2. Електронні лампи та їх застосування. Електронно-променева трубка

Основною властивістю двохелектродних ламп є їх одностороння провідність. Тому вони застосовуються для перетворення змінного струму в постійний, а також для детектування струмів високої часто­ти в приймачах та у вимірювальних приладах. Тепер для цього зде­більшого використовують напівпровідникові діоди.

Найпростіша схема однопівперіодного лампового випрямляча по­казана на рис.4. Змінний струм від трансформатора (рис. 5, а) подається на діод.

Оскільки крізь двохелектродну лампу струм про­ходить за умови, що анод матиме позитивний, а катод — негативний потенціал, то струм проходитиме крізь резистор R тільки протягом проміжків часу, що відповідають додатним значенням напруги(рис. 5, б; 0 –1/2, Т – 3/2 Т). Випрямлений струм і напруга будуть пульсуючими з частотою джерела змінного струму. Така форма за­лежності напруги або сили струму від часу в більшості випадків не­придатна для живлення радіоапаратури, яка потребує постійної на­пруги не тільки за знаком, а й за значенням. Тому пульсації напруги

треба згладити. Найпростіший спосіб згладжування пульсацій поля­гає в увімкненні паралельно з навантажувальним резистором R кон­денсатора С. Конденсатор С, заряджаючись анодним струмом при додатному значенні напруги U₂, запасає енергію, а при від'ємному значенні U₂ (анодного струму немає) є джерелом струму. Внаслідок цього крізь навантажувальний опір проходитиме згладжений струм (рис. 5, в).

Однопівперіодні випрямлячі застосовуються для живлення висо­ковольтних кіл електронно-променевих трубок (в індикаторах радіолокаційних станцій, телевізорах, електронних осцилографах тощо) та в інших пристроях, де потрібна висока напруга (десятки кіловольт) при малій силі струму (кілька міліампер). У цьому разі конденсатор не встигає помітно розрядитись на навантажувальному резисторі за час півперіоду, коли зміна напруги має від'ємні значен­ня, і пульсації випрямленої напруги будуть незначними. Недоліком таких випрямлячів є те, що вони однопівперіодні, тобто їхній ко­ефіцієнт корисної дії менший за 50%.

У триелектродній електронній лампі (рис. 6), яку називають тріодом, між катодом і анодом розміщують третій електрод (сітку). Принцип дії триелектродної лампи полягає в керуванні силою анод­ного струму за допомогою напруги U_c, прикладеної між сіткою і ка­тодом. Тому сітку тріода називають керуючою

Зміна напруги U_с зумовлює зміну електричного поля, що діє на просторовий заряд біля катода. Незначна зміна сіткової напруги значно змінює анодний струм за досить малих витрат енергії джерела сіткової напруги. Якщо на сітку подається позитивний потенціал відносно катода, то сіткова напруга U_c допомагає аноду притягувати до себе електрони, оскільки позитивний заряд сітки компенсує частково або пов­ністю гальмівну дію просторового заряду біля катода. Внаслідок цього сила анодного струму І_а збільшується. При цьому частина електронів по­трапляє на сітку, утворюючи сітковий струм І_с. Якщо на сітку подається негативний потенціал відносно катода, то дія просторово­го заряду посилюється і сила анодного струму зменшується, а сітко­вого струму не буде.

У триелектродних лампах при не дуже високих частотах зміна анодного струму відбувається практично одночасно зі зміною сітко­вої напруги, тобто вона майже безінерційна. Властивість безінерційності тріода втрачається при досить високих частотах зміни на­пруги на сітці, коли час пробігу електрона від катода до анода одна­кового порядку з періодом зміни U_c.

Оскільки сітка розміщується ближче до катода, ніж анод, то її по­ле впливає сильніше на силу анодного струму, ніж поле анода. Отже, для отримання однакової зміни анодного струму сіткову напругу змінюють значно менше, ніж анодну. Це дає можливість підсилюва­ти напругу, введену в коло сітки. Підсилення відбувається завдяки енергії джерела анодної напруги. Якщо в колі анода ввімкнути на­вантажувальний опір, то при проходженні крізь нього анодного стру­му І_а виникаєспад напруги U_R. Незначна зміна сіткової напруги AU_C спричиняє значну зміну напруги AU_R (рис. 7).

Крім двох- і триелектродних ламп для різних цілей виготовляють багатоелектродні лампи різних конструкцій.

Явище термоелектронної емісії лежить також в основі роботи електронно-променевої трубки. Це електровакуумний прилад, в якому для світлової індикації, комутації та інших цілей використовують тонкий електронний пучок, що має діаметр близько десятих часток міліметра. Формування такого пучка здійснюється за допомогою си­стеми електродів, яку називають електронним прожектором або електронною гарматою.

Електронний пучок, спрямований уздовж осі трубки, потрапляє на люмінесціюючий екран — шар речовини (наприклад, оксиду цин­ку, кремнекислого цинку), нанесений на внутрішню поверхню скля­ної трубки. У трубці створено високий вакуум. На екрані, куди по­трапляє електронний пучок, виникає світна пляма. Різні люмінофо­ри дають свічення того чи іншого кольору. У трубках для візуального спостереження свічення зелене або жовте, а в трубках для фотогра­фування осцилограм — синє.

На шляху електронного пучка під прямим кутом одна до одної розміщено дві пари металевих пластин. Якщо між кожною з пар пластин немає різниці потенціалів, то вони не впливають на електронний пучок. Якщо на якій-небудь парі пластин створити різницю потенціалів, то на електрони пучка, що пролітають в електричному полі між пластинами, діятиме сила в напрямі до пластини позитив­ного потенціалу. Внаслідок дії цієї сили електронний пучок зазнає відхилення від початкового напряму і світна пляма на екрані від­повідно зміститься відносно центра екрана. Це зміщення про­порційне різниці потенціалів відхиляючих пластин.

За допомогою електронно-променевих трубок здійснюють пере­творення електричних сигналів у світлові (осцилографічні трубки, індикаторні радіолокаційні трубки, кінескопи, знакодрукарські трубки); світлових сигналів, від інфрачервоних до рентгенівських, у електричні (передавальні телевізійні трубки); електричних сигналів в електричні ж (запам'ятовуючі, кодувальні трубки, трубки для електрозапису тощо).

Домашнє завдання.

1. Написати доповідь або реферат на тему: «Застосування вакуумних ламп »

Тема: Електричний струм в напівпровідниках. Напівпровідникові прилади. Напівпровідники. Порівняльна характеристика провідників, діелектриків і напівпровідників. Залежність опору провідника від температури та освітленості. Власна та домішкова провідності напівпровідників Електронно-дірковий перехід. Напівпровідникові діод і тріод; їхнє застосування. Поняття про мікросхеми

Основні положення та означення.

Напівпровідники — широкий клас речовин, електро­провідність яких за значенням менша від електропровідності металів і більша від електропровідності діелектриків. Характерною особливістю напівпровідників є зростання електропровідності з підвищенням температури (елек­тропровідність металів зменшується з підвищенням температури). До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (германій, силіцій, селен, телур) і багато хімічних сполук. Усі речовини, що ма­ють властивості напівпровідників, поділяють на три групи: атомні, або елементарні, напівпровідники, які мають атомну кристалічну гратку; напівпровідники з іонною кристалічною граткою, наприклад, сульфід кадмію CdS, сульфід свинцю PbS; напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули, такі, наприклад, як карбід силіцію SiC, арсенід галію GaAs, антимоніт індію InSb.

До групи атомних напівпровідників належать 12 хімічних еле­ментів, компактно розміщених посередині періодичної таблиці еле­ментів (рис. 1).. На відміну від атомів металу в атомах

напівпровідників зовнішні електрони досить міцно зв'язані з ядром, тому при утворенні з таких атомів кристала зовнішні електрони зали­шаються у складі своїх атомів.

Розрізняють власні й домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками (наприклад, Si, Ge, Se, SiC, GaAs, InSb), а їхню електропровідність — власною провідністю.

Власна провідність.

Типовими напівпровідниками є елементи IV гру­пи періодичної системи елементів Менделєєва — германій і силіцій. Вони утворюють кристалічну гратку, кожний атом в якій зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами. Ковалентний зв'язок між атомами здійснюється електронними парами — двома електронами. Спрощена плоска схема розміщення атомів у кристалі Ge зобра­жена на рис. 2 (справжнім розміщенням атомів є просторове), де подвійними лініями позначено ковалентні зв'язки, а чорними круж­ками — валентні електрони. В ідеальному кристалі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків і тому при абсолютному нулі температури власний напівпровідник, як і діелектрик, має нульо­ву електропровідність.

З підвищенням температури теплові коливання ґратки можуть розірвати окремі ковалентні зв'язки, внаслідок чого в кристалі з'яв­ляється деяка кількість вільних електронів. У покинутому електро­ном місці виникає надлишковий позитивний заряд +е — ство­рюється позитивна квазічастинка, яку називають діркою (на рис. 2 дірка зображена світлим кружком). Дірка поводить себе як позитив­ний заряд, що дорівнює за значенням зарядові електрона. Місце дірки може заповнити електрон однієї із сусідніх пар, на місці елект­рона знову утворюється дірка і т. д. Через це електрон і дірка хаотич­но блукають у кристалі. Якщо вільний електрон зіткнеться з діркою, то вони рекомбінують, тобто електрон нейтралізує надлишковий по­зитивний заряд і втрачає спроможність вільного переміщення. У мо­мент рекомбінації вільний електрон і дірка зникають одночасно.

Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю п-типу. У зов­нішньому полі електрон валентної зони може переміститись на місце дірки на вищому сусідньому рівні, а дірка з'явиться на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електрона­ми рівнозначний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власних напівпровідників, зумовлену квазічастинками — дірками, називають дірковою провідністю або провідністю р-типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності — електронний і дірковий.

Домішкова провідність.

Введення домішок у напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівпровідника. Під домішками розуміють як атоми або іони сторонніх елементів у вузлах основного кристала, так і порожні вузли та механічні дефек­ти (тріщини, зсуви, що виникають при деформації кристала, і под.). У більшості випадків домішки вводять спеціально для надання напівпровідникові потрібних властивостей. Наприклад, домішка

у кристалі силіцію одного атома бору на 10⁵ атомів силіцію збільшує провідність кристала в 1000 разів при кімнатній температурі.

Розглянемо домішкову провідність на прикладах кристалів гер­манію і силіцію, якщо деякі атоми у вузлах цих кристалів замінити атомами, валентність яких відрізняється на одиницю від валентності основних атомів. Припустимо, що в кристалі германію невелику час­тину атомів чотиривалентного германію заступають атоми п'ятивалентного фосфору. Для утворення ковалентних зв'язків із сусідніми атомами германію атомові фосфору достатньо чотирьох електронів. П'ятий електрон не бере участі в утворенні хімічного зв'язку і при малій енергії зв'язку зі своїм атомом може відірватись від нього зав­дяки енергії теплових коливань ґратки. Внаслідок цього утворюється вільний електрон, який хаотично рухається в кристалічній гратці і може брати участь в електропровідності, а в околі атома фосфору виникає зв'язаний із цим атомом надлишковий позитивний заряд (рис. 3, а). Утворення вільного електрона не супроводиться розри­вом ковалентного зв'язку, тобто на його місці не виникає дірка. Над­лишковий позитивний заряд поблизу атома фосфору не може пе­реміщатись по гратці і в електропровідності участі не бере. Завдяки цьому зарядові атом п'ятивалентної домішки може захопити елек­трон провідності, який наблизиться до нього. Атоми домішки, які постачають електрони провідності в кристалах, називають донорами.

Отже, у напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одини­цю більша від валентності основних атомів, є тільки один вид носіїв заряду — електрони. Напівпровідники з такою провідністю назива­ють електронними або напівпровідниками п-типу.

Припустимо тепер, що у кристалічну гратку чотиривалентного силіцію введена домішка тривалентних атомів бору (рис. а). Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення ковалентних зв'язків із чотирма найближчими атомами силіцію. Не-укомплектований зв'язок є тим місцем в околі атома бору, яке може захопити електрон від пари ковалентного зв'язку одного із сусідніх атомів силіцію. На місці розірваного зв'язку утворюється дірка, а по­близу атома бору виникає надлишковий негативний заряд. Цей заряд зв'язаний з атомом домішки і не може створювати струм. Зате дірка може бути заповнена електроном, відірваним від іншої пари зв'язку; тобто дірка не локалізується в кристалі, а внаслідок послідовного за­повнення електронами хаотично переміщується по гратці як вільний позитивний заряд. Крім утворення дірок, у кристалі відбувається та­кож зворотний процес. Розрив одного із чотирьох зв'язків атома домішки супроводжується звільненням електрона. Утворені таким чином електрон і дірка рекомбінують при зіткненні.

Отже, у напівпровідниках із домішкою, валентність якої на оди­ницю менша від валентності основних атомів, виникають носії заря­ду тільки одного виду — дірки. Провідність у цьому разі називають дірковою, а напівпровідник з дірковою провідністю — напівпровідни­ком р-типу.

На відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність напівпровідників зу­мовлена в основному носіями заряду одного знака: електронами — у разі донорної домішки і дірками — у разі акцепторної. Ці носії за­ряду називають основними. Крім основних носіїв, у напівпровідниках з домішковою провідністю є також неосновні носії заряду.