3. Электронные приборы

Электронными приборами называются устройства, принцип действия которых основан на распространении электрических зарядов в вакууме, разреженном газе или твердом материале.

В зависимости от среды распространения электрических зарядов электронные приборы делятся на электровакуумные , ионные и полупроводниковые.

Электровакуумными приборами называются устройства, принцип действия которых основан на распространении электрических зарядов (электронов) в вакууме. В баллонах этих приборов создается достаточно высокое разрежение газа, которое составляет Па.

Ионными приборами называются устройства, принцип действия которых основан на распространении электрических зарядов (ионов) в разреженном газе или парах ртути. Баллоны этих приборов заполняются инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.), их смесью, водородом или парами ртути при давлении Па.

Полупроводниковыми приборами называются устройства, принцип действия которых основан на распространении электрических зарядов (электронов проводимости) в полупроводниках.

К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектронные приборы и др.

Электронные лампы (диоды, триоды, тетроды и т.д.) в настоящее время используются для возбуждения и усиления колебаний в мощных передающих системах.

Электронно-лучевым прибором называется электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевой прибор, имеющий форму трубки, вытянутой вдоль луча обычно называют электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Различают ЭЛТ с электростатическим и магнитным управлением луча, а также одно-, двух- и многолучевые приборы. Используются в осциллографах, радиолокационной технике, в мониторах компьютеров и телевизионных приемниках.

К электровакуумным фотоэлектронным приборам относятся устройства, электрические свойства которых изменяются под действием падающего на них излучения. К ним относятся электровакуумные фотоэлементы (приборы с фотоэлектронным катодом) и фотоэлектронные умножители – устройства, в которых ток фотоэлектронной эмиссии усиливается с помощью вторичной электронной эмиссии.

Особую группу составляют передающие телевизионные трубки, к которым относятся устройства, служащие для преобразования изображения в электрические сигналы.

3.3.6. Биполярные транзисторы

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронными переходами, служащий для усиления мощности и имеющий три и более выводов.

Транзисторы делятся на биполярные и полевые. Биполярными называют транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей обеих полярностей. Конструкция такого транзистора схематически показана на рис.3.3.16,а.

- 124 –

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода и три выходных клеммы: эмиттер, база и коллектор. Эмиттер (Э) служит для образования (источником) носителей заряда. База (Б) управляет величиной потока носителей, проходящих от эмиттера к коллектору, т.е. является управляющим электродом. Коллектор принимает носители заряда, испускаемые эмиттером. Концентрация примесей в эмиттере и коллекторе выше, чем в базе. Ширина базы меньше или сравнима с длиной свободного пробега носителей.

Схемы включения транзисторов приведены на рис.3.3.17.

Режимы работы транзистора:

• активный – эмиттерный p-n переход включается в прямом направлении, коллекторный в обратном направлении;

• насыщения – оба p-n перехода включаются в прямом направлении;

• отсечки - оба p-n перехода включаются в обратном направлении;

• инверсный – эмиттерный p-n переход включается в обратном направлении, коллекторный в прямом.

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме с общей базой, работающего в активном режиме (рис.3.3.18,а). Энергетическая диаграмма транзистора в отсутствии внешних электрических напряжений приведена на рис.3.3.18,б.

Так как концентрация примесей в коллекторе и эмиттере больше, чем в базе, то p-n переходы смещены в сторону базы, что приводит к уменьшению ее ширины.

- 125 -

Пусть напряжение эмиттер - база , а напряжение коллектор – база . Энергетическая диаграмма приведена на рис.3.3.19,а.

-

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения увеличивается число основных носителей (дырок), переходящих из эмиттера в базу. Вблизи эмиттерного перехода в базе увеличивается концентрация дырок, а следовательно увеличивается положительный объемный заряд, который мгновенно компенсируется электронами, поступающими в базу от источника напряжения. Цепь тока эмиттер база оказывается замкнутой.

Электроны, поступающие в базу, устремляются к эмиттерному переходу и создают вблизи него отрицательный объемный заряд, почти полностью компенсирующий положительный объемный заряд, образованный дырками, т.е. вблизи эмиттерного перехода возникает область с повышенной концентрацией электронов и дырок. В результате в базе возникает диффузионный ток неосновных носителей, направленный к коллектору. Так как ширина базы выбирается меньше длины свободного пробега носителей заряда, то подавляющее большинство дырок (практически 99% и более), инжектированных из эмиттера, не успевает рекомбинировать с электронами в базе и, попадая в ускоряющее поле коллекторного перехода, втягиваются в коллектор, образуя коллекторный ток (ток экстракции). В результате в этом случае даже при отсутствии коллекторного напряжения коллекторный ток отличен от нуля.

При включении обратного напряжения коллектора поле в коллекторном переходе увеличивается. Однако это не приводит к значительному увеличению коллекторного тока, так как независимо от величины ускоряющего поля в коллектор поступают практически все дырки, которые подходят к коллектору и число которых определяется лишь числом инжектированных в базу дырок и их рекомбинацией в базе.

Так как к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, то ток через этот переход, а следовательно, и коллекторный тоr сильно зависит от , возрастая по экспоненциальному закону.

Эмиттерный ток равен сумме базового и коллекторного тока, т.е.

или (3.3.10)

- 126 -

. (3.3.11)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших коллектора, определяется коэффициентом передачи эмиттерного тока

, (3.3.12)

который для современных транзисторов составляет .

Превышение коллекторного тока над базовым определяется коэффициентом передачи базового тока

. (3.3.13)

Учитывая (3.3.11) и (3.3.12), можно найти связь между α и β:

. (3.3.14)

Так как α , то β >> 1.

Основными характеристиками транзистора, полностью определяющие его свойства, являются статические характеристики .

На рис.3.3.20 приведены семейства статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. Это зависимости (а) и (б).

Семейство зависимостей называются входными статическими характеристиками, а семейство - выходными характеристиками транзистора.