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

В некоторых полупроводниках (например, в арсениде галлия, теллуриде кадмия, форсфиде индия) имеет место эффект Ганна — возможно существование двух энергетически различных видов электронов проводимости — «легких» и «тяжелых». Легкие электроны имеют относительно небольшую энергию, но большую подвижность; подвижность электронов с большой энергией («тяжелых») во много раз меньше. Это приводит к тому, что при малых значениях напря­ жения, приложенного к кристаллу проводника, ток обусловлен «легкими» электронами, имеющими довольно большую подвижность, и электропроводность кристалла велика. По мере увеличения внеш­ него напряжения электроны проводимости при прохождении через кристалл приобретают все большую и большую скорость, пока, наконец, при некотором критическом значении напряжения их энергия будет столь велика, что они станут «тяжелыми» и их подвиж­ ность значительно уменьшится. Ток также уменьшится, поскольку резко уменьшается электропроводность. На вольт-амперной харак­ теристике это отмечается появлением участка с отрицательным со­ противлением, что может быть использовано для создания усили­ тельных приборов СВЧ.

Если внешнее напряжение несколько меньше критического, то в кристалле полупроводника возможна генерация периодических импульсов. При работе в таком режиме условия перехода электронов из «легкого» состояния в «тяжелое» возникают в одной из ограни­

перемещается к аноду. Впереди и сзади него движутся легкие элек­ троны. Легкие электроны, находящиеся впереди, относительно быстро уходят к аноду, при этом перед доменом образуется область с пониженной концентрацией электронов. Движущиеся сзади элек­ троны догоняют домен и образуют область повышенной концентра­ ции электронов. В объеме полупроводника образуется электронный сгусток, относительно медленно перемещающийся к аноду. При до­ стижении доменом анода ток резко возрастает и так же резко спа­ дает, после чего создаются условия для возникновения нового элек­ трического домена. Таким образом, кристалл, называемый диодом Ганна, начинает генерировать электрические импульсы, период сле­ дования которых определяется временем движения доменов от катода к аноду, т. е. в конечном итоге геометрическими размерами и свой­ ствами полупроводника.

§ 29. Полупроводниковая микроэлектроника

Электронная аппаратура с каждым годом усложняется, но, несмотря на это, становится все более миниатюрной. Это обусловлено внедрением в электронику принципов интеграции — объединения

80

в единое целое всех элементов отдельного функционального узла. При этом конструктивно-технологической единицей является не от­ дельный элемент (резистор, конденсатор, транзистор и т. д.), а функ­ циональный интегральный узел, способный выполнять заданную опе­ рацию (усиление, сложение, вычитание и т. д.). Технологически инте­ гральный функциональный узел (интегральная микросхема) выпол­ няется как единое целое в некотором объеме полупроводникового монокристалла или многослойной структуры, состоящей из соче­ тания пленок полупроводников, проводников и изоляторов.

В интегральной схеме пассивные элементы (резисторы, конденса­ торы, катушки индуктивности) могут быть образованы различными способами. Например, резистор может быть получен в виде области полупроводника с малой удельной проводимостью или путем напыле­ ния тончайшей металлической пленки на изолирующее основание или может быть выполнен в виде п—-р перехода, включенного в обрат­ ном направлении, или двух п—р переходов, включенных навстречу.

Помимо обычных пленочных конденсаторов в микросхемах часто используется емкость п—р перехода, находящегося под обратным напряжением, или двух п—р переходов, включенных встречно.

Получение индуктивностей более сложно. Малые индуктивности (десятки — сотни микрогенри) могут быть получены в пленочных микросхемах в виде плоской спирали травлением тонкого слоя ме­ талла, осажденного на изолирующее основание.

Втвердых схемах индуктивности моделируются. Эффект отста­ вания тока от напряжения достигается за счет замедленного дви­ жения носителей заряда в полупроводниках.

Вкачестве активных элементов в микроэлектронных схемах ис­ пользуются туннельные диоды, биполярные и полевые транзисторы,

образованные в монокристаллах полупроводников или получаемые в многослойных структурах диффузией, напылением, фотолитогра­ фическим и другими способами.

Современные интегральные микросхемы в 1 см3 содержат до 108 отдельных элементов.

Упражнения к главе V I

1. Сохранит ли свои основные свойства при охлаждении до температуры абсолютного нуля: а) выпрямительный диод; б) стабилитрон: в) туннельный

если в переходе база — коллектор возникнут лавинпые процессы?

5. Объясните принцип работы гридистора (см. рис. 31, г) и проведите сопо­

ставление с принципом работы радиоламп с управлением плотностью электрон­ ного потока.

Глава V I I

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрическими приборами принято называть светочувстви­ тельные устройства, в которых управление электрическим током производится за счет изменения интенсивности или спектрального состава падающего на них светового потока.

По роду фотоэлектрического эффекта фотоэлектрические приборы разделяются на четыре класса:

1. Фотоэмиссионные приборы, основанные на фотоэлектронной эмиссии с поверхности фотокатодов, помещенных в ваккум или разре­ женный газ.

2.Приборы с фоторезистивным эффектом, основанные на увеличе­ нии проводимости полупроводников под воздействием света.

3.Фотогальванические приборы, в которых при воздействии света генерируется фото-э. д. с.

4.Фотомагнитные приборы, в которых при одновременном воз­

действии магнитного поля и света генерируется фотомагнитная э. д. с.

§ 30. Фотоэмиссионные приборы

Фотоэлектронная эмиссия наблюдается при воздействии света (инфракрасного, видимого или ультрафиолетового) на поверхность металла, полупроводника или диэлектрика.

Количественно плотность тока фотоэлектронной эмиссии для металлических катодов может быть определена по формуле

/ — частота падающего на фотокатод монохроматического света; W — работа выхода.

При прочих равных условиях наибольший фототок способны от­ давать фотокатоды, выполненные из материалов с малой работой выхода. Очевидно также, что при некоторой частоте энергия фотона оказывается столь малой, что становится равной работе выхода и фо­ тоэлектронная эмиссия практически прекращается. Фотокатоды должны иметь не только малую работу выхода, но и должны обладать способностью поглощать фотоны, не отражая и не пропуская их без взаимодействия.

В настоящее время наиболее широко применяются кислородноцезиевые фотокатоды в виде тонкой пленки чистого серебра, осажда­ емой на непроводящее основание (например, стекло, слюду, керамику), поверхность ее покрыта сложным слоем, состоящим из окислов це­ зия, серебра и чистого цезия, атомы которого образуют моноатомную

82

пленку на поверхности фотокатода. Применяются также сурьмяноцезиевые фотокатоды.

Простейшими фотоэмиссионными приборами являются двухэлектродные вакуумные или газонаполненные диоды, называемые фото­ элементами. Фотоэлемент имеет анод и фотокатод (рис. 35, а). Фотокатод наносится непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного сферического баллона. Свободная от фотокатода поверх­ ность используется как окно для введения света. Фотоэлектроны соби­

малой освещенности характеристики существенно нелинейны и не­ стабильны из-за темновых токов, вызываемых термоэлектронной эмиссией с поверхности фотокатода. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны — электроны эмиттируются с поверх­ ности фотокатода через Ю - 1 0 — Ю - 9 сек после воздействия фотонов. Недостатками вакуумных фотоэлементов являются: малые анодные токи (единицы — десятки мка), весьма большое анодное напряжение

(сотни вольт), ограниченный диапазон плюсовых рабочих температур (не более 60° С).

Чувствительность фотоэлементов может быть повышена в не­ сколько раз, если баллон заполнен газом. В этом случае при доста­ точном высоком анодном напряжении (50—90 в) фотоэлемент работает в режиме тихого несамостоятельного разряда и происходит лавинное умножение первичного фототока в 8—10 раз.

Существенным недостатком газонаполненных фотоэлементов яв­ ляется нелинейность их анодно-световых и анодных характеристик. Инерционность газонаполненных фотоэлементов весьма велика, что не позволяет их применять в радиоэлектронных устройствах, рабо­ тающих на частотах выше 10 кгц. Темновые токи газонаполненных фотоэлементов на порядок выше, чем вакуумных. Все это приводит к тому, что газонаполненные фотоэлементы применяются в системах обнаружения световых потоков, где самым важным параметром яв­ ляется чувствительность, которая может доходить до 500 мка/лм.

Фотоэлементы не являются эффективными преобразователями световой энергии в электрическую — при воздействии десяти фотонов эмиттируется всего один-два фотоэлектрона.

Порог чувствительности фотоэлементов составляет 10"8 —10~1 0 лм. Для работы со световыми потоками малой интенсивности, начиная от Ю - 1 6 лм, применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), пред­ ставляющие собой комбинацию фотоэлемента и многокаскадного вторичноэлектронного усилителя (рис. 36, а). При воздействии свето­ вого потока на полупрозрачный фотокатод с его внутренней поверх­ ности эмиттируются электроны, которые ускоряются полем первого динода и при соударении с ним вызывают поток вторичных электро­ нов; коэффициент вторичной эмиссии может достигать 5—8. Вторич­ ные электроны увлекаются полем второго динода и порождают но­ вый приток электронов и так далее до тех пор, пока электроны не достигнут анода. Число динодов может доходить до 20, что обеспечи­ вает умножение потока первичных фотоэлектронов в 108 —109 раз. Чувствительность фотоумножителей доходит до 1000 а/лм (это не означает, что при освещенности в 1 лм на выходе фотоумножителя можно получить ток в 1000 а, так как анодно-световая характери­ стика фотоумножителя линейна лишь в области малых освещенностей).

84

высокоомным проводящим слоем с высоким коэффициентом вторич­ ной эмиссии. На левом конце трубки расположен полупрозрачный фотокатод, эмиттирующий фотоэлектроны внутрь трубки под неболь­ шим углом к ее оси. Фотоэлектроны попадают на проводящий слой, с которого выбивают поток вторичных электронов. К металлизирован­ ным торцам трубки, соединенным с проводящим слоем, подключено напряжение и протекает ток, вследствие чего внутри трубки создается продольное ускоряющее поле. Вторичные электроны ускоряются

Выход

этим полем и попадают на противоположную стенку трубки, порождая новый, умноженный во много раз электронный поток. При длине трубки до 5 см коэффициент умножения может достигать 106 .

К важнейшим фотоэмиссионным приборам относятся фотоэлектри­ ческие преобразователи световых изображений — передающие теле­ визионные трубки, позволяющие преобразовывать видимые и невиди­ мые (инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские) изображе­ ния в электрические сигналы.

Простейшим фотоэлектрическим преобразователем является ико­ носкоп, его схематическое устройство приводится на рис. 37. Свето­ вое изображение проектируется на мозаичный фотокатод, который выполняется в виде слюдяной пластинки. На одну сторону пластинки

85

наносится слой серебра, а другая сторона покрывается изолирован­ ными друг от друга мельчайшими серебряными зернышками, на ко­ торые напыляется цезий. Образуется фотокатод, составленный из сотен тысяч элементарных фотокатодов, каждый из них является кон­ денсатором. При воздействии света с фотокатодов происходит эмис­ сия электронов и каждый конденсатор заряжается, причем тем выше, чем больший световой поток на него действует. Так как световое изображение, проектируемое на фотокатод, представляет собой чере­ дование темных и световых областей, на фотокатоде возникает соот­

водит к поочередному их разряду. При этом ток разряда, а следова­ тельно, и ток луча пропорциональны освещенности каждого участка фотокатода, вследствие чего на сопротивлении нагрузки появляется падение напряжения, величина которого пропорциональна освещен­ ности участка. Если это напряжение передать на некоторое расстоя­ ние и подать на модулирующий электрод кинескопа, луч которого движется синхронно с лучом иконоскопа, то на экране будет воспро­ изведено первичное световое изображение. Иконоскопы имеют срав­ нительно малую чувствительность и применяются только в тех слу­ чаях, когда необходима высокая четкость изображения. В обычных системах (например, телевидение) применяются ортиконы, видиконы и т. д., имеющие меньшую разрешающую способность, но значи­ тельно большую чувствительность, позволяющую работать при малой освещенности.

В современных оптических линиях связи широкое применение нашли фотоклистроны и фото-ЛБВ — фотоэмиссионные приборы, выполненные в виде комбинации вакуумного фотоэлемента и обыч­ ного клистрона или ЛБВ.

В этих приборах поток фотоэлектронов, эмиттируемых с поверх­ ности фотокатода световым сигналом, фокусируется в луч и проходит

86

через объемные резонаторы или спиральную линию. При этом проис­ ходит детектирование светового сигнала, промоделированного коле­ баниями СВЧ с одновременным их усилением.

§ 31 . Фоторезистивные приборы

Фотоны света, взаимодействуя с атомами полупроводника, пере­ дают энергию валентным электронам. Если эта энергия достаточно велика, то валентные электроны переходят в зону проводимости; образовавшиеся электроны проводимости и дырки в валентной зоне обусловливают увеличение электропроводности. Это позволяет созда­ вать полупроводниковые фоторезисторы, сопротивление которых обратно пропорционально интенсивности светового потока. Фоторе­ зисторы используются для тех же целей, что и фотоэлементы, но значительно их чувствительнее и проще в изготовлении. В простей­ шем случае фоторезистор представляет собой тонкую пластинку полупроводника, к торцам которой присоединены контакты.

Анодно-световые характеристики фоторезисторов существенно нелинейны и значительно зависят от величины приложенного напря­ жения.

§ 32. Фотогальванические приборы

Если фотоны света падают на п—р переход, то образующиеся электроны и дырки разделяются: электроны увлекаются в п область, дырки захватываются полем р области. Это увеличивает концентра­ цию зарядов в обеих областях и, поскольку заряды избыточных элек­ тронов и дырок не уравновешиваются зарядами соответствующих

Уменьшение поля перехода приводит к менее эффективному раз­ делению генерирующих зарядов, что ведет к ограничению фото-э. д. с. в пределах от нескольких десятых долей до одного вольта. По кон­ струкции и области применения фотогальванические элементы при­ нято разделять на фотоэлементы с запорным слоем (вентильные фото­ элементы), фототранзисторы, фототиристоры и солнечные батареи.

Фотоэлементы с запорным слоем выполняются с использованием полупроводников типа селена, закиси меди, сернистого серебра, сернистого таллия и т. д. Эти фотоэлементы выполняются в виде металлического основания, на которое наносят слой полупроводника. Поверх полупроводника напыляется полупрозрачная пленка золота или серебра. Между слоем полупроводника и пленкой напыленного металла возникает запирающий слой, подобный п—р переходу.

Чувствительность вентильных фотоэлементов высока и может доходить до 20 ма/лм. Недостатком вентильных фотоэлементов яв­ ляется их сравнительно большая инерционность, так как емкость п—р перехода может доходить до 105 пф (1 пф = 10~ 1 2 ф).

87

К фототранзисторам относят полупроводниковые фотодиоды и фототриоды, которые конструктивно отличаются от обычных полу­ проводниковых диодов и триодов лишь тем, что у них в корпусе

Когда свет действует на базу фототранзистора, в ней генерируются дырки и электроны. Если база имеет р проводимость, электроны ухо­ дят на коллектор, а дырки остаются в базе, создавая в ее объеме не­ компенсированный положительный заряд. Поле этого заряда час­ тично компенсирует запирающее поле эмиттер-

пряжение в запирающей полярности, образующиеся электроны посту­ пают в п область, откуда уходят к плюсу батареи. Не задерживаются в р области и дырки. Таким образом, в цепи начинает протекать ток, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока.

Малые геометрические размеры фототранзисторов (площади п—р переходов не превышают долей—единиц мм2 ) обусловливают их малую инерционность и позволяют применять для регистрации весьма корот­ ких световых импульсов, частота следования которых может дохо­ дить до сотен килогерц — единиц мегагерц.

Фототиристоры отличаются от обычных тиристоров тем, что в их корпусах имеется прозрачное для света окно, вследствие чего их можно включать и даже выключать, воздействуя световым сигналом.

Фотогальванические приборы являются преобразователями свето­ вой энергии в электрическую с к. п. д., доходящим до 25% . Это позво­ ляет применять фотогальванические приборы не только для преобра­ зования световых сигналов в электрические, но и создавать на их основе экономически целесообразные преобразователи солнечной энер­ гии в электрическую, поскольку каждый квадратный метр земной по­ верхности, освещаемый Солнцем, получает от него световую энер­ гию в 500—1000 вт. В настоящее время для этих целей наиболее широко применяются кремниевые солнечные батареи. Устройство одного элемента кремниевой солнечной батареи показано на рис. 38. На пластинке п кремния диффузионным способом получают тонкий

88

полупрозрачный слой р кремния, в результате чего образуется плоский п—р переход. При освещении солнечным светом п—р пере­ хода появляется фото-э. д. с , равная 0,5—0,6 в. В режиме короткого замыкания солнечные батареи создают ток 20—30 ма на 1 см2 пло­ щади п—р перехода, отдавая тем самым во внешнюю цепь мощность до 150 вт с 1 м 2 .

Недостатком кремниевых солнечных батарей является их высокая стоимость, так как для их изготовления требуется сверхчистый

может быть в том случае, если ширина запрещенной зоны составляет 1,3—1,5 эв (тогда как у кремния 1,12 эв). Поэтому очень перспек­ тивны дешевые материалы типа селена — 1,5 эв, сурьмянистого алюминия — 1,6 эв и мышьяковистого галлия — 1,35 эв, широкому использованию которых препятствуют лишь трудности технологи­ ческого характера.

§ 33. Фотомагнитные приборы

Фотомагнитный эффект наблюдается в освещенной пластинке полупроводника, помещенной в магнитном поле. Под действием света вблизи освещенной поверхности образуются электроны и дырки, они диффундируют в неосвещенные области, где их концентрация мала. Если магнитное поле действует параллельно освещенной поверх­ ности в направлении перпендикулярном диффузии электронов и ды­ рок, то электроны начнут отклоняться в одну сторону, дырки — в другую. Поэтому на одном конце пластинки будет избыток элек­

налов в электрические.

В фотомагнитных магнитометрах для увеличения чувствитель­ ности используют особенности фотомагнитного эффекта на п—р пере­

Для увеличения чувствительности фотомагнитометры выпол­ няются в виде полупроводниковой пластинки с большим числом последовательно соединенных п—р переходов. При таком соединении все фотогальванические э. д. с. направлены встречно и взаимно компенсируются, в то время как фотомагнитные э. д. с. складыва­ ются и создают значительное напряжение на выходе — до не­ скольких милливольт при воздействии магнитного поля в 1 тл.

8 $