устройство и назовите область применения стабилитронов.

6.Как работают ионные разрядники?

7. Как действуют вакуумные термопреобразователп и где они применяются?

8.Объясните принцип работы бареттеров и где они применяются.

9.Объясните устройство и принцип работы декатроиов.

10. Объясните назначение и принцип работы цифровых индикаторных ламп-

Г л а в а VI

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1. Свойства полупроводников. Электронно-дырочный переход

О свойствах полупроводников. Электрические свойства твер­ дых тел весьма разнообразны. Вначале такие свойства определя­ лись только по их способности пропускать электрический ток. Твер­ дые вещества разделялись на две группы—проводники и изолято­ ры. Затем было замечено, что многие твердые вещества не могут относиться ни к проводникам (металлам), ни к изоляторам (ди­ электрикам), занимая между ними промежуточное положение. По количественной оценке электропроводности такие вещества назва­ ли полупроводниками, то есть плохими проводниками:

удельное сопротивление металлов 10_6— 10-4 Ом-см; удельное сопротивление полупроводников 101— 1010 Ом-см; уделбное сопротивление диэлектриков 1010— 1018 Ом-см.

Хотя впоследствии выяснилось, что полупроводники отличают­ ся от проводников и изоляторов не только электропроводностью, это название сохранилось за ними и стало общепринятым.

Первые попытки применить полупроводники для выделения (де­ тектирования, демодуляции) сигналов в радиотелеграфии и радио­ телефонии были сделаны изобретателем радио А. С. Поповым. В 1900—-1905 гг. обратили внимание на детектирующие способно­ сти точечного контакта между кончиком металлической пружинки и кристаллами свинцового блеска (гелена), карбида кремния, крем­ ния и теллура. В 1926 г. Грондалем был создан медно-закисный (полупроводниковый) выпрямитель. В 30-х годах А. Ф. Иоффе на-

36

чал широкие исследования свойств полупроводников, Я- И. Френ­ кель объяснил механизм возбуждения в полупроводнике парных

ком щелочно-галлоидных кристаллов, а в 1948 г. был создан пер­ вый точечный кристаллический триод для усиления колебаний (Бардин и Браттейн). В 1949 г. Шокли заложил основы теории р—«-перехода. К концу 1952 г. были разработаны основные типы точечных и'плоскостных транзисторов.

В течение последующих 20 лет выполнено огромное количество исследований свойств полупроводников и достигнуты большие ус­ пехи в их практическом применении. И все же еще нельзя сказать, что полупроводниковые приборы изучены так же хорошо, как, на­ пример, электронные лампы. Электрические явления в твердом те­ ле имеют более сложную природу, и физика твердого тела нужда­ ется еще' в кропотливых и серьезных исследованиях, прежде чем можно будет сказать, что свойства полупроводниковых приборов известны и все возможности здесь исчерпаны. Тем не менее в на­ стоящее время изучены свойства многих полупроводников: хими­ ческих элементов (германий, кремний, теллур, селен и др.), окисей металлов и сернистых химических соединений металлов. Исходным для их объяснения является механизм электропроводности твердых веществ.

Электронная и дырочная проводимости. Атом любого вещест­ ва состоит из ядра (имеющего положительный заряд) и вращаю­ щихся вокруг него электронов (имеющих отрицательный заряд). Орбиты электронов образуют электронные оболочки. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее внутрен­ них электронов. Электроны внешней оболочки называются валент­ ными, активными электронами, которые обеспечивают соединение атомов в молекулы и кристаллические решетки.

В металлах электронные оболочки атомов могут свободно об­ мениваться электронами, образуя сложное хаотическое тепловое движение их в некотором ‘объеме вещества. Количество электро­ нов, проходящих через единицу площади сечения какого-либо объ­ ема слева направо, равно количеству электронов, проходящих че­ рез это сечение справа налево. Следовательно, электрического то­ ка в рассматриваемом объеме металла нет. Но стоит поместить ме­ талл В' электрическое поле, как под действием его сил начинается упорядоченное движение электронов (явление дрейфа) в одном направлении. Появляется электрический ток. При этом число ва­ лентных электронов равно числу атомов или больше него для дан­ ного объема металла.

В полупроводниках образованию электрического тока сопутст­ вуют иные явления. Внешние электронные оболочки атомов полу­ проводника, например германия (или кремния), имеют четыре электрона, каждый из которых образует с четырьмя соседними атомами парные электронные (ковалентные) связи. Такие пары

37

электронов устойчивы и не могут свободно перемещаться в объеме полупроводника. Если полупроводник обладает идеальной струк­ турой (не содержит примесей, то есть атомов другого вещества) и обладает температурой абсолютного нуля, то он становится изоля­ тором. Но с повышением температуры возникает тепловое колеба­ тельное движение, которое передается электронам. Большинство связей между атомами сохраняется, п целостность кристалла по­ лупроводника не нарушается. Но некоторые электроны отрываются от своих атомов, и полупроводник становится носителем тока. Правда, количество электронов — носителей тока — во много раз меньше, чем количество атомов (в отличие от металлов).

Как уже упоминалось, полупроводники, помимо температуры, чувствительны к примесям. Если в атом германия (или кремния), содержащего четыре валентных электрона, ввести атом примеси, имеющий во внешней оболочке пять валентных электронов (напри­ мер, атом индия), то четыре из них займут места в связях с сосед­ ними атомами германия (кремния), а пятый окажется как-бы лиш­ ним, избыточным. Он имеет более слабую связь с атомом (по срав­ нению с валентными электронами, занявшими более «прочные» места). Такие избыточные электроны превращаются в свобод-, ные носители электрического тока. Примеси, которые отдают электроны в зону проводимости, называются донорными (доно­ рами) .

Проводимость полупроводника, характеризующаяся наличием избыточных свободных электронов в атомах вещества, называется электронной или избыточной проводимостью. Она обозначается буквой п (начальная.буква латинского слова negativ, пли отрица­ тельный). Увеличивая или уменьшая содержание примеси, можно изменять электронную проводимость полупроводника.

Наряду с электронной существует проводимость полупроводни­ ка иной природы — положительная, характеризующаяся недостат­ ком свободных электронов в атомах полупроводника. Если в гер­ маний ввести индий или гелий, имеющий по три валентных элект­ рона в атоме, то атомы германия будут иметь по одному лишнему электрону. Последний под воздействием внешней э. д. с. может свободно переходить с атома на атом. Состояние атома, потеряв­ шего один из тех электронов, при помощи которых атомы связаны между собой, называется зарядом-дыркой. Дырка несет положи­ тельный заряд, так как при сближении свободного электрона с за­ рядом-дыркой атом в электрическом отношении становится ней­ тральным (процесс образования пары электрон — дырка называ­ ется рекомбинацией). Примеси, способные принимать валентные электроны, называются акцепторными (акцепторами). .

Проводимость полупроводника, характеризующаяся недостат­ ком свободных электронов в атомах вещества, называется положи­

38

зоне не может измениться скачком от пр до «п и от рп до /7р. В зоне границы раздела концентрация

электронов (зависимость пп—пр) и концентрация дырок (зависи­ мость /77i—рр) будет изменяться плавно. На линии R раздела со­ противления «-области и сопротивления р-области появляется слой, обедненный носителями заряда, который называется электронно­ дырочным (р—«) переходом. Через р—«-переход проходят диффуз­ ные составляющие электронных и дырочных токов и электронный н дырочный токи проводимости. В сумме они равны нулю, и ток через полупроводник не проходит. Состояние р—«-перехода, ког­ да на него не воздействуют никакие внешние поля и диффузный ток через р—«-переход уравновешивается током проводимости, на­ зывается равновесным. При таком состоянии вблизи границы раз­ дела возникают области положительного и отрицательного объем­ ных зарядов, за пределами которых полупроводник остается элек­ трически нейтральным. На границе раздела R появляется слой с

повышенным сопротивлением.

Потенциальный барьер. Энергия зарядов р—«-перехода опре­ деляется количеством примесей в областях Л^я и N& (рис. 28) и ха­ рактеризуется потенциальным барьером определенной высоты (уровня). Изменяя уровень потенциального барьера, можно доби­ ваться протекания тока через р-—«-переход.

Приложим к р — «-переходу внешнее напряжение, полярность которого совпадает по знаку с собственной напряженностью поля перехода. Высота потенциального барьера увеличится на величи­ ну приложенного напряжения. Диффузный ток увеличится (по сравнению с током проводимости). Баланс токов р — «-перехода нарушится, и через полупроводник пойдет прямой ток. Так как об­ ласть объемных зарядов р—«-перехода обеднена носителями за­

39