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

пластины; s) транзистор с мического напыления в вакууме. Напы-

использованием масок с отверстиями нужной формы, помещаемых между подложкой и испарителем. Заменяя маски и напыляемые материалы, можно получить на одной подложке последовательно ряд пленок из различных материалов. Толщина напыляемых пле­ нок зависит от расстояния 'между испарителем и подложкой, а также от времени напыления и колеблется в пределах ІО-2—

240

10~б мм. Требуемую конфигурацию пленкам можно придать также с помощью электронного луча или луча лазера. Широкий луч при­ меняется для нагревания, а узкий (порядка нескольких микрон) — для выжигания в пленках соответствующих рисунков и изготов­ ления элементов схемы размерами в несколько десятых долей ангстема.

Активными элементами пленочных схем могут служить пленоч­ ные полевые транзисторы и диоды. Пленки имеют поликристалли­ ческую структуру, что исключает получение качественных р-п-пе­ реходов, а следовательно, и биполярных транзисторов. Однако пле­ ночные активные элементы по своим параметрам уступают бескорпусным полупроводниковым приборам и активным элементам по­ лупроводниковых микросхем.

Толстопленочная интегральная микросхема — пленочная интег­ ральная микросхема с толщиной пленок свыше 1 -10—6 м. Элемен­ ты микросхемы наносят на подложку преимущественно методом шелкографии.

Гибридная интегральная микросхема — интегральная микросхе­ ма, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктив­ ное оформление. Рассмотрим такую микросхему на примере RC-ге­ нератора синусоидальных колебаний (рис. 3.9а). Пленочной тех­ нологией получены все пас­ сивные элементы, а актив­ ный элемент — транзистор навесной. Эквивалентная электрическая схема генера­ тора показана на рис. 3.96.

При изготовлении гене­ ратора на.одну сторону ди­ электрической подложки А наносят кольцеобразный лолупроводящий слой Б, на который напыляют металли­ ческие отводы В. .К этим от­

водам присоединяют транзистор, источники питания и нагрузку. С обратной стороны подложки напыляют кольцеобразную метал­ лическую плевку, которая совместно 'с полутроводящим слоем Б создает фазосдвигающую цепь с распределенными постоянными, служащую для сдвига фазы напряжения на 180°. При этом любое повышение напряжения на базе сопровождается увеличением кол­ лекторного тока и уменьшением напряжения на коллекторе. Это напряжение, .приложенное к фазосдвигающей цепи, изменит свою фазу на 180° и вызовет дальнейшее увеличение напряжения на ба­ зе, т. е. схема будет генерировать.

Линейная интегральная микросхема — микросхема, выполнен­ ная по любой технологии, предназначенная для работы с аналого­ выми сигналами. Линейные интегральные микросхемы выполняют функции усилителей, генераторов, преобразователей и т. д.

241

4 г л а в а

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ

4.1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Электронно-лучевой прибор представляет собой элек­

тронный вакуумный прибор, в котором используется электронный поток, концентрированный в форме луча или пучка лучей. Элект­ ронно-лучевые приборы можно классифицировать по различным признакам: по способу фокусировки луча (трубки с электростати­ ческой или магнитной фокусировкой), по способу отклонения луча (трубки с электростатическим, магнитным и комбинированным от­ клонением луча), по цвету свечения экрана (трубки с белым, зеле­ ным, голубым и т. д. свечением экрана), по длительности после­ свечения экрана (трубки с коротким, средним и длительным вре­ менем послесвечения), по назначению (трубки осциллографические, радиолокационные, приемные и передающие телевизионные, трубки памяти, электронные микроскопы, электронные переключа­ тели и т. д.).

Основные элементы большинства электронно-лучевых приборов показана на рис. 4.1. Источником электронов служит подогревной катод К, выполненный в виде никелевого цилиндра, на тор­ цевую поверхность которого нанесен оксидный слой. Подо­ грев осуществляется нитью накала И. Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются полем анода А, имеющего большой положительный по­ тенциал. Анод — полный ни­ келевый цилиндр с диафраг­ мой, имеющей отверстие. .Меж­ ду анодом и катодом помещен модулятор М. Меняя отрица­

тельное напряжение на модуляторе, можно изменять минимум по­ тенциала у поверхности катода и одновременно его рабочую по­ верхность, что приводит к изменению числа электронов в пучке.

243

Катод, модулятор и анод составляют электронную линзу, кон­ фигурация электростатического поля в которой такова, что осуще­ ствляется предварительная фокусировка электронного потока. Окончательная фокусировка пучка осуществляется либо электро­ статическим, либо магнитным полем, создаваемым фокусирующей системой ФС. Пучок отклоняется либо электростатическим полем, либо магнитным, либо совместно действующими электростатиче­ скими и магнитными полями, создаваемыми отклоняющей систе­ мой ОС. Приемником электронного пучка служит экран Э, образо­ ванный слоем люминофора, нанесенного на внутреннюю часть кол­ бы и светящегося под действием падающих электронов, либо ми­ шень, выполненная в виде диэлектрической пластинки, на которой под действием электронной бомбардировки образуется потенциаль­ ный рельеф. При электростатической фокусировке и электростати­ ческом управлении электронным пучком все электроды заключены внутри колбы, в которой создается высокий вакуум. При магнит­ ной фокусировке и магнитном отклонении фокусирующую и взаим­ но перпендикулярные отклоняющие катушки размещают снаружи колбы. Электроды, находящиеся внутри колбы, выполняют из диа­ магнитного материала, чтобы их случайное намагничивание не привело к искажению наблюдаемых процессов.

4.2. ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Принцип действия

Действие электрического поля на движущийся элек­ трон поясняется рис. 4.2, на котором показана резкая граница AB

где AU=U2—Ui; n — коэффициент преломления.

244

Это закон электронной оптики, аналогичный закону световой оптики. В отличие от оптических сред, где п — постоянная величи­ на, резко меняющаяся на границе раздела сред, в электронной оп­ тике, п непрерывно меняется.

Для удобства построения траекторий электронов непрерывное

.изменение потенциала заменим скачкообразным. В пределах каж­ дой области, заключенной между двумя эквипотенциальными по­ верхностями, потенциал примем неизменным, т. е. образуем элект-

а) иг>щ 6} иг и, S) и2>и, г] иг ^и{ ді иг щ е)иг*и ,

Рис. 4.3. Траектории электронов в электрическом поле, созданном двумя сетками:

а, б) ллсюкне; в, г) «отдутые; д, е) выпуклые

рические двойные слои. Простейшим примером такого слоя могут служить две сетки (рис. 4.3), расположенные близко друг к другу

отталкивает электрон, получим полное отражение, т. е. электрон­ ное зеркало. Придавая сеткам соответствующую конфигурацию, можно создавать собирающие и рассеивающие линзы, а меняя

Из рис. 4.3 видно, что системы а, в, е, обладают собирательными-

альных электродов, причем показатель преломления и конфигура­ ция полей взаимно связаны. ;

Электростатическая фокусировка

Электростатическая фокусировка осуществляется на­ бором простейших электронно-оптических линз, рассмотренных-, ниже.

Диафрагма с отверстием (рис. 4.4а). По обе стороны диаф­ рагмы находятся области с однородным полем, имеющие разные потенциалы. Эквипотенциальные поверхности, а также траектория электронов в линзе показаны на рис. 4.4а. Диафрагма с отвер­ стием может быть и собирательной (рис. 4.4а), и рассеивающей

245

линзой. Самостоятельно она не применяется, но является составной частью сложных линз.

Унипотенциальная или одиночная линза набирается из трех ци­ линдров или диафрагм, причем крайние диафрагмы имеют одина­ ковые потенциалы (что отражает­ ся в названии), отличные от по­ тенциала .внутреннего электрода.

Эквипотенциальные поверхности и траектории электронов в этой лі-йзе показаны на рис. 4.4е. У этой линзы энергия.электронов на входе и выходе одинакова.

Если средний электрод линзы имеет потенциал катода, то ее

Рис. 4.4. Электронно-оптические линзы:

я) диафрагма с отверстием собирающая; б) иммерсионная; в) одиночная линза

фокусирующие свойства не зависят от потенциала внешних элект­ родов и нестабильность напряжения на них не приводит к расфоку­ сировке. При этом линза называется однопотенциальной.

Иммерсионная линза имеет постоянные, но не равные потенциа­ лы слева и справа и образована двумя соосными цилиндрами (рис. 4.46). Левая половина линзы обладает собирательными свойства­ ми, а правая — рассеивающими. Силы, действующие на электрон в обеих половинах линзы, одинаковы вследствие симметрии поля, а ■время их действия различно. В собирающей части линзы скорость электронов мала и время действия на них собирающей силы боль­ ше времени действия рассеивающей силы во второй половине лин­ зы, где скорость электронов велика вследствие большого потенциа­ ла пространства. Таким образом, иммерсионная линза в целом со­ стоит из сильной собирающей линзы и слабой рассеивающей. Сум­ марное действие такой линзы — собирающее.

Иммерсионный объектив — электронно-оптическая система, со­ стоящая из катода, модулятора и анода. Можно считать также, что иммерсионный объектив представляет собой иммерсионную линзу,» внутри которой находится источник электронов (рис. 4.6). Такой объектив является простейшим электронным прожектором для

246

трубки с магнитной фокусировкой. Иммерсионный объектив созда­ ет на некотором расстоянии Ь от средней плоскости линзы увели­ ченное изображение катода. Увеличение

где UK— потенциал области катода; Un — потенциал области изо­ бражения.

С увеличением расстояния b от средней плоскости линзы до изо­ бражения катода размер этого изображения гІЪ определяющий: диаметр пятна на экране, сильно уве -ччивается. Для уменьшения, размеров пятна на экране исполь­ зуют вторую линзу. В этом случае диаметр пятна на экране определя­ ется или размером изображения ка­ тода, или диаметром 2гс скрещения электронных лучей в плоскости сс' (кроссовер). Поскольку диаметр кроссовера меньше величины 2гт то его изображение на катоде дает пятно меньшего размера. Для умень­ шения диаметра скрещения необхо­ димо повысить напряжение на вто­ ром аноде.

Электронный прожектор — кон­ структивный узел, состоящий из катода и одного или нескольких

электродов, предназначен для формирования электронного луча. В трубках с электростатической фокусировкой электронный про­ жектор представляет собой иммерсионный объектив і(первая лин­ за предварительной фокусировки) дополненный электростатической линзой чаще всего иммерсионного или унипопотенциального типа.-

Простейшая конструкция прожектора и схема подачи напряже­ ния на его электроды приведена на рис. 4.6а. Такой прожектор называется триодным, поскольку он содержит катод, модулятор и второй анод, выполняющие функции, аналогичные катоду, сетке и аноду триода, а также фокусирующий электрод, называемый пер­ вым анодом. В триодном прожекторе изменение потенциала моду­ лятора при регулировке яркости изображения приводит к наруше­ нию фокусировки пятна на экране. Это связано, во-первых, с из­ менением фокусного расстояния иммерсионного объектива, обра­ зованного катодом, первым анодом и модулятором, а во-вторых, с тем, что электроды прожектора питаются для уменьшения мощно­ сти высоковольтного выпрямителя через высокоомный делитель. Часть электронов перехватывается диафрагмами фокусирующего электрода, и поэтому в его цепи течет ток, величина которого срав­ нима с током, протекающим через делитель. Величина этого тока меняется при изменении потенциала модулятора, а следователь-

247

mo, меняется и падение напряжения на делителе, что приводит к изменению потенциала фокусирующего электрода. В результате меняется оптическая сила обеих электронных линз и происходит расфокусировка пятна.

Оценим изменение фокусного расстояния иммерсионного объек­ тива при увеличении потенциала модулятора на 40 В. Потенциал фокусирующего электрода у большин­ ства трубок равен .(0,25—0,2) і/а2, что при U 2000 В даст 400 В. Измене­ ние фокусного расстояния объектива будем оценивать как отношение изме-

Ннения потенциала линзы к ее макси­ мальному потенциалу: 40/400 = 0,1. Это

3 приведет к смещению области скреще­ ния и заметному нарушению фокуси­ ровки. Для устранения указанного эф- f фекта между модулятором и первым анодом помещают ускоряющий элек-

зтрод (тетродный прожектор рис. 4,66), на который подают положительный потенциал порядка 6004-1000 В (в ки­ нескопах), или соединяют этот электрод со вторым анодом (в осциллогра-'

*фических трубках). В данном случае при 1732=2000 В изменение потенциа­ ла модулятора на 40 В .приведет к из­

экран ускоряюши®электР°д: э - изменении яркости последнего фокуси­ ровка практически не нарушается. Он применяется в большинстве современных трубок с электростати­

ческой фокусировкой.

Дальнейшей модификацией прожектора, описанного выше, яв­ ляется прожектор с нулевым потенциалом фокусирующего элек­ трода (рис. 4.6а). Он рассчитывается так, что фокусировка обеспе­ чивается при равных потенциалах фокусирующего электрода и ка­

^ 4 8

тода. Вследствие этого фокусировка не зависит от изменения пи­ тающих напряжений.

Аберрации электронно-оптических систем

Как и в оптических системах, в электронно-оптической

.аппаратуре различают аберрации: хроматическую, сферическую,, кому, дисторсию и астигматизм.

Все эти аберрации (кроме хроматической) вызваны тем, чтоконфигурация поля линзы неидеально симметрична, а пучок не­ строго параксиален, т. е. электроны в нем разлетаются под боль­ шими углами. Поэтому узкий пучок фокусируется в одном месте­ экрана, а более широкий — в другом и вместо точки объекта на экране воспроизводится аберрационная фигура сложной формы.

Хроматическая аберрация обусловлена различием начальных скоростей электронов. Фокусное расстояние линзы для электронов с большими скоростями несколько больше, и поэтому они фоку­ сируются за пределами экрана, из-за чего пятно имеет вид раз­ мытой окружности. Эта аберрация легко устраняется повышением потенциала ускоряющего электрода. При потенциале порядка \-r-2 кВ с ней можно не считаться.

Сферическая аберрация (4.7б) характеризуется тем, что вме­ сто точки объекта появляется окружность. Электроны, влетающие

изображения. Происхождение комы объясняется асимметрией электронного пучка, испускаемого точкой объектива «А» вне оси,, относительно оси системы.

Астигматизм. При астигматизме (рис. 4.7г) аберрационная фи­ гура имеет вид эллипса, центр которого совпадает с изображением точки объекта. В некоторых случаях эллипс вырождается в пря­ мую или в окружность. Точки, лежащие на оси, при этом воспро­ изводятся без искажений. Астигматизм получается вследствие раз­ ного фокусного расстояния линзы для меридиальных и сагиталь-

249«