книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

При использовании ламп дугового разряда в качестве источников •света, питаемых от сети переменного электрического тока, сим­ метричность вольт-амперной характеристики обеспечивается иден­ тичностью изготовления обоих электродов.

§ 18. Плазменные лампы с плавным управлением величиной тока

Тлеющий и дуговой разряды являются самоподдерживающимися. Если приложить между анодом и катодом напряжение достаточной величины, то возникает тлеющий разряд, который будет гореть, поддерживая сам себя до тех пор, пока источник питания не будет отключен. С увеличением на­ пряжения питания тлеющий разряд может перейти в дуговой. При уменьшении напряжения тлеющий разряд гаснет. Это является препят­ ствием к созданию управляемых приборов, в ко­ торых величина анодного тока могла бы плавно изменяться в широких пределах. Помимо этого возникают сложности, связанные с управлением, так как управление анодным током при помощи обычной управляющей сетки невозможно, потому

что при отрицательном напряжении ее поле будет нейтрализовано положительными ионами.

Плавное изменение величины анодного тока в широких пределах наиболее просто осуществлять путем перераспределения его между лесколькими дополнительными электродами.

На рис. 22 приведена схема простейшей плазменной лампы с плав­ ным управлением величиной тока. При отсутствии входного сигнала разряд происходит только между первым катодом и анодом. При подаче на вход положительного напряжения происходит перемеще­ ние разряда на выходной катод и, чем больше входной сигнал, тем большая часть тока вытесняется с входного катода на выходной.

§ 19. Плазменные лампы с управлением моментом включения

В случае холодного катода напряжение зажигания самостоятель­ ного разряда значительно выше, чем напряжение нормального горе­ ния. Это позволяет создавать тиратроны — приборы дискретного действия, в которых можно управлять моментом зажигания разряда.

Конструкция тиратрона тлеющего разряда проста: в стеклянном баллоне, заполненном инертным газом, располагаются цилиндри­ ческий катод и стержневой анод, между которыми помещается коль­ цевой управляющий электрод — стартер (рис. 23). На анод тиратрона подается положительное напряжение, большее напряжения горения, но меньшее напряжения зажигания. На стартер через ограничива­ ющее сопротивление также подается напряжение и между ним и ка­ тодом возникает тихий разряд, создающий облачко ионизированного

60

газа. Когда на стартер подается положительный импульс запуска, то ток в его цепи увеличивается, область ионизации расширяется и происходит зажигание тлеющего разряда между катодом и анодом. При этом стартер утрачивает управляющие свойства и с его помощью невозможно ни погасить разряд, ни существенно изменить анодный ток: плазма тлеющего разряда полностью нейтрализует его поле. Разряд можно погасить или значительно уменьшив напряжение источника анодного питания, или подав на анод отрицательный гасящий импульс.

Тиратрон тлеющего разряда является элементом с двумя устой­ чивыми состояниями равновесия: «включен» и «выключен»,: других промежуточных состояний быть не может. Поэтому тиратроны не могут использоваться для работы с непре­ рывно изменяющимися сигналами, а находят применение в устройствах, опе­ рирующих с дискретными сигналами.

Коэффициент усиления тиратронов по мощности очень велик. В частно­ сти, для возбуждения тлеющего раз­ ряда с током в единицы ампер доста­ точно создать в цепи стартера ток

в десятки — сотни микроампер. ' \ \ • \ Важнейшими управляемыми приборами дугового разряда

являются тригатроны, тиратроны, игнитроны. Тиратроны выпол­ няются в виде триодов (термоэлектронный катод, управляющая сетка, анод), тетродов и пентодов. Термоэлектронный катод тира­ трона может быть прямого подогрева и косвенного.

Когда катод нагрет, а на анод подано положительное напряже­ ние, то в тиратроне может возникнуть дуга лишь в том случав} если на управляющей сетке нет запирающего отрицательного' напряже­ ния. Для включения тиратрона на управляющую сетку подается положительный импульс запуска, при этом отрицательное напряже­

управляющее действие и с ее помощью невозможно ни погасить тира­ трон, ни изменить величину анодного тока. Отрицательно заряжен­ ную сетку «обволакивают» положительные ионы газа и полностью нейтрализуют ее поле. Для выключения тиратрона необходимо или разорвать цепь источника анодного питания, или значительно умень­ шить величину анодного тока, или же подать на анод отрицательный импульс напряжения. При этом плазма рекомбинирует, сетка вос­ станавливает свои управляющие свойства и запирает тиратрон. В пос­

61

вспомогательный дуговой разряд между катодом и дополнительным анодом.

Кроме тиратронов и аркатронов широко применяются игни­ троны — дуговые управляемые приборы с холодным ртутным като­ дом и тригатроны — управляемые разрядники искрового и дугового разряда.

§ 20. Плазменные коммутаторные приборы

Плазменный коммутаторный прибор имеет анод и несколько основных и вспомогательных катодов, расположенных на одинаковом расстоянии от анода. На рис. 24 приведена принципиальная схема

возникает разряд. Так как ре­ жим работы подобран таким образом, что разряд может существовать только между одним катодом и анодом, ранее горевший разряд гаснет; тлеющий разряд между анодом и первым вспомогательным катодом поддерживается за счет энергии запускающего импульса. Как только импульс запуска окончится, разряд перейдет снова на тот же основной катод, но если в момент окончания импульса запусна подать такой же импульс на второй вспомогательный катод, то разряд перейдет на него. После окончания второго импульса разряд перейдет на ближайший основной катод. Таким образом, произошло перемещение разряда с одного основного катода на дру­ гой. Если импульсы запуска следуют периодически, то разряд после­ довательно будет перемещаться на следующие катоды.

Конструктивно коммутаторы часто выполняются в кольцевом виде — катоды располагаются по окружности, огибая цилиндри­ ческий или дисковый анод; при этом первый и последний основные катоды совпадают и получается кольцевой коммутатор на заданное число положений. Коммутаторы на десять положений принято называть декатронами.

Декатроны удобны для счета и для деления частоты следования

62

импульсов в цифровых вычислительных устройствах, так как по­ зволяют осуществлять визуальную индикацию. Для этого баллон декатрона прикрывается световым экраном, имеющим фигурные прорези в виде цифр против основных катодов. Когда разряд проис­

Так же как и в тиратронах, в коммутаторных приборах перенос разряда совершается за некоторое конечное время, равное едини­ цам — десяткам микросекунд. Это ограничивает рабочие частоты коммутационных приборов тлеющего разряда десятками — сотнями килогерц.

§2 1 . Высокочастотные плазменные приборы

Всовременных плазменных приборах используется не только перенос электрического тока электронами и ионами, но и колеба­ тельные свойства плазмы. Плазма относительно прозрачна для электронных потоков; при этом между ней и электронным потоком происходит взаимодействие, сопровождаемое интенсивным обменом энергией. Это позволяет создавать плазменные ЛБВ, имеющие хоро­ шие усилительные свойства. Плазма находит также широкое при­ менение в квантовых приборах СВЧ.

УП Р А Ж Н Е Н И Я К ГЛАВЕ V

1.Минимальная величина управляющего сигнала в электронных лампах может составлять всего несколько нановольт (1 нв = 10~9 в). Каким минималь­ ным напряжением могут управляться плазменные приборы: а) непрерывно

управляемые; б) тиратроны тлеющего и дугового разрядов; в) коммутаторы?

2. Как конструктивно выполнить тиратрон тлеющего разряда, чтобы его выключение осуществлялось магнитным полем?

3.Можно ли создать плазменный коммутатор, управляемый магнитным

полем?

4.Существуют ли принципиальные возможности увеличения быстродей­ ствия плазменных приборов?

Глава VI

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзисторами принято называть полупроводниковые усилитель­ ные приборы, принцип действия которых основан на электрических явлениях, возникающих на границах раздела полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. Транзисторы являются электропреобразовательными приборами с управлением плотностью электрического тока.

G3

§22. Электрические свойства полупроводников

Втвердом теле электроны могут находиться в связанном состо­ янии, входя в состав атомов, и полусвободном, позволяющем им относительно свободно перемещаться по всему объему тела.

Вметаллах электроны валентных оболочек обобществляются: возникает облако полусвободных электронов, беспорядочно движу­

с ядром и в нормальных условиях проводимость практически отсут­ ствует.

В полупроводниках связь валентных электронов с ядром отно­

объединении атомов в кристалл вследствие взаимодействия их электрических полей каждый разрешенный энергетический уро­ вень расщепляется на целое множество уровней; в результате воз­ никают зоны разрешенных уровней.

При температуре абсолютного нуля и при отсутствии внешних воздействий электроны в атомах занимают самые низшие энергети­ ческие уровни, расположенные в валентной зоне. Если веществу сообщена энергия, то валентные электроны переходят на возбужден­ ные, более удаленные от ядер орбиты и даже могут утратить связь

сатомами, став электронами проводимости.

Вметаллах переход электронов из основного состояния в воз­ бужденное происходит плавно, поскольку основная зона и зона проводимости тесно примыкают друг к другу (рис. 25, а). Достаточно приложить слабое внешнее электрическое поле, как электроны покинут свои атомы и примут участие в переносе электрического тока. У полупроводников и изоляторов имеется зона запрещенных

энергий, отделяющая основную зону от зоны проводимости (рис. 25, б).

В отсутствии внешних воздействий валентные электроны полу­ проводника не могут самопроизвольно переходить на другой энерге­ тический уровень, поскольку в пределах валентной зоны на любом энергетическом уровне уже имеется электрон, а переход в зону проводимости через запрещенную зону невозможен. Поэтому элек­ троны в валентной зоне не могут передвигаться даже под действием

64

электрического поля. Однако, если полупроводник нагреть, сообщив валентным электронам энергию, достаточную для преодоления за^ прещенной зоны, они перейдут в зону проводимости. При этом в ва­ лентной зоне появляются свободные энергетические уровни — «дырки». Это позволяет оставшимся валентным электронам также перемещаться, но внутри валентной зоны и переходить от одного атома к другому. При этом свободное место — дырка — возникает у соседнего атома. Дырка имеет положительный заряд, по абсолют-1 ной величине равный заряду электрона. Процесс возникновения и перемещения дырок в отсутствие внешнего электрического поля носит случайный характер. Когда полупроводник включен в элек­ трическую цепь, под действием электрического поля дырки пере­ мещаются вдоль линий электрического поля, вызывая поочередную ионизацию атомов полупроводника.

Рис. 26.

Рассмотренная проводимость возникает за счет валентных элек­ тронов при нарушении валентных связей и называется собственной проводимостью полупроводника.

На рис. 26, а приведена структура кристалла германия, выра­

с четырьмя соседними посредством четырех валентных электронов. Образующаяся при этом ковалентная связь устойчива, и для ее разрыва необходима энергия не менее 0,72 эв. Если при выращивании монокристалла к германию был добавлен фосфор, то при кристал­ лизации атомы фосфора будут вытеснять атомы германия из их мест в кристаллической решетке (рис. 26, б). Поскольку фосфор имеет пять валентных электронов, его атомы, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему элек­ трону, слабо связанному с ядром. Для того чтобы вырвать этот электрон, необходима энергия в 0,01 эв, вследствие чего при ком­ натной температуре практически все пятые электроны атомов фосфора оказываются свободными и могут участвовать в переносе электри­ ческого тока. После того как связь разорвана и электрон покинул

место, атом примеси оказывается ионизированным. Получившаяся примесная проводимость имеет электронный характер и называется п проводимостью.

Атомы примеси вводятся в полупроводник в весьма малом коли­ честве (примерно один атом на 108 атомов германия) и поэтому они находятся в кристаллической решетке на больших расстояниях друг от друга. Вследствие этого энергетические уровни валентных электронов не объединяются в зоны и могут занимать уровни, рас­ полагающиеся в запрещенной зоне.

Рис. 27,

Если при выращивании кристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентной примеси, например индия, то с образованием кристалла одна из ковалентных связей окажется ненасыщенной и образуется вакантное место — дырка (рис. 26, в), расположенная в запрещенной зоне, близко к валентной зоне. По­ этому при небольшом нагревании один из валентных электронов ближайших атомов германия может занять дырку, расположенную в запрещенной зоне. При этом образуется дырка в валентной зоне, способная принимать участие в переносе электрического тока. Полу­

В современной радиоэлектронике используются полупроводни­ ковые резисторы с дырочной и электронной проводимостью: термо­ резисторы, варисторы и тензорезисторы. Терморезисторами принято называть приборы, величина сопротивления которых меняется при изменении температуры. Наиболее широкое распространение полу­ чили терморезисторы, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры (рис. 27, а). При возрастании тока увели­ чивается выделение тепла в терморезисторе, увеличивается коли­ чество электронов проводимости и уменьшается сопротивление.

66

В последние годы разработаны терморезисторы с положительным температурным коэффициентом — позисторы (рис. 27, а).

Варисторами принято называть полупроводниковые приборы, у которых при увеличении приложенного напряжения сопротивление уменьшается. У некоторых полупроводниковых материалов с уве­ личением приложенного напряжения в 2—3 раза сопротивление уменьшается в десятки раз (рис. 27, б). Наиболее выражен этот эф­ фект у карбида кремния.

В германии, кремнии, карбиде кремния и фосфиде индия ярко проявляется тензорезистиеный эффект: под действием механической деформации происходит значительное изменение электропровод­ ности. Это явление используется в тензорезисторах, применяемых для исследований прочности различных конструкций и материалов.

§ 23. Электронно-дырочный переход

На границе раздела двух сред, отличающихся электрофизиче­ скими свойствами, всегда возникают электрические контактные явления. Представляют интерес эффекты на границе раздела полу­ проводников с электронной и дырочной проводимостями (на элек­

рация дырок, а в левой части — электронов, через п — р переход будет протекать диффузионный электрический ток: электроны уходят в р область и рекомбинируют там с дырками, а дырки переходят в п область. Но этот процесс диффузии нарушает электрическую нейтральность как в п, так и в р областях, так как электрические заряды ионов примеси уже не уравновешиваются равными им заря­ дами электронов и дырок. Вследствие этого на и — р переходе воз­ никает электрическое поле, препятствующее диффузии. Это запира­ ющее поле сосредоточено в области п — р перехода: со стороны п области располагается слой некомпенсированных положительных ионов примеси, со стороны р области к переходу примыкает слой отрицательных ионов. Малое расстояние между слоями ионов при­ водит к тому, что между слоями ионов действует электрическое поле с напряженностью до 105 в/см и образуется зона, в которой не может быть носителей электрического тока. Если к кристаллу полупровод­ ника приложено напряжение от внешней батареи в полярности плюс на п область, минус на р область, то на п — р переходе электрическое поле от батареи будет действовать в том же направлении, что и

запирающее поле. Вследствие этого ток через п—р переход протекать практически не будет. При изменении полярности подключения произойдет частичная или даже полная компенсация запирающего поля и через переход сможет протекать электрический ток.

Электронно-дырочные переходы получают сплавлением, диффу­ зионным методом, выращиванием монокристалла с переменной скоростью.

Метод сплавления заключается в том, что в пластинку толщиной до 500 мк, вырезанную из монокристалла полупроводника с п или р проводимостью, производят вплавление металлической примеси (рис. 29, а). Если вплавление осуществляется с обеих сторон пла­ стинки, то образуется два п — р перехода (рис. 29, б).

Рис. 29.

Диффузионный метод основан на диффузии газообразных или

этом происходит внедрение атомов примеси в полупроводник и по­ верхностный слой приобретает проводимость, отличную от прово­ димости всего объема полупроводника; таким образом можно полу­

скорости выращивания монокристалла основан на особенностях процесса кристаллизации полупроводников. В частности, раствори­ мость некоторых примесей в твердом германии зависит от скорости роста кристалла. Например, растворимость сурьмы в германии тем больше, чем больше скорость роста кристалла. В то же время растворимость индия и галлия практически не зависит от скорости выращивания кристалла.

Если в расплав германия добавить строго определенное коли­ чество сурьмы и индия и начать выращивать кристалл, вытягивая его из расплава, то при малой скорости выращивания в кристалл будет переходить преимущественно индий. При большой скорости выращивания в монокристалл будет переходить примерно столько же атомов индия, но число атомов сурьмы будет превышать их во много раз.

68

Таким образом, при малой скорости образуется область с пре­ обладающей р проводимостью, при большой скорости — область с преобладающей п проводимостью. Периодически меняя скорость выращивания, можно создать монокристалл с любым числом п — р переходов.

Многообразие полупроводниковых приборов, основанных на электрических эффектах, возникающих в п — р переходах, принято классифицировать по числу используемых в них переходов. Наи­ более широко в современной радиоэлектронике применяются при­ боры с одним п — р переходом (диоды и униполярные или полевые транзисторы), с двумя (биполярные транзисторы) и тремя (тиристоры) переходами.

§ 24. Полупроводниковые диоды

Приборы с одним п — р переходом обычно имеют два электрода, поэтому называются диодами. Однако в общем случае число электро­ дов не является определяющим, так как существуют полупроводни­ ковые приборы, имеющие два электрода, но состоящие из двух-трех

иболее п — р переходов.

Взависимости от назначения, принципов работы и конструктив­ ных особенностей различаются четыре основных вида диодов:

Выпрямительные диоды применяются для выпрямления напряже­ ний низких, высоких и сверхвысоких частот. Конструкция диода зависит от величины выпрямляемого тока, его частоты, величины допустимого напряжения и температуры окружающей среды. К. п. д. приближается к 99,9%, так как падение напряжения на диодах при протекании тока номинальной величины не превышает 0,5 в (для германиевых) и 1,5 в (для кремниевых). Выпрямительные диоды изготовляются из кремния, германия и селена.

Если приложить к диоду напряжение в обратной полярности (минус к области с дырочной проводимостью, плюс к области с элек­ тронной проводимостью), то собственное поле п — р перехода и поле внешнего источника складываются. Это приводит к некоторому увеличению обратного тока, обусловленного неосновными носите­ лями: дырки уходят из п области в р область, поскольку для не­ основных носителей поле п — р перехода является ускоряющим. При некоторой величине обратного напряжения ток резко возрастает и происходит электрический пробой п — р перехода. При этом не­ основные носители ускоряются электрическим полем п — р перехода настолько, что их энергия оказывается достаточной для ударной ионизации атомов полупроводника; появляются новые носители заряда, которые, в свою очередь, ускоряются и вызывают возник­ новение лавины электронов и дырок. Вольт-амперная характеристика

69