книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

И. В. Кушманов,

Н.Н. Васильев , А. Г. Леонтьев

ЭЛЕКТРОННЫ Е ПРИБОРЫ

Допущено Министерством связи СССР в качестве учебного пособия для электротехнических институтов связи

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СВЯЗЬ» МОСКВА 1973

6Ф0.3

К96 УДК 621.38(07)

03312 — 96

Издательство «Связь», 1973 г.

.«V¥§*

I а,** >'“Счіг

ІЕМПЛЯР

>Н О ГО

Рецензенты Н. Н. Хлебников, П. Д. Берестнев

Типография издательства «Связь» Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфнн и книжной торговли. Москва-центр, ул. Кирова, 40. Зак. тип. 182

- 1 -

ПРЕДИСЛОВИЕ

Содержание настоящего учебного пособия со­ ответствует программе общего курса «Электронные при­ боры», рекомендованной для специальностей 0702, 0703 и 0708 электротехнических институтов связи. В основу кни­ ги положен многолетний опыт преподавания курса на ка­ федре электронных и квантовых приборов Московского ордена Трудового Красного Знамени электротехническо­ го института связи.

В книге освещаются устройство, физические процес­ сы, характеристики, параметры и простейшие-схемы при­ менения основных электронных приборов, используемых в устройствах радиосвязи, радиовещания"/-многоканаль­ ной и автоматической электрической связи. Специальные электронные приборы для сверхвысоких частот здесь не рассматриваются, поскольку они излагаются в курсе «Электронные и квантовые приборы свч».

Введение, гл. 1 и 7 написаны И. В. Кушмановым, гл. 2 и 6 — |Н. Н. Васильевым, | а гл. 3, 4, 5 и 8 — А. Г. Ле­ онтьевым. Общее редактирование книги выполнено

И.В. Кушмановым.

Авторы выражают глубокую благодарность профессо­

ру Я. А. Федотову, профессору Н. Н. Хлебникову и до­ центу П. Д. Берестневу за ценные замечания и полезные советы, а также товарищам по работе за их критические высказывания, помощь и поддержку.

Отзывы и замечания по книге следует направлять в издательство «Связь» (Москва-центр, Чистопрудный бульвар, д. 2).

Авторы

В В Е Д Е Н И Е

Роль электронных приборов в народном хозяйстве. Элек­ тронным прибором называется устройство, предназначенное для управления движением заряженных частиц в вакууме, в газовой среде или твердом теле с целью различного рода преобразований электрических величин или одного вида энергии в другой. Роль электронных приборов в народном хозяйстве велика. Масштабы производства и применения электронных приборов определяют на­ учно-технический и культурный прогресс любой страны. Передо­ вые в техническом отношении страны выпускают сотни миллионов и миллиарды электронных приборов ежегодно.

Трудно назвать область науки или отрасль народного хозяйст­ ва, где не применялись бы новейшие достижения электроники, ра­ диотехники и связи, и вместе с ними не использовались бы в боль­ шом количестве электронные приборы. Электроника проникает во все отрасли народного хозяйства и науки, оказывая революциони­ зирующее влияние на их развитие.

В настоящее время — время накопления, передачи, приема и обработки огромных объемов информации роль электронных при­ боров все больше возрастает. Значительное влияние иа этот рост оказывают также развитие вычислительной техники, автоматиза­ ция производственных процессов и систем управления, научная ор­ ганизация труда и- другие направления науки и техники.

Классификация электронных приборов. Существует большое число признаков, по которым можно классифицировать электрон­ ные приборы. Важнейшими из них являются следующие: рабочее пространство прибора, вид преобразования энергии, назначение, мощность, диапазон частот, число электродов, конструкция, техно­ логия изготовления, применяемые материалы и др.

В рабочем пространстве прибора (в межэлектродном промежут­ ке происходит взаимодействие между носителями заряда и элект­ рическими, магнитными или электромагнитными полями. Рабочим пространством может быть полупроводник, вакуум, газ, проводник или жидкость. По этому признаку различают пять групп приборов: полупроводниковые, вакуумные, газоразрядные, проводниковые и жидкостные.

Полупроводниковым называется прибор,' действие которого ос­ новано на использовании свойств полупроводника.

Вакуумным называется прибор, в котором электрический ток со­ здается только свободными электронами.

4

Газоразрядным является прибор с электрическим разрядом в газах или парах.

Проводниковый прибор использует нелинейные свойства про­ водника при изменении температуры или свойство проводника из­ менять проводимость при приложении к нему магнитного поля в условиях температуры, близкой к абсолютному нулю.

Жидкостным называется прибор, действие которого основано на изменении проводимости жидкости при изменении механического, электрического или светового воздействия.

Классификация по роду рабочего пространства удобна в мето­ дическом отношении для расположения материала по этому при­ знаку при изучении физических свойств, характеристик и парамет­ ров приборов. Она является также основной в производственном отношении, так как технологические процессы изготовления указан­ ных групп приборов существенно отличаются друг от друга.

Общим для всех электронных-приборов является то, что они представляют собой устройства, способные управлять энергией сигнала. Поэтому отдельные типы приборов, различающиеся прин­ ципом действия, часто применяются для одной и той же цели и об­ ладают близкими свойствами. С этой точки зрения электронные при­ боры независимо от типа пространства взаимодействия можно разбить на три основные группы: электропреобразовательные,

электронно-световые и фотоэлектрические. Электропреобразовательные приборы представляют собой уст­

ройства, в которых электрический ток определенной частоты или формы преобразуется в электрический ток, но другой частоты или формы. Представителями этой обширной .группы являются выпря­ мительные, приемно-усилительные, генераторные, переключатель­ ные, частотопреобразовательные, стабилизирующие и другие при­

боры.

Электронно-световые приборы предназначены для преобразова­ ния электрического сигнала в видимое изображение. К ним отно­ сятся осциллографические и приемные телевизионные трубки, ин­ дикаторные приборы и др.

Фотоэлектрические приборы представляют собой устройства, в которых световое излучение преобразуется в электрический сигнал. Сюда относятся фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, фотодиоды и фототранзисторы, передающие телевизионные трубки

идругие приборы.

Взависимости от диапазона частот, для которого предназначе­

ны электронные приборы, они делятся на низкочастотные, высоко­ частотные и еверхвысокочастотные.

По величине полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, разли­ чают приборы м/алой, средней и большой мощности. Шкала мощно­ сти, по которой приборы относят к той или иной категории, зависит от типа среды взаимодействия. Так, электронные лампы относятся к лампам большой мощности при мощности, большей одного кило­

5

ватта. Полупроводниковые приборы считаются мощными при мощ­ ности более трех ватт.

Электронные лампы удобно классифицировать по числу элект­ родов. Широко. ра'спростраиеяы диоды — двухэлекяродные лампы, триоды — трехэлектродные лампы, тетроды — четырехэлектродныелампы и пентоды — пятиэлектродные лампы. Реже применяется гептод — семиэлектродная лампа. Существуют комбинированные электронные лампы, содержащие две или более систем электродов- с независимыми потоками электронов. Они могут быть следующих, типов: двойной диод, двойной триод, триод — пентод, триод — гептод и т. п.

В полупроводниковых приборах, за исключением полупроводни­ кового диода, название приборов по количеству электродов не при­ вилось. Например, полупроводниковый триод принято называть, транзистором, а приборы с числом электродов, большим трех, неполучили широкого распространения. По роду основного материа­ ла, используемого для изготовления полупроводникового прибора,, различают приборы германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые- селеновые и др.

Конструкция и технология изготовления приборов может быть, также положена в основу классификационного признака. Сущест­ вуют плоскостные, точечные, сплавные, диффузионные, планарные,, пленочные и другие приборы.

Развитие техники электронных приборов в СССР и за рубежом.

Первый электровакуумный прибор появился свыше ста лет назад. Это была электрическая осветительная лампа накаливания, изобре­ тенная выдающимся рѵсским электротехником А. И. Лодыгиным в- 1872 г.

Историю развития техники электронных приборов можно услов­ но разделить на три периода. Первый период относится к прошло­ му столетию и может быть охарактеризован как время установле­ ния основных физических закономерностей работы электронных приборов и открытия явлений, стимулирующих их развитие и при­ менение. Второй период охватывает время с начала нашего столе­ тия до 1948 г., когда был изобретен транзистор. Этот период мож­ но назвать периодом ламповой электроники. Третий период — с 1948 г. и по настоящее время — является периодом полупроводни­ ковой электроники.

В 1883 г. американский ученый Т. А. Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. установил основные законы фотоэффекта. Эти два открытия и вы­ дающееся изобретение нашего соотечественника А. С. Попова яви­ лись мощными импульсами в развитии и внедрении электронных приборов в практику. Возникла необхрдимость в приборах, пригод­ ных для целей детектирования и усиления электрических колеба­ ний. Большое внимание начали уделять изучению нелинейных свойств проводимости применявшихся в то время кристаллических детекторов из галена, карборунда и других минералов.

6

В начале нашего столетия появились первые практические кон­ струкции электронных ламп. В 1904 г. английским ученым Д. Фле­ мингом была сконструирована первая электронная лампа — ваку­ умный диод. Эта первая лампа применялась в радиоприемной тех­ нике тех лет для детектирования электрических колебаний. Она успешно заменила неустойчивые в работе кристаллические детек­ торы. В 1906—1907 гг. американский инженер Ли де Форест сконст­ руировал трехэлектродную лампу, пригодную для усиления элект­ рических сигналов. В '1915 г. иод руководством М. А. Бонч-Бруеви­ ча были созданы первые отечественные электронные лампы, а в 1919 г. началось их серийное производство. В 1920 г. впервые в ми­ ровой практике в Нижегородской радиолаборатории были разрабо­ таны мощные электронные лампы с водяным охлаждением.

Практические работы и теоретические труды А. И. Берга, М. А. Бонч-Бруевича, А. Л. Минца, П. А. Острякова способствова­ ли тому, что наша страна явилась первой в разработке и использо­ вании мощных электронных ламп.

В 1907 г. русский физик и изобретатель Б. Л. Розинг предложил систему телевидения с использованием электронно-лучевой трубки и практически применил ее для передачи изображений на расстоя­ ние (1911 г.). В 1930 г. советский инженер Л. А. Кубещшй изобрел фотоэлектронный умножитель, который и по сей день играет боль­ шую роль в телевизионной технике. Много важных и полезных фо­ тоэлектрических и электронно-оптических приборов, применяющих­ ся в наши дни, разработали С. А. Векшинский, С. И. Катаев,

Б.Т. Коломиец, П. В. Тимофеев, П. В. Шмаков и другие ученые.

Ксередине тридцатых годов ламповая электроника в основном сформировалась. К этому времени были созданы основные типы ламп, применяющихся в наши дни: вакуумный тетрод (1924 г.), вакуумный пентод (1930 г.), газоразрядный триод — тиратрон (1929 г.), лучевой тетрод и серия многосеточных частотопреобразо­ вательных ламп (1935 г.).

Открытие в 1948 г. американскими-исследователями Д. Барди­ ным и В. Браттейном точечного транзистора положило начало по­ лупроводниковой электроники1). Следует отметить, что открытию этих американских ученых предшествовали большие работы в об­ ласти физики твердого тела — физики полупроводников. Так, в 1922 г. О. В. Лосев исследовал контакт металла с кристаллом по­ лупроводника. В результате исследования была выявлена возмож­ ность усиления и генерирования электрических колебаний с помо­ щью кристалла. Большие заслуги в области изучения физики по­ лупроводников принадлежат школе советских физиков, которую долгое время возглавлял академик А. Ф. Иоффе. Здесь в первую очередь нужно назвать работы Б. И. Давыдова, Д. И. Блохинцева,)*

*) Я. А. Ф е д о т о в . Полупроводниковая электроника вчера, сегодня и завт­ ра. — «Радиотехника», т. 26, 1970, № 4.

7

В. Е. Лашкарева, Б. М. Вула и многих других. Предшественником точечного транзистора был точечный диод, использовавшийся в- качестве детектора свч колебаний. Исследование транзисторного' эффекта, появление плоскостного транзистора, изучение свойств электронно-дырочного перехода вызвало к жизни огромное коли­ чество новых приборов.

Мировая промышленность ежегодно выпускает миллиарды по­ лупроводниковых диодов и транзисторов. Номенклатура их во всем мире составляет около 70 000 типов, из них около 12 000 типов тран­ зисторов. Удельный вес приемно-усилительных ламп среди анало­ гичных изделий полупроводниковой электроники в США и Япо­ нии приближается к 10%.

Электронные лампы и газоразрядные приборы продолжают пре­ обладать в ряде областей: приемные и передающие телевизионные трубки, осциллографические трубки, газоразрядные индикаторы, мощные высокочастотные и сверхвысокочастотные ^генераторные приборы, высоковольтные выпрямители и т. д.

Таким образом, основой современной электроники является по­ лупроводниковая техника. Укреплению позиций полупроводниковой электроники в значительной мере способствовало открытие и внед­ рение в 1959—1960 гг. планарной технологии производства полу­ проводниковых приборов. Под планарной технологией подразуме­ вается единый технологический процесс, при котором полупровод­ никовые приборы создаются в результате диффузии легирующей примеси сквозь отверстие в защитном слое, нанесенном на поверх­ ность полупроводника. На стандартной пластине полупроводника одновременно образуется большая группа приборов. Отверстия для этих приборов наносятся с помощью специальных шаблонов и методов фотолитографии. Для полупроводниковой электроники это изобретение имело огромное значение, так как стимулировало ее развитие и широкое внедрение в практику. Кроме того, оно откры­ ло пути к механизации и автоматизации сборочных процессов и к созданию технологии дешевых полупроводниковых приборов со* стабильными параметрами.

Достоинства планарной технологии определяются также и тем, что она обеспечила возможность дальнейшего уменьшения разме­ ров транзисторных структур, а следовательно, и повышения быст­ родействия приборов. В настоящее время можно создавать прибо­ ры с размерами активной области в несколько микрон. Планарная технология позволила значительно снизить технологический раз­ брос параметров приборов, повысить их стабильность и надеж­ ность в работе. По прогнозам специалистов в ближайшие 3—5 лет от 75 до 90% полупроводниковых приборов будет изготавливаться по планарной технологии. Остальные приборы в основном будутмассовыми дешевыми точечными диодами.

В современной полупроводниковой электронике параллельно су­ ществуют и развиваются четыре направления:

8

—полупроводниковая электроника дискретных приборов и элементов;

—интегральная полупроводниковая электроника монолитных

схем;

—интегральная гибридная полупроводниковая электроника;

—интегральная пленочная полупроводниковая электроника. Полупроводниковая электроника дискретных приборов начала

развиваться незадолго до второй мировой войны в связи со значи­ тельным применением точечных диодов на свч. Существенное каче­ ственное и количественное развитие она получила после откры­ тия транзистора. Это направление постоянно развивается и в на­ ши дни.

Интегральная электроника является новым направлением, путь которому в жизнь открыла планарная технология производства полупроводниковых приборов. Полупроводниковой интегральной схемой называется изделие, выполненное в едином технологическом процессе так, что все или часть элементов его нераздельно связаны и электрически соединены между собой как единое целое. Элемен­ ты схемы (диоды, транзисторы, резисторы и др.) не имеют внешних выводов, корпуса и не могут рассматриваться как отдельные изде­ лия. Интегральная электроника положила начало микроэлектрони­ ке — микроминиатюризации электронного оборудования. Одним из важнейших достижений последней является значительное упроще­ ние сборочных процессов изделии. Подавляющее большинство сое­ динений между элементами выполняется нанесением тонких метал­ лических пленок. Это позволяет резко уменьшить размеры функцио­ нальных узлов и повысить надежность монтажа. Таким образом, интегральная электроника означает не только «интегрирование» большого количества элементов в одном электронном изделии, но и значительное повышение надежности его работы. Надежность по­ вышается также в связи с тем, что элементы изделия работают в безопасных для них режимах: при малых токах, напряжениях и мощности.

Успехи планарной технологии позволили широко применять в интегральной электронике полевые транзисторы с изолированным затвором на основе структуры металл—диэлектрик—полупровод­ ник, т. е. так называемые МДП-транзисторы. Эти транзисторы име­ ют малые входные токи (менее наноампера) и поэтому их выгодно применять в интегральных схемах с энергетической точки зрения.

Интегральная электроника является понятием качественным. В ■отличие от нее, микроэлектроника является понятием количествен­ ным. К микроэлектронике относятся узлы и устройства, плотность

.деталей в которых превышает пять на кубический сантиметр. Мик­ роэлектроника является основой развития современной электро­ ники, вычислительной техники и др.

Интегральная пленочная электроника наименее развита из-за трудностей, возникающих при изготовлении пленочных диодов и транзисторов. Гибридную полупроводниковую электронику следует

9