Основные характеристики электронных приборов. Применение электронных приборов и устройств

Глава тринадцатая. Двухэлектродные лампы и их применение для выпрямления переменного тока

13-1. Классификация и применение электронных приборов

Электроника изучает принцип действия, устройство и применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов.

Электронными называются приборы, в которых явление тока связано с движением только электронов при наличии в приборах высокого вакуума, исключающего возможность столкновения электронов с атомами газа. К этой группе приборов относятся, например, двух- и трехэлектродные лампы, некоторые фотоэлементы, электроннолучевые трубки и др.

Электронные приборы применяются в выпрямителях, усилителях, генераторах, приемных устройствах высокой частоты, а также в автоматике, телемеханике, измерительной и вычислительной технике.

Ионными называются приборы, в которых явление тока обусловлено движением электронов и ионов, полученных при ионизации газа или паров ртути электронами. К ним относятся газотроны, тиратроны, ртутные вентили и др.

Ионные приборы отличаются от электронных значительной инерционностью процессов, обусловленных огромной массой иона по сравнению с массой электрона, поэтому ионные приборы применяются в установках с частотой, не превышающей несколько килогерц - в выпрямителях средней и большой мощности в схемах автоматического управления механизмами и др.

Полупроводниковыми называются приборы, в которых ток создается в твердом теле движением электронов и «дырок», и используются свойства полупроводников.

В последние годы резко возросло применение полупроводниковых приборов вследствие ряда преимуществ их перед электронными и ионными приборами. Главные из них: малый расход энергии, малые размеры, масса и стоимость, значительная механическая прочность, большой срок службы и простота эксплуатации. В ряде областей радиотехники, энергетики, автоматики, телемеханики и вычислительной техники полупроводниковые приборы с успехом заменяют электронные и ионные приборы.

Электроника.

Лекционный курс.

Введение.

Темпы развития многих областей науки и техники в значительной степени связаны с развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства автоматики, вычислительной или измерительной техники.

В каждой из многочисленных отраслей современной техники электроника дает толчок качественно новому этапу развития, производит подлинную техническую революцию.

Электроника как наука (принято называть физической электроникой ) занимается изучением электронных явлений и процессов, связанных с изменением концентрации и перемещением заряженных частиц в различных средах (в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах) под воздействием различных условий (температура, давление, электрические и магнитные поля, излучения различного вида, в т. ч. и световые).

Задача электроники как отрасли техники (техническая электроника ) – разработка, производство и эксплуатация электронных приборов, устройств и систем самого различного назначения.

Эффективность электронной техники обусловлена высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов, важнейшими из которых являются электронные приборы.

С помощью электронных приборов удается преобразовывать неэлектрические виды энергий в электрическую и наоборот.

Исключительно велика роль электроники при создании средств вычислительной техники, в том числе высоко-эффективных электронных вычислительных машин (ЭВМ) и персональных компьютеров (ПК).

Классификация электронных приборов.

Электронные прибор, составляющие основу электроники, можно классифицировать по двум признакам:

По принципу работы;

По функциональному назначению.

По принципу работы электронные приборы могут быть разделены на четыре класса:

1. Электронные приборы – поток электронов движется между электродами, находящимися в высоком вакууме, т.е. в среде столь разряженного газа, что движущиеся электроны не испытывают столкновений с частицами газа.

2. Газоразрядные приборы – движение электронов в межэлектродном пространстве происходит в условиях столкновения их с частицами газа (с молекулами и атомами), что при определенных условиях приводит к ионизации газа, резко изменяющего свойства прибора. Такие приборы называются ионными .

3. Электрохимические приборы – принцип действия основан на явлениях, связанных с происхождением электрического тока в жидких телах с ионной проводимостью. Такие приборы работают на основе явлений, изучаемых электрохимией и электроникой – хемотроникой .

4. Полупроводниковые приборы – принцип действия основан на электронных явлениях в веществах, имеющих кристаллическое строение, для которого характерно закономерное и упорядоченное расположение атомов в пространстве. Связанные между собой атомы располагаются строго определенным способом, что образует кристаллическую решетку твердого тела.

По функциональному назначению электронные приборы могут быть разделены на три группы:

1. Электропреобразовательные – это приборы, в которых электрическая энергия одного вида (например, постоянного тока) преобразуется в электрическую энергию другого вида (например, переменного тока различной формы). К ним относятся выпрямительные, усилительные, переключающие, стабилизирующие приборы и т.п.

2. Электроосветительные – это приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию оптического излучения. К ним можно отвести электронно-световые индикаторы, ЭЛТ, знаковые индикаторы, лазеры, в т.ч. светоизлучающие диоды и т.д.

Вторая часть лекционного курса "Физическая электроника" - "Электронные приборы" посвящена основам функционирования вакуумных, твердотельных и газовых базовых электронных приборов. Курс состоит из лекций и лабораторного практикума.

Введение

Понятие электронных приборов. Разделение электронных приборов по общности физических процессов, лежащих в их основе. Основные функции. Классификация электронных приборов. Понятие характеристик электронных приборов.

Раздел 1. Вакуумные приборы

1.1. Вакуумные диоды

Диод – нелинейный двухполюсник. Эмиссия электронов с катода. Распределение потенциала в плоском диоде. ВАХ идеального вакуумного диода. Закон степени 3/2. Получение закона степени 3/2 из системы гидродинамических уравнений. Получение закона степени 3/2 с помощью метода анализа размерностей. ВАХ реального диода. Параметры диода – внутреннее сопротивление, крутизна характеристики, коэффициент усиления. Ток насыщения. Нагрузочная прямая. Мощность рассеяния на аноде. Параметры предельно допустимого режима.

1.2. Электронные лампы с сеткой.

Распределение потенциала и электрического поля в триоде. Управление током в триоде.

Эквивалентный диод. Действующее напряжение. Закон степени 3/2 для триода. Прямая и обратная проницаемость.

Семейства статических анодных и анодно-сеточных характеристик. Параметры триода. Внутреннее уравнение лампы. Семейство реальных характеристик. Островной эффект. Сеточные токи при положительном и отрицательном сеточном напряжении. Коэффициент токораспределения. Сеточные характеристики.

Динамические характеристики и параметры триода. Межэлектродные емкости. Предельно допустимая мощность. Режимы работы триода. Усилительный каскад. Схема с автоматическим смещением.

Недостатки триодов. Многосеточные лампы. Динатронный эффект. Лучевой тетрод. Работа тетрода. Пентод. Рабочий режим пентодов. Схемы включения. Эквивалентные схемы триодов и многосеточных ламп.

1.3. Электронно-лучевые приборы.

Устройство электронно-лучевой трубки. Электронный прожектор. Электростатические фокусирующие системы. Магнитостатические фокусирующие системы. Отклоняющие системы. Статическая чувствительность электронно-лучевых трубок. Искажение изображения. Развертка. Наблюдение переменных напряжений с помощью осциллографа. ЭЛТ-монитор.

1.4. Элементы вакуумной микроэлектроники.

Автоэлектронная эмиссия. Прохождение электронов через потенциальный барьер. Закон Фаулера-Нордгейма. Прямые Фаулера-Нордгейма. Тонкопленочные автоэмиссионные катоды, их изготовление. Экспериментальное определение их основных параметров. Конструкция вакуумного микродиода. Микротриод как элемент усилительной схемы. Сканирующий туннельный микроскоп. МАС. Другие применения автоэлектронной эмиссии.

Раздел 2. Полупроводниковые приборы.

2.1. Полупроводниковые диоды.

Типы полупроводников. Зонные диаграммы. Диффузионный и дрейфовый токи. р-n переход.

Распределение концентрации носителей заряда. ВАХ идеального диода. Формула Шокли. Тепловой ток.

ВАХ реального диода (ток рекомбинации, влияние сопротивления базы, ток генерации, ток утечки).

Емкости p-n перехода. Пробой p-n перехода. Влияние температуры на ВАХ диода.

Рабочий режим диода.

Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока.

Переходные процессы в p-n переходе; использование диодов в качестве переключателей.

Туннельный и обращенный диоды.

2.2. Транзисторы.

2.2.1. Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия. Структура транзистора. Токи и распределения носителей. Режимы работы. Схемы включения. Физические параметры транзисторов. Статические характеристики. Работа транзистора на высоких частотах. Работа транзисторов в импульсном (ключевом) режиме. Преобразование частоты полупроводниковыми приборами.

2.2.2. Полевые транзисторы. Устройство, принцип действия. Статические управляющие и выходные характеристики. Параметры. Схемы включения. Схемы питания транзистора.

2.2.3. МОП-транзисторы. Общий принцип работы. Статические характеристики.

2.3. Операционные усилители.

Принцип действия ОУ. Линейная модель ОУ. Основные параметры и характеристики. Идеальный операционный усилитель.

1. Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов

Электронные приборы – это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твёрдом теле, жидкости, вакууме , газе или плазме. Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.

Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.

Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно технологическим признакам, роду рабочей среды и т. д.

В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.

По виду рабочей среды различают следующие классы приборов: полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные, хемотронные (рабочая среда – жидкость). В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.

По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.

2. Режимы и параметры электронных приборов

Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы.

Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами.

Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом. Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т. д. Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим. Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора(например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.

3. Электропроводность материалов.

Применяемые в электронике полупроводники имеют монокристаллическую решётку. Каждый атом кристаллической решётки за счёт ковалентных связей прочно удерживается в узлах кристаллической решётки. В идеальной решётке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако небольшие энергетические воздействия могут привести к отрыву некоторых электронов от своих атомов, делая их способными перемещаться по кристаллической решётке. Такие электроны называются электронами проводимости. Энергетические состояния электронов проводимости образуют зону значений (уровней) энергии, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов образуют валентную зону. Между максимальным уровнем энергии валентной зоны W в и минимальным уровнем зоны проводимости W c лежит запрещённая зона. Ширина запрещённой зоны в W c определяет минимальную энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т. е. энергию ионизации атома полупроводника. Ширина запрещённой зоны для большинства полупроводников составляет 0,1 – 3 эВ.

4. Понятие электрохимического потенциала (уровня Ферми).

Вероятность нахождения свободного электрна в энергитическом состоянии W опредяляется функцией

Полупроводники с донорной примесью называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны. В случае полупроводника с акцепторной примесью электроны являются неосновными носителями заряда, дырки – основными носителями, а полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным, или полупроводником p-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны.

5.Собственная проводимость.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

1. Особенности полупроводников

дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Э лектронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд. В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

6. Примесная электропроводность полупроводниковых материалов.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь nпримеси > nполупроводник Мышьяк в германий nприм. =5; nп/прово-к=4

Каждый атом примеси вносит свободный электрон

Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны Не основные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь nпримеси < n полупроводник

Индий в германий nприм. =3; nп/прово-к=4 Каждый атом примеси захватывает электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.

7. Электрические переходы в полупроводниковых приборах

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твёрдого тела с различными типами или значениями проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n - и p-типа, называемый электронно-дырочным переходом, или p-n - переходом. Используются также переходы между областями с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости (n+-n; p+-p). Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси.

Широкое применение получили переходы металл-полупроводник. Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы).

Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах. Физические процессы в переходах лежат в основе действия большинства полупроводниковых приборов.

Широко применяются несимметричные p-n-переходы, в которых концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в другой

области – базе. В симметричных p-n-переходах концентрация акцепторов в p-области равна концентрации доноров в n-области.

8-9 Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

Контактная разность потенциалов.

Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе. Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области, а концентрация дырок в p-области больше, чем в n-области. Вследствие этого заряды будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, что приведёт к появлению диффузионного тока электронов и дырок.

На границе p - и n-областей создаётся слой, обеднённый подвижными носителями. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный заряд положительных ионов, а в дырочной области – нескомпенсированный заряд отрицательных ионов примесей. Таким образом, электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный – отрицательно.

Между областями полупроводника с различными типами электропроводности возникает электрическое поле напряжённостью Е. Образовавшийся двойной слой электрических зарядов называется запирающим, он обеднён основными носителями и имеет вследствие этого низкую электропроводность.

Вектор напряженности поля направлен так, что он препятствует диффузионному движению основных носителей и ускоряет неосновные носители. Этому полю соответствует контактная разность потенциалов ϕ k, связанная с взаимной диффузией носителей. За пределами p-n-перехода полупроводниковые области остаются нейтральными. Движение неосновных носителей образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. Итак, в условиях равновесия встречные дрейфовый и диффузионный токи должны быть равны, т. е.

Тогда выражение для контактной разности потенциалов ϕ k в p-n-переходе

10. Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, равновесное состояние нарушится, и в цепи будет протекать ток. Различают прямое и обратное включения p-n-перехода.

10.Прямое включение . Пусть внешнее напряжение приложено плюсом к p-области, а минусом – к n-области. При этом оно противоположно по знаку контактной разности потенциалов. Так как концентрация подвижных носителей в p-n-переходе значительно ниже, чем в p - и n-областях, сопротивление p-n-перехода значительно выше сопротивления p - и n-областей. Можно считать, что приложенное напряжение полностью падает на переходе. Основные носители будут двигаться к контакту, сокращая дефицит носителей в p-n-переходе и уменьшать сопротивление и толщину p-n-перехода. Поток основных носителей через контакт увеличится. Ток, протекающий через переход, в данном случае называется прямым, а напряжение, приложенное к переходу – прямым напряжением. Диффузия дырок через переход приводит к увеличению концентрации дырок за переходом. Возникающий при этом градиент концентрации дырок обусловливает диффузионное проникновение их в глубь n-области, где они являются неосновными носителями. Это явление называется инжекцией (впрыскиванием). Инжекция дырок не нарушает электрической нейтральности в n-области, т. к. она сопровождается поступлением из внешней цепи такого же количества электронов.

11.Обратное включение .

Если внешнее напряжение приложено плюсом к n-области, а минусом к – p-области, то оно совпадает по знаку с контактной разностью потенциалов В этом случае напряжение на переходе возрастает, и высота потенциального барьера становится выше, чем при отсутствии напряжения.

Направление результирующего тока противоположно направлению прямого тока, поэтому он называется обратным током, а напряжение, вызывающее обратный ток, называется обратным напряжением. Поле в переходе является ускоряющим лишь для неосновных носителей. Под действием этого поля концентрация неосновных носителей на границе перехода снижается и появляется градиент концентрации носителей заряда. Это явление называется экстракцией носителей.

Так как число неосновных носителей мало, ток экстракции через переход намного меньше прямого тока. Он практически не зависит от приложенного напряжения и является током насыщения.

Таким образом, p-n-переход обладает несимметричной проводимостью: проводимость в прямом направлении значительно превышает проводимость p-n-перехода в обратном направлении, что нашло широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов.

12. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения.

https://pandia.ru/text/78/661/images/image016_9.jpg" width="714" height="480 src=">

13. Свойства p-n-перехода

При больших отрицательных напряжениях в р-n -переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем р-n -перехода. Пробой перехода возникает при достаточно сильном электрическом поле, когда неосновные носителя зарядов ускоряются настолько, что ионизируют атомы полупроводника. При ионизации создаются электроны и дырки, которые, разгоняясь, снова ионизируют атомы и т. д., в результате чего диффузионный ток через переход резко возрастает, а на вольт-амперной характеристике р-n -перехода в области больших отрицательных напряжений наблюдается скачок обратного тока. Следует отметить, что после пробоя переход выходит из строя только тогда, когда происходят необратимые изменения его структуры в случае чрезмерного перегрева, который наблюдается при тепловом пробое. Если же мощность, выделяющаяся на р-n - переходе, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой называют электрическим (восстанавливаемым).
276" align="left">

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. В качестве структурных элементов диодов используют также p-i-, n-i-переходы, переходы металл-полупроводник, p+-p-, p+-n-переходы, гетеропереходы. Изготовляются также диоды с p‑i‑n‑, p+-p-n - и n+-n-p-структурами. Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды. Полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Основным элементом полупроводникового диода является р-n -переход, поэтому вольт-амперная характеристика реального диода близка к вольт-амперной характеристике р-n -перехода, приведенной на рисунке 3.3, г. Параметры и режим работы диода определяются его вольтамперной характеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока I от приложенного напряжения U . Типовая вольтамперная характеристика прибора показана на рисунке.

504" height="390 " align="center">

Рис. 2. Графические обозначения полупроводниковых диодов.

1 – общее обозначение (выпрямительный, импульсный, высокочастотный диод); 2 – стабилитрон; 3 – двуханодный стабилитрон; 4 – туннельный диод; 5 – обращенный диод; 6 – варикап; 7 – светодиод; 8 – фотодиод

17. Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования переменного тока с частотой от 50 до 20000 Гц в пульсирующий ток одного направления и широко используются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. В качестве полупроводникового материала для таких диодов используют кремний, реже германий и арсенид галлия. Принцип работы выпрямительных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Делятся на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество германиевых диодов – малое падение напряжения 0,3¼0,6 В при протекании прямого тока (по сравнению с 0,8¼1,2 В у кремниевых).

В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значение достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70¼80 °С, кремниевые – до 120¼150 °С, арсенид-галлиевые – до 150 °С.

Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. На более высокие напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых.

Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преимущественно из кремния.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воздуха) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости).

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

максимально допустимый прямой ток Iпр макс;

прямое падение напряжения на диоде Uпр (при Iпр макс);

максимально допустимое обратное напряжение Uобр макс;

обратный ток при заданном обратном напряжении Iобр (при Uобр макс);

диапазон рабочих температур окружающей среды;

коэффициент выпрямления Кв;

предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза.

18. Стабилитроны

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Принцип работы стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n-перехода при обратном смещении.

На обратной ветви ВАХ имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величины обратного тока (участок с электрическим пробоем p-n-перехода). В качестве стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. ВАХ стабилитрона изображена на рис. 5. Величина обратного напряжения, при котором начинает развиваться электрический пробой, в значительной степени зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примеси.

При напряжении менее 6 В в p-n-переходе диода преобладает туннельный пробой. В диапазоне от 6 до 12 В наблюдаются оба вида электрического пробоя – туннельный и лавинный, а выше 12 В преобладает лавинный пробой. С изменением температуры напряжение стабилизации Uст изменяется. Низковольтные и высоковольтные стабилитроны имеют противоположные изменения напряжения стабилизации при увеличении температуры. При туннельном пробое с ростом температуры Uст уменьшается, а при лавинном – возрастает. Для напряжений от 6 до 12 В влияние температуры незначительно, т. к. в переходе существуют оба вида пробоя.

Основными параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации;

минимальный Icт мин и максимальный Icт макс токи стабилитрона;

температурный коэффициент напряжения стабилизации

;

Полупроводниковые диоды, применяемые для стабилизации напряжений менее 1 В с использованием прямой ветви ВАХ, называют стабисторами.

19. Варикапы

В варикапах используется зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Они делятся на подстроечные, или варикапы, и умножительные, или варакторы. Варикапы используются для изменения резонансной частоты колебательных систем. Варакторы применяются для умножения частоты.

Основными специальными параметрами варикапов являются:

номинальная емкость Св, измеренная при заданном обратном напряжении Uобр;

коэффициент перекрытия по емкости https://pandia.ru/text/78/661/images/image028_13.gif" width="79" height="52"> – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь;

температурный коэффициент емкости – отношение относительного изменения емкости к вызывавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

Кроме рассмотренных диодов выпускаются туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, успешно работающие в диапазоне сверхвысоких частот (0,3…300 ГГц), а также фото - и излучательные диоды, используемые в фотоэлектрических и оптоэлектронных приборах и в качестве светоиндикаторных устройств.

20. Импульсные диоды

Предназначены для работы в цифровых и других устройствах импульсной техники. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую длительность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30¼40 мВт).

На работу импульсных диодов влияют эффекты накопления и рассасывания носителей заряда. При воздействии на диод коротких по времени импульсов начинает сказываться инерционность процессов рассасывания носителей и перезаряда его емкости. Время установления сопротивления прямовключенного p-n-перехода диода tуст определяется инжекцией носителей заряда, их диффузионным перемещением в глубь базы, которое уменьшает объемное сопротивление базы диода до своего стационарного состояния. После окончания прямоугольного импульса при обратном включении p-n-перехода первоначально резко увеличивается величина обратного тока вследствие интенсивного рассасывания неравновесных носителей с последующим его экспоненциальным уменьшением до стационарного значения теплового тока I0.Время восстановления обратного сопротивления перехода tвос до своего нормального значения определяется по формуле

,где vдр и vрек – скорости дрейфа и рекомбинации носителей в структуре, определяющие скорость рассасывания носителей, W – протяженность структуры диода между его выводами. Скорость дрейфа носителей зависит от напряженности поля, сравнительно невелика и имеет свой предел vнас. Для уменьшения tвос необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается технологией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых "ловушек" – центров рекомбинации. Параметры импульсных диодов те же, что и у высокочастотных диодов. Кроме того, к ним добавляются специфические параметры:

ü общая емкость диода Сд (десятые доли¼единицы пикофарад);

ü максимальное импульсное прямое напряжение Uпр макс и;

o максимально допустимый импульсный ток Iпр макс и;

ü время установления прямого напряжения tуст – интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного прямого напряжения (доли наносекунд¼доли микросекунд);

ü время обратного восстановления диода tвос – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд ¼доли микросекунд).

Для уменьшения tвос применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

ДНЗ – используется для формирования коротких прямоугольных импульсов. Это достигается за счет неравномерного легироания области диода. Для изготовления таких диодов применяются меза - и эпитаксиальная технология.

21. Диоды с накоплением заряда (ДНЗ).

В ДНЗ база изготовляется неравномерно легированной по длине. У таких диодов концентрация примеси в базе при приближению к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если база имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n-перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донор-

ной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими зарядами возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концентрируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается.

Для изготовления таких диодов применяются меза - и эпитаксиальная технология.

22. Диоды с барьером Шотки.

время обратного восстановления диода tвос – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд …доли микросекунд). Для уменьшения tвос применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

23 Туннельные и обращённые диоды

Принцип работы туннельного диода (TД) основан на явлении туннельного эффекта в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Это приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением при прямом напряжении. Известно, что частица, имеющая энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера, может пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется свободный энергетический уровень, который она занимала перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. Чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота, тем больше вероятность туннельного перехода. Туннельный переход совершается без затраты энергии. Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 2.26, а.

2.17. Параметры туннельных диодов

Пиковый ток I п (от сотен микроампер – до сотен миллиампер).

Напряжение пика U п – прямое напряжение, соответствующее току п I.

Ток впадины I в, соответствующий напряжению U в.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току в I. Напряжение раствора U p – прямое напряжение, соответствующее типовому току на второй восходящей ветви ВАХ, определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения.

24. Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды , изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р - и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода представлена на рис. 2.28.

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви обычного выпрямительного диода, а обратная ветвь аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, т. к. при обратных напряжениях происходит туннельный переход электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области и при малых обратных напряжениях (десятки милливольт) обратные токи оказываются большими. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление в них соответствует обратному включению, а запирающее – прямому включению. Благодаря этому их можно использовать в детекторах и смесителях на СВЧ в качестве переключателей.

Класс 2lg, 13,-„

СС Ср № 63799

4 рл И;,-..:,и- -., „р,Р анн оса

Зар гГГслГрировано в F>cg.c изо,",ретениГс Госплана СССР (\ г l.гв Г.

А. Г. Александров

Заявлено 31 января 1941 года в Наркомэлектропром эа X 40368 (304420) Опубликовано 31 гяая 1945 года

Настоящим изобретением предлагаетгя способ снятия статических характеристик электронных приборов с плавным электростатическим управлением.

Для ряда практических целей бывает необходимо иметь характеристики указанных приборов, снятые в зависимости от потенциала управляющего электрода при неизменных потенциалах на прочих электродах. Для ламп малой мощности эти характеристики обычно снимаются простым точечным способом. 3а последнее время появился ряд специальных устройств, позволяющих на экране электронного осциллоскопа получать сразу семейство статических характеристик.

Для мощных электродных ламп, например, мощных генераторных ламп, вопрос о снятии статических характеристик является более серьезным, так как их электроды, не рассчитанные на большие перегрузки, не в состоянии выдержать тех мощностей, которые могут рассеиваться на них при снятии полных статических характеристик.

Далее имеется ряд таких ламп, которые не в состоянии выдержать даже тех облегченных режимов, в которых они находились бы в специальных схемах для снятия семейства статических характеристик осциллоскопическим методом.

В ряде специальных физических исследований активированных сложных катодов, например, оксидных, бывает необходимо вести измерение тока электронной эмиссии в таких режимах, чтооы катод заметно не нагревался за счет наложения измеряемого тока на ток накала.

Указанные трудности легко разрешаются использованием предлагаемого способа, сущность которого может быть понята из последующего описания и рассмотрения фиг. 1 — 8 чертежа.

На фиг. 1 показана исследуемая электронная лампа 1, в цепь управляющего электрода которой периодически подаются узкие импульсы напряжения от сопротивления 14, включенного последовательно с источником смещаю щего сеточного напряжения о, заблокированног0 емкостью 9.

Периодические узкие импульсы напряжения получаются от конденсатора 25, заряжаемого от регулируеМого источника постоянного тока 21 через потенциометр 22 и

¹ 63799 сопротивления 28 и 24. Указанный конденсатор периодически вынужденно разряжается через тиратрон

26, периодически вынужденно зажигаемый при помощи пикового трансформатора 27, вторичная цепь которого включена последовательно с источником сме цающего напряжения 30 через потенциометр 29.

Для ограничения тока сетки в цепь сетки этого тиратрона введено ограничительное сопротивление 28.

Разряд конденсатора производится на безиндукционное сопротивление

14, включенное в цепь управляющего электрода исследуемой электронной лампы. Потенциалы на другие электроды подаются от источников постоянного тока 2, 3, 4 и т. д., которые могут быть регулируемы. Эти источники заблокированы достаточно большими емкостями 6, 7, 8 и т. д. с той целью, чтобы при прохождении через указанные электроды импульсов тока не было заметного снижения потенциалов на электродах и тем самым искажения снимаемых характеристик. Это обстоятельство имеет особенное значение в тех случаях, когда источники, питающие цепи электродов, маломощны и имеют большие внутренние сопротивления.

Напряжения источников 2, 3, 4, 5 могут быть измерены при помощи вольтметров постоянного тока 31, 82, 88, 34. В цепи электродов введены заранее известные безиндукционные сопротивления 10, 11, 12, 18, на которых получаются узкие импульсы падения напряжения при прохождении через них узких импульсов токов. Эти падения напряжения при помощи коммутатора 15 подаются к вспомогательному устройству, при помощи которого они могут быть поочередно измерены.

Вспомогательное измерительное устройство состоит из источника постоянного тока 17, потенциометра

16, вольтметра постоянного тока 18, вентиля 20 и индикатора тока 35.

На фиг. 2 сплошной линией показана во времени кривая напряжения, имеющегося непосредственно между сеткой и катодом тиратрона 26. Пунктирной линией на этой фигуре показана во времени кривая смещающего напряжения на потенциометре 29.

На фиг. 3 показана во времени кривая напряжения на конденсаторе 25, заряжающегося в течение времени 1, от источника 21 и в течение времени 1 разряжающегося на сопротивление 4. Таким образом период колебания равен t,+t,=Т.

Этот период, в свою очередь,равен периоду колебаний напряжения, подводимого к трансформатору 27. Колебания взяты вынужденными, так как в этом случае получается более четкая картина и обеспечиваются более точные измерения. Попутно следует указать еще и на то обстоятельство, что использование периодических колебаний имеет несомненные преимущества перед единичным импульсом. Дело в том, что метод периодических импульсов безусловно обеспечивает большую точность, отбрасывает элемент случайности и кроме того в значительной: мере экономит время, затрачиваемое на измерение.

На фиг. 4 показана во времени кривая напряжения, имеющегося непосредственно между сеткой и катодом исследуемой лампы. Как видно из этого графика, кривая сеточного напряжения имеет вид весьма узких импульсов. Максимальное значение кривой импульсов может быть легко регулируемо" либо изменением напряжения при помощи потенциометра 22, либо же изменением напряжения источника

5. Таким образом можно изменять" напряжение управляющего электрода (сетки).

На фиг. 5 показана во времени примерная кривая импульса тока в цепи любого из электродов. Эта кривая соответствует кривой фиг. 4.На фиг. 6 схематично показана во времени примерная кривая импульса в цепи какого-либо из электродов с сильно растянутой. осью времени. На этом же графике показаны пунктирные линии 2, 8, 4„ относящиеся к напряжению на по63799 тенциометре 16. Здесь показаны три случая. Линия 2 относится к тому случаю, когда напряжение на потенциометре 16 больше максимального значения на соответствующем безиндукцио ином сопротивлении в цепи того или иного электрода, т. е. Й„>1„,Р.

В этом случае вентиль 20 будет заперт, так как его анод отрицателен по отношению к катоду.

Кривая 2 на фиг. 6 относится к тому случаю, когда П„= I„,Ь.

Этот случай является критическим, для которого и производится измерение. Измерив при помощи вольтметра 18 напряжение на потенциометре в этом случае и, зная заранее данное сопротивление К легко определить значение импульса тока 1„,.

Кривая 4 на фиг. 6 относится к тому слiчаю, когда U„(I„,Â.

В этом случае анод вентиля 20 будет положителен по отношению к его катоду и через него пойдет ток, среднее значение которого будет измерено прибором 85. Появление тока будет служить признаком того, что критический режим перейден и поэтому требуется увеличивать напряжение на потенциометре 16.

В качестве вентиля 20 можно взять самый маленький кенотрон (диод), либо же триод, у которого сетка присоединена к аноду. Накал кенотрона следует питать от источника постоянного тока, причем общая точка должна быть выполнена на минусовом конце накального источника (для избежания влияния неэквипотенциальности катода и начальных скоростей электронов).

Кроме компенсационного метода измерения импульсов тока может быть использован и осциллоскопический или осциллографический метод. Для этой цели показанные пунктиром на фиг. 1 проводники

86 присоединяются к паре отклоняющих пластин осциллоскопа, дающих отклонение электронного луча по вертикали; другая же пара отклоня ющих пластин присоединяется к источнику с пилообразной кривой напряжения, причем этот источник синхронизирован с источником 27, подающим переменное напряжение в цепь сетки тиратрона

26. На экране осциллоскопа при этом появятся четкие импульсы падения напряжения (см. фиг. 5}, измерив которые при помощи предварительной градуировки и зн; я заранее значения безиндукционных сопротивлений в цепях электродов, можно определить и самые значения импульсов тока, При этом измерении обязательно следует применять электронный осцнлло коп или осциллограф. Применение шлейфного электромагнитного осциллографа должно дать значительные погрешности из-;-.а большой инерционности системы.

Способ подачи импульсов в цепь управляюшего электрода и измерения токов в цепи других электродов имеет ряд существенных преимуществ. Прежде всего в значительной мере у.меньшается мощность тиратрона, разряжающего конденсатор. Затем получается возможность измерения токов в цепи любого электрода при любых потенциалах на других электродах, чего нельзя иметь в том случае, когда импульс тока измеряется в цепи того электрода, к которому подводится импульс потенциала.

При настоящем способе лампа „отпирается" лишь в те моменты, когда на управляющий электрод подается импульс потенциала. В остальное время на управляю:цем электроде находится достаточно большой (по абсолютному значению) отрицательный потенциал.

Примерные статические характеристики, получаемые предлагаемым способом, приводятся на фигурах

Предмет изобретения

1. Способ снятия статических характеристик электронных приборов с плавным электростатическим управлением, отли чающи и с я тем, что в цепь управляющего электрода последовательно с регулируемым напряжением смещения пе№ 63799 риодически подают имеющее форму узких импульсов напряжение от заряжаемого от постороннего источника и периодически вынужденно разряжаемого при помощи тират рона конденсатора, а к другим электродам обследуемого электронного прибора через заранее известные безиндукционные сопротивления прикладывают регулируемые напряжения от источников постоянного тока, заблокированных емкостями, причем, получающиеся при этом MQKcHMBJlbHblp. значенИя импульсов токов в цепях этих электродов измеряют по импульсам падения напряжения на указанных выше сопротивлениях, к которым через вентиль и индикатор тока прикладывают регулируемое компенсирующее напряжениее.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся применением для измерения максимальных значений импульсов в цепях электродов обследуемой электронной лампы электронного.осциллоскопа или осциллографа., одна пара отклоняющих электродо", которого присоединена к концам или части сопротивлений, введенных в цепи электродов, а к другой паре отклоняющих электродов подведено пилообразное напряжение, синхронизованное с источником переменного напряжения, подаваемого в цепь управляющего электрода тиратрона, периодически разряжающего конденсатор.

Техн. редактор М. В. Снольякьва

Отв. редактор Д. А. Михаилов

Типография Госпланнздата, ни. Воровского, Калуга

Л!49953. Подписано к печати 25 XI 1946 г. Тираж 500 экз. Цена 65 коп. Зак. 325