ременных составляющих токов ic, ia и напряжений ис, иа, систе
му уравнений для линейного четырехполюсника запишем в сле
дующем виде:
(11.4, а)
(11.4, б)
Эти уравнения можно представить в виде некоторой схе мы замещения (рис. 11.8, а), в которой ис и ic являются входны
ми, а иа и ia - соответственно выходными напряжениями и то
ками. Если ic =О, то схема замещения превращается в эквива
лентную схему анодной цепи триода с генератором тока Sue (рис. 11.8, б). На этой схеме учтено и сопротивление нагрузки. Решая уравнение (11.4, б) относительно иа и учитывая, что SR; =
= µ, получаем
(11.5)
Этому выражению соответствует эквивалентная схема анодной
цепи с генератором напряжения, представленная на рис. 11.8, в,
где изображено и сопротивление нагрузки.
Проведенное рассмо.трение справедливо не только для три
ода. Если тетрод или пентод используются с усилительной схе
мой, то цепи экранирующей и защитной сеток заземлены по пе
ременной составляющей. Защитная сетка обычно соединена с
катодом и через большую емкость, шунтирующую резистор
смещения в цепи катода, подключена к земле. Экранирующ&я
сетка также через большую емкость обычно соединяется с зем
лей. Поэтому в цепях этих электродов не выделяются перемен ные напряжения. Входной цепью усилителя на тетроде или
пентоде, как и усилителя на триоде, является цепь управляю- '
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 323
sйс
-[а
Увых
иа
Рис. 11.9
щей сетки. Усиленное напряжение снимается с анодной нагруз ки, и анодная цепь лампы оказывается выходной. Таким обра
зом, схемы на рис. 11.8 могут служить еще и эквивалентными
схемами для тетрода или пентода.
При рассмотрении работы лампы на высоких частотах ха
рактеристические проводимости лампы из-за наличия распре
деленных реактивностей (включая междуэлектродные емкос
ти) становятся комплексными величинами. Эквивалентная схе
ма лампы на высоких частотах для случая, когда Ja
определяется только входной проводимостью, будет иметь вид,
представленцый на рис. 11.9. (Здесь jc' ja' uc, ua - комплекс
ные токи и напряжения соответственно.)
В этом случае проводимости лампы могут быть определены
В вакуумных интегральных схемах (ВИС) активными эле
ментами являются электровакуумные лампы с размерами, близ
кими к размерам интегральных транзисторов. Электровакуумные
микролампы по своим свойствам во многом подобны полевым
транзисторам. Вакуумные интегральные триоды называют также
вакуумными полевыми транзисторами, а их электроды - катод, сетка,
анод называются соответственно эмиттер, затвор, коллектор.
Воснове работы ВИС лежат те же физические явления, что и
воснове работы рассмотренных электровакуумных триодов.
11·
1)
2)
3)
324
Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
ВИС обладают рядом уникальных характеристик, в частности, скорость электронов в них может быть намного больше, чем в любом полупроводнике, их частотные свойства лучше частот
ных свойств кремниевых ИС и сравнимы со свойствами арсе нид-галлиевых. Кроме того, ВИС обладают лучшей радиацион ной стойкостью. При изготовлении ВИС используется хорошо отработанная технология полупроводниковых ИС.
Одной из основных проблем при создании ВИС является разра
ботка холодных (неподогреваемых) эмиттеров (катодов). В ВИС используется в основном электростатическая (автоэлектронная)
эмиссия.
Наиболее исследованы интегральные триоды, устройство
которых вклюЧает холодный эмиттер (катод), управляющий
электрод (затвор - аналог управляющей сетки) и коллектор (анод).
Можно выделить четыре типа холодных катодов, используе-
мых в ВИС:
полупроводниковые (кремниевые) решетки эмиттеров; металлические катоды; структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП
структуры);
4) обратносмещенные р-п-переходы, диоды Шоттки и р i-п-диоды.
Структуры планарных приборов, создаваемых с использова нием катодов 1-го и 2-го типов, во многом схожи (рис. 11.10).
При изготовлении металлических эмиттеров 2 (см. рис. 11.10)
используется диэлектрическая изолирующая подложка 1 (на пример, стеклянная), на которой и формируется решетка
эмиттеров. Расстояние между электродами (катод - 2, уп равляющий электрод - 3, анод - 4) колеблется от десятых
долей микрона до нескольких микрон; радиус закругления
кончика эмиттера - 20... 30 нм; напряжение на коллекторе -
от единиц до десятков, а иногда и до нес
кольких сотен В. В таких условиях в облас-
ти эмиттера создается поле с напряженностью
около 107 В/см, которое достаточно для соз
дания силы, необходимой для выхода элект
ронов из катода, т. е. для осуществления
1
2
3
электростатической эмиссии. С помощью та
ких эмиттеров МО'!<НО получить ПЛОТНОСТЬ тока
Рис. 11.10
102... 103 А/см2.
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением
325
Хорошими эмитирующими свойства
А!
ми обладают и МДП-структуры (диоды)
(рис. 11.11). В эмиттерах такого типа работа выхода полупроводника (обычно п-кремния) меньше работы выхода ме талла Аl.
Металл и полупроводник разделены пленкой (15 ... 20 мкм) диэлектрика (Si02)
(см. рис. 11.11). При подаче прямого сме щения между Al и n-Siэлектроны из n-Siчерез пленку Si02 туннелируют
AuSb
n-Si
вметалл и занимают энергетические
уровни выше уровня Ферми металла ЕФ м
Рис. 11.11
(рис. 11.12, а), тем самым снижая его ра-
боту выхода и обеспечивая эмиссию электронов из структуры (кривая 1 на рис. 11.13).
Если же на рассматриваемую структуру катода подать обрат
ное смещение («МИНУС» ИСТОЧНИКа ПОДКЛЮЧаеТСЯ К Металлу,
1
1
рис. 11.12, б), то электроны будут туннелировать через Si02 из ме талла в полупроводник и ток потечет подобно тому, как это проис ходит для малых напряжений при прямом смещении. Однако при
увеличении обратного напряжения обедненная область простира
ется все больше и больше в полупроводник, т. е. приложенное на
пряжение падает в основном на обедненном слое полупроводника.
Это ограничивает число электронов, туннелирующих через оксид
ный слой, что вызывает насыщение тока (кривая 2 на рис. 11.13).
j, А/см2
10
1
U>O
.)_-
/
2
И<О
1
/
/
10-1
1
/
/
10-2
/
/
а)
б)
'/
10-3
0,5 1
1,5
и,в
Рис. 11.12
Рис. 11.13
326 Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
~А
~А
Иу
1
2
+
3
lОнм
иа
р
]
р+
Рис. 11.14
Рис. 11.15
Катоды на основе обратносмещенных р-п-переходов относятся к
самым эффективным и хорошо изученным. Пример устройства
таких катодов представлен на рис. 11.14.
Между тонкой п+-областью и pt-,р+-областями создается об ратное смещение. Рабочий (эмитирующий) р-п-переход форми
руется между областями Pt и п+. Этот переход смещается в об
ласть лавинного пробоя. Возникающая лавина локализуется практически на поверхности А1-структуры. Образующаяся в ре зультате пробоя электронно-дырочная плазма и является источ ником эмиссии электронов с поверхностиА1 (см. рис. 11.14). Под
действием поля, формируемого напряжениями Иу и Иа, прило женными к управляющему электроду УЭ и аноду А (коллектору),
электроны перемещаются к аноду (коллектору). Одним из сущест
венных достоинств таких холодных кремниевых катодов .являет
ся то, что форму активной эмитирующей электроны поверхности
можно выбирать.
Эффективность эмиссии и электронная температура зависят от степени легирования областей структуры (п+ и pt), от про
и очень сильно - от условий на поверхности А1• Качественно
эти зависимости можно объяснить следующим образом.
Степень легирования и профиль легирования определяют вели
чину и пространственное распределение электрического поля вну
три обедненного слояр+-п+-перехода и, следовательно, скорость и
функцию распределения электронов в переходе. Часть этих элект ронов (наиболее быстрые, горячие) эмщируется в вакуум. Для уменьшения работы выхода электронов с поверхности и, следова-
Глава 11. Электровакуумные приборы с электростатическим управлением 327
А
УЭ
ш
к
Рис. 11.16
Рис. 11.17
· тельно, увеличения тока эмиссии поверхность А1 покрывают це-
1 зием. Такими методами получена плотность тока до 8000 А/см2 •
Были разработаны и исследованы также катоды на основе
переходов Шоттки, р-i-п-диодов. Они имеют структуры, по
добные рассмотренным для р-п-перехода.
Примеры устройств вакуумных микротриодов плоской и вер
тикальной конструкции приведены на рис. 11.15-11.17.На рис. 11.15катод1 изготовлен в виде острия из кремния. Между массивной частью :катода и уnравляющим электродом (сеткой) 2,
выполненным из металлической пленки, располагается диэлект рический слой Si02 (3). Структура на рис. 11.15 выполнена на
плоскости (поверхности) диэлектрической подложки и накры вается диэлектрическим пустотелым колпачком. Аналогично функционируют и структуры, показанные на рис. 11.16 и 11.17. Однако в отличие от плоских микротриодов (см. рис. 11.16, 11.17) прибор на рис. 11.15 может быть сделан и в вертикальном
исполнении. В этом случае анод впаивается в диэлектрический колпачок, через который делаются выводы других электродов.
--0--------
1 Контрольные допросыli---------
1. Что такое работа выхода и какой физический смысл имеет это понятие?
2. Какие физические механизмы имеют место при различных
видах эмиссии электронов?
3. Физические процессы в диодах; Анодные характеристики и
параметры диодов.
328
Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
4. Устройство и физические процессы в триодах.
5.Объяснить анодные и анодно-сеточные характеристики три
одов. Параметры триодов.
6.Устройства, физические процессы, параметры и характерис
тики тетродов и пентодов.
7. Мощные модуляторные и генераторные лампы, их особен
ности, параметры и характеристики.
8.Эквивалентные схемы электровакуумных приборов.
9.Вакуумные интегральные схемы, их особенности, разно
видности и устройство.
10. Каковы особенности катодов интегральных схем?
Глава 12
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
12.1. Классификация, устройство и принцип действия электронно-лучевых приборов
Элекrронно-лучевыми приборами называются такие электрова
куумные приборы, в которых используются сформированные в
виде лучей потоки электронов. Различают одно-, двух- и многолу чевые приборы. Приборы, у которых форма баллона выполнена наподобие трубки, называют элекrронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).
Основным классификационным признаком для электронно лучевых приборов является назначение приборов. Различают
следующие виды электронно-лучевых приборов: приемные ЭЛТ,
печивающие вывод информации из ЭВМ, последовательности электрических сигналов преобразуются в определенную форму
Глава 12. Электронно-лучевые приборы
329
видимого изображения. В передающих трубках, наоборот, опти ческое изображение преобразуется в последовательность элект
рических сигналов.
Взапоминающих трубках возможно как преобразование элект рических сигналов в изображение и изображения в последователь ность электрических сигналов, так и то и другое преобразования.
Для формирования и управления электронными потоками в ЭЛТ могут использоваться или только одни электрические поля (ЭЛТ с электростатическим управлением), или же электрические и магнитные поля (ЭЛТ с магнитным управлением).
Вконструкциях большинства видов электронно-лучевых
приборов имеются следующие основные элементы: электронный прожектор 1, отклоняющая система 2, экран, или мишень 3 (рис. 12.1).
Втрубках с магнитным управлением используются также магнитные фокусирующие катушки 4 (рис. 12.1, б).
Электронный прожектор, который часто называют электронной пушкой, создает и фокусирует электронный пучок (поток) в элек тронный луч. Он состоит из :катода и, как правило, из нескольких электродов, формирующих электронный луч с заданными (необ ходимыми) энергетическими и геометрическими характеристи :ками. Отклоняющая система сканирует (перемещает) луч, сфор мированный прожектором, по заданному закону в пространстве. Отклонение осуществляете.я: или с помощью взаимно перпенди кулярных двух пар пластин определенной формы (электростатиче
ское отклонение, см. рис. 12.1, а), или с помощью ортогонально расположенных двух пар магнитных катушек (магнитное отклоне ние, см. рис. 12.1, б). При магнитном управлении используются
не только фокусирующие катушки, но и магнитные отклоняю
щие системы. На экране (мишени) происходит преобразование кинетической энергии электронов в оптическое излучение или в
Принцип работы большинства электронно-лучевых трубок сво
дится к следующему. Электроны луча, сфокусированные и ус
коренные прожектором, поступают в отклоняющую систему,
где под действием электрических и магнитных полей осуществ
ляется пространственное перемещение луча.
После отклоняющей системы электронный луч попадает на экран, представляющий собой конструктивный элемент ЭЛТ со
слоем люминофора, нанесенного на дно баллона трубки_. При от сутствии отклонения электронный луч формирует в центре эк рана маленькое яркое пятно. Для отвода вторичных электронов,
выбиваемых лучом с поверхности экрана, на внутреннюю по
верхность трубки наносите.я проводящий слой 5 (см. рис. 12.1, б), соединенный с прожектором. В трубках с магнитным управле
нием для фокусировки используется магнитная фокусирующая
катушка.
12.2.Электронный прожектор
сэлектростатической фокусировкой
Вэлектронном прожекторе, состоящем обычно из катода и
нескольких электродов, происходит управление величиной то ка и плотностью электронного потока (фокусировка).
Управление плотностью (интенсивностью) электронного по
тока позволяет менять яркость пятна на экране ЭЛТ. Управле
ние плотностью тока осуществляется за счет изменения харак
теристик электрического поля в основном в межэлектродных
областях. Катод в ЭЛТ обычно выполняется в форме небольшого цилиндра 2, внутри которого помещен подогреватель 1 (рис. 12.2).
Эмитирующей частью является дно цилиндра, покрытое оксид ным слоем. Катод располагаете.я внутри другого цилиндра с от-
2 4
1
3
5
6
8
Рис. 12.2
Глава 12. Электронно-лучевые приборы
331
верстпем, являющегося управляющим электродом (модулятором) 3. Основное назначение модулятора - изменение тока электрон ного луча 7, и его действие подобно действию управляющей сет
ки в триоде. На модулятор подается небольшой отрицательный относительно катода потенциал Им· В пространстве между като
дом и модулятором формируется неоднородное электрическое
поле 4, изменяющее объемный заряд около катода. Зависимость
катодного тока I" от потенциала модулятора, которая называет
ся модуляционной характеристикой I" = f(Uм), в ЭЛТ несколько от
личается от закона трех вторых и может быть выражена сле
дующим соотношением:
I
к = Ь (
и
- и
)r
\ИмО
\3/2 '
мИмо
мо
(12.1)
где Им, Имо - напряжение на модуляторе и запирающее напря жение в В; Iк - ток катода в мкА; Ь и у- коэффициенты про
порциональности: Ь = 2,3 ... 3, у= 2,5 ... 3,5.
Отличие формулы (12.1) от закона трех вторых обусловлено
тем, что ток катода зависит не только от потенциала модулято
ра, но и от величины поверхности катода, охваченной полем с по
ложительным градиентом потенциала. Кроме того, в трубках с
электростатическим управлением при малых отрицательных по
тенциалах на модуляторе, и, следовательно, при большой эмити·
рующей поверхности катода увеличивается диаметр луча и часть
электронов не пропускается диафрагмой. В трубках с магнитной
фокусировкой ограничивающие диафрагмы отсутствуют и ток
луча близок к катодному току. По аналогии с триодом для напря
тизна модуляционной характеристики Iк = f(Uм) при постоял·
ном напряжении 2-го анода Иа = const и Иа = Иуэ или Иа = Иal
(напряжение ускоряющего электрода или первого анода 5 (см. рис. 12.2), т. е. электрода, который расположен сразу за модуля тором и имеет положительный потенциал). Как уже отмечалось,
электронный прожектор содержит электроды, с помощью кото
рых осуществляется не только управление плотностью электрон-
