книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

ты, оказывается целесообразным использовать более слож­ ные по конструкции лампы, имеющие большее число электро­ дов. Такие лампы носят навание частотно-преобразователь­ ных ламп.

Отличительной особенностью этих ламп является нали­ чие в них двух управляющих сеток, к которым подводятся два различных управляющих напряжения. Работа таких ламп отличается большей сложностью происходящих в них процессов, так как анодный ток в данном случае изменяется под воздействием двух управляющих электрических полей, а не одного, как это имело место в более простых лампах.

Одной из таких частотно-преобразовательных ламп яв­ ляется так называемый г е п т о д , т. е. лампа с семью элек­ тродами. В гептоде имеется катод (подогревный или пря­ мого накала), анод и пять сеток. Первая, считая от катода, сетка является первой управляющей сеткой и на нее пода­ ется одно из двух управляющих напряжений. Вторая сет­ ка так же, как и четвертая, играет роль экранирующей сет­ ки, и на нее подается положительное постоянное напряже­ ние (несколько десятков вольт). Третья сетка представляет собой вторую управляющую сетку лампы, и к ней также подводится управляющее напряжение. Последняя, пятая, сетка предназначена для устранения динатронного эффек­ та и носит название защитной, или антидинатронной, сетки. Чтобы сделать потенциал этой сетки достаточно низким, ее соединяют с катодом лампы или с шасси прибора.

В последнее время для преобразования частоты в схемах приемников начали применяться сложные, комбинированные лампы, представляющие собой сочетание двух отдельных ламп (триода и гептода) в одном общем баллоне. Эта лампа является еще более совершенной и применяется в прием­ никах повышенного класса.

Конструктивно объединить в одном общем баллоне можно любые лампы, выполняющие в схеме самые различные функ­ ции. Так, при сочетании в одном баллоне двух диодов или двух триодов получаются комбинированные лампы, которые носят названия двойного диода и двойного триода соответст­ венно. Можно разместить в одном баллоне два диода и триод или два диода и пентод. Получившиеся комбинированные лампы будут называться двойным диодом-триодом и двойным диодом-пентодом. Наконец, возможно конструктивное объ­ единение и более сложных многоэлектродных лапм. Напри­ мер, комбинация из триода и пентода дает лампу с названием

90

триод-пентод. При сочетании триода и гептода получим лам­ пу триод-гептод.

Все перечисленные выше типы ламп используются в радиоаппаратуре весьма часто, так как применение в схеме какого-либо аппарата комбинированных ламп позволяет уменьшить размеры самого аппарата, упростить его монтаж и сократить расход энергии питания.

Усилительные свойства электронной лампы

Полезным эффектом работы любой усилительной лампы является изменение величины ее анодного тока при изме­ нении напряжения, приложенного между сеткой и катодом. Используя этот эффект, можно реализовать усилительные свойства ламп.

Всхеме, изображенной на рис. 54, ко входу лампы, т. е.

кпромежутку сетка — катод этой лампы, подведено на­ пряжение, которое необходимо усилить. Это

Анодный ток лампы обычно достигает относительно боль­ ших величин (единицы и десятки миллиампер). Сопротив­ ление резистора R a также почти всегда имеет значитель­ ную величину (десятки и даже сотни килоом). Вследствие этого напряжение, создаваемое на резисторе R a (выходное напряжение), оказывается во много раз больше, нежели напряжение на входе схемы.

Следовательно, в данном каскаде имеет место эффект усиления напряжения. При желании от подобной схемы можно получить усиление по току и по мощности.

91

Усилительные свойства любой схемы принято характери­ зовать так называемым к о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е ­ н и я , который представляет собой отношение напряжения, действующего на выходе, к напряжению, подведенному ко входу данной схемы:

°ВХ

Коэффициент усиления К показывает, во сколько раз вы­ ходное напряжение ІІВЫХ б о л ь ш е , чем напряжение на входе UBX.

Следует отметить, что сама электронная лампа не явля­ ется источником энергии, а наоборот, потребляет ее (на нака­ ливание нити накала, на разогрев анода). Усилительные свойства лампы проявляются в том, что при ее помощи можно малой мощностью, действующей на входе каскада, управ­ лять большой мощностью, создаваемой на выходе каскада за счет внешнего источника э.д.с. Еа.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В настоящее время в радиоаппаратуре наряду с электрон­ ными лампами широко используются полупроводниковые приборы (диоды и триоды). Полупроводниковые приборы имеют малые габаритные размеры и вес, отличаются боль­ шим сроком службы и просты в эксплуатации. Малые по­ тери мощности, экономичность в питании, постоянная готов­ ность к работе выгодно отличают полупроводниковые при­ боры от электронных ламп. Благодаря этим положитель­ ным качествам полупроводниковые приборы применяются в большинстве радиотехнических схем, вытесняя во многих случаях электронные лампы. Однако наряду с положитель­ ными свойствами полупроводниковые приборы имеют и недостатки: ограниченный частотный диапазон, невозмож­ ность работать с высокими напряжениями, отсутствие рабо­ тоспособности в условиях повышенной радиации, потребле­ ние значительной мощности от источника входного сигнала (малое входное сопротивление). Кроме того, параметры по­ лупроводниковых приборов в большой степени зависят от температуры окружающей среды. Часть этих недостатков будет в дальнейшем устранена путем совершенствования тех­ нологии изготовления полупроводниковых приборов, а дру­

92

гая часть, например, температурная зависимость, в ка­ кой-то степени может быть устранена специальными схем­ ными решениями.

Проводимость твердого тела

Принцип работы полупроводниковых приборов основан на использовании явлений, происходящих на границе разде­ ла двух зон полупроводника с различными типами проводи­ мости. Рассмотрим эти явления по отношению к кристаллу германия, часто применяющемуся при изготовлении полу­ проводниковых приборов. Как известно из курса общей химии, германий находится в четвертой группе таблицы Мен­ делеева и обладает четырьмя валентными электронами (при помощи этих электронов атомы германия соединяются между собой, образуя кристаллическую структуру).

Из рис. 55, на котором изображена двумерная модель кристаллической решетки германия, видно, что атомы, раз­ мещенные в узлах кристаллической решетки, связаны между собой проч­ ными парными связями. При наличии таких связей и достаточно низкой температуре, при которой замедляется тепловое колебательное движение атомов, кристалл полупроводника практически становится изолятором.

При более высокой температуре узлы кристаллической решетки приходят в колебательное движение, и энергии, сообщенной атому, оказывается доста­

точно, чтобы освободить некоторое количество электронов. Если из данного атома уходит электрон, то его место освобождается и может быть занято другим электроном. Такое освободившееся место носит название д ы р к и . Атом при этом оказывается заряженным положительно и стано­ вится положительным ионом. Это состояние атома не явля­ ется устойчивым, и положительно заряженный атом притя­ гивает к себе электрон из соседнего атома. Когда пришедший электрон заполнит дырку, атом восстанавливает свое ней­ тральное состояние, а соседний атом, потерявший электрон (т. е. получивший дырку), становится положительным ио­ ном. Для его нейтрализации необходимо перемещение элект­

рона из другого соседнего атома и т. д.

S3

Таким образом в толще кристалла возникает перемеще­ ние электронов и дырок. Это перемещение является хаоти­ ческим и принимает упорядоченный характер, если к крис­ таллу приложить некоторое напряжение. Тогда электроны будут перемещаться против направления поля, а дырки — по направлению поля. В полупроводнике возникает соб­ ственная проводимость — п р о в о д и м о с т ь т и п а і, при которой количество электронов и дырок одинаково и неве­ лико (концентрация носителей зарядов обоих знаков одинакова). При дальнейшем повышении температуры кон­ центрация носителей быстро увеличивается (примерно в два раза при повышении температуры на каждые 10° С). По­ этому с повышением температуры собственная проводи­ мость также возрастает. Высказанные положения относятся к химически чистому полупроводнику, у которого посто­ ронних примесей в кристаллической решетке мало (напри­ мер, в германии при комнатной температуре — менее одного атома примеси на несколько миллиардов атомов германия). Введение в полупроводник определенных примесей резко изменяет электропроводность полупроводника. При добав­ лении в кристалл германия примеси в виде пятивалент­ ного элемента, например сурьмы, строение кристалличе­ ской решетки изменится. Некоторые ее узлы будут зан яты атомами примесных элементов, у которых четыре валент­ ных электрона используются для связи с соседними атомами, а пятый электрон окажется избыточным. Наличие в полупро­ воднике большого количества избыточных электронов при­

проводимость, называется донорной. Если в кристалл герма­ ния добавить в качестве примеси трехвалентный элемент (галлий или индий), то атомы примеси, расположившиеся в некоторых узлах кристаллической решетки, вступят в связь с другими атомами германия. При этом одна из связей германия останется незаполненной, т. е. в ней образуется дырка. Так как дырки образуются в большом количестве, то в кристалле возникает д ы р о ч н а я проводимость (проводимость типа р). Примесь, создающая дырочную про­ водимость, называется а к ц е п т о р н о й .

Преобладающие носители зарядов в примесных полупро­ водниках (например, дырки в полупроводнике типа р) на­ зываются о с н о в н ы м и , а носители противоположного знака (в данном случае — электроны) — неосновными.

94

Электронно-дырочный переход. Полупроводниковые диоды.

С помощью особых технологических приемов в монокрис­ талле полупроводника, например германия, можно соз­

ные носители от р-п-перехода и препятствуют их дальней­ шему продвижению через него. На границе р-п-перехода появляется обедненный основными носителями слой — з а ­ п о р н ы й с л о й . Неосновные носители увлекаются этим полем через р-п-переход, но вследствие их малой концент­ рации они не мешают образованию объемных зарядов, кото­ рые представляют для основных носителей труднопроходи­ мый п о т е н ц и а л ь н ы й б а р ь е р .

В зависимости от площади запорного слоя различают п л о с к о с т н ы е и т о ч е ч н ы е р-п-переходы. Способы получения их различны. Плоскостные переходы получаются путем вплавления определенной примеси в пластинку полу­ проводника, обладающего проводимостью соответствующего

95

типа, или диффузионным методом, при котором в процессе нагревания в вакууме полупроводника совместно с приме­ сями происходит диффузия атомов примеси в глубь полупро­ водника с последующим образованием р-п-перехода. На­ конец, существует способ выращивания кристалла полу­ проводника из расплава. При таком способе в кристалле при вытягивании его из расплава создаются чередующиеся области с различной проводимостью, между которыми обра­ зуются р-п-переходы.

Плоскостные переходы отличаются высокой механичес­ кой прочностью, однородностью контакта и надежностью в работе.

Рис. 57. Включение на р-л-переход обратного (а) и прямого

(б) напряжения

Точечные р-п-переходы образуются при соприкоснове­ нии острия металлической (вольфрам, фосфористая бронза) проволочки с кристаллом полупроводника (обычно п-типа). Контакт подвергается нагреву, в процессе которого имею­ щаяся в проволоке медь диффундирует в полупроводник, образуя область с проводимостью типа р. На границе раздела этой области с основным полупроводником образуется р-н- переход.

Важнейшим свойством р-н-перехода является односто­ ронняя проводимость. Если к кристаллу полупроводника, содержащему р-н-переход, подвести от внешнего источника постоянное напряжение, подключив его положительный полюс к области р, а отрицательный — к области н, (рис. 57,6), то под действием этого напряжения в кристалле воз­ никнет внешнее электрическое поле, направленное против внутреннего контактного поля. Внешнее электрическое поле заставит объемные заряды, образованные на границах запор-

96

Ш-

ного слоя, сблизиться. В результате «высота» потенциаль­ ного барьера (разность потенциалов на границах запорного слоя) уменьшится и из области р в запорный слой войдут дырки, а из области п — электроны. Концентрация основ­ ных носителей зарядов в запорном слое резко увеличится, что приведет к уменьшению электрического сопротивления запорного слоя. Через кристалл под действием внешнего напряжения в направлении от области р к области п будет

ника и присоединить к области р отрицательный, а к области п положительный полюс этого напряжения (рис. 57,а), то теперь внешнее электрическое поле будет направлено так же, как и внутреннее контактное поле. В результате сов­ местного действия обоих полей объемные заряды раздвинут­ ся, высота потенциального барьера увеличится и концен­ трация зарядов в запорном слое будет сильно уменьшена. Сопротивление запорного слоя значительно увеличится и через кристалл в направлении от области п к области р будет протекать о б р а т н ы й т о к малой величины. Если пря­ мой ток в р-ц-переходе достигает больших величин уже при малой величине внешнего напряжения (доли вольта, еди­ ницы вольт), то обратный ток оказывается малым даже при относительно больших напряжениях внешнего источника (сотни вольт). Это объясняется тем, что обратный ток обра­ зован неосновными носителями, концентрация которых мала.

Таким образом ток через р-п-переход может протекать только в одном направлении — от области р к области п (обратным током ввиду его малости можно пренебречь). Сле­ довательно, р-п-переход обладает свойством односторонней проводимости. На этом свойстве основана работа большин­ ства полупроводниковых приборов.

При наличии р-п-перехода в кристалле полупроводника образуются две области с достаточно большой проводимо­ стью, разделенные слоем, имеющим малую проводимость (практически диэлектрик). Такая система образует неко­ торое подобие конденсатора, следовательно, р-п-переход обладает некоторой электрической емкостью, величина которой зависит от площади и толщины запорного слоя. На­ личие собственной емкости является вторым важным свой­

ством p-rt-перехода, определяющим частотные свойства дан­ ного полупроводникового прибора.

Большое влияние на свойства полупроводника оказы­ вает температура. При повышении температуры увеличи­ вается число пар носителей зарядов — электронов и дырок (концентрация их растет), за счет чего увеличивается про­ водимость полупроводника. Возрастают и прямой и обрат­ ный токи, протекающие в кристалле. Возрастание прямого тока происходит сравнительно медленно, так как он образо­ ван в основном за счет примесной проводимости. Концент­

два раза. Из сказанного можно заключить, что при повышении температуры выпрями­ тельные свойства р-п-перехода (свойство односторонней проводимости) у х у д ш а ю т с я .

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл полупроводника с одним р-п-переходом, и все параметры диода определяются свойствами использованного в нем пе­

В плоскостном переходе независимо от способа его полу­ чения площадь запорного слоя больше, чем в точечном пере­ ходе, и поэтому собственная емкость плоскостных диодов всегда превышает собственную емкость точечных диодов. Так, если емкость мощных плоскостных диодов достигает величины нескольких сотен пикофарад, то емкость точечных диодов составляет единицы пикофарад и даже доли пикофа­ рады. В то же время при большей площади перехода через диод могут проходить большей величины токи. Исходя из этого, плоскостные диоды применяются в основном для вы­ прямления переменных токов низких частот. Точечные дио­ ды могут работать в широком диапазоне частот и наиболее часто используются для детектирования высокочастотных сигналов.

98

Основными параметрами силового (выпрямительного) диода, имеющими значение для практики, следует считать максимальное значение прямого тока, при котором диод может длительно работать без перегрева, и максимально допустимое обратное напряжение, при котором возможна длительная работа диода без его пробоя. Превышение этих значений тока и напряжения может привести к полному разрушению диода.

Для точечных диодов еще одним важным параметром является собственная емкость диода.

По некоторым свойствам полупроводниковые диоды ока­ зываются несколько хуже вакуумных. Так, если в вакуум­ ном диоде обратный ток всегда равен нулю, то в полупровод­ никовом он нулю не равен, а при высоких температурах достигает значительной величины. Полупроводниковые дио­ ды не выдерживают даже кратковременных и небольших перегрузок. Обратное напряжение полупроводниковых дио­ дов относительно мало и обычно не превышает нескольких сотен вольт. Обратное напряжение лампового диода мо­ жет быть очень большим (единицы и даже десятки кило­ вольт). Однако полупроводниковые диоды имеют и преи- •мущества, которыми они выгодно отличаются от вакуумных диодов. К ним относятся: малые габариты и вес, большой срок службы, отсутствие подогрева катода, меньшие потери мощности в самом диоде и др. Благодаря этим качествам полупроводниковые диоды получили самое широкое рас­ пространение. Особенно большое распространение в пос­ леднее время получили кремниевые диоды, которые имеют по сравнению с германиевыми ряд преимуществ: большую плотность тока, большее допустимое обратное напряжение, способность нормально работать в более широком интер­ вале температур (— 60° + 150°).

Устройство и принцип действия транзисторов

В отличие от полупроводникового диода, имеющего две области проводимости и один р-п-переход, транзистор (полупроводниковый триод) имеет три области проводимос­ ти и два р-д-перехода. В соответствии с порядком чередова­ ния областей с различной проводимостью различают тран­ зисторы типа р-п-р и п-р-п.

Рассмотрим принцип действия транзистора структу­ ры р-п-р (рис. 59). Как видно из рисунка, крайние области