Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ББК 32.94—5
ФЗЗ
Ф 33 Федосеева Е. О., Федосеева Г. П. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. — М.: Искусство, 1990. — 240 с.
В учебнике рассматриваются электронные процессы при прохождении электрического тока в полупроводниках, вакууме, разреженном газе. Излагаются характеристики, параметры н принципы действия полупроводниковых, электровакуумных, газоразрядных, электронно- оптнческнх и фотоэлектронных приборов, используемых в кинематографии и видеотехнике. Даются основы микроминиатюризации электронных изделий, а также классификация, виды и обозначения интегральных микросхем и оптронов.
Для учащихся кннотехннкумов; также может использоваться учащимися радиотехнических техникумов и ПТУ и инженерио-техииче- скимн работниками кинофикации.
ББК 37.95ББК 37.952302030100—153 ф 15—90
ББК 37.95
ББК 37.95
025(01)—90
Елена Осиповна ФедосееваГалина Павловна Федосеева
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Редактор В. С. Богатова. Художник Л. А. Зубова. Художествен-ный редактор Т.М. Зверева. Технический редактор Р.П. Бачек.Корректор Т. И. Иванова.
ИБ 4210. Сдано в набор 24.01.90. Подписано к печати 03.09.90. Формат издания60x 88/16. Бумага книжно-журнальная. Гарнитура типа Таймс. Печать офсетная.Усл. печ. л. 14,7. Усл. кр.-отт. 14,7. Уч.-изд. л. 14,637. Изд. № 16836. Тираж30 000. Заказ № 788. Цена 75 коп.
Издательство «Искусство», 103009 Москва, Собиновский пер., 3.
Отпечатано с пленок Ярославского полиграфкомбината в Ленинградской типо-графии №4 ордена Трудового Красного знамени Ленинградского объединения«Техническая книга» им. Евгении Соколовой Государственного комитета СССРпо печати. 191126 Ленинград, Социалистическая ул., 14.
ISBN 5—210—00243—8©Федосеева Е. О., Федосеева Г. П., 1990 г.
ОТ АВТОРОВ
Книга «Основы электроники и микроэлектроники» является учебником для учащихся кинотехникумов и соответствует программе одноименного курса по специальности «Эксплуатация кинообрудования и видеотехники».
Современная электроника представляет собой обширную область науки и техники, на основе которой создана и бурно развивается электронная промышленность. Электронные и микроэлектронные изделия используются практически во всех областях народного хозяйства, во всех исследовательских учреждениях, в учебном процессе, в медицине и в быту.
Стратегия социально-экономического развития страны требует всемерно ускорить научно-технический прогресс. Одним из важнейших направлений научно-технического прогресса наряду с развитием атомной энергетики и комплексной автоматизации является развитие электроники. Одновременно ставится задача совершенствовать работу по подготовке кадров для проектирования, создания и эксплуатации сложнейшего современного электронного оборудования и компьютерной техники.
В книге основное внимание уделено элементной базе современных электронных устройств. Рассматриваются физические явления и электронные процессы при прохождении электрического тока в полупроводниках, а также в вакууме и разреженном газе. Изложены устройство, принцип действия, параметры, характеристики, свойства и применение полупроводниковых приборов, электронных ламп, электронно-оптических, фотоэлектронных и газоразрядных приборов, используемых в кино- и видеотехнике: полупроводниковых диодов, стабилитронов, транзисторов, тиристоров, однопереходных транзисторов, триодов, пентодов, лучевых тетродов, электроннолучевых трубок, фотодиодов, фотоумножителей, светоизлучающих диодов, неоновых ламп, а также интегральных микросхем и оптронов.
Главное внимание уделяется физическим процессам и объяснению характеристик и параметров приборов в соответствии с этими процессами.
Схемотехническая сторона использования электронных приборов и микросхем в данном учебнике подробно не рассматривается, поскольку изучение этих вопросов предусмотрено программами специальных предметов.
Книга может быть полезна для учащихся средних специальных учебных заведений связи и радиоэлектроники, профессионально-технических училищ, готовящих киномехаников, а также для инженерно-технических работников кинофикации.
Авторы выражают признательность рецензентам — зав. кафедрой кинотелевизионной техники Ленинградского института киноинженеров к. т. н. доценту В. Г. Андронову и преподавателю Львовского кинотехникума Г. А. Полищук за ценные замечания и рекомендации, способствовавшие улучшению рукописи при ее доработке.
Все пожелания и критические замечания по книге будут приняты авторами с признательностью. Отзывы просьба направлять по адресу: 103009 Москва, Собиновский пер., 3, издательство «Искусство», редакция литературы по художественным проблемам массовой коммуникации.
ВВЕДЕНИЕ
Роль и значение электроники
Электроника — это область науки и техники, изучающая теорию работы и практическое использование полупроводниковых и электровакуумных приборов в различных электронных устройствах и системах.
Во всех электронных приборах осуществляется преобразование либо одного вида электрического тока в другой (постоянного — в переменный и наоборот), либо одного вида энергии в другую (например, электрической в световую и наоборот) за счет управления потоком заряженных частиц.
Современная электроника охватывает обширный круг вопросов, связанных с исследованием физических явлений, происходящих при прохождении электрического тока в полупроводниках, вакууме и газе, а также с разработкой и применением приборов и устройств, основанных на этих процессах.
Новейшим и прогрессивным направлением электроники является микроэлектроника, бурно развивающаяся на основе микроминиатюризации электронной аппаратуры. Ее элементной базой являются не отдельные электрорадиодеталй, а интегральные микросхемы, каждая из которых представляет собой функциональный узел электронного устройства, сформированный в едином полупроводниковом кристалле.
Одно из важных направлений современной электроники — радиоэлектроника, занимающаяся разработкой и применением электронной аппаратуры для целей радиовещания, радиолокации, радионавигации, космонавтики, телевидения, звукового кино, связи. Другое направление — промышленная электроника, обеспечивающая внедрение электронных устройств во все отрасли народного хозяйства, науки и техники, быта как для электроэнергетики, так и для целей измерения, контроля и управления различными промышленными объектами и автоматизации технологических и производственных процессов.
Значение электроники трудно переоценить. Она играет важнейшую роль в решении всех задач, стоящих перед народным
хозяйством. Без электроники немыслимы ускорение социально- экономического развития страны, всемерная интенсификация и повышение эффективности производства на базе научно-технического прогресса.
Техника кинематографии и видеотехника базируются на использовании электронных устройств, в которых применяются полупроводниковые и электровакуумные приборы. Например, при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кинофильма световой поток от читающей лампы кинопроектора проходит сквозь фонограмму на фотодиод или фотоумножитель, который преобразует световые колебания в электрические. Однако мощность этих колебаний слишком мала, чтобы привести в действие громкоговоритель кинозала. Поэтому слабые электрические колебания подают на электронный усилитель, который увеличивает их мощность до величины, требуемой на входе громкоговорителя.
В усилителях и источниках питания электронной аппаратуры используют полупроводниковые диоды, транзисторы, электронные лампы. В видеотехнике помимо этого необходимы электроннолучевые трубки.
Классификация электронных приборов
Типы и функции электронных приборов весьма разнообразны. Классификацию этих приборов можно производить по различным признакам. Основными из них являются принцип действия, вид преобразования энергии и назначение прибора.
По принципу действия электронные приборы делят на полупроводниковые и электровакуумные.
Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. В этих приборах электронные процессы происходят либо на границе двух полупроводников с разными типами электропроводности или на границе полупроводника с металлом, либо в объеме полупроводника. К ним относятся полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, фотодиоды, светодиоды и другие.
Электровакуумными называют приборы, действие которых основано на прохождении электрического тока за счет движения электронов между электродами через вакуум или газ.
Для создания вакуума из баллона прибора откачивают воздух до давления, не превышающего 10-6 гПа. При таком высоком вакууме в процессах участвуют только электроны. К таким приборам относятся электронные лампы, электроннолучевые трубки, фотоумножители и другие.
Электровакуумные приборы, действие которых основано на
процессах при ионизации намеренно введенного инертного газа или паров ртути, называют газоразрядными. При прохождении электрического тока через газоразрядный прибор в процессах участвуют как электроны, так и положительные ионы газа. К газоразрядным приборам относятся газотроны, неоновые лампы, цифровые индикаторы тлеющего разряда, газоразрядные источники света и другие.
По виду преобразования энергии различают электропреобразовательные, фотоэлектронные и электронно-оптические приборы.
Электропреобразовательные приборы преобразуют один вид электрической энергии в другой ее вид.
Фотоэлектронные приборы преобразуют энергию оптического излучения (световую) в электрическую, а электронно-оптические, наоборот, — электрическую в энергию оптического излучения.
По назначению электропреобразовательные приборы подразделяют на выпрямительные, усилительные и генераторные.
Выпрямительные приборы преобразуют переменный ток промышленной частоты в постоянный ток, а также осуществляют детектирование высокочастотных колебаний в радиотехнике. К ним относятся полупроводниковые диоды.
Усилительные приборы предназначены для увеличения мощности электрических колебаний различной частоты, а также постоянного тока. К ним относятся транзисторы, триоды, многоэлектродные лампы. Усилительные приборы могут выполнять функцию вырабатывания электрических колебаний разной частоты за счет потребления постоянного тока. В этом случае они являются генераторными приборами и преобразуют постоянный ток в переменный.
Краткий исторический обзор развития электроники
Современная электроника как важнейшая отрасль науки и техники развивалась на основе физики и электротехники на базе тех открытий и изобретений, которые были сделаны в конце XIX — начале XX века, но корнями своими уходят в более далекие времена. В 1752 г. М. В. Ломоносов и Б. Франклин почти одновременно и независимо друг от друга показали на опытах, что гром и молния представляют собой явления, сопровождающие мощный электрический разряд в атмосфере. В 1785 г. Ш. Кулон обнаружил утечку электрических зарядов через воздух, т. е. темный разряд.
Следующее, XIX столетие ознаменовалось большим количеством важнейших открытий и изобретений, приведших к возникновению электроники. Русский электрик П. Н. Яблочков исследовал электрическую дугу и в 1876 г. практически применил ее для освещения. В 1872 г. А. Н. Лодыгин изобрел электрическую осветительную лампу с нитью накаливания, которая является прообразом электровакуумного прибора. В 1883 г. Томас Эдисон обнаружил прохождение электрического тока в вакууме между раскаленной нитью и положительной пластинкой. Однако он не мог ни объяснить, ни применить это явление. Оно было объяснено лишь после открытия в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном существования электронов и успехов физики в области разработки электронной теории строения вещества.
Открытое Т. Эдисоном явление получило практическое применение в 1904 г. — при создании англичанином Д. Флемингом двухэлектродной электронной лампы и использовании ее для выпрямления переменного тока.
В 1907 г. Ли де Форест в Америке ввел в электронную лампу третий электрод и обнаружил усилительные свойства этой лампы — триода.
Изобретение радио в 1895 г. русским ученым А. С. Поповым и появление электронных ламп способствовало бурному развитию радиотехники.
В России в 1910 г. В. И. Коваленков продемонстрировал макет усилителя на триоде. Первые электровакуумные триоды, наполненные парами ртути, были разработаны академиком Н. Д. Папалекси в 1914 г., а первые вакуумные приемноусилительные лампы создал М. А. Бонч-Бруевич в 1916 г. Однако в технически отсталой царской России эти изобретения, как и многие другие, не были использованы, поскольку не существовало электровакуумной промышленности. Она начала развиваться только после Октябрьской революции.
Началом развития отечественной радиоэлектронной промышленности следует считать создание в 1918 г. по инициативе В. И. Ленина радиолаборатории в Нижнем Новгороде. Она явилась научной и одновременно производственной базой для развития радиоэлектроники в Советском Союзе. В ней под руководством М. А. Бонч- Бруевича работали крупные ученые и инженеры, такие, как В. П. Вологдин, А. Ф. Шорин, О. В. Лосев. Ими были разработаны и освоены в производстве радиоприемные лампы и мощные генераторные лампы для радиопередатчиков.
Дальнейшее развитие радиотехники потребовало разработки более сложных электронных ламп: в 1924—1926 гг. был создан тетрод, в 1930—1931 гг. — пентод, в 1934—1935 гг. — многосеточные и комбинированные лампы.
Параллельно с Нижегородской радиолабораторией с 1917 г. в Москве и Петрограде в области радиоэлектроники работали ячейки физиков, превратившиеся впоследствии в крупные лаборатории и научно-исследовательские институты. В них создавались радиолампы, разрабатывалась теория- электронных процессов, изучались фотоэлектрические явления. В 1922 г. в Петрограде на базе лаборатории, руководимой А. А. Чернышевым и С. А. Векшинским, был создан электроламповый завод, получивший в 1928 г. название «Светлана».
Одновременно с электронными лампами развивались газоразрядные приборы: в 1908 г. В. П. Вологдиным разработаны ртутные выпрямители, в 1929—1931 гг. созданы газотроны, тиратроны, затем стабилитроны, неоновые лампы и другие.
Для развития способов передачи изображения и измерительной техники создавались фотоэлектронные и электронно-оптические приборы. В 1887—1889 гг. А. Г. Столетов вывел основной закон фотоэлектронной эмиссии, на основании которого был создан первый фотоэлемент. Углубление теории этой работы дал А. Эйнштейн, установив в 1905 г. второй закон фотоэлектронной эмиссии. В 1932—1934 гг. советские ученые С. А. Векшинский, П. В. Тимофеев, Л. А. Ку- бецкий разработали фотоумножители.
В России одну из первых электроннолучевых трубок для осциллографа предложил в 1910—1911 гг. Д. А. Рожанский, а в 1912 г. профессор Б. Л. Розинг продемонстрировал возможность использования электроннолучевых трубок для передачи и приема телевизионного изображения. Созданием передающих и приемных электроннолучевых трубок занимались советские ученые П. В. Шмаков, П. В. Тимофеев, С. И. Катаев.
На современном этапе развития электроники полупроводниковые приборы практически вытеснили электровакуумные почти во всех областях науки и техники. Интересна история их развития. Еще в 1874 г. А. С. Попов обнаружил выпрямительные свойства контактов между металлом и некоторыми сернистыми соединениями, а в 1900 г. он впервые применил в своем приемнике кристаллический детектор в виде графитовой пластинки и металлической иглы. Однако физические основы действия полупроводниковых приборов еще не были изучены и полупроводники долгое время не находили технического применения.
О. В. Лосев, изучая полупроводниковые кристаллы в Нижегородской радиолаборатории, разработал в 1922 г. радиоприемник с использованием такого
кристалла. Дальнейшие его работы привели в 1923 г. к обнаружению в кристаллах явления свечения, что позднее легло в основу создания светоизлучающих диодов и лазеров. Долгое время внедрение полупроводников в радиотехнику тормозилось недостаточным знанием их свойств, отсутствием теоретической и технологической базы для их создания. Широкое исследование полупроводников проводили в 30-е годы советские ученые под руководством академика А. Ф. Иоффе. Большой вклад в развитие полупроводниковой техники внесли Б. В. Курчатов, Б. Т. Коломиец, Д. Н. Наследов и другие физики исследованиями фотоэлектрических явлений в полупроводниках.
В 1940 г. были изготовлены первые точечные германиевые и кремниевые диоды. В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и У. Браттейн разработали и изготовили первый германиевый точечный транзистор. В 1951 г. были созданы плоскостные транзисторы. В 1952 г. У. Шокли разработал теорию плоскостных транзисторов, а также полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Позднее появились тиристоры, фотодиоды.
Первые отечественные транзисторы были созданы в 1949 г. А. В. Красиловым и С. Г. Мадояном. В 1950 г. предложены кремниевые СВЧ-диоды, а в 19(51 г,— германиевые; в 1954 г. — солнечные батареи. В 60-е годы разработаны новые методы технологии изготовления полупроводниковых структур, предложены МОП-структуры, получено когерентное излучение полупроводников, появились туннельные диоды, варикапы, СВЧ-транзисторы, эффективные светоизлучающие диоды.
Все это положило начало бурному развитию полупроводниковой электроники, возникла лазерная техника. В 1964 г. за большой вклад в развитие квантовой радиофизики советским ученым Н. Г. Басову и А. А. Прохорову была присуждена Нобелевская премия. В 1972 г. Ж. И. Алферов создал инжекционные лазеры.
Полупроводниковая электроника вошла во все отрасли науки и техники. Ее успехи создали базу для развития микроэлектроники, которая позволяет решить проблему уменьшения массы, габаритов и стоимости электронной аппаратуры при одновременном увеличении ее сложности, расширении функций и повышении надежности.
Микроэлектроника занимается исследованием, разработкой, конструированием, изготовлением и применением микроэлектронных изделий. Ее основные направления — интегральная и функциональная микроэлектроника.
Интегральная микроэлектроника создает микроэлектронные изделия на базе интегральных схем. Технология их изготовления основана на объединении всех элементов электронного узла, аналогичных обычным радиодеталям, внутри или на поверхности полупроводникового кристалла. Каждый элемент формируется в определенном микроучастке кристалла. При этом все элементы и их межсоединения создаются в едином технологическом процессе, после чего кристалл герметизируется в корпусе с выводами для внешних соединений. Полученная интегральная микросхема выполняет определенную функцию преобразования электрического сигнала и является законченным узлом устройства — усилителем, выпрямителем, фильтром, логическим элементом ЭВМ и т. п.
Функциональная микроэлектроника создает функциональные приборы и микросхемы. Они отличаются от интегральных микросхем тем, что не имеют элементов, аналогичных радиодеталям, — диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Для преобразования сигналов в них осуществляется превращение одного вида энергии в другой за счет использования различных свойств веществ и явлений в твердом теле, как связанных, так и не связанных с электропроводностью: фотоэлектрических, оптических, магнитных, электрохимических, тепловых, ультразвуковых и т. д. В зависимости от используемых явлений различают направления функциональной микроэлектроники. Одним из них, получившим широкое распространение, является оптоэлектроника, основанная на преобразовании электрических сигналов в оптические и наоборот. Для этого служат оптопары, содержащие светоизлучающие диоды и фотодиоды, используемые в приборах, называемых оптронами.
Первые разработки в области интегральных микросхем появились в конце 50-х начале 60-х г. В 1961 —1962 гг. начали создавать отечественные микросхемы на биполярных транзисторах, а в 1964 г. — на полевых транзисторах. С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем.
„ В настоящее время микроэлектроника создает сверхбольшие и сверхбыстродействующие микросхемы и микропроцессоры. Одновременно все большее развитие получает функциональная микроэлектроника.
Постоянное совершенствование производства полупроводниковых приборов идет по пути разработки новых технологических процессов и методов использования новых материалов, широкого внедрения автоматизации и механизации производственных процессов.
Раздел 1.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 1.1.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Строение и энергетические свойствакристаллов твердых тел
Все вещества по электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
По величине удельной электрической проводимости полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают особыми свойствами, связанными с физической сущностью механизма их электропроводности. На этих свойствах основан принцип действия разнообразных полупроводниковых приборов, их характеристики и область применения.
Чтобы рассмотреть структуру и энергетические свойства кристаллических твердых тел, к которым относятся кремний и германий — полупроводники, получившие наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов, — следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдельного атома.
Из электронной теории строения вещества известно, что наименьшей частицей химического элемента является атом; он имеет ядро, вокруг которого движутся электроны, создавая электронную оболочку. Суммарный отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядра, так что в нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Двигаясь вокруг ядра по определенным орбитам, электроны удалены от ядра на разные расстояния и, соответственно, обладают разной по величине энергией: чем дальше от ядра, тем больше энергия электрона и тем слабее он связан с ядром. Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и слабее всего связаны с ядром.
Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определенными значениями энергии, именуемыми разрешенными. Эти значения энергии называют энергетическими уровнями. Распределение электронов по энергетическим уровням носит название диаграммы энергетических уровней, или энергетической диаграммы. Пример такой диаграммы для изолирован-
ного атома дан на рис. 1.1, а. По вертикали отложено значение величины энергии, а соответствующий энергетический уровень показан горизонтальной линией (по горизонтали ничего не откладывают). В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться одновременно не более двух электронов, имеющих разные направления вращения вокруг своей оси (противоположные спины).
Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)
Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)
Рис. 1.1. Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на энергетические зоны в кристалле (б)
Если атом находится в нормальном состоянии и не поглощает извне энергию, то все нижние разрешенные энергетические уровни заняты электронами; переход электрона с одного уровня на другой невозможен. Более высокие разрешенные уровни остаются не занятыми электронами и называются свободными. Переход электрона на более высокий свободный энергетический уровень, т. е. на более удаленную от ядра орбиту, возможен лишь при поглощении им извне строго определенной порции энергии, равной разности значений энергии свободного и занятого этим электроном уровней, В этом случае атом переходит в возбужденное состояние.
Возбуждение атомов может осуществляться за счет воздействия любого вида энергии — тепловой, световой, электрической, магнитной, причем внешняя энергия может поглощаться электронами только строго определенными порциями — квантами. Возбужденное состояние атома очень неустойчиво. Оно длится всего стомиллионную долю секунды, и атом возвращается в нормальное состояние, что сопровождается переходом электрона обратно на свой прежний энергетический уровень. Переход атома из возбужденного в нормальное состояние сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта электромагнитных излучений независимо от того вида энергии, под воздействием которого ранее произошло возбуждение атома.
Если количество поглощенной извне дополнительной энергии
достаточно велико, то электрон совсем отрывается от атома, т. е. происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс — соединение свободного электрона и положительного иона в нейтральный атом — носит название рекомбинации и сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна затраченной ранее на ионизацию атома.
При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных атомов как бы расщепляются на ряд близко расположенных, но отделенных друг от друга (дискретных) уровней, образующих энергетические зоны (рис. 1.1.6). При этом сохраняется, как и в отдельном атоме, принцип Паули, в соответствии с которым на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположным направлением вращения вокруг собственной оси.
Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля Г = О К, образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными электронами, называется валентной зоной.
Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не занятые электронами при Г = О К, образуют в кристалле свободную зону; ее нижняя часть, уровни которой могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию, называется зоной проводимости. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, участвуют в создании электрического тока под действием приложенного к кристаллу напряжения, так как эти электроны не связаны с атомами, являются свободными и могут перемещаться по кристаллу. Электроны, находящиеся в заполненной зоне, связаны с атомами и не могут осуществлять электропроводность вещества.
В различных по характеру электропроводности веществах валентная зона и зона проводимости либо примыкают друг к другу, либо отделены запрещенной зоной. Запрещенная зона представляет собой полосу таких значений энергии Д№, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Наличие запрещенной зоны характерно для полупроводников и диэлектриков; у металлов ее нет.
Энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков при Г = О К представлены на рис. 1.2. На этих диаграммах валентная зона, заполненная электронами, показана более толстыми сплошными линиями, а зона проводимости, в которой при этих условиях нет электронов, — тонкими линиями.
В металлах при образовании кристаллической решетки все валентные электроны атомов, имея слабую связь с ядром, уже при небольшой дополнительной энергии отрываются от атомов
и становятся свободными. Они совершают хаотическое тепловое движение внутри кристалла между узлами кристаллической решетки, в которых располагаются положительные ионы — остатки атомов, потерявших валентные электроны. Под действием электрического поля свободные электроны движутся направленно, обеспечивая высокую удельную электрическую проводимость. Эти свойства отражает энергетическая диаграмма металла (рис. 1.2, а), на которой валентная зона непосредственно граничит с зоной проводимости или даже частично перекрывается ею. Это означает, что практически все валентные электроны легко могут перейти на свободные уровни в зону проводимости; для этого достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при температуре, отличной от абсолютного нуля.
Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)
Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)
Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)
В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной (рис. 1.2,6). Это означает, что для перевода валентного электрона в зону проводимости ему нужно сообщить извне определенную дополнительную энергию, зависящую от ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны AU^ — это энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся на верхнем энергетическом уровне валентной зоны, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень зоны проводимости. Она измеряется в электрон-вольтах (эВ) и составляет для полупроводников от десятых долей до 2—3 эВ. Например, ширина запрещенной зоны германия равна 0,72 эВ, кремния— 1,12 эВ. У германия она уже, так как у него не три, а четыре слоя электронной оболочки, в результате чего валентные электроны слабее связаны с ядром. Сравнительно небольшая величина запрещенной зоны у полупроводников служит причиной того, что уже при некотором значении температуры, отличном
от абсолютного нуля, часть электронов получает достаточную энергию для перехода в зону проводимости.
Если дополнительная энергия, сообщаемая валентным электронам, превышает величину Д^з, то они могут переходить с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости. Таким образом, число свободных электронов при повышении температуры возрастает, электрическая проводимость полупроводника увеличивается, а электрическое сопротивление уменьшается.
Наличие запрещенной зоны в энергетической диаграмме полупроводника объясняется особым строением его кристаллической решетки, в которой валентные электроны образуют связи между соседними атомами. По этой причине в полупроводниках значительно меньше свободных электронов, чем в металлах, а следовательно, меньше удельная электрическая проводимость.
В диэлектриках, имеющих кристаллическую структуру, подобную полупроводникам, ширина запрещенной зоны значительно больше — до 6—10 эВ (рис. 1.2, в) ; это объясняется более прочными связями валентных электронов с атомами в кристаллической решетке. Поэтому в них практически нет свободных электронов, а удельная электрическая проводимость ничтожно мала. В связи с этим их используют в качестве электрических изоляторов. Значительное увеличение электрической проводимости диэлектрика может произойти только при очень большом нагреве или сильном электрическом поле, когда валентные электроны получают большую дополнительную энергию, отрываются от атомов и становятся свободными; наступает пробой диэлектрика.
Электропроводность беспримесных полупроводников
Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от присутствия даже ничтожного количества примесей. Рассмотрим сначала химически чистый, т. е. беспримесный, полупроводник. Его кристаллическая структура показана на рис. 1.3. на примере кремния.
Кремний, как и германий, является элементом IV группы Периодической системы элементов Менделеева и имеет во внешней оболочке четыре валентных электрона. При образовании кристалла каждый атом, находясь в узле кристаллической решетки, создает связи с четырьмя соседними атомами. Каждая связь образуется парой валентных электронов (одним — от данного атома и другим — от соседнего) и называется ковалентной. Оба электрона ковалентной связи в кристалле вращаются по орбите, охватывающей оба атома, которые они связывают, и удерживаются в этой связи силами притяжения к ядрам этих атомов. Элементарная объемная часть такой решетки представляет собой
геометрическую фигуру, показанную на рис. 1.3, а. На условном плоскостном изображении кристаллической решетки кремния (рис. 1.3, 6) кружочками в узлах показаны остатки атомов без валентных электронов, причем цифра + 4 означает положительный заряд такого остатка; двумя линиями между соседними атомами изображены ковалентные связи и валентные электроны в них. Около каждого атомного остатка четыре валентных электрона компенсируют его положительный заряд, так что кристалл в целом остается электрически нейтральным. На рис. 1.3,6 один атом в центре выделен для наглядности пунктирной окружностью.
Рис. 1.3. Объемная структура части кристаллической решетки кремния или германия (а) и ее схематическая плоскостная модель (б)
При отсутствии примесей и температуре абсолютного нуля Т = О К в кристалле полупроводника все валентные электроны находятся в ковалентных связях атомов, так что свободных электронов нет. В этом случае кристалл не может проводить электрический ток и является идеальным диэлектриком.
При температуре выше абсолютного нуля атомы кристалла под воздействием тепловой энергии совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем выше температура кристалла. Те электроны ковалентных связей, которые получают тепловую энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны AU73 на определенную величину, отрываются и уходят из связей. Они становятся свободными (рис. 1.4, а) и могут перемещаться по кристаллу между узлами решетки. Свободный электрон является подвижным носителем отрицательного заряда.
Появление свободного электрона сопровождается разрывом
ковалентной связи и образованием в этом месте так называемой дырки. Дырка проводимости, или просто дырка, — это место в ковалентной связи, не занятое электроном. Отсутствие отрицательного электрона в ковалентной связи равносильно появлению в этом месте положительного заряда + е, равного по величине заряду электрона. Этот положительный заряд приписывается дырке. Дырка может заполниться электроном из соседней связи; при этом в данной связи дырка исчезает, а в соседней — появляется. Это равносильно перемещению дырки по кристаллу в направлении, противоположном переходу электрона по ковалентным связям (рис. 1.4,6). Перемещение дырки сопровожда-
Рис. 1.4. Генерация пар свободный электрон — дырка в результате разрушения ковалентной связи (а) и перемещение дырки в кристалле (б)
ется передвижением положительного заряда, поэтому дырку можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным носителем положительного заряда.
Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки — по ковалентным связям, поэтому подвижность отрицательных носителей заряда больше, чем положительных.
Процесс образования пары свободный электрон — дырка называют генерацией пары носителей заряда. Отражение этого процесса на энергетической диаграмме (рис. 1.5) соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости с одновременным появлением вакантного уровня энергии (дырки) в валентной зоне. Это позволяет электронам валентной
зоны перемещаться на вакантный уровень, изменяя соответственно свою энергию.
СвободныйСвободныйуровень—дырнауровень—дырнаГенерация пар РекомбинацияГенерация пар РекомбинацияПри отсутствии примесей в полупроводнике дырка появляется только при образовании свободного электрона, поэтому концентрация дырок р, в нем всегда равна концентрации электронов гц. Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: концентрация носителей заряда возрастает с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны. Следовательно, удельная электрическая проводимость полупроводника, пропор-
Свободный
Свободный
уровень—дырна
уровень—дырна
Генерация пар Рекомбинация
Генерация пар Рекомбинация
Рис. 1.5. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая собственную электропроводность полупроводника при разрушении ковалентндй связи
циональная концентрации носителей заряда, также увеличивается с повышением температуры, а ее величина больше в полупроводниках с меньшей величиной Д1Г3.
Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи; разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда — электрон и дырка — исчезает: происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков. Этот процесс сопровождается выделением избыточной энергии в виде тепла или света. На энергетической диаграмме рис. 1.5. рекомбинация соответствует переходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в валентной зоне.
Оба процесса — генерация пар носителей заряда и их рекомбинация — в любом объеме полупроводника происходят одновременно. Соответствующая концентрация носителей заряда устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу рекомбинирующих. Промежуток времени между моментом генерации носителя заряда и его рекомбинацией называют временем жизни свободного электрона или дырки, а пройденное носителем заряда за время жизни расстояние — диффузионной длиной. Учитывая, что время жизни отдельных носителей заряда различно, под этими терминами понимают среднее время жизни и среднюю диффузионную длину.
Подвижные носители заряда обусловливают электропроводность полупроводника. При отсутствии электрического поля
носители заряда движутся хаотически. Под действием электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: электроны — в сторону положительного потенциала, дырки — в сторону отрицательного. Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие — электронную и дырочную.
Электропроводность полупроводника, обусловленную равным- количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей, называют собственной электропроводностью. Соответственно беспримесный полупроводник называют собственным полупроводником.
Электропроводность примесных полупроводников
Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда — дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной электропроводности, либо дырочной. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве — один атом примеси на 106—108 атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.
При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного химического элемента — мышьяка, сурьмы, фосфора — атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 16, а). Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно меньшую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов примеси становятся свободными. Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, — происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона,
и слои полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового кристалла неподвижные заряды ионов примеси образуют неском- пенсированный положительный объемный заряд.
Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной, При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар электрон — дырка, но количество электронов, возни-
Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника п-типа (6)Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника п-типа (6)бб
Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника п-типа (6)
Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника п-типа (6)
б
б
кающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок: пп>рп. Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т. е. преобладает электронная составляющая тока.
Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником п-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.
Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.
На энергетической диаграмме полупроводника п-типа (рис. 1.6,6) введение донорной примеси отражается появлением
в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от друга расположенных локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при температуре абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энергии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти уровни показаны штрихами. Ширина зоны Л№д равна разности между энергией нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01 — 0,07 эВ в зависимости от выбранного полупроводника и материала примеси. Этим объясняет-
Рис. 1.7. Появление дырки при введении акцепторной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника p-типа (б)
ся то, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.
При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента, например индия, алюминия, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполненной, т. е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом примеси может захватить электрон из ковалентной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.
Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный
заряд иона примеси, и слой кристалла остается электрически нейтральным. В случае прихода в данный слой электрона из другого слоя и рекомбинации его с дыркой неподвижные заряды ионов примеси создают нес компенсированный отрицательный объемный заряд.
Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полупроводника: Рр>пр. В электрическом токе, возникающем в таком полупроводнике, преобладает дырочная составляющая.
Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводности называют полупроводником p-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.
Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа представлена на рис. 1.7,6. Локальные уровни энергии атомов акцепторной примеси (показаны штрихами) расположены в запрещенной зоне вблизи валентной зоны исходного полупроводника. Все эти уровни свободны при температуре абсолютного нуля, а число их соответствует количеству атомов примеси в кристалле. Величина энергии AU^ равна разности между энергией акцепторного уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и величина AU^ для полупроводников «-типа, мала и составляет 0,01 — 0,07 эВ в зависимости от материала исходного полупроводника и примеси. Поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни энергии оказываются занятыми электронами, которые переходят на них из валентной зоны. В результате в валентной зоне появляется большое количество вакантных уровней — дырок.
Таким образом, в примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные — за счет резрушения ковалентных связей и вызванной этим генерации пар носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей. При этом удельная электрическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную проводимость собственного полупроводника в сотни тысяч раз.
Кроме кремния и германия в качестве исходных полупроводниковых материалов в промышленности применяют арсенид галлия, селен, оксиды, карбиды и другие химические соединения элементов /// и V групп, а также // и VI групп Периодической системы Менделеева.
Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).
Если электрическое поле отсутствует и носители заряда имеют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.
Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле; движение носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки — к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.
Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток — дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок.
Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле прямо пропорциональна напряженности электрического поля:
и = рЕ.
Коэффициент пропорциональности р называют подвижностью электронов рп или дырок рр. Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки — по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а следовательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кремния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.
В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа — дырками, а в полупроводниках п-типа — электронами.
При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое
тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т. е. движутся в направлении уменьшения их концентрации.
Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, — диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.
Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т. е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.
Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.
Контрольные вопросы
Что называют энергетическим уровнем и энергетической диаграммой? Какие энергетические зоны содержит энергетическая диаграмма?
Чем отличаются энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков?
Что представляет собой кристаллическая структура кремния и германия? 4. Объясните механизм собственной электропроводности полупроводника.
Объясните механизм примесной электропроводности полупроводников л-типа и р-типа.
Чем отличаются дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике?
Главе 1.2.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Электронно-дырочный переход при отсутствиивнешнего напряжения
Электронно-дырочный переход, или, сокращенно, р-п переход, — это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна — л-типа, другая — р-типа.
Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Наряду с.р-п переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также
переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (п-и+ переход) и дырочно-дырочный (р-р+ переход). Знак плюс относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.
Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую — акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается м-область) (рис. 1.8,а).
Рис. 1.8. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: а — двухслойная р-п структура полупроводника; б — распределение концентраций носителей заряда; в — распределение неподвижных объемных зарядов доноров (+) и акцепторов (—); г — потенциальный барьер в р-п переходе
Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми. Такой р-п переход называют симметричным;
Рр =; Ип, где рр — концентрация дырок в p-области; пп — концентрация электронов в м-области.
В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных:
Рп^Пп и Пр<СРр,
где рп — концентрация дырок в «-области; пр— концентрация электронов в р-области.
Распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре показано на рис. 1.8,6, из которого видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой — неосновными, так что дырок в p-области гораздо больше, чем в «-области, и наоборот, электронов в «-области значительно больше, чем в p-области. Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из p-области в «-область, а электроны — из «-области в p-область. Попадая в «-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в p-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается.
Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и «-областей создает ток диффузии в р-п переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:
^диф == ^рдиф Ч~ Адиф-
Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.
Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов — положительный заряд ионов доноров в «-области, а уход дырок — отрицательный заряд ионов акцепторов в p-области (рис. 1.8, а, в). Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.
В результате образования по обе стороны границы между р- и «-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-п переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от «-области к p-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера <р, измеряемой в электрон-вольтах (рис. 8, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.
Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков, яв-
ляется переходным слоем и представляет собой собственно р-п переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает большим удельным сопротивлением.
Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-п переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в р-п переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:
/др = /рдр ~Ь /пдр-
Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока /т, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т. е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.
При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: /днф = /др, т. е. ток через р-п переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера ф0.
Установившаяся высота потенциального барьера ф0 в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов UK в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы: ф0 = UK.
В состоянии равновесия р-п переход характеризуется также шириной /0.
Величина фо зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия фо = 0,3—0,5 В, для кремния фо = 0,6—0,8 В.
Рассмотренный симметричный р-п переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей. В этом случае р-п переход называют несимметричным.
В несимметричном р-п переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой.
В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два—три порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.
Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
При подаче на р-п переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности.
Внешнее напряжение, подключенное плюсом к p-области, а минусом к «-области, называют прямым напряжением Unp (рис. 1.9,а). Напряжение Unp почти полностью падает на р-п переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и «-областей.
+ои"рФ+ои"рФРис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьерРис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
+ои"рФ
+ои"рФ
Рис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
Рис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
Полярность внешнего напряжения Unp противоположна полярности контактной разности потенциалов UK, поэтому электрическое поле, созданное на р-п переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-п переходе (рис. 1.9,6):
ф == ^К Unp.
Вследствие разности концентраций дырок в р- и «-областях, а электронов в п- и p-областях основные носители заряда диффундируют через р-п переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через р-п переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к р-п переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину / обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р-п перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока Unp
меньше UK, еще существует потенциальный барьер; обедненный носителями заряда слой р-п перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.
При увеличении внешнего прямого напряжения до Unp = UK потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-п перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-п переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током кр, который с увеличением прямого напряжения растет.
Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией.
В симметричном р-п переходе инжекции дырок из р-области в л-область и электронов из л-области в p-область по интенсивности одинаковы.
Инжектированные в л-область дырки и в p-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в л-область дырки — электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у р-п перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.
Движение основных носителей заряда через р-п переход создает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из л-области к р-п переходу и далее в p-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в p-области, ушедших к р-п переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания.
Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектированные из p-области в л-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи р-п перехода, а дрейф — вдали от него, внутри соответст-
вующей области. На определенном расстоянии от р-п перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т. е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения в сторону от р-п перехода внутрь области создает тепловой ток /т. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т. е. прямого тока /пР, и имеет противоположное ему направление.
Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через р-п переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда — дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.
Мы рассмотрели процессы в симметричном р-п переходе.
В используемых на практике несимметричных р-п переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если концентрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в «-области (рр^Пп), то диффузия дырок в «-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в p-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в «-область, а диффузионный ток через р-п переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляющей. Таким образом, в несимметричном р-п переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.
При несимметричном р-п переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, — базой.
Электронно-дырочный переходпри обратном напряжении
Обратным напряжением UO6P называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к «-области, а минусом— к p-области (рис. 1.10,а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 1.10,6): <р = UK + UO6P.
Повышение потенциального барьера препятствует диффузии
основных носителей заряда через р-п переход, и она уменьшается, а при некотором значении (7обр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от р-п перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и р-п переход, причем его сопротивление возрастает.
Внутреннее электрическое поле в р-п переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движе-
Рис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьерРис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
Рис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
Рис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а — схема включения; б — потенциальный барьер
нию через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к р-п переходу электрическое поле захватывает их и переносит через р-п переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из p-области в п-область, а дырки — из «-области в p-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через р-п переход очень мал. Ток, протекающий через р-п переход при обратном напряжении, называют обратным током /обр. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током /обр = /т, который не зависит от обратного напряжения.
Процесс захватывания электрическим полем р-п перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через р-п переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.
Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентрации в данной области около границы р-п перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к р-п переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к р-п переходу создает электрический ток в
объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.
Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода. Пробой и емкость р-п перехода
Вольт-амперная характеристика р-п перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения (рис. 1.11). Эта характеристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную — в третьем квадранте.
Рис. 1.11. Вольт-амперная характеристика р-п перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи (о); виды пробоя р-п перехода (б): / — лавинный пробой; 2 — туннельный пробой; 3 — тепловой пробой; энергетическая диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой (в)
Прямой ток создается диффузией через р-п переход основных носителей заряда. С увеличением Unp от 0 до значения, равного UK, ток /пр растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области р-п перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением (7пр потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это соответствует интенсивной диффузии через р-п переход основных носителей заряда при отсутствии области перехода, обедненной этими носителями заряда.
Обратный ток создается дрейфом через р-п переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных.
обратный ток несоизмеримо меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения от 0 обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока /т, а с дальнейшим увеличением Uo6p ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, величина обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя U>6PnPo6, приводит к пробою электроннодырочного перехода, т. е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.
Свойство р-п перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.
На рис. 1.11,а пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики р-п перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная — ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера <р0.
Рассмотрим причины, вызывающие пробой р-п перехода и процессы, которые при этом происходят.
Пробоем р-п перехода называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (7ОбР.пРоб. Пробой р-п перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар свободный электрон — дырка. В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и туннельный.
Лавинный пробой — электрический пробой р-п перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под дейст-
г
вием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области р-п перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон—дырка также ускоряется электрическим полем, и они в свою очередь участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.
Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину р-п перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.
Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на р-п переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви / вольт-амперной характеристики (см. рис. 1.11,6).
Туннельный пробой — это электрический пробой р-п перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким р-п переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости «-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов p-области становится такой же, как энергия свободных электронов «-области (рис. 1.11, в). Электроны переходят на энергетической диаграмме как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через р-п переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный
ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на р-п переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 1.11,6). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.
Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают р-п переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.
Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом р-п перехода, в результате которого происходит интенсивная генерация пар носителей заряда — разрушение ковалентных связей за счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.
Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности р-п перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок р-п перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (кривая,? рис. 1.11,6) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на р-п переходе.
Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в р-п переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.
Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).
Емкость р-п перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей — барьерной и диффузионной. Они создаются объемными зарядами противоположного знака: во-первых, неподвижными положительными зарядами ионов доноров и отрицательными — ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемными зарядами дырок и электронов, инжектированных из области, где они были основными, в область, где они являются неоснов-
ными. Во втором случае инжекция дырок из p-области в «-область создает в ней у границы большую концентрацию неосновных носителей положительного заряда, а инжекция электронов в противоположном направлении создает в p-области у границы большую концентрацию неосновных носителей отрицательного заряда.
Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в р-п переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь р-п перехода и меньше его ширина. Ширина р-п перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше иОбр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади р-п перехода составляет десятки и сотни пикофарад.
Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от р-п перехода, где их концентрация в результате диффузии через р-п переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует.
Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном — барьерную.
Контрольные вопросы
Какие процессы происходят в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения?
Как влияет на величину потенциального барьера прямое напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?
Как влияет на величину потенциального барьера обратное напряжение на р-п переходе и какие процессы при этом происходят?
Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику р-п перехода.
Какие виды пробоя могут произойти в р-п переходе?
Чем обусловлены барьерная и диффузионная емкости р-п перехода?
Глава 1.3.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Устройство полупроводниковых диодов
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п переходом и двумя выводами. Структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение показаны на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Упрощенная структура (о) и условное графическое обозначение полупроводникового диода (б)Рис. 1.12. Упрощенная структура (о) и условное графическое обозначение полупроводникового диода (б)Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в различных областях полупроводниковой техники. Промышленность выпускает разные типы полупроводниковых диодов: выпрямительные, детекторные, сверхвысокочастотные, туннельные и другие, а также полупроводниковые стабилитроны и варикапы.
Рис. 1.12. Упрощенная структура (о) и условное графическое обозначение полупроводникового диода (б)
Рис. 1.12. Упрощенная структура (о) и условное графическое обозначение полупроводникового диода (б)
Рис. 1.13. Схематическое устрой-ство плоскостного (а) и точеч-ного (б) диодов
По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше ширины / (рис. 1.13,а). У точечных диодов линейные размеры площади р-п перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Точечный р-п переход создается около контакта острия металлической пружины с полупроводниковым кристаллом м-типа (рис. 1.13,6).
Точечные диоды имеют малую емкость р-п перехода благодаря его небольшим размерам. Они могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но допускают только малые токи и небольшие обратные напряжения. Эти диоды находят применение в маломощных высокочастотных устройствах, в частности, для детектирования радиосигналов.
Наибольшее распространение получили плоскостные диоды. Они используются как выпрямительные для преобразования переменного тока в постоянный, как стабилитроны — для стабилизации выпрямленного напряжения, а также для других целей.
Двухслойные структуры с плоскостным р-п переходом созда-
ются чаще всего по сплавной или диффузионной технологии. При изготовлении германиевого диода методом сплавления в пластину германия «-типа вплавляется таблетка индия (рис. 1.14,а). В процессе термической обработки атомы индия проникают в германий, создавая тонкий слой p-типа. Концентрация акцепторной примеси в p-области значительно превышает концентрацию донорной примеси в «-области, т. е. получается несимметричный р-п переход. В таком диоде прямой ток создается в основном инжекцией дырок из p-области в «-область: р-область является эмиттером, а «-область — базой.
Методом сплавления может быть изготовлен и кремниевый диод. В этом случае основным материалом является кремний
Рис. 1.14. Структура полупроводниковых диодов, изготовленных методами сплавления (а) и диффузии (б)
«-типа, а для получения акцепторной примеси используется таблетка алюминия.
Прямой ток протекает внутри диода от p-области к «-области. Выводы, соединяющие эти области с внешней электрической цепью, выполняют из металлов, создающих с полупроводником омический, т. е. невыпрямляющий, контакт. Вывод, от которого прямой ток течет во внешнюю электрическую цепь, называют катодным (К), а вывод, к которому прямой ток течет из внешней цепи, — анодным (А).
При диффузионной технологии, наиболее широко применяемой для изготовления кремниевых диодов, особенно средней и большей мощности, основой служит также пластина кремния «-типа (рис. 1.14,6). В технологическом процессе через поверхность такой пластины при высокой температуре осуществляют диффузию атомов акцепторной примеси — алюминия или бора, который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Омические контакты для выводов создают напылением алюминия в вакууме. Полученную двухслойную полупроводниковую структуру в виде кристалла с двумя областями — электронной и дырочной — укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметический корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий. Внешние выводы электродов соединяются с внутренними выводами от областей, которые изолируются от корпуса стеклянными изоляторами.
Принцип действия, характеристикии параметры выпрямительных диодов
Принцип действия выпрямительных диодов основан на свойстве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к диоду подвести переменное напряжение (рис. 1.15), то в течение одного полупериода, когда на аноде положительная полуволна, на р-п переходе действует прямое напряжение. При этом сопротивление диода мало; через него протекает большой прямой ток. В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку
Рис. 1.15. Применение диода для выпрямления переменного тока
Ry включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямление, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).
Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.
Вольт-амперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольт-амперной характеристикой р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов. Вольт- амперная характеристика диода, как и р-п перехода, имеет две ветви: прямую и обратную.
Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода приведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему включаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольтметр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения обратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого напряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток, и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.
На рис. 1.17 представлены реальные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенци-
альный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение t/nop составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.
Рис. 1.16. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диодаРис. 1.16. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диодаРис. 1.17. Реальные вольт-амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) диодов при разной температуре
Рис. 1.16. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода
Рис. 1.16. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода
Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от t/обр. При данной температуре /ОбР только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина /Обр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением t/O6P у них равномерно растет /обр, начиная с нуля.
С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение Unp — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;
обратный ток /ОбР — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
сопротивление диода в прямом направлении
RHp =RHp =
RHp =
RHp =
оно составляет единицы и десятки ом;
сопротивление диода в обратном направлении
р обр .
Аобр j >
оно составляет единицы мегаом;
дифференциальное сопротивление диода гдиф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока
— ALLГдиф — д/ •
Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление—это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.
При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:
максимально допустимое обратное напряжение t/обр.макс, которое определяется с запасом как 0,7—0,8 t/npO6;
максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом, — Р * макс >
максимально допустимый постоянный прямой ток /пр.Макс;
диапазон рабочей температуры.
Германиевые диоды работают в диапазоне температур от —60 до плюс 70—80 °C, кремниевые — до плюс 120—160 °C; допустимая плотность прямого тока для германиевых диодов
20—40 А/см2, для кремниевых 60—80 А/см2; для германиевых диодов допустимы обратные напряжения до 500—600 В, для кремниевых — до 2000—3500 В; падение напряжения на германиевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3— 0,6 В, а на кремниевом —0,8—1,2 В.
Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, можно отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.
Стабилитроны
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения.
Рис. 1.18. Условное графическое обозначение (а), вольт-амперная характеристика (б) и схема включения (в) кремниевого стабилитрона
Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства р-п перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне изменения обратного тока. Как было сказано при рассмотрении видов пробоя р-п перехода, электрический пробой является обратимым процессом и не приводит к выходу диода из строя при условии, что ток не превышает максимально допустимой величины.
Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона, его условное обозначение и схема включения приведены на рис. 1.18. В стабилитроне используется только обратная ветвь характеристики. Рабочим участком АБ является ее часть, соот-
ветствующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитронах применяется один из видов электрического пробоя: лавинный или туннельный.
Параметрами стабилитрона являются:
напряжение стабилизации U„ — напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации /ст; оно практически равно напряжению пробоя;
минимальный ток стабилизации /мин — наименьший ток, при котором сохраняется устойчивое состояние пробоя; поскольку необходимо получение малого значения /мин, стабилитроны изготовляют из кремния;
максимальный ток стабилизации /маКс — наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения РМакС;
рмакс .макс —* у »
превышение /макс приводит к тепловому пробою р-п перехода и выходу из строя стабилитрона;
дифференциальное сопротивление гДИф — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:
At/„ Гдиф— Д/ст ’
гДИф определяется в рабочей точке Р и характеризует точность стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация;
статическое сопротивление RCTaT — сопротивление стабилитрона в рабочей точке при постоянном токе:
температурный коэффициент напряжения о^т показывает изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °C.
Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3—200 В, минимальный ток от 1 до 10 мА, максимальный ток от 2 мА до 2 А, дифференциальное сопротивление 0,5—500 Ом.
В стабилитронах с большим напряжением стабилизации используется лавинный пробой, а в стабилитронах с малым напряжением стабилизации — туннельный.
Схема включения стабилитрона для стабилизации напряжения на нагрузке Rw приведена на рис. 1.18, в. Последовательно
со стабилитроном в цепь источника постоянного тока включено балластное сопротивление R6 для ограничения тока, а параллельно стабилитрону—нагрузка. Полярность источника питания Е соответствует обратному напряжению на стабилитроне.
При увеличении напряжения питания Е при постоянном RH увеличивается ток в цепи, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке UH = UCT остается неизменным, а избыток напряжения питания гасится на балластном сопротивлении R6. В случае изменения сопротивления нагрузки RH при постоянной величине Е ток через /?б остается неизменным, но происходит перераспределение токов между стабилитроном и нагрузкой, а напряжение на стабилитроне и нагрузке все равно остается неизменным.
Кремниевые стабилитроны используют не только для стабилизации напряжения, но и в качестве источников опорного напряжения, с которым сравнивается напряжение на нагрузке.
Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения с использованием в качестве рабочего участка отрезка прямой ветви вольт-амперной характеристики, на котором прямое напряжение слабо зависит от тока. Такой полупроводниковый диод носит название стабистора.
Импульсные диоды
Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, который имеет очень малую длительность переходных процессов при переключении с прямого напряжения на обратное (и наоборот) и предназначен для работы в импульсных схемах в качестве электронного ключа.
Принцип действия импульсного диода поясняют схема его включения и временные диаграммы напряжения и тока в момент переключения из открытого состояния в закрытое (рис. 1.19). Диод включается последовательно с нагрузкой в цепь источника импульсного напряжения (рис. 1.19,а). Положительный импульс, являясь для диода прямым напряжением, снижает его сопротивление до величины Rnp, и в цепи через нагрузку протекает ток. Это равносильно замыканию ключа. При перемене полярности импульса на отрицательную диод находится под обратным напряжением. Его сопротивление резко возрастает до величины /?обр, цепь размыкается, и ток через нагрузку практически не протекает. Поскольку длительность импульсов очень мала, переход диода из открытого состояния в закрытое и обратно должен происходить мгновенно. Но этому препятствует инерционность процессов накопления и рассасывания инжектированных в базу п-типа неосновных для нее носителей заряда — дырок.
Например, на диоде действует прямое напряжение; сопро-
тивление его Rnp мало. Из p-области через р-п переход инжектируются в /i-область дырки; в результате этого их концентрация в и-области у границы возрастает. В момент переключения напряжения на обратное это скопление дырок под действием электрического поля, созданного обратным напряжением, начнет перебрасываться обратно в p-область; за счет этого возникает импульсный скачок обратного тока (рис. 19,6). Постепенно концентрация дырок в /i-области будет убывать частично за счет
аа
а
а
иобриобрРис. 1.19. Схема включения (а) и временные диаграммы при переключении импульсного диода с прямого на обратное напряжение (б)Рис. 1.19. Схема включения (а) и временные диаграммы при переключении импульсного диода с прямого на обратное напряжение (б)
иобр
иобр
Рис. 1.19. Схема включения (а) и временные диаграммы при переключении импульсного диода с прямого на обратное напряжение (б)
Рис. 1.19. Схема включения (а) и временные диаграммы при переключении импульсного диода с прямого на обратное напряжение (б)
u пр
О
б
их перехода в p-область, а частично за счет рекомбинации в п- области с электронами; в результате этого обратный ток станет уменьшаться до заданного нормального значения. Быстродействие этого процесса характеризуется параметром, который называют временем обратного восстановления диода 4ос.обР. Это время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента, когда обратный ток, уменьшаясь от максимального импульсного значения, достигнет заданной величины.
При переключении обратного напряжения на прямое переходный процесс также происходит не мгновенно, а требует некоторого времени. В момент переключения сопротивления диода
Ro6p еще велико, следовательно, велико и напряжение на диоде, а ток диффузии мал. Постепенно диффузия нарастает, инжектированные в n-область дырки накапливаются в ней, сопротивление диода уменьшается до установившегося значения Rnp, а ток увеличивается до заданного прямого тока. Время, в течение которого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от нуля до заданного установившегося значения, называют временем прямого восстановления диода 4ос.пР.
Кроме инерционности процессов накопления и рассасывания инжектированных носителей заряда на быстродействие импульс -
Обедненныйслой
МеталлМеталлU прU пре ее е4- +4- +Полупроводникп-типаПолупроводникп-типа
Металл
Металл
U пр
U пр
е е
е е
4- +
4- +
Полупроводникп-типа
Полупроводникп-типа
G G
иобр
Электроны
Рис. 1.20. Структура контакта металл —полупроводник п-типа
ных диодов оказывает влияние емкость р-п перехода. Для уменьшения длительности переходных процессов эта емкость не должна превышать долей пикофарады. Уменьшение емкости достигается за счет изготовления р-п переходов с очень малой площадью. Следствием этого является небольшая мощность рассеяния (десятки милливатт). Повышение быстродействия путем ускорения рекомбинации инжектированных в n-базу дырок осуществляется введением в n-область примеси золота; его атомы создают так называемые ловушки для носителей заряда, где происходит интенсивная их рекомбинация.
Другой путь достижения высокого быстродействия — это применение диодов Шоттки, изготовленных на основе электрического перехода металл-полупроводник. Рассмотрим его свойства на примере контакта металла с полупроводником п-типа (рис. 1.20). Свободные электроны могут выйти за пределы металла или полупроводника, только преодолев силы притяжения к положительным ионам кристаллической решетки. Затраченная на это работа совершается электроном за счет сообщения ему дополнительной энергии (например, тепловой) и называется работой выхода Wo- Если работа выхода из металла №ом больше, чем из полупроводника №Оп, то при образовании контакта металл-полупроводник свободные электроны из n-полупроводника начнут под действием
больших сил притяжения переходить в металл, заряжая его отрицательно. В полупроводнике около контакта создается слой, обедненный основными носителями заряда и имеющий в результате этого большое удельное сопротивление. В этом слое выступят нескомпенсированные положительные заряды ионов доноров. Между отрицательным зарядом металла и положительным зарядом доноров на границе создается внутреннее электрическое поле и образуется потенциальный барьер, называемый барьером Шоттки (по имени ученого, обнаружившего эти свойства контакта). Он препятствует дальнейшему переходу электронов из полупроводника я-типа в металл.
Если подвести внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему, потенциальный барьер снизится, ширина обедненного слоя и его сопротивление уменьшатся, через контакт потечет большой прямой ток. При обратном включении внешнего источника потенциальный барьер возрастет, ширина и сопротивление обедненного слоя увеличатся, а в цепи потечет малый обратный ток. Таким образом, контакт металл— полупроводник в случае полупроводника n-типа и при условии Wom > Won будет выпрямляющим.
Импульсный диод с барьером Шоттки имеет значительно меньшую длительность переходных процессов, чем диод с р-п переходом, так как в нем нет инжекции неоновых носителей заряда в базу, поэтому не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов. На его быстродействие влияет только барьерная емкость.
К параметрам импульсных диодов помимо общих для всех диодов параметров относятся прямое импульсное напряжение при заданном импульсе прямого тока С/пр.и и максимально допустимый импульсный прямой ток при заданной длительности /1|р.ИМакс, а также время прямого восстановления 4ос.иР и обратного восстановления /иособр.
Туннельные диоды
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, основанный на туннельном эффекте, при котором прямая ветвь вольт-амперной характеристики имеет падающий участок с отрицательным сопротивлением (рис. 1.21). Благодаря этому свойству туннельный диод может быть использован для усиления и генерирования электрических колебаний. О возникновении туннельного эффекта было сказано при рассмотрении механизма туннельного пробоя. Для получения этого эффекта необходимо, чтобы энергетические диаграммы полупроводников р- и п-типа сдвигались по вертикали относительно друг друга в слое р-п пе-
рехода (см. рис. 1.11,в). В результате этого энергетические зоны p-области располагаются выше соответствующих зон п-об- ласти, так что нижняя часть зоны проводимости «-области и верхняя часть валентной зоны p-области по горизонтали находятся на одном уровне и разделены очень узкой запрещенной зоной. При этом носители заряда легко могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости «-области и обратно. Чтобы создать туннельный эффект, значительно увеличивают концентрацию примесей в р- и «-областях, за счет чего возрастает электропроводность полупроводников.
Рис. 1.21. Условное графическоеобозначение (а) и вольт-ампер-ная характеристика (б) туннель-ного диода
При определенном начальном сдвиге энергетических диаграмм р- и «-областей без подачи внешнего напряжения встречные потоки электронов из обеих областей уравновешивают друг друга; тока нет. При небольшом прямом напряжении энергетическая диаграмма p-области опускается ниже, часть валентных электронов p-области оказывается против запрещенной зоны «-области и не может в нее перейти. Поэтому равновесие нарушается, больше электронов переходит из «-области в p-область, появляется туннельный прямой ток, который при увеличении Unp до некоторого значения растет (участок вольт-амперной характеристики 0—/). В точке / ток достигает максимума и называется пиковым током туннельного диода I„. С дальнейшим увеличением Unp и сдвигом вниз диаграммы р-области туннельный ток уменьшается (участок /—2), так как все меньше электронов зоны проводимости «-области находится против валентной зоны p-области и все больше этих электронов оказывается против запрещенной зоны p-области. В точке 2 ток достигает минимума и называется током впадины /в. Падающий участок /—2 характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивленцем гДИф = At/np/A/np < 0, означающим, что увеличению прямого напряжения соответствует уменьшение прямого тока.
В точке 2 туннельный эффект исчезает, так как запрещенные
зоны обеих областей располагаются на одном уровне и сливаются в одну сквозную зону. Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к росту прямого тока за счет диффузии основных носителей заряда, преодолевающих снижающийся потенциальный барьер, как в обычном диоде (участок 2—3).
Основными параметрами туннельных диодов являются: пиковый ток /п; напряжение пика U„, соответствующее пиковому току; ток впадины /в и соответствующее ему напряжение впадины UB; напряжение раствора Upp — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому на второй восходящей ветви характеристики. Предельными параметрами являются: максимально допустимый постоянный прямой ток на второй восходящей ветви /прмаКс; максимально допустимый постоянный обратный ток /Обр.макС; максимальное постоянное прямое напряжение t/пр.макс Емкость Сд туннельного диода очень мала.
Туннельные диоды изготовляются из германия или арсенида галлия. Они могут использоваться как переключающие в цепях сверхвысокого быстродействия, а также для усиления и генерирования СВЧ-колебаний, так как их инерционность очень мала из-за отсутствия инжекции носителей заряда при туннельном эффекте.
Варикапы
Варикап — полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Он предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой
Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения (а) и условное графическое обозначение варикапа (б) а
При рассмотрении свойств р-п перехода говорилось, что его барьерная емкость уменьшается с увеличением обратного напряжения (рис. 1.22, а). Поэтому варикап работает при обратном напряжении на р-п переходе. Варикапы изготовляются на основе кремния и используются в электронных схемах в качестве переменной емкости. Например, для автоматической подстройки частоты, частотной модуляции.
Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С между выводами при заданном обратном напряжении; коэффициент перекрытия по емкости Кс — отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения; добротность Q — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении С или Uo6p; температурный коэффициент емкости о^; максимально допустимое обратное напряжение t/обр.макс и максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Условное графическое обозначение варикапа приведено на рис. 1.22,6.
Типы и система обозначений диодов
По исходному материалу диоды могут быть кремниевые или германиевые, по назначению и характеристикам — выпрямительные, детекторные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы и др. Выпрямительные диоды подразделяют по величине мощности: малой, средней и большой.
Для схем с большим количеством параллельно или последовательно соединенных диодов промышленность выпускает полупроводниковые столбы и блоки. Полупроводниковый столб представляет собой совокупность выпрямительных диодов, соединенных последовательно и объединенных конструктивно в одном корпусе с двумя выводами. Полупроводниковый блок состоит из выпрямительных диодов, соединенных по определенной электрической схеме и объединенных конструктивно в корпусе, имеющем более двух выводов.
Систему обозначений полупроводниковых приборов, состоящую из букв и цифр, устанавливает ГОСТ 10862—72. По этой системе обозначение диода содержит четыре элемента.
Первый элемент — буква или цифра, обозначающая исходный материал: Г или 1 — германий и его соединения, К или 2 — кремний и его соединения, А или 3 — арсенид галлия и другие соединения галлия. Цифры используют для приборов специального назначения.
Второй элемент — буква, указывающая класс прибора по структуре и назначению; Д — выпрямительные, детекторные и импульсные диоды, Ц — выпрямительные столбы и блоки, С — стабилитроны и стабисторы, А — СВЧ-диоды, И — туннельные диоды, В — варикапы и т. д.
Третий элемент — трехзначное число, первая цифра которого указывает группу по качественным свойствам, две следующие — порядковый номер разработки, а для стабилитронов — напряжение стабилизации. В справочниках приводятся таблицы этих групп по сотням.
Например, для выпрямительных диодов малой мощности (на токи до 0,3 А) третий элемент — число от 101 до 199; средней мощности (на токи от 0,3 до 10 А) — от 201 до 299; выпрямительных блоков и столбов малой мощности — от 301 до 399; средней мощности — от 401 до 499. Для импульсных диодов первая цифра характеризует время обратного восстановления: при /вос.обр> >150 нс третий элемент — от 501 до 599, при 30</вособр^ 150 нс — от 601 до 699, при 5 < /вос,обр ^30 нс — от 701 до 799, при 1 < /вос.обр ^5 нс — от 801 до 899, при /вос.обр< 1 нс — от 901 до 999.
Для туннельных диодов, СВЧ-диодов и варикапов первая цифра третьего элемента определяет их назначение. Например, туннельные диоды усилительные имеют третий элемент от 101 до 199, генераторные — от 201 до 299 и т. д.; СВЧ-диоды смесительные — от 101 до 199, детекторные — от 201 до 299 и т. д.; варикапы подстроечные — от 101 до 199.
Третий элемент обозначения стабилитронов также представляет трехзначное число и дается в справочниках по сотням в зависимости от мощности и напряжения стабилизации. Первая цифра при малой мощности (до 0,3 Вт), с напряжением стабилизации до 10 В — 1, от 10 до 99 В — 2, от 100 до 199 В — 3; при средней мощности (от 0,3 до 5 Вт) аналогично три группы в зависимости от напряжения стабилизации с первой цифрой, соответственно, 4, 5, 6; при большой мощности (более 5 Вт) — 7, 8, 9. Следующие две цифры от 01 до 99 обозначают: при напряжении стабилизации до 10 В—увеличенное в 10 раз напряжение стабилизации, от 10 до 99 В — номинальное напряжение стабилизации, от 100 до 199 В — уменьшенное на 100 номинальное напряжение стабилизации.
абвд
Рис. 1.23. Конструкция кремниевых диодов малой (а) и средней (6) мощности и их внешний вид (в, г); мощный диод ВК-50 с радиатором охлаждения (д); / — внешний вывод анода; 2 — трубка; 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус; 5 — внутренний вывод анода; 6 — алюминий; 7 — кристалл кремния м-типа; 8 — кристаллодержатель; 9 — внешний вывод катода; 10 — теплоотводящее основание
Четвертый элемент — буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов по значениям параметров; для стабилитронов — очередность разработки.
Примеры обозначения диодов:
ГД107Б— германиевый выпрямительный диод малой мощности, номер разработки 07, группа Б;
КД208А — кремниевый выпрямительный диод средней мощности, номер разработки 08, группа А;
КЦ405В — кремниевый выпрямительный блок средней мощности, номер разработки 05, группа В;
КС211Б — кремниевый стабилитрон малой мощности, с напряжением стабилизации 11 В, группа Б; КС147А — то же, малой мощности, с напряжением стабилизации 4,7 В, группа А; КС620А — то же, средней мощности, с напряжением стабилизации 120 В, группа А:
АИ101В — диод туннельный из арсенида галлия, предназначен для работы в усилительных схемах, номер разработки 01, группа В;
КВ110Г — кремниевый варикап, подстроечный, номер разработки 10, группа Г;
АД516Б — диод арсенидогаллиевый точечный импульсный, /ВОСОбР>150 нс, номер разработки 16, группа Б.
В эксплуатации еще находятся диоды, выпущенные промышленностью до ввода в действие настоящего ГОСТ, которые имеют старые обозначения; например, выпрямительные диоды Д7Ж (германиевый), Д205, Д226В, Д245 (кремниевые), а также стабилитроны Д808, Д814А (Б, В, Г).
Диоды большой мощности, называемые силовыми, выпускаются промышленностью на токи 10 А и выше (до 2000 А) и обратные напряжения до 3500 В. Они предназначены для применения в силовых цепях электротехнических устройств в качестве вентилей. Силовые диоды имеют другую систему обозначений: например, ВК-200 — вентиль кремниевый, на прямой ток 200 А.
Конструкция и внешний вид диодов различной мощности даны на рис. 1.23.
Контрольные вопросы
Нарисуйте вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и объясните его принцип действия.
Чем отличаются свойства германиевых и кремниевых диодов?
Перечислите и дайте формулировку основных параметров диода и покажите на вольт-амперной характеристике, как определяются сопротивления диода в прямом и обратном направлениях.
Нарисуйте вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона и покажите на ней рабочий участок.
Нарисуйте схему включения стабилитрона и поясните принцип стабилизации напряжения на нагрузке.
Объясните назначение и принцип действия импульсных диодов.
Каково назначение и принцип действия туннельных диодов?
Какой прибор называют варикапом и для чего Он применяется?
Объясните буквенно-цифровую систему обозначения диодов.
Глава 1.4.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип действия транзисторов
Биполярным транзистором, или просто транзистором, называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-п переходами и тремя выводами. Он имеет трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводности: р-п-р или п-р-п (рис. 1.24).
Работа биполярного транзистора зависит от носителей заряда Обеих полярностей — электронов и дырок; отсюда его название «биполярный».
Основным элементом транзистора является кристалл кремния или германия с созданными в нем двумя плоскостными р-п переходами. Структура такого кристалла p-n-p-типа, изготовленного по сплавной технологии, показана на рис. 1.25, а. Пластина полупроводника n-типа с заранее введенной в небольшом количестве донорной примесью является базовой. На нее наплавляются с двух сторон таблетки акцепторной примеси: для германия — индий, для кремния — алюминий. В процессе термической обработ-
ки атомы акцепторной примеси проникают в кристалл, создавая p-области. Между p-областями и полупроводником n-типа образуются р-п переходы. Процесс введения примесей контролируется таким образом, чтобы в одной p-области была большая их концентрация (на рисунке—в левой p-области), чем в другой. Наименьшая концентрация примеси остается в средней области п-типа.
Наружная область с наибольшей концентрацией примеси называется эмиттером, вторая наружная область — коллектором, а внутренняя область — базой. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой — коллекторным переходом.
аа
а
а
Рис. 1.24. Трехслойные структуры и условные графические обозначения тран-зисторов типа р-п-р (а) и п-р-п (б)
Рис. 1.25. Структура (а) и конструкция (б) сплавного транзистора: / — дно корпуса; 2 — крышка корпуса; 3 — внешние выводы; 4 — кристалл кремния л-типа; 5,6 — таблетки алюминия; 7 — кристал- лодержатель
В соответствии с концентрацией основных носителей заряда база является высокоомной областью, коллектор — низкоомной, а эмиттер — самой низкоомной. Толщина базы очень мала и составляет единицы микрометров. Площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает площадь эмиттерного. Пример конструкции маломощного германиевого транзистора дан на рис. 1.25,6.
Применение транзистора для усиления электрических колебаний основано на его принципе действия как управляемого электронного прибора.
В схеме включения транзистора (рис. 1.26) к эмиттерному
переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к коллекторному— обратное. Если на эмиттерном переходе нет напряжения, то через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток /кобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллекторной цепи тока нет, т. е. транзистор закрыт.
При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника питания Е3 происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где они являются неосновными. Для транзистора р-п-р этими носителями заряда являются дырки. Движение дырок в процессе инжекции через эмиттерный переход создает
Рис. 1.26. Принцип действия транзистора
ток эмиттера I,. Дырки, перешедшие в базу, имеют вблизи р-п перехода повышенную концентрацию, что вызывает диффузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому дырки в процессе диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Большая их часть не успевает рекомбинировать с электронами базы и втягивается ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция дырок под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение дырок в процессе экстракции из базы в коллектор создает ток коллектора /к. Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу дырок рекомбинирует в области базы с электронами, количество которых пополняется из внешней цепи от источника Е3. За счет этого в цепи базы протекает ток базы /б. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда — электронов. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы, невелико.
Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически пропорционально возрастет ток
коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при малых изменениях прямого напряжения на эмиттерном переходе.
Для иллюстрации основных процессов на рис. 1.27 показаны потоки дырок в транзисторе р-п-р при инжекции их через эмиттерный переход ЭП и экстракции через коллекторный переход КП. Дырки для наглядности обозначены белыми знаками «плюс» в черных кружочках, а электроны — окружностями со знаками «минус». Поток инжектируемых дырок разветвляется в базе на основную часть, втягиваемую в коллектор, и незначительную часть, рекомбинирующую с электронами.
РРРРоообооооооообоооооРекомбинацияРекомбинация(Unp)(Unp)Генерация пар носителейГенерация пар носителейЭкстракция1/ КоллекторЭкстракция1/ КоллекторРис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей зарядаРис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей зарядаТ° ^н^ (Uo6p)Т° ^н^ (Uo6p)ИнжекцияЭмиттер \ orИнжекцияЭмиттер \ orЬ=1Л + Ь louuvuuvuvvvvuoouv ООО© 13 10^ к«оооооооооооооооо ооооо гО1Жз№Г№
Р
Р
Р
Р
оообооооо
оообооооо
Рекомбинация
Рекомбинация
(Unp)
(Unp)
Генерация пар носителей
Генерация пар носителей
Экстракция
1/ Коллектор
Экстракция
1/ Коллектор
Рис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей заряда
Рис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей заряда
Т° ^н^ (Uo6p)
Т° ^н^ (Uo6p)
Инжекция
Эмиттер \ or
Инжекция
Эмиттер \ or
Оо©о оОООООООООООО000ОООООСО©Оо©о оОООООООООООО000ОООООСО©Кроме того, показаны два процесса, которые по интенсивности неизмеримо меньше основных. Первый из них — генерация пар носителей заряда в области коллектора, обусловливающая его собственную электропроводность и вызывающая прохождение обратного тока коллекторного перехода /КОбр. Этот ток создается неосновными носителями заряда, концентрация которых зависит от температуры. Следовательно, обратный ток зависит от температуры; иногда его называют тепловым током. Второй процесс — движение электронов из базы в эмиттер в результате снижения потенциального барьера при прямом напряжении на эмиттерном переходе. Однако учитывая, что концентрация основных носителей заряда (электронов) в базе на два-три порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, можно считать, что электронная составляющая прямого тока через ЭП
Оо©о оОООООООООООО000ОООООСО©
Оо©о оОООООООООООО000ОООООСО©
очень мала и величину тока эмиттера /э определяет дырочная составляющая. Электроны, перешедшие из базы в эмиттер, рекомбинируют в нем с дырками.
Уход дырок из коллектора соответствует приходу на их место электронов из внешней цепи от источника питания Ек. Рекомбинация электронов с дырками в базе и в эмиттере компенсируется пополнением их из внешней цепи от источника питания Е3 и из коллектора за счет обратного тока /КОбр. Пополнение ушедших из эмиттера в базу дырок происходит за счет ухода электронов из эмиттера во внешнюю цепь под действием источника Е3.
Токи трех электродов транзистора связаны соотношением: А — /к + /б-
Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приближенно равным току эмиттера: /к « /э. Отношение /к//3 = а называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, или коэффициентом передачи постоянного тока.
Принцип действия транзистора п-р-п аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создающими токи через р-п переходы в процессе инжекции и экстракции, являются электроны; полярность источников Еэ и Ек должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.
На основании рассмотренных процессов можно сделать вывод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким образом, биполярный транзистор управляется током.
Ток эмиттера как прямой ток р-п перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзистора.
Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний содержит две цепи (рис. 1.28): входную и выходную. Входная цепь — в данном случае между эмиттером и базой — является управляющей; в нее последовательно с источником питания Еэ включается источник слабых электрических колебаний UBX~, которые надо усилить. Электрические колебания, подаваемые во входную цепь, называют управляющим, или усиливаемым, сигналом. Выходная цепь — между коллектором и базой — является главной цепью; в нее последовательно с источником Ек включается нагрузка RH, на которой надо получить уси-
ленный сигнал. Источник усиливаемых колебаний малой мощности дает небольшое переменное напряжение и вызывает изменения эмиттерного тока; в результате происходят изменения коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку сопротивление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, очень велико, коллекторная цепь является высокоомной; в нее включается, соответственно, высокоомная нагрузка RH.
Рис. 1.28. Схема включениятранзистора для усиленияэлектрических колебаний
При этих условиях изменения тока коллектора А/к, практически равные изменениям тока эмиттера А/з, создают в усилителях низкой частоты на большом сопротивлении RH электрические колебания, мощность которых значительно превышает мощность колебаний в низкоомной входной цепи, т. е. происходит усиление электрических колебаний.
Схемы включения и статические характеристикитранзисторов
Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один — входной, другой — выходной, а третий — общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой
ааРис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ; б с общим эмиттером ОЭ; в — с общим коллектором ОКРис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ; б с общим эмиттером ОЭ; в — с общим коллектором ОК
а
а
Рис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ; б с общим эмиттером ОЭ; в — с общим коллектором ОК
Рис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ; б с общим эмиттером ОЭ; в — с общим коллектором ОК
электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора — с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК (рис. 1.29).
В схемах, на которых рассматривался принцип действия транзисторов и его использование для усиления электрических
колебаний (см- рис. 1.26, 1.27, 1.28), входной электрод — эмиттер, выходной — коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, — база; следовательно, это была схема ОБ.
При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока.
Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами.
Рис. 1.30. Схема для снятия характеристик транзистора, включенного с общим эмиттером
В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи — UBX и /вх, в выходной— UBhlx и /вых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга.
Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей величине. Для того чтобы одну. из электрических величин можно было поддерживать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания; нагрузку и источник усиливаемых колебаний не включают. Для регулирования напряжений включают потенциометры, а для измерения напряжений и токов — измерительные приборы. На рис. 1.30 приведена схема для снятия характеристик транзистора п-р-п, включенного с общим эмиттером. При снятии каждой характеристики сначала устанавливают с помощью потенциометров значение постоянной величины, а затем, устанавливая последовательно разные значения изменяемой величины, определяют соответствующее значение зависящей от нее другой величины.
Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называют статическими. Совокупность характеристик, снятых при разных значениях этой постоянной величины, представляет собой семейство статических характеристик.
Наибольшее значение при применении транзисторов имеют два вида характеристик — входные и выходные.
Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:
Ах = /Wx) при ивых = const.
Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:
Аых == /(//вых) При Ах == const.
Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем ОБ и ОЭ.
Статические характеристики транзистора в схеме ОБ. Как было показано, в этой схеме входным электродом служит эмиттер, а выходным — коллектор. Поэтому входное напряжение — это напряжение между эмиттером и базой //эб, а выходное — между коллектором и базой //кб; входным током является ток эмиттера А, а выходным — ток коллектора А.
Рис. 1.31. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ: а — выходные; б — входные
Поскольку А » А, то выходной ток почти равен входному, так что схема ОБ практически не усиливает ток, а усиливает только напряжение и во столько же раз мощность сигнала.
Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор — база при постоянном токе эмиттера, поэтому их называют коллекторными (рис. 1.31,а):
А = /(/Аб) при А = const.
Для того чтобы график характеристик был универсальным для транзисторов типа р-п-р и п-р-п, напряжение по горизонтальной оси отложено без учета его полярности, по абсолютной величине.
При /э = О ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода /к = /КобР, поэтому выходная характеристика, снятая при /э = 0 представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-п перехода. Характеристики, снятые при постоянных значениях /э >• 0 располагаются тем выше, чем больше /э, причем они выходят не из начала координат. Это объясняется тем, что при Uкб = 0 на коллекторном переходе действует потенциальный барьер <р0, создающий ускоряющее поле для неосновных носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в коллектор и создают ток /к, не равный нулю. Он тем больше, чем больше /э, при котором снимается характеристика. Характеристики идут очень полого, т. е. ток коллектора почти не зависит от изменений напряжения коллектора. Это говорит о том, что выходное сопротивление в схеме ОБ очень велико:
Квыхб = ^р- при /э = const (сотни тысяч ом и более).
При увеличении коллекторного напряжения выше максимально допустимого возникает опасность электрического пробоя коллекторного перехода, который может перейти в тепловой пробой и вывести транзистор из строя.
Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер—база при постоянном напряжении коллектор— база; эти характеристики называют эмиттерными (рис. 1.31,6):
L = Ци^ при Uk6 = const.
При отсутствии коллекторного напряжения ((Лб = 0) включен только эмиттерный переход в прямом направлении и характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики р-п перехода.
Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схеме ОБ:
/^вхб —^2L ПрИ (/«б = const (единицы и десятки ом).
При большем значении величины UK6 входная характеристика немного сдвигается влево и вверх. Это происходит из-за влияния обратного напряжения на коллекторном переходе на толщину базы. С увеличением (7кб, т. е. (70бр, расширяется за счет базо-
вой области коллекторный р-п переход и уменьшается толщина базы. Перепад концентрации инжектированных носителей заряда в базе увеличивается, возрастает процесс диффузии их от эмиттерного перехода, а следовательно, и инжекция из эмиттера. В результате становится больше ток /э при том же значении Ua6.
Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ. В этой схеме входной ток — ток базы /б, выходной — ток коллектора /к, входное напряжение создается между базой и эмиттером U6a, а выходное — между коллектором и эмиттером UK3.
Рис. 1.32. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ: а — выходные; б — входные
Поскольку ток коллектора гораздо больше тока базы, а создаваемое им напряжение на нагрузке RH в высокоомной выходной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи, то, значит, схема ОЭ усиливает и ток, и напряжение и, следовательно, дает очень большое усиление мощности сигнала.
Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор — эмиттер при постоянном токе базы. Как и для схемы ОБ, выходные характеристики в схеме ОЭ — это коллекторные характеристики (рис. 1.32,а).
IK — f (UK3^ при /б = const.
В этой схеме напряжение U6a — это прямое напряжение на эмиттерном переходе, а обратное напряжение на коллекторном переходе UH6 определяется разностью UK3—U63. Но поскольку UK3 ^> Uca, можно приближенно считать, что 670бр « UKa.
Семейство коллекторных характеристик транзистора в схеме ОЭ отличается от коллекторных характеристик в схеме ОБ. Все характеристики выходят из начала координат, т. е. при UK3 = О
ток к = 0. Это объясняется тем, что при U^ = 0 цепь коллектор — эмиттер закорочена; коллекторный переход подключен параллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое напряжение, равное ибз, которое понижает потенциальный барьер. В результате основные носители заряда переходят из коллектора в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, переходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что к = 0.
Начальная коллекторная характеристика, снятая при к = 0, имеет вид, соответствующий обратной ветви вольт-амперной характеристики диода. Однако величина тока коллектора, являющегося начальным неуправляемым током к^, при этом в десятки раз превышает величину обратного тока коллекторного перехода. Это объясняется тем, что ток коллектора к = А—к, а при /б = 0 к = к, т. е. ток коллектора создается всем потоком инжектированных из эмиттера в базу и переходящих в коллектор носителей заряда. Но при /б = 0 на эмиттерном переходе еще существует потенциальный барьер, а инжекция носителей заряда в базу невелика. Поэтому ток эмиттера и равный ему ток коллектора /К(о) невелики, но созданный потоком основных носителей заряда из эмиттера kw значительно превышает обратный ток коллекторного перехода, создаваемый неосновными носителями при отсутствии инжекции из эмиттера, т. е. при к = 0.
Чем больше значение тока к, при котором снимается коллекторная характеристика, тем выше она располагается, так как для увеличения тока к необходима более интенсивная инжекция в базу неосновных носителей заряда, чтобы осуществлялась более интенсивная рекомбинация их с основными носителями заряда в базе. Это соответствует большему значению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.
Начальный круто восходящий участок каждой характеристики является нерабочим. Это участок малого напряжения UK3, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5—1,5 В. При малых значениях 1кз, соизмеримых с величиной Обэ, следует учитывать, что напряжение 1кз равно сумме напряжений на коллекторном UK6 и эмиттерном Обз переходах. Отсюда напряжение на коллекторном переходе 1кб = 1кз— Шз- При 1кз < 1кз из меньшего вычитается большее, т. е. знак 1кб меняется на противоположный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность 1кб соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе, то при U^ < 1кз она соответствует прямому напряжению. Наибольшее значение прямого напряжения 1кб на коллекторном переходе получается при 1кз = 0, когда Uk6 = 1к3. По мере роста 1кэ это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при иКз = ^бэ- Прямое напряжение на коллекторном переходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из
эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллекторном переходе приводит к увеличению экстракции этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора.
При UK3 > Об» полярность Uk6 изменяется на обратную для коллекторного перехода. Изменение напряжения UK3 на этом участке характеристик мало влияет на величину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого, но круче, чем в схеме ОБ.
Следовательно, выходное сопротивление в схеме ОЭ велико, но меньше, чем в схеме ОБ:
Д>ых^ —-^^- при /б = const (десятки килоом).
Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою коллекторного перехода.
Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, — это базовые характеристики (рис. 1.32,6), представляющие собой зависимость тока базы от напряжения база — эмиттер при постоянном напряжении коллектор — эмиттер:
/б = Д6/бэ) при UK3 = const.
При UM = 0 характеристика имеет вид прямой ветви вольт- амперной характеристики диода. С увеличением постоянного напряжения UK3, при котором снимается характеристика, она немного сдвигается вправо. Это объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению коллекторного перехода за счет базы, уменьшению толщины базы и числа рекомбинаций в ней, а значит, и тока базы при том же значении напряжения U63.
Входные характеристики, как и прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода, начинаются не из начала координат, а при некотором значении напряжения базы, называемом пороговым С/пор*
Входное сопротивление в схеме ОЭ не очень мало; оно гораздо больше, чем в схеме ОБ:
Rbx.3 = ^®3 при ика = const (сотни и тысячи ом).
Кроме рассмотренных семейств характеристик для практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.
Проходная характеристика — это зависимость выходного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения
база — эмиттер при постоянном напряжении коллектор — эмиттер (рис. 1.33, а):
к = f (ибэ) при Ои = const.
Проходная характеристика может быть построена по точкам, взятым на входных и выходных характеристиках. Она начинается не из начала координат (так как ток коллектора появляется, когда ток базы /б>0), а при значении напряжения Г/бэ, равном пороговому ипор. Начальный участок ее пологий, а с дальнейшим увеличением и6э характеристика становится круто восходящей и практически линейной. При Оба ^ Unop транзистор остается закрытым, ток к = 0; при ибэ > Unop транзистор открывается.
Рис. 1.33. Проходная характеристика (а) и характеристика прямой передачи (б) транзистора в схеме ОЭ
Характеристикой прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора (рис. 1.33,6):
/к = /(/б) при (Лэ = const-
Эта характеристика выходит из начала координат. С увеличением тока базы возрастает и ток коллектора; сначала медленно, а затем быстрее и практически линейно.
На характеристики транзистора оказывает сильное влияние температура: с повышением температуры коллекторные характеристики, снятые при том же значении тока базы, располагаются выше (рис. 1.34). Влияние температуры в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Основная причина перемещения характеристик вверх — значительное увеличение обратного тока коллекторного перехода, который в схеме ОЭ увеличивается в десятки — сотни раз. Кроме того, усиление тока в схеме ОЭ также возрастает с повышением температуры.
В схеме ОК входным током является ток базы /б, а выходным— ток эмиттера к. Входное напряжение создается между ба-
зой и общей точкой входной и выходной цепей, к которой через источник постоянного тока £к подключен по сигналу коллектор, поэтому входное напряжение — £бк, а выходное — на сопротивление нагрузки, включенной между эмиттером и общей точкой,— является напряжением U3K. Как видно из схемы рис. 1.29, в, во входной цепи на эмиттерном переходе действуют два напряжения— от источника сигнала UBX и на резисторе нагрузки UBUX, причем приращения этих напряжений находятся в противофазе, так что фактически напряжение на переходе равно их разности и очень мало. Этим объясняется соотношение £вых < UBX, но разность между ними невелика. Таким образом, в схеме ОК практически не усиливается напряжение, а усиливается только ток;
Рис. 1.34. Влияние температуры наколлекторные характеристики тран-зистора в схеме ОЭ
во столько же раз усиливается мощность сигнала. Из-за отсутствия усиления напряжения, снимаемого с эмиттерной нагрузки, простейший усилитель, построенный по схеме ОК, называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление схемы ОК очень велико, так как ток базы протекает под действием небольшой разности напряжений UBUX— UBX и имеет малую величину:
£вх.к = ^б" ПРИ ^к = cons^ (десятки килоом).
Выходное сопротивление схемы ОК, наоборот, очень мало; значительно меньше, чем в схемах ОБ и ОЭ.
При снятии статических характеристик источник усиливаемых колебаний и резистор нагрузки не включают. В этом случае схема ОК становится точно такой же, как схема ОЭ. Поэтому статические входные и выходные характеристики в этих двух схемах одинаковы.
Параметры транзисторов
Для оценки свойств транзисторов наряду с их характеристиками используют параметры. Различают две группы параметров: первичные и вторичные.
К первичным относят собственные параметры транзистора, характеризующие его физические свойства (рис. 1.35, а) и не зависящие от схемы включения:
гэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении; составляет единицы и десятки ом;
гб — объемное сопротивление базы; составляет сотни ом;
гк—дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в обратном направлении; составляет сотни килоом;
Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные параметры г», гк, гб, Сэ, Ск (а), и представление транзистора в виде четырехполюсника для определения Л-параметров (б)Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные параметры г», гк, гб, Сэ, Ск (а), и представление транзистора в виде четырехполюсника для определения Л-параметров (б)
Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные параметры г», гк, гб, Сэ, Ск (а), и представление транзистора в виде четырехполюсника для определения Л-параметров (б)
Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные параметры г», гк, гб, Сэ, Ск (а), и представление транзистора в виде четырехполюсника для определения Л-параметров (б)
Сэ — емкость эмиттерного перехода; составляет сотни пикофарад;
Ск — емкость коллекторного перехода; составляет десятки пикофарад.
Влиянием емкостей С, и Ск в области звуковых частот можно пренебречь.
Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов зависят от режима транзистора и могут быть определены как дифференциальные сопротивления для данной рабочей точки по статическим характеристикам транзистора в схеме ОБ; сопротивление эмиттерного перехода — по входной характеристике как отношение малого приращения напряжения эмиттера к вызванному им приращению тока эмиттера при постоянном напряжении коллектора:
гэ = при UK = const;
сопротивление коллекторного перехода — по выходной характеристике как отношение приращения напряжения коллектора к вызванному им малому приращению тока коллектора при постоянном токе эмиттера:
гк = -^- при /э = const.
К неудобству использования первичных параметров транзистора гэ, гб и гк следует отнести то, что их невозможно непосредственно измерить с помощью измерительных приборов, поскольку точки для подключения прибора находятся внутри структуры транзистора.
К параметрам транзистора относят также дифференциальные коэффициенты усиления тока в трех схемах включения. Учитывая их зависимость от режима, коэффициенты усиления тока определяют как отношение приращения выходного тока к вызвавшему его малому приращению входного тока при данном неизменном выходном напряжении.
Для схемы ОБ коэффициент усиления тока а:
а= -^ при Uk6 = const; а= 0,95—0,99.
Для схемы ОЭ коэффициент усиления тока 0:
0 = ^- при U^ = const; 0 = 20—200.
Для схемы ОК коэффициент усиления тока у:
V = при иж = const; у = 20—200.
Коэффициенты усиления тока, называемые также коэффициентами передачи тока, в разных схемах включения транзистора связаны соотношениями:
Y=l+P; т = _2_.
Коэффициенты усиления тока а и 0 могут быть определены по выходным характеристикам транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.
Сущность вторичных параметров можно объяснить, представив транзистор в виде активного четырехполюсника, имеющего два входных и два выходных вывода и усиливающего сигнал (рис. 1.35,6). Входные величины обозначают индексом «1», а выходные — индексом «2»: /1 и U\ — входные ток и напряжение, U и U2 — выходные. Все рассуждения справедливы при условии, что сигналы, т. е. приращения Д/ь MJt, М2 и М)2, малы.
Эти четыре величины взаимно связаны и влияют друг на друга. Для расчетов выбирают две из них в качестве независимых переменных, а две другие величины будут зависимыми переменными. Для них составляется система из двух уравнений, связывающих их с независимыми величинами через коэффициенты, которыми могут быть либо только сопротивления, либо только проводимости, либо разные по размерности коэффициенты. Эти коэффициенты и являются вторичными параметрами. В выборе пары независимых переменных есть несколько вариантов. Соответственными будут и варианты выбора системы уравнений, а значит, и совокупности параметров для этой системы, называемой системой параметров. Существуют разные системы параметров: система Z-параметров (Z имеет размерность сопротивления), ^/-параметров (у имеет размерность проводимости), Л-параметров и другие.
Наибольшее распространение при расчете транзисторных низкочастотных схем получили h-параметры. Их преимущество перед собственными параметрами состоит в том, что их удобно определять с помощью измерений в схеме включения транзистора, причем для этого легко создать требуемые режимы по переменному току: короткое замыкание на выходе, соответствующее условию Д£72 = О (или [72= const), и холостой ход на входе, соответственно, ДЛ = 0 (или /i = const).
Для определения Л-параметров составляется система уравнений, в которой независимыми переменными являются Д/i и Дб/2:
Д U1 = hx\M\ Н~ hx-zMJ-z;
Д/2 = hvvMx И- Л22Д1/2.
В этой системе имеется четыре параметра с разной размерностью: Ли, Л22, Л2|, h\2.
Индекс параметра представляет сочетание двух цифр, обозначающих соответствующую цепь: «11» (один-один) относится ко входной цепи; «22» (два-два) —к выходной, «21» (два-один) отражает зависимость выходной величины от входной, а «12» (один-два) — зависимость входной величины от выходной. Значение этих параметров следующее:
h\\ — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении
Ли = -^- при U2 = const;
Л22 — выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе
h22 = Г7Т~ ПРИ h = const;
-2
h2\ — коэффициент усиления тока при неизменном выходном напряжении:
h2v = при U2 = const;
А/1
/112 — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при неизменном входном токе
и МЛ
л,2 = " при
/1 = const./1 = const.Рис. 1.36. Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а — Ли»;б — h-22-;, в — /121 э! 2 — Нг2эРис. 1.36. Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а — Ли»;б — h-22-;, в — /121 э! 2 — Нг2эПоскольку в систему /i-параметров входят сопротивление, проводимость и безразмерные величины, их иногда называют смешанными, или гибридными, параметрами. Эти параметры зависят от схемы включения транзистора и в разных схемах имеют разные значения. Поэтому к индексу добавляют букву, обозначающую схему включения: для схемы ОБ параметры Ацб, /1226, /i2i6, /ii26; для схемы ОЭ — h\\3l /122,, h2\3, h\2a; для схемы ОК добавляется буква «к».
/1 = const.
/1 = const.
Рис. 1.36. Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а — Ли»;
б — h-22-;, в — /121 э! 2 — Нг2э
Рис. 1.36. Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а — Ли»;
б — h-22-;, в — /121 э! 2 — Нг2э
Определение /i-параметров по статическим характеристикам транзистора для схемы ОЭ показано на рис. 1.36, где hw определяется по одной входной характеристике, Н22 — по одной выходной, h\2 — по двум входным, h2\ — по двум выходным. Учитывая, что характеристики транзистора нелинейны и параметры зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки по малым приращениям токов и напряжений:
Ацэ = д/б при t/K3 = const (рис. 1.36, а);
А22э = ^к при /б = const (рис. 1.36, б);
А21э = ^- при t/K3= const (рис. 1.36, в);
Ai23 = ^ ПРИ ^б = const (Рис- 1-36, г).
Значения A-параметров для разных схем включения связаны соотношениями, из которых по A-параметрам одной схемы можно найти A-параметры другой. Например:
h\\3 = Ан к =— ’ ^2э = ^22к =•
1 — «21б1 — «216
Кроме того, A-параметры можно выразить через первичные параметры транзистора:
л не = г з + гб(1 a)i Ац3 = Ацк = Гб 4~ г3 (1 4" Р);
л 22б = -у—;Аг23 = Аггк = —+ ^ ;
и . Гб . L 1 . и ^э(1 + Р) .
«12б — ,«12к = 1, Л12э — ,
г кГ к
А216 = os; Аг1К = V = 1 4” Р = 1; А21Э = р.
1 — аг
В справочниках приводится коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: А213 = р.
Как видно из приведенных соотношений, аир соответственно равны А216 и Агь; определение их по коллекторным характеристикам для схем ОЭ и ОБ производится аналогично показанному на рис. 1.36, в.
Кроме рассмотренных параметров свойства транзистора характеризуются величинами, определяющими номинальный и предельный режимы работы и возможности использования транзисторов в различных устройствах. К ним относятся обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера, граничная частота усиления тока, емкость коллекторного перехода.
Предельные режимы определяются максимально допустимыми значениями токов, напряжений и рассеиваемой мощности, которые нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации. К ним относятся максимально допустимые постоянные токи коллектора /кмакс, эмиттера /змакс и базы Дмакс, максимально допустимые постоянные напряжения /Абмакс, //кбмакс, t/кэмакс, максимально
допустимая постоянная мощность Ркмакс, которая выделяется на коллекторном переходе.
Частотные свойства транзистора зависят от влияния емкостей Сэ и Ск. Несмотря на то, что емкость эмиттерного перехода на порядок больше, чем коллекторного, влияние Ск в области высоких частот сильнее. Это объясняется тем, что емкость Сэ шунтирует очень малое сопротивление эмиттерного перехода гэ, а -емкость Ск — очень большое сопротивление гк. Параметром транзистора, характеризующим его частотные свойства, является граничная частота, при которой коэффициент усиления тока уменьшается в -^~раз. Для схемы ОБ это частота fa, при которой а уменьшается в V2~раз, a fp — то же для 0 в схеме ОЭ.
Поскольку ток базы в (1+0) раз меньше тока эмиттера, то fp = t ^ • Отсюда следует, что граничная частота в схеме ОЭ меньше, чем в схеме ОБ, и частотные свойства транзистора хуже.
Из рассмотрения принципа действия транзистора и его характеристик в схемах ОБ и ОЭ видно, что в схеме ОБ выходной ток /к практически повторяет по величине входной ток /э (схема не дает усиления тока); в схеме ОЭ выходной ток /к во много раз больше входного тока /б (происходит усиление тока). Следует добавить, что в схеме ОК ток усиливается практически так же, как в схеме ОЭ, но она не дает усиления по напряжению. Очевидно, что наибольшее усиление мощности электрических колебаний дает схема ОЭ.
Типы транзисторов и система их обозначений
Транзисторы разделяют на типы в зависимости от их назначения по граничной частоте усиливаемого сигнала и по мощности, рассеиваемой на коллекторе.
По частотным свойствам транзисторы делят на низкочастотные (fo ^ 3 МГц), средней частоты (3<fa^30 МГц), высокочастотные (30 <f„^ 300 МГц) и СВЧ (fa >300 МГц).
По максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллектором, различают транзисторы малой мощности (РКМакс ^ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 < РКМакс ^ 1,5 Вт) и большой мощности (Л макс > 1,5 Вт). Для улучшения теплоотвода транзисторов средней и большой мощности используют радиаторы охлаждения; иногда роль радиатора охлаждения может играть корпус устройства, на котором укрепляется транзистор. Внешний вид транзисторов разной мощности показан на рис. 1.37.
Система буквенно-цифровых обозначений транзисторов такая же, как для диодов. В качестве второго элемента ставится буква Т. Третий элемент — трех- значное число, определяющее группу по электрическим свойствам и порядковому
номеру разработки; устанавливается нием по сотням.
Малой мощности
в ‘соответствии со следующим распределе-
низкой частоты средней частоты высокой частоты
и СВЧ
от 101 от 201 от 301
до 199;
до 299;
до 399.
Средней мощности
низкой частоты
от 401
до 499;
средней частоты
от 501
до 599;
высокой частоты
и СВЧ
от 601
до 699.
Большой мощности
•
низкой частоты
от 701
до 799;
средней частоты
от 801
до 899;
высокой частоты
и СВЧ
от 901
до 999.
ГТ403ИНТ601ГТ403ИНТ601ГТ9О5А НТ805АГТ9О5А НТ805Аiwt—I1—I—।—।—I—1—।—И123466789 10|iwt—I1—I—।—।—I—1—।—И123466789 10|ааРис. 1.37. Внешний вид транзисторов разных типов (а), со снятой крышкой корпуса (б) и с радиатором охлаждения (в)Рис. 1.37. Внешний вид транзисторов разных типов (а), со снятой крышкой корпуса (б) и с радиатором охлаждения (в)Германиевые (рчп-р)Кремниевые (п-р-л).
ГТ403ИНТ601
ГТ403ИНТ601
ГТ9О5А НТ805А
ГТ9О5А НТ805А
iwt—I1—I—।—।—I—1—।—И
123466789 10|
iwt—I1—I—।—।—I—1—।—И
123466789 10|
а
а
Рис. 1.37. Внешний вид транзисторов разных типов (а), со снятой крышкой корпуса (б) и с радиатором охлаждения (в)
Рис. 1.37. Внешний вид транзисторов разных типов (а), со снятой крышкой корпуса (б) и с радиатором охлаждения (в)
Примеры обозначения транзисторов:
ГТ108Б — германиевый транзистор малой мощности, низкой частоты, порядковый номер разработки 08, группа по параметрам Б;
КТ315Г— кремниевый транзистор малой мощности, высокой частоты, порядковый номер разработки 15, группа Г;
КТ808А — кремниевый транзистор большой мощности, средней частоты, порядковый номер разработки 08, группа А.
В эксплуатации еще находятся транзисторы прежних выпусков со старыми обозначениями. Например, МП39Б, МП41, П28 (германиевые, малой мощности, низкой частоты), П210А (германиевый транзистор большой мощности, низкой частоты).
Контрольные вопросы
Что представляет собой биполярный транзистор?
По схеме включения транзистора объясните его принцип действия как управляемого прибора.
Объясните процесс усиления электрических колебаний с помощью транзистора.
Какие возможны схемы включения транзистора и какими свойствами они отличаются?
Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора в' схеме с общим эмиттером.
Перечислите первичные и Л-параметры транзистора и покажите, как определяются коэффициенты усиления тока а и 0 по характеристикам.
Глава 1.5.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип действия полевого транзисторас р-п переходом
Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым поперечным электрическим полем.
Рис. 1.38. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом: а, б — упрощенные структуры; в, г — условные графические обозначения с каналом n-типа и р-типа; д — схема включения, поясняющая принцип действия
В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности — либо только электронами в канале n-типа, либо только дырками в канале p-типа. Поэтому их называют униполярными.
Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора с р-п переходом (рис. 1.38). Он представляет собой полупроводниковую пластину n-типа, от торцов которой с помощью невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы
электродов. Слой полупроводника между этими контактами, в котором регулируется поток носителей заряда, называют проводящим каналом (в данном случае — п-типа). Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, — стоком С.
На грань пластины в ее центральной части наплавляют акцепторное вещество, создающее область p-типа; в результате образуется р-п переход. От p-области сделан вывод третьего электрода для подачи на р-п переход обратного напряжения. В таком режиме слой, обедненный носителями заряда имеет проводимость, близкую к нулю. Электрод, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором 3.
При создании р-п перехода только с одной стороны пластины (рис. 1.38, а) канал n-типа образуется между областью р-п перехода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пластина. Чаще всего создают р-п переходы с двух сторон пластины — на противоположных гранях — и электрически соединяют обе p-области в один вывод затвора (рис. 1.38,6). В этом случае проводящий канал образуется в пластине между областями двух р-п переходов.
На рис. 1.38, в, г показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с каналами n-типа и р-типа.
В схеме включения полевого транзистора (рис. 1.38, д) между истоком и стоком подается напряжение Ци такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) двигались по каналу в направлении от истока к стоку. При этом через канал и по внешней цепи протекает ток стока /с. Цепь между стоком и истоком является главной.
На затвор относительно истока подается напряжение 6/зи, обратное для р-п перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения. Чем больше это напряжение, а следовательно, сильнее электрическое поле, тем шире запирающий слой и уже канал (пунктир на рис. 1.38,6). С уменьшением поперечного сечения канала уменьшается его проводимость, что приводит к уменьшению тока /с в цепи. Цепь между затвором и истоком является управляющей. Таким образом, принцип действия полевого транзистора с р-п переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области р-п перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор — исток.
Если в цепь затвор — исток последовательно с источником постоянного напряжения Е3 включить источник усиливаемого
сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последовательно с источником питания Ес— нагрузку RH (рис. 1.39), то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал вызывает изменения поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к периодическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пульсации тока /с и напряжения на нагрузке /?н. Переменная составляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи управления на входе.
Рис. 1.39. Схема включения полевого транзистора с общим истоком для усиления электрических колебаний
Из принципа действия полевого транзистора следует, что, в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением U3H.
Поскольку это напряжение обратное, то в цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током /с не затрачивается мощность. В этом преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным.
Такое же устройство и принцип действия имеют полевые транзисторы с р-п переходом и каналом p-типа; по сравнению с транзисторами с каналом n-типа они требуют противоположной полярности источников питания. Основные носители заряда в них — дырки.
Следует отметить, что при подаче на канал напряжения t/CH потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля до полного напряжения U№. В связи с этим увеличивается и обратное напряжение на р-п переходе в направлении от истока к стоку от значения, равного t/3H около истока, до суммы ^зи + Ue* У стока. Это вызывает постепенное расширение области р-п перехода по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении от истокового конца к стоковому. С увеличением UCH возрастает влияние этого напряжения на сужение канала у стокового конца.
Статические вольт-амперные характеристикиполевых транзисторов с р-п переходом
Основные характеристики полевых транзисторов — выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).
Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения сток — исток при постоянном напряжении затвор — исток:
/с = KUc^ при изи = const.
Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины изи, составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис. 1.40, а, приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р-п переходом и каналом п-типа.
Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при U3H = 0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней можно выделить три участка.
Рис. 1.40. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом п-типа
Начальный участок выходит из начала координат (при Ucll = 0 ток /с тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения U№, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт. Поэтому ток /с на этом участке растет прямо пропорционально напряжению иси; характеристика идет круто вверх.
По мере дальнейшего увеличения Ucvt начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и, соответственно, рост обратного напряжения на р-п переходе, которое при изИ = 0, у стокового конца равно величине иси. По мере увеличения иси происходит сужение канала, уменьша-
ется его проводимость и замедляется рост тока /с. Это соответствует криволинейной переходной области характеристики.
Дальнейшее увеличение Uc« практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние иси на величину тока компенсируется одновременным повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала назы- выют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, участок характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения Uc^ac, а ток при этом — током насыщения /СИас.. Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.
При дальнейшем увеличении 47си, когда оно достигает определенного значения, ток резко возрастает; это соответствует лавинному пробою р-п перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р-п переходе — наибольшую величину. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение Uc« ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.
Характеристики, снимаемые при значениях U3« ^ 0, располагаются ниже рассмотренной характеристики при изи = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор — исток. С увеличением напряжения 17зн, при котором снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление — больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем напряжении £/си и токе /с наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении (/си-
Полевой транзистор может быть использован не только в схемах усиления, но и в качестве управляемого омического сопротивления; в этом случае он работает в режиме, соответствующем начальному крутому участку стоковой характеристики.
Стоко-затворная характеристика — это зависимость тока стока от напряжения затвор — исток при неизменной величине напряжения сток — исток (рис. 1.40, б):
1с = кизи) при Uch = const.
Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока.
При данном постоянном значении (/си, взятом в рабочем режиме, т. е. на участке насыщения, и при U3lt = 0 точка характеристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения ICHac. С увеличением напряжения изИ по абсолютной величине проводимость канала уменьшается, что приво-
дит к уменьшению тока. Увеличение напряжения изи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор — исток, при котором ток через канал прекращается, называют напряжением отсечки изИ0ТС ■
На рис. 1.40,6 приведена одна стоко-затворная характеристика, поскольку изменение Uca в режиме насыщения очень мало влияет на ток /с и характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины UCH, располагаются очень близко друг к другу.
Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость:
^синас === ^зиотс ^/зи •
Отсюда при U31t = 0 UCHHac = U3H0TC.
Изменение температуры мало сказывается на работе полевого транзистора, что является еще одним его преимуществом перед биполярным. Это объясняется противоположным влиянием на сопротивление канала и величину выходного тока /с двух факторов. С одной стороны, повышение температуры снижает потенциальный барьер р-п перехода, что ведет к уменьшению его ширины и расширению канала, сопротивление канала уменьшается, ток /с возрастает. С другой стороны, при повышении температуры уменьшается подвижность основных носителей заряда, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает ток /с. В результате ток /с изменяется мало. Причем в области больших токов преобладает влияние второго фактора, и /с с ростом температуры уменьшается, что очень благоприятно, а в области малых токов преобладает первый фактор, и ток немного возрастает (пунктирная кривая на рис. 1.40,6). Повышение температуры снижает UBX из-за увеличения обратного тока р-п перехода.
Параметры полевых транзисторов с р-п переходом
Основные параметры полевого транзистора следующие: крутизна стоко-затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока /СМакс при U3B = 0, максимально допустимое напряжение сток — исток i/симакс, максимально допустимое напряжение затвор — исток t73HMaKC, максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей температуры.
Статическая крутизна характеристики S показывает влияние
напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его малому приращению напряжения затвор — исток при постоянном напряжении сток — исток:
S = ^— при Ucvt = const.
Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной характеристике, взяв для данной точки малое приращение напряжения At/зи и соответствующее ему приращение тока Д/с (см. рис. 1.40,6). Наибольшее значение имеет крутизна характеристики в точке на оси тока при U3B = 0. С увеличением изи крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра 5= 0,1 —8 мА/В.
Внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri показывает влияние напряжения сток — исток на выходной ток транзистора. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как отношение приращения напряжения сток — исток к вызываемому им малому приращению тока стока при постоянном напряжении затвор — исток (см. рис. 1.40, а):
Ri = при U3B = const.
Л/с
Чем больше Ri, тем более полого идет характеристика в области насыщения. Внутреннее сопротивление полевых транзисторов составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет выходное сопротивление RBblx.
Входное сопротивление RBX полевого транзистора очень велико; оно определяется обратным сопротивлением р-п перехода и составляет 10®—109 Ом. Большое входное сопротивление является преимуществом полевых транзисторов перед биполярными. Преимуществом является также малый собственный шум.
Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются статическим коэффициентом усиления напряжения ц, который может быть найден как произведение крутизны на внутреннее сопротивление: ц = SRi.
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения затвор — исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток — исток. Его можно определить как отношение приращения напряжения сток — исток к приращению напряжения затвор — исток при неизменном токе:
Ц = ^— при/с = const.
Кроме этих параметров на свойства высокочастотных транзисторов влияют междуэлектродные емкости.
Максимально допустимое напряжение сток — исток выбирают с запасом примерно в 1,5 раза меньше напряжения пробоя сток — затвор при (Ли = 0.
Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом могут быть созданы и на основе перехода Шоттки (металл — полупроводник) на базе арсенида галлия.
МДП-транзисторы
МЦП-транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого вида затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. Структура такого полевого транзистора металл — диэлектрик — полупроводник обусловила его название — МДП- транзистор. МДП-транзисторы изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка окисла кремния SiOg. Получается структура металл — окисел — полупроводник, называемая МОП-транзистором.
В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p-типа и п-типа.
Типовые структуры полевых транзисторов и схема включения представлены на рис. 1.41. Для сравнения на рис. 1.41, а дана структура с управляющим р-п переходом.
МДП-транзистор со встроенным каналом. В транзисторе со встроенным каналом n-типа (рис. 1.41,6) исходным материалом служит кремниевая пластина p-типа, называемая подложкой. В ней создаются области п+-типа с большой концентрацией донорной примеси, образующие исток и сток, а между ними — тонкий приповерхностный слой n-типа с малой концентрацией примеси, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности кристалла создается тонкая пленка окисла кремния SiOg, которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними выводами осуществляются от областей стока и истока, от металлического затвора, а также в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки электрически соединяют с истоком.
Принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом основан на изменении проводимости канала под действием по-
перечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.
При иэи = 0 через транзистор протекает ток /с под действием напряжения сток — исток (7СИ, приложенного плюсом к стоку при канале n-типа. Величина этого тока определяется исходной проводимостью канала. Вид стоковой характеристики при U3H = .0
U сиU сиРис. 1.41. Структуры полевых транзисторов с каналом п-типа: а — с управляющим р-п переходом; б — с изолированным затвором и встроенным каналом; в — с изолированным затвором и индуцированным каналом; г — схема включения МПД-тран- зистораРис. 1.41. Структуры полевых транзисторов с каналом п-типа: а — с управляющим р-п переходом; б — с изолированным затвором и встроенным каналом; в — с изолированным затвором и индуцированным каналом; г — схема включения МПД-тран- зистора
U си
U си
Рис. 1.41. Структуры полевых транзисторов с каналом п-типа: а — с управляющим р-п переходом; б — с изолированным затвором и встроенным каналом; в — с изолированным затвором и индуцированным каналом; г — схема включения МПД-тран- зистора
Рис. 1.41. Структуры полевых транзисторов с каналом п-типа: а — с управляющим р-п переходом; б — с изолированным затвором и встроенным каналом; в — с изолированным затвором и индуцированным каналом; г — схема включения МПД-тран- зистора
(рис. 1.42, а) аналогичен соответствующей характеристике транзистора с р-п переходом: ее начальный участок — почти линейный, круто восходящий. По мере увеличения (7СИ канал к стоку сужается, проводимость его уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения — к пологому рабочему участку. При увеличении UCH выше максимально допустимого наступает пробой.
При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока Uзи < 0 электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их из канала в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, а значит, уменьшается и ток стока /с; стоковая характеристика располагается ниже. Чем больше отрицательное напряжение затвора по абсолютной величине, тем меньше проводимость канала, ток через транзистор и тем ниже идет стоковая характеристика.
При подаче на затвор положительного напряжения 17зи > 0
в транзисторе с каналом n-типа электрическое поле затвора притягивает электроны, втягивая их в канал из p-слоя и м-слоев истока и стока; канал обогащается основными носителями заряда, и проводимость его увеличивается. С повышением положительного напряжения на затворе возрастает ток стока /с. Чем больше положительное значение U3H, при котором снимается стоковая характеристика, тем выше она располагается. При увеличении UCH до некоторой величины происходит лавинный пробой транзистора (/с резко возрастает) вследствие пробоя
Ц|/+ 0,2В// ' /+0,1 В/Ызи=0-0,1 В_ У-0.2 В УЦ|/+ 0,2В// ' /+0,1 В/Ызи=0-0,1 В_ У-0.2 В У05 ю05 юаа15 20 иси,В15 20 иси,ВРис. 1.42. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (6) МДП-транзистора со встроенным каналом п-типаРис. 1.42. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (6) МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа
Ц|/
+ 0,2В// ' /
+0,1 В
/
Ызи=0
-0,1 В_ У
-0.2 В У
Ц|/
+ 0,2В// ' /
+0,1 В
/
Ызи=0
-0,1 В_ У
-0.2 В У
05 ю
05 ю
а
а
15 20 иси,В
15 20 иси,В
Рис. 1.42. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (6) МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа
Рис. 1.42. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (6) МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа
участка сток — затвор вблизи стока. При отрицательном Оэи напряжение сток — затвор у стока возрастает, поэтому пробой наступает при меньших значениях напряжения сток — исток UCH.
Из рассмотрения принципа действия МДП-транзисторов со встроенным каналом следует, что управляющее действие затвора осуществляется как в режиме обеднения канала основными носителями заряда, так и в режиме обогащения.
Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом (рис. 1.42,6) отражает зависимость тока стока от напряжения затвор — исток. Она характеризует управляющее действие затвора и снимается при постоянном напряжении сток — исток. Для транзисторов с каналом n-типа в соответствии с рассмотренными процессами при U;w = 0 ток имеет определенное значение; с увеличением положительных напряжений изи >0 ток растет (режим обогащения), а с увеличением отрицательных значений ОЗИ <L 0 ток уменьшается (режим обеднения). При некотором значении отрицательного напряжения затвор — исток, равном напряжению отсечки 0ЗИ = U31toTC, электроны будут полностью вытеснены из канала, т. е. канал исчезнет, а ток через транзистор упадет до нуля; транзистор закроется.
МДП-транзистор с индуцированным каналом. Структура та-
кого транзистора показана на рис. 1.41, в. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке p-типа создаются только области n-типа истока и стока, а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе ((Ли = 0) транзистор остается закрытым независимо от величины и полярности напряжения сток — исток. Это объясняется тем, что при любой полярности (Ли оба р-п перехода (исток — подложка и сток — подложка) находятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.
Рис. 1.43. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа
При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока (Ли > 0 электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхностного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия), т. е. образуется — индуцируется — проводящий канал n-типа. С повышением положительного напряжения на затворе концентрация электронов в индуцированном канале возрастает, растет проводимость канала, а следовательно, и ток стока через него. При снижении положительного напряжения (Ли происходят обратные процессы: концентрация электронов в канале падает, и ток уменьшается. Напряжение на затворе, при котором ток становится равным нулю при данном значении U_, называется пороговым напряжением (Ли пор. При отрицательном напряжении на затворе канал n-типа не индуцируется; транзистор данного типа остается закрытым. Таким образом, МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.
Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведено на рис. 1.43, а. По виду характеристики такие же, как для полевых
транзисторов с р-п переходом и МДП-транзисторов со встроенным каналом, но их расположение с изменением постоянного значения Сзи иное: при Сзи = 0 ток /с = 0, поэтому характеристика сливается с осью абсцисс, как и при увеличении постоянного положительного значения Ози от 0 до изи = 1ЛипоР. С увеличением значения Ози, при котором снимается характеристика, начиная с 0зи > (Липор, стоковые характеристики идут выше.
Стоко-затворная характеристика (рис. 1.43,6) выходит из точки на оси напряжений, соответствующей пороговому значению напряжения затвор — исток (/3ипоР, идет сначала полого, а затем практически линейно круто вверх.
Рис. 1.44. Условные графические обозначения МДП-транзис- торов со встроенным (а) и индуцированным (б) каналом: / — с каналом м-типа; 2 — с каналом р-типа; 3 — с каналом n-типа и выводом от подложки; 4— с каналом p-типа и выводом от подложки
Преимуществом МДП-транзисторов перед полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом являются гораздо большее входное сопротивление, достигающее 1012—10м Ом, существенно меньшие междуэлектродные емкости, а также возможность получения большей крутизны (до десятков миллиампер на вольт) за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя и других конструктивных мер.
На рис. 1.44 приведены условные графические обозначения МДП-транзисторов.
Полевые транзисторы, особенно МДП-транзисторы, получили широкое применение в интегральных микросхемах благодаря более удобной технологии их изготовления, высокому входному сопротивлению, малому собственному шуму, низкой стоимости, возможности работы при более высоких напряжениях, чем биполярные транзисторы, а также большому коэффициенту усиления напряжения и мощности.
Система обозначений полевых транзисторов такая же, как биполярных, но вторым элементом является буква П. Например,
КП302Б, КП350В. Вид структуры полевого транзистора данного типа указывается в справочниках вместе с параметрами и характеристиками.
Контрольные вопросы
Какой прибор называют полевым транзистором, какие существуют виды полевых транзисторов и чем отличается их устройство?
Объясните принцип действия каждого вида полевых транзисторов.
Нарисуйте стоковые характеристик.! каждого вида полевых транзисторов и объясните, чем они отличаются.
Нарисуйте стоко-затворные характеристики каждого вида полевых транзисторов и объясните, чем они отличаются.
Покажите, как определяются по характеристикам основные параметры полевых транзисторов.
Приведите примеры обозначения биполярных и полевых транзисторов в зависимости от мощности и частоты.
Глава 1.6.ТИРИСТОРЫ
Устройство и принцип действия тиристора
Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три или более р-п переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
Типичная структура тиристора — четырехслойная, с чередующимися слоями полупроводника p-типа и n-типа: Рх-гц-р-г-п-г (рис. 1.45, а). На основе этой структуры в зависимости от числа
н уэ
Рис. 1.45. Тиристор: а — упрощенная структура: б — схематическое устройство;
1 — алюминий; 2 — молибден; 3 — золото-сурьма
выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные, называемые бинисторами, и триодные, называемые тринистора- ми. Диодные тиристоры имеют два вывода: от наружного слоя Pi — вывод анода А; от наружного слоя п^— вывод катода К. Триодные тиристоры имеют три вывода: кроме указанных основ-
ных выводов катода и анода — вывод управляющего электрода УЭ от одного из внутренних слоев р2 или пь
Схематическое устройство тиристора показано на рис. 1.45,6. Исходным материалом служит кремний п-типа, в кристалле которого создается структура р-п-р-п. Слои р2 и п2 имеют большую концентрацию примесей, a pi и особенно п\ — меньшую. Пластину кремния с готовой четырехслойной структурой припаивают к кристаллодержателю. Контактные площадки создают металлизированием, а соединение их с внешними выводами осуществляется через вольфрамовые прокладки. Герметизированный корпус предохраняет кристалл от воздействия окружающей среды.
абв
Рис. 1.46. Схема включения тиристора без цепиуправления (а); напряжения на р-п переходах привключении в обратном (б) и прямом (в) направ-лениях
Принцип действия тиристора удобно рассмотреть сначала без влияния цепи управления, т. е. для включения его как динистора (рис. 1.46, а). Схема включения имеет только одну цепь между выводами анода и катода. Положительное анодное напряжение является прямым напряжением тиристора, а отрицательное — обратным. Между каждой парой соседних слоев, имеющих разные типы электропроводности, создается р-п переход. При обратном напряжении между анодом и катодом (рис. 1.46,6) переходы П| и П3 находятся под обратным напряжением, а переход П2 — под прямым. На переходе П2 падение напряжения очень мало, поэтому все внешнее напряжение Ua распределяется фактически между переходами П1 и П3. В этом случае тиристор ведет себя так же, как диод при обратном напряжении; анодный ток практически отсутствует, и тиристор находится в закрытом состоянии.
При подаче на тиристор прямого напряжения (рис. 1.46, в)
полярность напряжений на р-п переходах изменится: на переходах П1 и Пз будет прямое напряжение, а на переходе П2— обратное. В этом случае падение напряжения на крайних переходах П1 и Пз очень мало; фактически все внешнее напряжение приложено к среднему переходу П2.
Физические процессы, объясняющие принцип действия тиристора при прямом напряжении, очень сложны. Рассмотрение их принято проводить, представив структуру тиристора в виде двух транзисторов с разными типами электропроводности, у каждого из которых база соединена с коллектором другого (рис. 1.47,а). Первый из этих двух транзисторов — Т| типа р-п-р — состоит
Рис. 1.47. Представление тиристора в виде двух транзисторов: а — структура; б — двухтранзисторный эквивалент
из областей рх — эмиттер, пх — база, р^ — коллектор, а второй — Г2 типа п-р-п— содержит области Пз— эмиттер, р2— база, п\ — коллектор. В соответствии с таким представлением тиристора его крайние слои называют эмиттерами, а средние — базами. Таким образом, переход П( является эмиттерным переходом для транзистора Ть а переход Пз — эмиттерным переходом для транзистора Г2; переход /72 является общим для обоих транзисторов коллекторным переходом. На эмиттерных переходах действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное, что соответствует рабочему режиму транзисторов. Двухтранзисторный эквивалент тиристора показан на рис. 1.47,6.
Ток в цепи тиристора /а при отсутствии тока в цепи управления — это ток, протекающий последовательно через все четыре слоя его структуры, а значит, через оба эмиттера и коллекторный переход /72. Поэтому можно написать следующие равенства:
/а /,1. /а /э2, /а — Ini-
Рассмотрим, какие составляющие входят в ток Ini через коллекторный переход. Для транзистора Тх ток через коллекторный переход равен ai/9i, где сц — коэффициент передачи тока
эмиттера. Для транзистора Т2 аналогично — а2/э2. Кроме того, через коллекторный переход /72 протекает суммарный обратный ток обоих транзисторов /КОбР, обусловленный движением неосновных носителей заряда — дырок из слоя п\ в слой р2 и электронов из р2 в пь Полный ток через коллекторный переход равен сумме этих трех составляющих:
/цг == С|А| Н- 0^2Д2 -И /кобр-
Или, учитывая, что через //2 и эмиттеры проходит один и тот же ток /а, можно эту сумму написать иначе:
la ^lla —Н 0&2/а ~К /кобр,откуда получим выражение для анодного тока и цепи тиристора:f /кобр
а — 1 _ (а, + а2) •
Величина ai и а2 зависит от толщины базовых слоев пх и р^ и от тока /а в цепи. При малых значениях тока /а ai и а2 близки к нулю, поэтому очень малы составляющие анодного тока ai/3i и а2/э2, а ток через тиристор обусловлен только обратным током перехода //2. В этом режиме тиристор остается закрытым; на прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора это соответствует участку /, аналогичному обратной ветви характеристики р-п перехода (рис. 1.48).
Рис. 1.48. Вольт-амперная характеристика тиристора при /у = 0: А — точка переключения; / — участок закрытого состояния; 2—участок отрицательного динамического сопротивления — переход в открытое состояние; 3 — участок открытого состояния
На участке 1 с увеличением анодного напряжения Ua растет обратное напряжение на переходе /72 и немного возрастает ток /кобр, а значит, и ток через тиристор /а. Рост тока /а вызывает увеличение коэффициентов передачи тока ai и а2, что в свою очередь приводит к возрастанию составляющих тока сц/и и а2/з2 и более быстрому росту тока /а.
В точке Л мгновенно происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. В этот момент ток скачком возрастает, а напряжение на тиристоре падает, причем этот процесс неуправляем (участок 2 так называемого отрицательного динамического сопротивления). Напряжение и ток тиристора
в точке Л в момент переключения называют, соответственно, напряжением переключения UnpK и током переключения /М|1К.
Условие, необходимое для переключения тиристора, как следует из формулы для тока /а выражается равенством а, + а2 = = 1. Действительно, в результате взаимного влияния тока /а на величину коэффициентов а, и аг, а этих коэффициентов на ток /а рост тока становится все интенсивнее: например, при ai + а2 = = 0,5 ток /а = 2/кобР; при ai+a2 = 0,8 ток /а = 5/кобР; при
В закрытом состоянииТ2(п—р—п)
Q
Рис. 1.49. Схема потоков носителей заряда в тиристоре: а — при a, + a2< 1; б — при ои + «г^ 1
ai + a2 = 0,95 /а = 20/КОбР; при ai + a2 = 0,99 /а=100/КобР. В тот момент, когда ai -f-a2= 1, знаменатель в выражении для тока /а обращается в нуль, а ток должен бесконечно возрасти, но он ограничивается сопротивлением нагрузки RH в анодной цепи.
Рассмотрим процессы, сопровождающие переход тиристора из закрытого состояния в открытое (рис. 1.49).
Для упрощения будем считать, что ai = a2, хотя обычно создают несимметричную структуру, где а2>>аь До момента переключения (си + a2) С 1 (рис. 1.49, а); можно считать, что для каждого транзистора Л и Г2 a < 0,5. Это означает, что в транзисторе Г1 (ргПгр2) из потока дырок от эмиттера Э1 большая часть оседает в базе Б\, а меньшая переходит через
коллекторный переход /72 в коллектор К\. Аналогично в транзисторе Л (n2-p2-ni) большая часть электронов из эмиттера Э2 остается в базе 62, а меньшая переходит в коллектор Кг через переход П2. Таким образом, при ai + 02 < 1 в потоке носителей заряда, поступающих в область гц, преобладают дырки, а в потоке носителей заряда, поступающих в область р2, — электроны. В базах возрастает концентрация неосновных носителей заряда, увеличивающих обратный ток коллекторного перехода, а напряжение на переходе /72 остается обратным. Рост тока через тиристор, остающийся закрытым, происходит за счет увеличения /КОбр.
С ростом тока и увеличением суммы ai 4- a2 все больше дырок из области р, через базу п\ и переход /72 переходит в область р2; одновременно увеличивается поток электронов из области п^ через область р2 и переход /72 в область гц. Эти носители заряда, скапливаясь по обе стороны от р-п перехода /72 (дырки в р2-базе и электроны в лрбазе), создают электрическое поле, направленное встречно полю, созданному обратным напряжением, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехода. В тот момент, когда ai+a2=l, потенциальный барьер полностью скомпенсирован, обратное напряжение на переходе /72 равно нулю, тиристор открывается. Одновременно с этим повышение концентрации избыточных основных носителей заряда в базах усиливает инжекцию носителей заряда в базы из эмиттеров, что вызывает еще большее возрастание коэффициентов передачи тока и их суммы си + аг, а следовательно, еще более быстрый рост тока. Процесс носит лавинообразный характер, так как возникает положительная обратная связь, когда следствие происходящих явлений влияет на их причину, еще более усиливая ее воздействие на рост тока.
В результате этих процессов переключение тиристора происходит мгновенно и неуправляемо, а напряжение на тиристоре падает, так как ни на одном из переходов нет обратного напряжения. Это соответствует участку 2 на рис. 1.48.
После включения тиристора его работа осуществляется при открытом состоянии, когда ai + a2>l. Небольшое увеличение напряжения вызывает быстрый рост тока через тиристор (участок 3 на рйс. 1.48). Этот участок вольт-амперной характеристики тиристора в прямом направлении соответствует прямой ветви характеристики диода. Потоки дырок в р2-базу и электронов в и 1-базу возрастают; в результате этого на переходе /72 изменяется полярность напряжения: слой р<^ у перехода заряжается положительно, а гц — отрицательно, т. е. создается прямое напряжение (рис. 1.49,6).
В открытом состоянии все три перехода находятся под прямым напряжением, обратный ток коллекторного перехода отсутствует. Ток в основной цепи создается движением инжектируе-
мых из эмиттеров носителей заряда: дырок — от Э\ через все области к катоду, а электронов — от Э2 в обратном направлении — к аноду. С увеличением приложенного напряжения возрастает напряжение на р-п переходах и растет ток. Поскольку прямое напряжение на переходе /72 по полярности противоположно прямым напряжениям на переходах Пх и /7з, то напряжение на тиристоре в открытом состоянии практически равно прямому напряжению на одном р-n переходе (0,75—1,5 В).
С уменьшением напряжения на тиристоре в открытом состоянии ток тиристора уменьшается, а при определенном значении
д
Рис. 1.50. Схема включения тиристора с цепью управления (а) и условные графические обозначения динистора (б), тринистора с управлением по катоду (в) и по аноду (г); д — схема включения тиристора
тока тиристор переходит в закрытое состояние. Наименьший ток в основной цепи, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии, называется током удержания тиристора /уд. При /а <. /уД слои около перехода /72 обедняются носителями заряда, напряжение на нем становится обратным, тиристор закрывается.
В рассмотренном случае работы тиристора при отсутствии тока управления переход в открытое состояние достигается увеличением прямого напряжения до величины напряжения переключения ипрк. Такой способ включения используется только в схемах с динисторами.
Тринистор помимо основной цепи между анодом и катодом имеет цепь управления. Для этой цепи нужен вывод управляющего электрода УЭ. Назначение цепи управления состоит в управлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение переключения UnVK. Если вывод управляющего электрода сделан от базового слоя
р2, то источник управляющего тока £у включается между УЭ и катодом. Такая схема управления по катоду приведена на рис. 1.50, а. Возможна и другая схема, в которой вывод управляющего электрода сделан от базового слоя п\, а источник £у включается между УЭ и анодом. В этом случае осуществляется управление по аноду. Условные графические обозначения тиристоров разного типа приведены на рис. 1.50, б, в, г. В обоих случаях источник £у включается так, чтобы ток управления 1У протекал от него через один из эмиттерных переходов в прямом направлении (рис. 1.50, d).
Рис. 1.51. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора при разных значениях тока управления
Рассмотрим влияние тока управления на работу тиристора при прямом напряжении между анодом и катодом в схеме рис. 1.50, а. В основную цепь включены источник питания Еа и нагрузка Ra. В цепь управления включен источник управляющего сигнала £у, дающий ток управления /у. Полярность источника Еу совпадает по знакам с прямым напряжением на переходе /73. Напряжение между управляющим электродом и катодом называется напряжением управления Uy.
При включении цепи управления ток /у, проходя от управляющего электрода через переход /73 к катоду, добавляется к току эмиттера Э^ и вызывает увеличение коэффициента передачи тока аг- В результате этого возрастает ток коллекторного перехода /?2, а значит, и ток в цепи тиристора, и переключение тиристора происходит при меньшем напряжении на нем. Все процессы, происходящие при переходе тиристора из закрытого состояния в открытое под действием тока управления, такие же, как под действием основного напряжения, достигающего величины напряжения переключения £прк при /у = 0. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение, при котором открывается тиристор. Это отражает семейство вольт-амперных характеристик, снятых в прямом направлении при разных значениях тока управления (рис. 1.51). При определенном значении тока управления, называемом током управления спрямления /ус, пря-
мая ветвь характеристики спрямляется, участок закрытого состояния 1 отсутствует; тиристор при прямом напряжении открыт, как диод.
Ток управления влияет только на крутизну участка 1 закрытого состояния тиристора и напряжение перехода в открытое состояние; на рабочий участок характеристики в открытом состоянии ток управления не оказывает влияния. После включения тиристора цепь управления может быть разомкнута, а тиристор будет продолжать работать в открытом состоянии. Благодаря этому свойству в практических схемах используют автоматическую подачу кратковременных импульсов тока управления для включения тиристора в нужный момент времени.
Выключение тиристора — переход в закрытое состояние — может быть осуществлено уменьшением тока до величины, меньшей тока удержания, или изменением полярности основного напряжения Ua на обратную. Обратная ветвь характеристики, как было сказано, соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики диода (участок 4 на рис. 1.51). При обратном напряжении, равном напряжению пробоя (7ОбрпРоб происходит лавинный пробой тиристора (участок 5).
Симметричные тиристоры
Симметричным тиристором, или симистором, называют тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как в прямом, так и в обратном направлении. Он имеет симметричную вольт-амперную характеристику, т. е. одинаковые по виду прямую и обратную ветви. В связи с этим симисторы применяют как переключающие приборы в цепях переменного тока.
Симметричные тиристоры разделяют на диодные и триодные. Диодный симметричный тиристор (диак) включается при достижении как в прямом, так и в обратном направлениях определенного значения напряжения между основными выводами, равного напряжению переключения. Триодный симметричный тиристор (триак) включается как в прямом, так и в обратном направлениях при подаче сигнала на его управляющий электрод.
Структура симистора характеризуется большим, чем четыре, числом чередующихся областей р- и n-типа и, соответственно, имеет не три, а большее число переходов: для диака пять слоев и четыре перехода, для триака — шесть и более слоев, пять и более переходов.
Рассмотрим структуру и принцип действия симистора (рис. 1.52).
Контактные металлизированные площадки электрически соединяют верхние поверхности правой части области рь области П| и п4 (рис. 1.52, а) и имеют общий вывод А (анод). Метал-
лизированная площадка в центре верхней поверхности области pi соединена с выводом управляющего электрода УЭ. Нижние поверхности областей р2 и Из электрически соединены контактной площадкой со вторым основным выводом К (катод). В основную цепь включаются источник переменного напряжения и нагрузка, а в цепь управления — источник импульса тока управления.
9
Рис. 1.52. Симметричный тиристор: а — полупроводниковая структура; б — эквивалент в виде двух тиристоров; в, г — условные графические обозначения диака и триака; д — схема включения триака
Эту структуру можно рассматривать как два обычных тиристора, включенных встречно-параллельно. Первый из них включает часть структуры с правой стороны — pi-n2-p2-«3 с переходами /72, /73 и //4 (рис. 1.52,6); для него прямым будет положительное напряжение на аноде относительно катода. В этом случае переходы /72 и /74 находятся под прямым напряжением, а /73 — под обратным. Как было подробно рассмотрено для обычного тиристора, с увеличением тока в п2-слое накапливаются электроны, а в р2-слое — дырки, что приводит к перемене
полярности напряжения на переходе /73 с обратной на прямую, и тиристор переключается из закрытого состояния в открытое.
Если на электрод УЭ подавать импульс управляющего напряжения со знаком «плюс» относительно анода Л, то на дополнительном переходе /75 создается прямое напряжение, электроны инжектируются из области п^ в область рх, диффундируют через нее к переходу П-2 и перебрасываются полем его контактной разности потенциалов в п2-слой. Насыщение п2-слоя приводит в свою очередь к увеличению прямого напряжения на переходе /72, под действием которого усиливается инжекция дырок
Рис. 1.53. Вольт-амперные характеристики симметричного тиристора
pi-слоя в ц2-слой; они диффундируют через п2-слой и перебрасываются под действием обратного напряжения на переходе /73 в р2-слой. Накопление дырок в р2-слое и электронов в п2-слое под действием импульсов управляющего сигнала происходит мгновенно, и тиристор переключается в открытое состояние при меньшем напряжении между основными электродами, чем напряжение переключения при отсутствии тока управления.
При перемене полярности напряжения в основной цепи — плюсом к катоду, минусом к аноду — прямое напряжение оказывается на левой части четырехслойной структуры рис. 1.52, а, составляющей как бы второй обычный тиристор: снизу вверх Рз-п^-рггц с р-п переходами /73, /72 и Пх (рис. 1.52,6). На переходах /73 и Пх действует в этом случае прямое напряжение, а на переходе /72 — обратное. Процессы происходят так же, как в обычном тиристоре. Импульс управляющего сигнала создает дополнительное прямое напряжение на переходе Пх, и через него проходит ток управления /у, вызывая переключение сими- стора из закрытого состояния в открытое. Условные графические обозначения диака и триака приведены на рис. 1.52, в, г, а схема включения триака — на рис. 1.52, д.
Рассмотренные процессы отражены на семействе вольт-амперных характеристик симистора (рис. 1.53). В прямом направлении они такие же, как для обычного тиристора, а в обратном — аналогичны им, но располагаются симметрично в третьем квадранте системы координат.
Параметры и типы тиристоров
Наиболее важными параметрами тиристоров по основной цепи являются: ток и напряжение переключения — /прк и £7прк; ток, напряжение и рассеиваемая мощность в открытом состоянии тиристора — /ос, /Лс, Рос; ток удержания — /уд; обратный ток — /ОбР; максимально допустимые значения тока и мощности В открытом СОСТОЯНИИ И обратного напряжения /осмакс, Рос маек, Uo6p макс •
К параметрам, характеризующим цепь управления, относятся отпирающий постоянный (или импульсный) ток управления /уотп и соответствующее ему отпирающее постоянное (или импульсное) напряжение управления U^OTn. Отпирающим током управления называют наименьший ток управления, необходимый для включения тиристора в заданном режиме.
Динамический режим работы тиристора характеризуется динамическим сопротивлением в открытом состоянии гдин, временем включения /вкл и временем выключения тиристора /выкд.
Динамическое сопротивление тиристора определяется по наклону прямой ветви вольт-амперной характеристики на участке, соответствующем открытому состоянию; оно равно отношению приращения напряжения к соответствующему ему приращению тока:
дин —‘
Время включения тиристора /ВКл — это интервал времени, в течение которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Время включения тиристора составляет 5—30 мкс.
Время выключения тиристора /ВЫкл — это наименьший интервал времени, в течение которого восстанавливаются запирающие свойства, т. е. рассасываются накопленные в базах носители заряда после перемены полярности напряжения в основной цепи и рекомбинации оставшихся носителей. Это время составляет от 5—10 до 200—250 мкс. По прошествии этого времени на тиристор может быть снова подано прямое напряжение. Он останется закрытым до следующего отпирающего импульса.
Время включения и время выключения тиристора характеризуют его частотные свойства.
По мощности тиристоры, как и диоды, подразделяют на ти-
ристоры малой мощности (на токи до 0,3 А), средней мощности (от 0,3 до 10 А) и большой мощности — силовые.
Тиристоры широко применяют в технике. Динисторы, тринисторы и симисторы малой мощности используют в качестве переключающих элементов в устройствах автоматики, в электронно-вычислительных машинах, в преобразователях сигналов, в осветительных системах. Тринисторы средней и большой мощности применяют в качестве управляемых вентилей для выпрямления переменного тока. В этом случае импульсы тока управления отпирают тиристор в определенный момент положительного полупериода напряжения; этим определяется длительность пропускания тока, т. е. часть полупериода, когда тиристор открыт. Таким образом можно управлять величиной выпрямленного тока и напряжения. Тринисторы используют также в тиристорных стабилизаторах выпрямленного напряжения, в устройствах для регулирования числа оборотов приводов, в генераторах большой мощности, в генераторах высокой частоты.
Симметричные тиристоры средней и большой мощности нашли применение в стабилизаторах напряжения с регулированием на переменном токе (со стороны сети), а также в регуляторах света ламп накаливания, в качестве ключей и реле в сильноточных цепях переменного тока, для коммутации силовых цепей электроприводов и в других устройствах.
Буквенно-цифровая система обозначения тиристоров такая же, как для диодов. Первый элемент — буква К (кремниевый). Второй элемент — буква Н для динисторов (неуправляемый), У — для тринисторов и симисторов (управляемый). Третий элемент — трехзначное число, обозначающее назначение и порядковый номер разработки:
тиристоры малой мощности от 101 до 199;
тиристоры средней мощности от 201 до 299;
симисторы малой мощности от 501 до 599;
симисторы средней мощности от 601 до 699.
Четвертый элемент — буква, обозначающая группу по параметрам. Например:
КН102Б — кремниевый динистор малой мощности, номер разработки 02, группа Б по параметрам (по справочнику для групп от А до И напряжение переключения от 20 до 150 В);
КУ201И — кремниевый тиристор средней мощности, номер разработки 01, группа И;
КУ608Г — кремниевый симистор средней мощности, номер разработки 08, группа Г.
Тиристоры большой мощности, используемые в силовых цепях, имеют другую систему обозначений. Первый элемент — буква Т — тиристор; второй — одна или две буквы, указывающие на конструктивные особенности или систему охлаждения; Л — с лавинной характеристикой, В — с водяным охлаждением, С — симистор; ЛВ — с лавинной характеристикой и водяным охлаждением; если этих особенностей нет, то второй элемент отсутствует; третий элемент — число, указывающее максимально допустимый ток в амперах в открытом состоянии тиристора. Например: Т-150, ТВ-1000. После числа, указывающего величину тока, может стоять еще число, обозначающее класс по допустимому напряжению. В этом числе единица соответствует напряжению 100 В; например, класс 4— на напряжение 400 В, класс 10—на 1000 В. Число, стоящее после
класса, определяет параметры частотных свойств, указываемые в справочниках. Например: Т-160-4-142.
Силовые тиристоры, выпускавшиеся промышленностью до введения этой системы обозначений, имеют старый шифр; например, ВКДУ-25 — вентиль кремниевый управляемый, на ток 25 А.
Внешний вид тиристоров малой, средней и большой мощности показан на рис. 1.54.
Управляющий
В ИДУ-150, Т-150
Рис. 1.54. Внешний вид тиристоров
Контрольные вопросы
Нарисуйте и объясните структуру и схему включения тиристора.
Нарисуйте вольт-амперные характеристики тиристора и объясните его принцип действия без тока управления и при разных значениях тока управления.
Чем отличаются структура и вольт-амперные характеристики симметричного тиристора?
Назовите основные параметры тиристоров и область их применения.
Какие буквенно-цифровые обозначения присваивают тиристорам?
Глава 1.7.ОДНОПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип действия ОПТ
Однопереходный транзистор (ОПТ) — это управляемый полупроводниковый прибор с одним р-п переходом и тремя выводами (рис. 1.55, а). Он изготовляется на основе пластины высокоомного кремния n-типа. От пластины с помощью невыпрямляющих контактов делается два вывода. Между этими контак-
тами путем введения акцепторной примеси в пластине создается небольшая p-область и образуется р-п переход. Область р-типа является эмиттерной, а участки исходной пластины п-типа от р-п перехода в обе стороны до невыпрямляющих контактов — базовыми областями. Выводы от базовых областей называют первой базой Б\ и второй базой B2l а от эмиттерной области — эмиттером Э. ОПТ могут иметь и противоположную структуру: базовые области p-типа, эмиттерную — п-типа.
Условные графические обозначения однопереходных транзисторов с базами n-типа и p-типа на электрических схемах показаны на рис. 1.55, б, в. Более широкое распространение получили ОПТ с базами n-типа из-за того, что у них основными носителями заряда являются электроны, имеющие большую подвижность, чем дырки.
Рассмотрим принцип действия однопереходного транзистора.
Рис. 1.55. Структура однопереходного транзистора (а) и его условное графическое обозначение на схемах (б, в)
Рис. 1.56. Схема включения однопереходного транзистора (а) и иллюстрация процессов в его структуре (б)Рис. 1.56. Схема включения однопереходного транзистора (а) и иллюстрация процессов в его структуре (б)Если между базами подать от источника Е6 постоянное напряжение порядка 10—30 В плюсом к базе Б2 (рис. 1.56, а), а на эмиттер не подавать напряжение, то межбазовое напряжение U6\62 распределится вдоль пластины по линейному закону. Через пластину от Б2 к Б\ потечет небольшой ток второй базы /б2, так как межбазовое сопротивление г66 высокоомной кремниевой пластины велико (4—12 кОм). При этом межбазовое напряжение делится между областями первой и второй базы пропорционально их сопротивлениям или длинам /1 и /2; чаще всего h < /2.
Рис. 1.56. Схема включения однопереходного транзистора (а) и иллюстрация процессов в его структуре (б)
Рис. 1.56. Схема включения однопереходного транзистора (а) и иллюстрация процессов в его структуре (б)
На сопротивлении первой базы, т. е. на области пластины от края р-п перехода до вывода Бь создается внутреннее падение напряжения U6\ (рис. 1.56,6). Оно составляет определенную часть межбазового напряжения и6\б*г и, следовательно, прямо пропорционально ему.
Если от внешнего источника подать напряжение иэб\ на эмиттер относительно вывода первой базы Бь то на р-п переходе будет действовать напряжение, равное разности потенциалов p-слоя и n-слоя по обе стороны р-п перехода, т. е. разности внешнего напряжения на эмиттере и внутреннего падения напряжения на области первой базы: U36X — Мед. Отсюда следует, что при любом отрицательном напряжении на эмиттере, а также при положительном, но по величине меньшем, чем (76i, на р-п переходе действует обратное напряжение и через эмиттер протекает очень малый ток; ОПТ закрыт.
По мере увеличения положительного напряжения на эмиттере наступает момент, когда оно становится равным внутреннему падению напряжения на первой базе: U3t>\ = U6\, а обратное напряжение на р-п переходе и обратный ток эмиттера — равными нулю. Это соответствует моменту открывания р-п перехода. Напряжение на эмиттере, равное внутреннему падению напряжения на первой базе, называют пороговым напряжением изо: иэ0 = иэ6\ = U6\. Очевидно, что пороговое напряжение зависит от межбазового t/6i62, пропорционально которому изменяется 6^61 •
Превышение порогового напряжения приводит к перемене полярности напряжения на р-п переходе с обратной на прямую. Действие прямого напряжения вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и прохождение через р-п переход прямого тока эмиттера /э. Дырки, перешедшие через р-п переход, совершают диффузионное и дрейфовое движение в электрическом поле в основном в направлении к выводу первой базы Бх. Инжекция дырок в область первой базы, где они становятся неосновными носителями заряда, уменьшает ее сопротивление. С ростом тока эмиттера сопротивление базы уменьшается.
После открывания р-п перехода сначала ток эмиттера очень мал и растет медленно с увеличением напряжения эмиттера U36\, поэтому уменьшение сопротивления г6\ еще незначительно. Но постепенно с увеличением U36\ рост тока эмиттера и инжекция дырок в базу становятся все интенсивнее, а уменьшение сопротивления базы — все существеннее.
При некотором критическом значении тока эмиттера накопление дырок в первой базе приводит к резкому снижению ее сопротивления и заметному уменьшению падения напряжения U6\ на нем. В результате снижается потенциальный барьер на р-п переходе, что способствует дополнительной инжекции дырок
в базу и дальнейшему росту тока эмиттера. Процесс нарастает лавинообразно, поэтому дальнейший рост тока эмиттера сопровождается уменьшением напряжения между эмиттером и базой. Такой режим соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению прибора и носит название активного режима.
Момент перехода к активному режиму соответствует переходу ОПТ из закрытого состояния в открытое, т. е. включению однопереходного транзистора. Напряжение и ток эмиттера в момент включения называют напряжением включения ивкл и током включения /вкл. Ток включения ОПТ составляет обычно единицы микроампер, а напряжение включения пропорционально межбазовому напряжению.
Процессы, происходящие в однопереходном транзисторе в активном режиме, сложнее рассмотренных. Дело в том, что рост тока эмиттера и снижение напряжения U6\ влияют не только на процессы в эмиттерном переходе и в области первой базы, но и на ток в межбазовой цепи. Поскольку инжекция дырок в первую базу уменьшает ее сопротивление, то уменьшается и общее сопротивление между невыпрямляющими контактами Б\ и Б2. Это в свою очередь увеличивает ток /б2 в пластине между Б2 и Б| и падение напряжения в области второй базы. Следствие этого — дополнительное снижение напряжения 6/ci, еще большее повышение прямого напряжения на р-п переходе и еще больший рост тока эмиттера при одновременном уменьшении эмиттерного напряжения.
Когда произойдет насыщение слоя первой базы дырками, его сопротивление перестанет уменьшаться; дальнейший рост тока эмиттера будет происходить при условии повышения приложенного к нему напряжения. Этот режим называют режимом насыщения. В режиме насыщения однопереходный транзистор находится в открытом состоянии. Он работает как диод в прямом направлении и имеет положительное сопротивление; рост тока эмиттера /э происходит при увеличении напряжения эмиттера U36\- Сопротивление эмиттер — база в открытом состоянии мало и составляет десятки ом, ток эмиттера сравнительно велик — десятки миллиампер, а напряжение между эмиттером и базой невелико — единицы вольт.
Вольт-амперная характеристика ОПТ
Процессы, происходящие при включении однопереходного транзистора, отражаются его эмиттерной вольт-амперной характеристикой, называемой иначе входной характеристикой.
Эмиттерная вольт-амперная характеристика ОПТ (рис. 1.57) представляет собой зависимость тока эмиттера /э от напряжения
между эмиттером и первой базой U36v при постоянном межбазовом напряжении:
/, = киэб1) при t/6i62 = const.
Если ко второй базе Бг не подключен источник питания (U6\62 = 0), то эмиттерная вольт-амперная характеристика ОПТ представляет собой вольт-амперную характеристику р-п перехода в прямом направлении (пунктирная кривая). При некотором постоянном межбазовом напряжении с плюсом на базе Бг ее
Рис. 1.57. Эмиттерная вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора
характер существенно изменяется, и она напоминает вольт- амперную характеристику тиристора с двумя устойчивыми состояниями — закрытым и открытым, между которыми имеется неустойчивое состояние — с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Рассмотрим участки характеристики, соответствующие этим состояниям.
При отрицательном напряжении эмиттера относительно первой базы иэ61 и при положительном, не превышающем порогового значения U3ti, р-п переход закрыт; через него протекает малый обратный ток /ЭОбР (участок /). Этот ток откладывают на графике вниз от горизонтальной оси, так как направление его противоположно рабочему прямому току (/э < 0). Эту область работы ОПТ называют областью отсечки.
При иэ6\ ^ LUo р-п переход открывается (точка Д); через него начинает проходить прямой ток эмиттера (/э^0). Однако этот ток еще очень мал; он растет постепенно с ростом иэ6Х. Дифференциальное сопротивление на этом участке положительное, но ОПТ остается закрытым (участок 2). Эту область ОПТ называют промежуточной.
В соответствии с описанными процессами в точке Б при накоплении дырок в области первой базы происходит включение
ОПТ — переход в открытое состояние. Этой точке соответствуют напряжение включения ^ВКл и ток включения /Вкл-
Участок 3 — активная область, соответствующая активному режиму: ток эмиттера возрастает, а напряжение на эмиттере при этом уменьшается. Эта область характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением, которое сначала велико, а затем постепенно уменьшается до нуля в точке В, чтобы на следующем участке перейти в положительное.
Участок 4 отражает работу ОПТ в открытом состоянии. В соответствии с режимом насыщения, характеризующим открытое состояние, его называют областью насыщения. В этом режиме ОПТ работает так же, как прибор с положительным сопротивлением малой величины: ток эмиттера значительно увеличивается при небольшом увеличении напряжения эмиттера.
При уменьшении тока в открытом состоянии до некоторого значения, называемого током выключения /ВЫКл, ОПТ переходит в закрытое состояние.
Семейство эмиттерных характеристик однопереходного транзистора может быть снято при разных постоянных значениях межбазового напряжения. Чем больше это значение, тем больше напряжение включения; вся характеристика больше сдвигается вправо, а участок 3 отрицательного сопротивления, соответственно, располагается выше.
Параметры и типы ОПТ
Свойства однопереходных транзисторов, отраженные на вольт-амперной характеристике, позволяют применять их в схемах генераторов импульсов и линейно изменяющихся напряжений, в качестве ключевых устройств в системах автоматики, в преобразователях сигналов. Наибольшее распространение получили ОПТ в схемах управления тиристорами.
На рис. 1.58 представлен двухтранзисторный аналог однопереходного транзистора, который иллюстрирует работу ОПТ. Это два биполярных транзистора с разными типами электро-
Рис. 1.58. Двухтранзисторный аналог ОПТРис. 1.58. Двухтранзисторный аналог ОПТ
Рис. 1.58. Двухтранзисторный аналог ОПТ
Рис. 1.58. Двухтранзисторный аналог ОПТ
проводности: Ti р-п-р-типа и Тг п-р-п-типа, включенных так, что коллектор первого соединен с базой второго, а коллектор второго — с базой первого. При этом эмиттером Э эквивалентного ОПТ является эмиттер транзистора Т\, первой базой Б| — эмиттер транзистора Тг- Между Бх и Б^ включен делитель меж- базового напряжения Rx — R^, средняя точка А которого подключается к точке соединения базы Тх и коллектора Т^.
В схемах с использованием ОПТ нагрузка включается в цепь первой базы; через нее проходит ток эмиттера, который после перехода ОПТ в открытое состояние значительно превышает ток /б2, также проходящий через нагрузку.
г
Рис. 1.59. Конструкция и внешний вид ОПТ: а, б — сплавной кристалл; в — планарный кристалл; г — разрез конструкции; д, е — внешний вид
К основным параметрам однопереходных транзисторов относятся ток включения /вкл, ток выключения /ВЬ|КЛ, обратный ток эмиттера /эо6р при U36\ = 0, межбазовое сопротивление гбб, напряжение эмиттер — база в режиме насыщения при заданном токе эмиттера. Эти параметры зависят от межбазового напряжения, поэтому в справочниках их указывают для определенного напряжения U6\62, чаще для предельного значения.
К предельным эксплуатационным параметрам относятся максимально допустимые значения рассеиваемой мощности Рмакс, межбазового напряжения £Л1б2макс, среднего и импульсного токов эмиттера /эмакс.
По конструкции ОПТ бывают сплавные (рис. 1.59, а, б) и планарные (рис. 1.59, в). Планарная технология отличается от сплавной тем, что все области полупроводника и невыпрямляющие контакты с ними создаются на поверхности кристаллической пластины и изолируются тонкой пленкой окиси кремния. Планарные однопереходные транзисторы по сравнению со сплавными имеют меньший обратный ток эмиттера, меньший разброс параметров, большее межбазовое сопротивление, лучшие частотные свойства и меньшие геометрические размеры. Они широко применяются в быстродействующих импульсных интегральных микросхемах.
Кристалл ОПТ может быть помещен в герметический корпус, как биполярный или полевой транзистор (рис. 1.59, г, б), или использоваться в бескорпусном исполнении — с изоляцией от воздействия окружающей среды с помощью специального покрытия (рис. 1.59, в) —для применения в гибридных микросхемах.
Система обозначения однопереходных транзисторов такая же, как для биполярных. Например, КТ117А (Б, В, Г), КТ119А, Б.
Контрольные вопросы
Объясните устройство и принцип действия однопереходного транзистора.
Нарисуйте и объясните эмиттерную вольт-амперную характеристику однопереходного транзистора.
Назовите основные параметры однопереходных транзисторов.
Раздел 2.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Глава 2.1.
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Работа выхода электронов
Электронной эмиссией называют процесс испускания электронов с поверхности вещества в вакуум. На этом явлении основан принцип действия электровакуумных приборов.
В атомах металла валентные электроны внешнего слоя электронной оболочки слабо связаны с ядром. При образовании кристаллов валентные электроны перестают принадлежать данному атому и становятся свободными, а атомный остаток превращается в положительный ион. Поэтому кристаллическая решетка металла образуется положительными ионами, а между узлами решетки, в которых эти ионы расположены, хаотически перемещаются свободные электроны — электроны проводимости. Как было показано в главе 1.1, этому соответствует диаграмма энергетических уровней металла, в которой разрешенные энергетические зоны перекрывают друг друга и между валентной и свободной зонами нет запрещенной зоны.
При движении внутри кристаллической решетки металла свободные электроны, являясь носителями заряда, взаимодействуют друг с другом и с положительными ионами, так что их скорость, направление движения и кинетическая энергия все время изменяются. Энергия электрона внутри металла не равна нулю даже при температуре абсолютного нуля. С увеличением энергии возрастает число электронов, обладающих ею.
Максимальная энергия электрона внутри металла при температуре абсолютного нуля называется уровнем Ферми Wi и является постоянной величиной для данного металла. Максимальной энергией Wi при температуре абсолютного нуля обладает наибольшее число электронов, и нет электронов с большей энергией, чем Wi.
При повышении температуры происходит перераспределение энергии между электронами: часть электронов, имевших энергию Wi и близкую к ней, получает дополнительную энергию, т. е. появляется некоторое число электронов с большей, чем Wi, энергией, но уменьшается число электронов с энергией, равной Wi и немного меньшей.
Однако, несмотря на большую энергию электронов, их выходу из металла в вакуум при низких температурах препятствуют два фактора.
Во-первых, электроны с максимальной энергией Wi и скоростью, направленной перпендикулярно поверхности металла, вылетая из него, создают на поверхности слой, заряженный отрицательно, а оставшиеся в металле ионы, не уравновешенные электронами, создают у поверхности слой, заряженный положительно (рис. 2.1).
е о е 0 0 0е о е 0 0 0Рис. 2.1. Двойной электриче-ский слой на поверхности ме-таллаРис. 2.1. Двойной электриче-ский слой на поверхности ме-талла
е о е 0 0 0
е о е 0 0 0
Рис. 2.1. Двойной электриче-ский слой на поверхности ме-талла
Рис. 2.1. Двойной электриче-ский слой на поверхности ме-талла
Во-вторых, на поверхности металла электрон испытывает силы притяжения к положительным ионам, направленные внутрь металла.
Таким образом, для выхода на поверхность электрон, находящийся внутри металла, должен обладать максимальной энергией, затрачиваемой им на преодоление двойного электрического слоя на границе металл — вакуум, а для отрыва от поверхности металла — получить извне дополнительную энергию Го, идущую на преодоление сил притяжения к положительным ионам металла.
Дополнительная энергия, необходимая электрону, имеющему внутри металла максимальную энергию Wi, для выхода в вакуум, называется работой выхода Wo. Полная энергия электрона Wa, минимально необходимая для выхода его из металла, равна сумме максимальной внутренней энергии и работы выхода:
Га = Wi + Го.
Если электрон обладал в металле меньшей, чем Wi, энергией, то для выхода в вакуум ему должна быть извне сообщена энергия большая, чем работа выхода, на величину энергии, недостающей до максимального значения Wi.
Работу выхода принято выражать в электрон-вольтах (эВ). Величина работы выхода постоянна для каждого материала; например, для вольфрама 4,52 эВ, для тантала 4,2 эВ, для бария 2,52 эВ. Покрытие поверхности металла некоторыми веществами уменьшает работу выхода. Например, полупроводниковый слой окиси бария с примесью чистого бария имеет работу выхода 1,1 эВ.
Виды электронной эмиссии
В зависимости от способа сообщения электронам дополнительной энергии для совершения работы выхода различают несколько видов электронной эмиссии: термоэлектронная, фотоэлектронная, автоэлектронная, вторичная. Электрод, испускающий электроны, называют катодом.
Термоэлектронная эмиссия происходит за счет тепловой энергии, сообщаемой электроду при нагреве. Эмиссия происходит при такой температуре, когда дополнительная энергия, передаваемая электронам проводимости, равна или больше работы выхода. Электрод, испускающий электроны за счет нагрева, называют термокатодом. Поток электронов, испускаемых катодом в единицу времени, создает ток электронной эмиссии. Ток термоэлектронной эмиссии зависит от температуры нагрева катода. Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах.
Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет световой энергии. Она используется в фотоэлементах и фотоумножителях. Электрод, испускающий электроны под действием света, называют фотокатодом.
Автоэлектронная эмиссия происходит только под действием внешнего электрического поля.
Вторичная электронная эмиссия обусловлена бомбардировкой поверхности вещества первичными электронами или ионами. Электроны, вылетающие при этом в вакуум, называют вторичными, а электрод, испускающий их, — динодом. Вторичная эмиссия под ударами электронов используется в фотоумножителях, а под ударами ионов — в газоразрядных приборах.
Термокатод
Нагрев термокатода осуществляется электрическим током, поэтому температура катода зависит от напряжения или тока накала.
В зависимости от материала, из которого изготовлен катод, различают два типа катодов: из чистых металлов, например вольфрамовый, и полупроводниковые (с полупроводниковым активным слоем значительной толщины), например оксидные. Наибольшее распространение в электронных лампах получили оксидные катоды. Оксидный катод состоит из вольфрамового или никелевого керна, на который нанесен слой из смеси окислов бария, стронция и кальция с вкраплением атомов металлического бария. Оксидный слой является полупроводником и-типа. Он имеет очень малую работу выхода, низкую рабочую температуру (1000—1100 К) и дает большой ток эмиссии на каждый ватт мощности накала — до 60—100 mA/Вт. Для оксидного като-
да важны высокая степень вакуума, чтобы оксидный слой не разрушался ионной бомбардировкой, и стабильный режим накала; перекал и недокал приводят по разным причинам к разрушению оксидного слоя и потере эмиссии катодом.
По конструкции термокатоды делят на катоды прямого и косвенного накала.
В катодах прямого накала ток проходит непосредственно по нити, испускающей электроны. Такой катод обладает малой тепловой инерцией и, следовательно, малым временем разогрева (1—2 с), а также требует небольшой мощности на накал. Однако накал нельзя питать переменным током, так как при этом из-за малой тепловой инерции пульсирует температура катода, а значит, и ток эмиссии. Катод прямого накала изготовляют в виде тонких проволочных нитей из тугоплавкого металла, например вольфрама, молибдена.
В катодах косвенного накала поверхность, эмиттирующая электроны и являющаяся собственно катодом, изолирована от нити накала, называемой подогревателем. Конструкция катода косвенного накала представляет собой полый цилиндр из никеля, покрытый оксидным слоем, внутри которого вставлен подогреватель, покрытый изолирующим слоем. Катод косвенного накала имеет большую массу, требует большую мощность на накал, поэтому он дает меньший ток эмиссии на 1 Вт мощности накала, чем катод прямого накала, а время разогрева его больше — до 16—20 с. Преимущество этого катода — одинаковый потенциал во всех его точках и большая тепловая инерция, что позволяет питать накал переменным током.
Движение электрона в электрическом поле
В электронных лампах электроны, вылетавшие из катода, попадают в электрическое поле между электродами. На электрон в этом поле действует постоянная сила, направленная в сторону положительного электрода. Под действием этой силы электрон движется равноускоренно.
Если начальная скорость электрона равна нулю, то его скорость и энергия в любой точке поля определяется только величиной пройденной разности потенциалов; скорость может быть определена по формуле:
и = 600у77 км/с.
В электронных приборах скорости электронов очень велики; например, при напряжении между электродами, равном 100 В, скорость электрона при падении его на анод равна 6-106 м/с. Поэтому электронные процессы в электровакуумных приборах можно считать безынерционными.
Если начальная скорость электрона направлена навстречу силе электрического поля (в сторону отрицательного электрода), то электрон движется равнозамедленно, так как поле для него является тормозящим. Ускоряющие и тормозящие электрические поля используются в электронных лампах для управления потоком электронов, вылетающих из катода.
Если начальная скорость направлена перпендикулярно силе электрического поля, то электрон движется по параболе в сторону более высокого потенциала. В общем случае — при начальной скорости, направленной под углом к силовым линиям, — траектория электрона также представляет собой параболу. Подбирая определенную конфигурацию электрического поля, можно управлять потоком электронов — фокусировать его и отклонять в нужном направлении. Этим занимается электронная оптика. В электровакуумных приборах электростатическая фокусировка и отклонение Электронного пучка осуществляются в электроннолучевых трубках.
Электронная лампа, имеющая два электрода — катод и анод, называется электровакуумным диодом и предназначена для выпрямления переменного тока. В современной аппаратуре эти лампы почти полностью вытеснены полупроводниковыми диодами.
Контрольные вопросы
Что называют электронной эмиссией и при каких условиях она возможна?
Какие виды электронной эмиссии бывают и где каждый из них используется?
Как устроен термокатод?
Глава 2.2.
ТРИОД
Устройство и принцип действия триода
Триодом называют трехэлектродную лампу, имеющую катод, анод и управляющую сетку.
В электронных лампах используют в основном оксидный термокатод косвенного накала. Анод может быть цилиндрической или плоской формы, изготовляется обычно из никеля и имеет ребра для лучшей теплоотдачи. С этой же целью аноды делают чернеными, покрывая слоем графита. Катод помещается внутри анода. Сетка выполняется в виде проволочной спирали и помещается между катодом и анодом (ближе к катоду) (рис. 2.2.). Электроды приварены к держателям, которые впаяны в стеклянную ножку. Все это помещено в стеклянный или металлический
баллон с цоколем, который имеет штырьки, служащие внешними выводами электродов. Они электрически соединяются с внутренними выводами подогревателя, катода, сетки и анода. Из баллона откачивают воздух до давления 10~6—10-7 гПа, т. е. создают вакуум.
ггРис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструкции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции анода и сеткиРис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструкции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции анода и сетки* а* аРис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема включения триода (в)Рис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема включения триода (в)
г
г
Рис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструкции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции анода и сетки
Рис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструкции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции анода и сетки
* а
* а
Рис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема включения триода (в)
Рис. 2.3. Условные графические обозначения одинарного (а) и двойного (б) триодов и схема включения триода (в)
Схема включения триода (рис. 2.3) содержит три цепи: цепь накала, цепь анода и цепь сетки. В цепи накала протекает ток накала /„, а между выводами подогревателя действует напряжение накала UH. Накал подогревателя осуществляется переменным током, напряжение накала при работе лампы остается неизменным.
Цепь анода включает источник анодного питания £а, промежуток анод—катод лампы и соединительные провода. Чтобы электроны, вылетающие из катода, попадали на анод, электрическое поле в лампе должно быть для них ускоряющим. Поэтому на анод подается от источника питания положительное напряже-
ние относительно катода. Между анодом и катодом действует напряжение анода Ua; в цепи анода протекает ток анода /а — от плюса источника питания Еа через лампу к минусу источника питания.
Цепь сетки содержит источник постоянного напряжения Ес, промежуток сетка — катод лампы и соединительные провода. Разность потенциалов между сеткой и катодом называют напряжением сетки Uc, а ток в цепи сетки — током сетки L. Общая точка цепей анода и сетки у вывода катода условно имеет нулевой потенциал, относительно которого отсчитывают потенциалы других электродов.
В триоде используется термоэлектронная эмиссия с катода и движение электронов в результирующем электрическом поле, создаваемом анодом и сеткой. Принцип действия триода обусловлен влиянием электрического поля сетки на поток электронов, идущих от катода к аноду.
Рассмотрим влияние сетки при разных напряжениях на ней относительно катода и постоянном положительном напряжении анода.
Если сетка не подключена к источнику Ес, т. е. ее цепь разомкнута, то она не создает своего электрического поля и не оказывает влияния на величину тока анода. При накаленном катоде и отсутствии анодного напряжения эмиттируемые электроны заполняют междуэлектродное пространство у катода. Заряд, созданный этими электронами, называют отрицательным объемным зарядом. Этот заряд создает тормозящее электрическое поле для выходящих из катода электронов. Он тем больше, чем больше количество эмиттируемых электронов, т. е. чем больше напряжение накала. При подаче положительного анодного напряжения на анод попадают только электроны, обладающие достаточной энергией, чтобы преодолеть тормозящее поле около катода.
Если напряжение сетки положительное, то между ней и катодом создается для электронов ускоряющее электрическое поле, которое складывается с ускоряющим полем анода; результирующее ускоряющее поле для электронов в промежутке сетка — катод увеличивается, и больше электронов уходит из объемного заряда сквозь сетку на анод. В результате ток анода возрастает тем больше, чем выше положительное напряжение сетки. Однако такой режим работы триода практически не используется, так как часть электронов притягивается к положительно заряженной сетке, создавая в ее цепи ток сетки /с, который вредно сказывается на работе лампы.
При отрицательном напряжении сетки создается тормозящее электрическое поле для эмиттируемых катодом электронов; ток анода уменьшается тем сильнее, чем больше величина отрица-
тельного напряжения сетки. Отрицательное напряжение сетки, при котором ток анода становится равным нулю при положительном напряжении анода, называют запирающим напряжением ^сза,,. При этом лампа оказывается запертой, поскольку ток через нее не проходит. Это объясняется тем, что тормозящее поле сетки полностью компенсирует ускоряющее поле анода. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения сетки лампа остается запертой. Таким образом, изменяя напряжение сетки, можно изменять величину тока анода, иначе говоря, управлять анодным током. Поэтому сетка в триоде называется управляющей.
Рис. 2.4. Электрические поля в триодеРис. 2.4. Электрические поля в триоде
Рис. 2.4. Электрические поля в триоде
Рис. 2.4. Электрические поля в триоде
Обычно для управления током анода используют изменение отрицательного напряжения сетки, чтобы исключить появление тока сетки. С уменьшением отрицательного напряжения сетки ток анода увеличивается, а с увеличением отрицательного Uc — уменьшается.
Упрощенная картина электрических полей в триоде при отрицательном напряжении сетки показана на рис. 2.4. Силовые линии выходят из электрода с более высоким потенциалом и входят в электрод с более низким потенциалом; их густота условно характеризует напряженность электрического поля. Потенциалы анода и сетки относительно катода показаны знаками «плюс» и «минус», силовые линии анодного поля — тонкими линиями, а поля сетки — толстыми.
Поскольку потенциал сетки ниже потенциала анода, часть силовых линий поля анода заканчивается на сетке, как бы перехватываясь ею, и только часть их доходит сквозь сетку к катоду. Таким образом сетка ослабляет влияние поля анода на электроны у катода и на величину тока анода.
Параметр лампы, показывающий, какая часть силовых линий электрического поля анода проходит сквозь сетку к катоду, называют проницаемостью D. Проницаемость всегда меньше единицы.
Результирующее электрическое поле, действующее на вылетевшие из катода электроны в промежутке сетка — катод, состо-
ит из поля сетки и части поля анода. Можно условно считать, что оно создается одним электродом, находящимся на месте сетки и имеющим относительно катода напряжение, равное сумме напряжения сетки Uc и части напряжения анода DUa, соответственно части силовых линий, доходящих до катода от анода. Напряжение, создающее результирующее поле, называют действующим напряжением сетки Un и определяют по формуле:
Ua = Ut-VDUa.
ВыходВыходИз формулы видно, что проницаемость D показывает также, какая часть анодного напряжения участвует в создании результирующего электрического поля около катода.
Выход
Выход
Рис. 2.5. Схема включения трио-да для усиления электрическихколебаний
Из сказанного следует, что благодаря экранирующему действию сетки, ослабляющему влияние анодного поля на анодный ток, а также меньшему расстоянию между сеткой и катодом, чем между анодом и катодом, изменения напряжения сетки гораздо сильнее влияют на ток анода, чем такие же изменения напряжения анода. На этом основаны усилительные свойства триода и использование его для усиления электрических колебаний (рис. 2.5).
Источник слабых электрических колебаний ис~ включается в цепь сетки, а нагрузка RH, на которой создаются усиленные колебания, включается в цепь анода. Таким образом, цепь сетки является входной, а цепь анода — выходной; переменное напряжение от источника ис~ — входным сигналом и6х. Пока входного сигнала нет, на сетке действует только постоянное отрицательное напряжение (смещение) £с, необходимое, чтобы не появлялся ток сетки. При этом в анодной цепи протекает постоянный ток анода от источника питания Еа через резистор нагрузки RH и лампу. Напряжение на нагрузке и напряжение анода остаются постоянными.
При подаче переменного напряжения от источника щ напряжение сетки становится пульсирующим, поэтому ток анода тоже пульсирует и создает на нагрузке пульсирующее падение напряжения. Его переменная составляющая имеет такую же частоту и
форму кривой, что и входной сигнал, и представляет собой усиленный сигналом на выходе «аых. Усиление происходит за счет энергии источника питания из-за того, что при малых изменениях напряжения сетки получаются большие изменения тока анода и напряжения на нагрузке, следовательно, выходной сигнал гораздо больше входного. Это осуществляется при условии правильного выбора сопротивления нагрузки: с увеличением сопротивления нагрузки выходной сигнал возрастает.
Характеристики триода
Анодный ток в триоде зависит от трех напряжений — накала, сетки и анода. Учитывая, что напряжение накала всегда остается неизменным, равным номинальному, рассматривают два вида статических характеристик триода:
анодные — зависимость тока анода от напряжения анода при постоянном напряжении сетки
/а = f(Ua) при Uc = const;
анодно-сеточные — зависимость тока анода от напряжения сетки при постоянном напряжении анода
Е = ЦЩ при Ua = const.
Схема для снятия статических характеристик триода (рис. 2.6) включает источники постоянных напряжений Еа и Ес, потенциометры для изменения напряжений анода и сетки, приборы для измерения напряжений анода и сетки и тока анода.
Анодные характеристики, снятые при разных значениях постоянного напряжения сетки, составляют семейство статических, анодных характеристик (рис. 2.7, а). Анодные характеристики — это выходные характеристики триода.
Анодная характеристика, снятая при Uc = 0, выходит из начала координат; при отсутствии напряжения анода тока в цепи анода нет. Анодная характеристика нелинейна: с увеличением Ua ток растет сначала медленно (из-за тормозящего действия отрицательного объемного заряда), а затем (по мере рассасывания этого заряда) — все быстрее.
Характеристика, снятая при постоянном отрицательном напряжении сетки, например при Uc= — 2 В, начинается не из нуля, а правее, при некотором значении напряжения анода UaX. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения анода от нуля ток будет оставаться равным нулю до тех пор, пока ускоряющее поле анода не скомпенсирует около катода тормозящее действие поля сетки. Лампа остается запертой, если действующее напряжение отрицательно или равно нулю. Значение напряже-
■г■гния Ua\, при котором начинается характеристика, можно найти, приравняв к нулю действующее напряжение:
■г
■г
Uc + DUal = О,
откуда
иаХ =
исD ’исD ’Рнс. 2.7. Анодные (а) и анодно-сеточные (б) характеристики триодаРнс. 2.7. Анодные (а) и анодно-сеточные (б) характеристики триодагде Del — проницаемость триода.
ис
D ’
ис
D ’
Рнс. 2.7. Анодные (а) и анодно-сеточные (б) характеристики триода
Рнс. 2.7. Анодные (а) и анодно-сеточные (б) характеристики триода
Чем больше абсолютная величина отрицательного напряжения сетки, при котором снимается анодная характеристика, тем сильнее тормозящее поле сетки; следовательно, тем сильнее должно быть ускоряющее поле анода для его компенсации. Поэтому при увеличении отрицательного постоянного напряжения сетки анодные характеристики все больше сдвигаются вправо.
При постоянном положительном напряжении сетки все анодные характеристики выходят из начала координат, так как
даже при малом напряжении анода поле у катода ускоряющее и часть электронов попадает на анод. При большем положительном напряжении сетки анодные характеристики будут круче.
Анодно-сеточные характеристики, снятые при разных значениях постоянного напряжения анода, составляют семейство статических анодно-сеточных характеристик. Анодно-сеточные характеристики являются передаточными характеристиками триода.
При снятии анодно-сеточной характеристики триода сначала устанавливают определенную величину постоянного напряжения анода, а затем такое отрицательное напряжение сетки, при котором анодный ток становится равным нулю, т. е. лампа запирается. Это и будет началом характеристики при Uv. = Ut3an. Начиная с этой точки уменьшают абсолютную величину отрицательного напряжения сетки через определенные интервалы и записывают соответствующие значения тока анода, по которым строят кривую (рис. 2.7, б). При этом ток анода растет сначала медленно, а затем быстрее, т. е. характеристика нелинейна.
В точке запирания, как было рассмотрено, действующее напряжение равно нулю, откуда можно определить запирающее напряжение:
Uc зап — DUa.
С повышением напряжения анода отрицательное запирающее напряжение увеличивается, поэтому анодно-сеточные характеристики, снятые при более высоком постоянном напряжении анода, сдвигаются влево. Анодно-сеточные характеристики начинаются только в области отрицательных напряжений сетки, поскольку при положительном анодном напряжении лампу можно запереть только тормозящим полем сетки. Участки анодно-сеточных характеристик в области положительных напряжений сетки обычно не используются: хотя анодный ток с увеличением положительного напряжения сетки растет, но появляется и растет ток сетки, который приводит к искажению усиливаемых колебаний.
Параметры триода
Различают главные и вспомогательные параметры триода. Главные параметры: крутизна анодно-сеточной характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Их можно определить по анодным или анодно-сеточным характеристикам. К вспомогательным параметрам относят проницаемость, добротность, статическое сопротивление и мощность, рассеиваемую анодом. Вспомогательные параметры можно определить, зная главные параметры.
Крутизна характеристики триода S — это параметр, показывающий, на сколько миллиампер изменится ток анода при изменении напряжения сетки на 1 В при постоянном напряжении анода:
S = при Ua = const.
Д.ис
Крутизна определяет наклон анодно-сеточной характеристики и измеряется в миллиамперах на вольт (мА/B). Крутизна в разных точках характеристики различна. Для данной точки крутизну характеристики можно определить по анодно-сеточной характеристике, найдя приращения тока анода Ма и напряжения сетки MJC как разность, соответственно, токов анода и напряжений сетки для двух близлежащих точек характеристики.
Для разных типов триодов крутизна характеристики может иметь значение от 1—2 до 30—40 мА/В.
Внутреннее сопротивление триода Ri — это параметр, показывающий, на сколько вольт надо изменить напряжение анода, чтобы ток анода изменился на 1 А при постоянном напряжении сетки:
Ri = —-— при ис = const.
Внутреннее сопротивление характеризует сопротивление лампы изменению тока; это сопротивление при переменном токе. Его называют также дифференциальным сопротивлением.
Внутреннее сопротивление, определяемое для разных точек, различно. В данной точке его можно определить, взяв на анодной характеристике близко расположенную вторую точку и найдя приращения напряжения анода MJa и тока анода Д/а. Ri может иметь значения от сотен ом до десятков килоом.
Коэффициент усиления триода р — это параметр, показывающий, во сколько раз изменение напряжения сетки сильнее влияет на ток анода, чем такое же по величине изменение напряжения анода. Его можно вычислить по двум анодным или анодно-сеточным характеристикам как отношение приращения напряжения анода к приращению напряжения сетки при одном и том же значении тока анода:
At/a , .р = — при /а = const.
В анодной системе координат приращение напряжения сетки определяется как разность постоянных значений Щ и UC2, при которых снимались характеристики. В системе анодно-сеточных координат аналогично определяется MJa. Коэффициент усиления триода в зависимости от конструкции электродов может иметь значения от 5—10 до 80—100.
Для определения всех трех главных параметров для данной точки А на семействе статических характеристик строят прямоугольный характеристический треугольник АВС так, чтобы его вершины лежали на двух соседних характеристиках, катеты были параллельны осям координат, а гипотенузой служил отрезок АВ характеристики (рис. 2.8). Это можно сделать как на анодных, так и на анодно-сеточных характеристиках. На семействе анодных характеристик (рис. 2.8, а) катет АС соответствует
Рис. 2.8. Определение главных параметров триода по анодным (а) и анодно-сеточным характеристикам (6)
приращению анодного напряжения MJa, катет ВС — приращению тока анода А/а, а разность напряжений U^ и Uc\ — приращению напряжения сетки. По найденным приращениям определяют параметры:
с _ А/а _ всR _ Л^а _ ЛС
Д(/с U^-U.x ’ 1 д/а ВС ’
MJ а _ АСдр; иг2 — ис1 ■
Аналогично можно определить параметры по анодно-сеточным характеристикам (рис. 2.8, б).
Главные параметры, вычисленные для одной точки характеристики, связаны между собой соотношением, которое носит название уравнения параметров:
ц = SRi.
Проницаемость лампы D характеризует долю электрического поля анода, которая сквозь сетку влияет на вылетающие из катода электроны. Чем меньше проницаемость, тем сильнее экранирующее действие сетки и больше коэффициент усиления.
Таким образом, проницаемость — величина, обратная коэффициенту усиления ц:
Учитывая это, можно записать уравнение параметров триода так:
DSRt= 1.
Статическое сопротивление триода Ro — это сопротивление при постоянном токе. Для данной точки характеристики оно определяется как отношение напряжения анода к току анода:
Рассеиваемая анодом мощность Ра — это энергия, приносимая на анод электронами в одну секунду. Она равна произведению тока анода на напряжение анода:
Pa = IaUa.
Для каждого типа ламп максимально допустимое значение рассеиваемой анодом мощности PawaKC, при котором анод не перегревается выше допустимой температуры, указывается в справочниках.
Добротность лампы G характеризует максимальную полезную мощность усиливаемых колебаний, которую может развить лампа на нагрузке при амплитуде усиливаемых колебаний на сетке в один вольт. Добротность вычисляется как произведение коэффициента усиления на крутизну характеристики:
G = pS
и измеряется в милливаттах на вольт в квадрате (мВт/В2).
Типы и применение триодов.
Междуэлектродные емкости
Триоды могут быть применены как для усиления электрических колебаний низкой частоты, так и в качестве генераторных ламп. Типы триодов различают по мощности: маломощные триоды используют для предварительного усиления напряжения электрических колебаний, а триоды большой мощности — в мощных усилителях и генераторах электрических колебаний.
Триоды, предназначенные для усиления напряжения, должны иметь большой коэффициент усиления р— до 30—100, а также большое внутреннее сопротивление Ri, достигающее 50—100 кОм, при небольшой крутизне характеристики S, не превышающей
1—2 мА/B. Триоды для мощных усилителей должны иметь большую добротность и относительно большую крутизну характеристики — до 6 мА/в и более, а также большое значение Амакс. При этом их коэффициент усиления не превышает 4—10, внутреннее сопротивление тоже невелико — до нескольких килоом.
По конструкции триоды могут быть одинарные и двойные. В баллоне двойного триода вертикально расположены две трехэлектродные системы. Условное обозначение двойного триода см. на рис. 2.3.
Рис. 2.9. Конструктивное оформление электронных ламп (а): / — в стеклянном баллоне; 2 — в металлическом баллоне; 3 — пальчиковая миниатюрная лампа; 4 — сверхминиатюрная лампа; 5 — лампа типа «желудь»; 6 — октальный цоколь; 7— ламповая панелька; цоколевка (б); в — система отсчета выводов октального цоколя; г — то же для пальчиковой лампы
Система буквенно-цифрового обозначения электронных ламп состоит из четырех элементов:
первый элемент — число, обозначающее напряжение накала в вольтах, округленное до целого числа;
второй элемент — буква, указывающая систему электродов лампы: для диодов — Д; для выпрямительных диодов (кенотронов) — Ц; для триодов — С, для двойных триодов — Н;
третий элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки данного типа прибора;
г четвертый элемент — буква, указывающая тип конструктивного оформления прибора: С — в стеклянном баллоне нормального размера, П — в пальчиковом баллоне, т. е. в стеклянном баллоне диаметром 10 и 22,5 мм, Р — сверхминиатюрная лампа в стеклянном баллоне диаметром до 4 мм, А — диаметром до 6 мм,
Б — диаметром до 10 мм, Ж — в стеклянном баллоне типа «желудь», К — в керамическом баллоне; для ламп в металлическом баллоне четвертый элемент отсутствует. Примеры конструктивного оформления электронных ламп даны на рис. 2.9, а.
Примеры обозначений триодов: 6С5 — триод с напряжением накала 6,3 В, пятый порядковый номер разработки, в металлическом баллоне; 6Н2П, 6НЗП — двойные триоды с напряжением накала 6,3 В, в пальчиковом стеклянном баллоне, соответственно, второй и третий порядковые номера разработки.
Систему внешних выводов электродов на штырьки цоколя или баллона называют цоколевкой лампы. Примеры цоколевки даны на рис. 2,9, б. Номера выводов каждого электрода и система отсчета их (рис. 2.9, в, г) приводятся в справочниках по электровакуумным приборам. Для ламп в металлических и стеклянных баллонах нормальных размеров наиболее распространен восьмиштырьковый цоколь; в центре его пластмассовый направляющий ключ в виде цилиндра с выступом. Такой цоколь вставляется в ламповую панельку, имеющую восемь гнезд по окружности и отверстие в центре, только в одном положении ключа: когда выступ входит в прорезь центрального отверстия.
Рис. 2.10. Статические между-электродные емкости триода
Для пальчиковых ламп, выполняемых в стеклянном баллоне без цоколя, применяется несимметричное расположение семи или девяти металлических штырьков, вваренных снизу в баллон. Между первым и последним штырьком расстояние больше, чем между остальными соседними штырьками.
Конструкция триодов такова, что между каждой парой металлических электродов, разделенных изолирующим вакуумным промежутком, создается паразитная емкость. Эти емкости называют статическими междуэлектродными емкостями. В триоде имеются три междуэлектродные емкости (рис. 2.10): емкость сетка — катод Сск, называемая входной; емкость анод — катод Сак, называемая выходной; емкость анод — сетка Сас, называемая проходной. При работе лампы в схеме усиления эти емкости оказывают вредное влияние, так как емкостное сопротивление уменьшается с повышением частоты. Особенно большое влияние оказывает емкость анод — сетка.
В триоде междуэлектродная емкость анод—сетка сравнительно велика. Это приводит к ухудшению усиления колебаний верхних частот звукового диапазона и делает триод совершенно непригодным для усиления колебаний высокой частоты в радиотехнике. Большая проходная емкость — один из недостатков триода. Она составляет для маломощных триодов единицы пикофарад, а для мощных — десятки пикофарад.
Второй недостаток — это сравнительно небольшой коэффи-
циент усиления триода; он не превышает 100. Можно было бы увеличить его, сделав сетку более густой. Но при большом ц будет очень мала проницаемость лампы, а следовательно, и запирающее напряжение Ссзап = — DUa. Чтобы при большом ц получить больше UC3an и сдвинуть характеристику влево, в область отрицательных напряжений сетки, необходимо сильно повысить напряжение анода, что неизбежно приведет к дополнительным усложнениям устройства.
Поэтому недостатки триода устраняют в многоэлектродных лампах введением дополнительной сетки — экранирующей.
Контрольные вопросы
Нарисуйте схематическое устройство триода и объясните влияние управляющей сетки на движение электронов от катода к аноду.
Нарисуйте и объясните анодные характеристики триода.
Нарисуйте и объясните анодно-сеточные характеристики триода.
Назовите главные параметры триода, объясните определение их по характеристическому треугольнику и связь между ними.
Какие междуэлектродные емкости действуют в триоде?
Глава 2.3.
МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
Тетрод
Устройство и принцип действия тетрода. Тетродом называют четырехэлектродную лампу, имеющую катод, анод и две сетки — управляющую и экранирующую.
Назначение катода, анода и управляющей сетки и конструкция этих электродов такие же, как в триоде. Экранирующая сетка выполняется в виде проволочной спирали с малым шагом витков, т. е. ее густота значительно больше, чем управляющей сетки. Как показывает само название, назначение экранирующей сетки — экранировать, т. е. защищать управляющую сетку и катод от воздействия электрического поля анода. Являясь электростатическим экраном, этот четвертый электрод должен быть не сплошным, а в виде сетки, чтобы электроны,эмиттируемые катодом, попадали на анод. Экранирующая сетка должна ускорять движение электронов к аноду, поэтому на нее подается постоянное положительное напряжение. Для усиления экранирующего действия второй сетки уменьшают шаг ее витков и ставят верхний и нижний металлические экраны, соединенные с ней и защищающие управляющую сетку и катод от проникновения анодного поля сверху и снизу. Для уменьшения емкости между выводами анода и управляющей сетки один из них делают в нижний цоколь лампы, а другой — вверху баллона.
Схема включения тетрода приведена на рис. 2.11. В соответствии с количеством элекродов в ней имеются четыре цепи: накала, анода, управляющей сетки и экранирующей сетки. Первые три цепи такие же, как для триода. Цепь экранирующей сетки содержит источник питания Еэ, промежуток экранирующая сетка — катод лампы и соединенные провода. Разность потенциалов между экранирующей сеткой и катодом называют напряжением экранирующей сетки U9, а ток в ее цепи — током экранирующей сетки /э. Напряжение экранирующей сетки обычно меньше напряжения анода, а в практических схемах на экранирующую
Рис. 2.11. Условное графическое обозначение тетрода (а) и схема его включения (б)
сетку подается напряжение от источника питания анодной цепи через гасящий резистор. Поскольку экранирующая сетка имеет положительный потенциал, часть из потока электронов, идущих от катода к аноду, 'притягивается этой сеткой, создавая в ее цепи ток /э. Поэтому происходит перераспределение токов между анодом и экранирующей сеткой в зависимости от их напряжений. Желательно, чтобы ток экранирующей сетки был возможно меньше.
На движение электронов к аноду влияет результирующее электрическое поле, созданное тремя электродами: анодом, управляющей сеткой и экранирующей сеткой. Поэтому картина электрических полей в тетроде сложней, чем в триоде. Схематически ее можно представить силовыми линиями полей анода (тонкие сплошные линии), экранирующей сетки (пунктирные линии) и управляющей сетки (толстые сплошные линии) (рис. 2.12). Поскольку экранирующая сетка густая и ее потенциал ниже потенциала анода, то большинство силовых линий, выходящих из анода, заканчивается у витков этой сетки, т. е. поле анода действует главным образом в промежутке между анодом и экранирующей сеткой. Небольшая часть силовых линий поля анода проникает к управляющей сетке и еще меньше — сквозь две сетки к катоду.
Ослабление электрического поля между анодом и управ-
ляющей сеткой означает, что уменьшается емкость между этими электродами Сас. В зависимости от конструкции экранирующей сетки проходная емкость уменьшается в десятки и сотни раз по сравнению с триодом.
Значительное ослабление анодного поля у катода уменьшает влияние напряжения анода на ток анода, что приводит к относительному увеличению влияния управляющей сетки, а следовательно, к увеличению коэффициента усиления лампы. Этим экранирующая сетка устраняет недостатки триода.
Ускоряющее поле в промежутке катод — сетка, как видно из рис. 2.12, создается главным образом положительным напряже-
Рис. 2.12. Электрические поля в тетроде
нием экранирующей сетки. При отсутствии U3, в промежутке катод — сетка ускоряющим будет только очень слабое электрическое поле анода. Оно не компенсирует тормозящего действия отрицательного пространственного заряда и управляющей сетки, и анодный ток равен нулю. Таким образом, если на экранирующую сетку напряжение не подано, лампа заперта.
Поскольку анодное поле сквозь две сетки очень мало влияет на движение электронов от катода, то долей анодного напряжения в действующем напряжении тетрода можно пренебречь:
Un« UC^-DCU31
где ис и U3 — напряжения управляющей и экранирующей сеток; Dc — проницаемость управляющей сетки.
Характеристики тетрода. Анодно-сеточной характеристикой тетрода называют зависимость тока анода от напряжения управляющей сетки при постоянных напряжениях анода и экранирующей сетки (рис. 2.13, о):
Ia = KUc) при Ua = const И Ua = COnst.
Анодно-сеточная характеристика начинается в точке, лежащей на оси абсцисс и соответствующей запирающему напряжению управляющей сетки Uc3an. Величина запирающего напряжения может быть найдена из условия, что ток становится равным нулю, когда действующее напряжение сетки равно нулю:
Uс зап —DCU3.
Таким образом, абсолютная величина запирающего напряжения, или сдвиг анодно-сеточной характеристики влево от начала координат, зависит в тетроде главным образом от прони-
ааРис. 2.13. Анодно-сеточные (а)Рис. 2.13. Анодно-сеточные (а)и анодная (6) харакеристики триодаи анодная (6) харакеристики триода
а
а
Рис. 2.13. Анодно-сеточные (а)
Рис. 2.13. Анодно-сеточные (а)
и анодная (6) харакеристики триода
и анодная (6) харакеристики триода
цаемости управляющей сетки и напряжения экранирующей сетки и практически не зависит от анодного напряжения и общей проницаемости лампы. Поэтому в тетроде, в отличие от триода, можно получить большой коэффициент усиления лампы и достаточно «левую» характеристику при невысоких анодных напряжениях.
Характеристики, снятые при одном и том же напряжении экранирующей сетки С/э, но при разных постоянных напряжениях анода ^а1, (7а2 и (/а3, выходят почти из одной точки узким расходящимся пучком, так как напряжение анода сквозь две сетки мало влияет на ток анода. При большем Ua характеристики немного круче, так как поток электронов от катода перераспределяется между анодом и экранирующей сеткой: на анод идет все большая доля электронов, и ток анода возрастает.
Повышение напряжения экранирующей сетки* заметно сдвигает характеристику влево, так что при L/,2>L/31 весь пучок характеристик, снятых при различных напряжениях анода, передвинется влево.
Анодная характеристика тетрода представляет собой зависи-
мость тока анода от напряжения анода при постоянных напряжениях управляющей и экранирующей сеток:
/а = КЩ при Uc = const и U3 = const .
Если одновременно с анодной характеристикой снимать зависимость тока экранирующей сетки от напряжения анода, то можно установить следующее (рис. 2.13, б). При Ua = 0 все электроны, прошедшие сквозь управляющую сетку, попадают на экранирующую сетку, которая имеет положительный потенциал, поэтому ток экранирующей сетки имеет максимальное значение,
■*О Первичные электроны < О Вторичные электроны
Рис. 2.14. Движение первичных и вторичных электронов при динатрониом эффекте в тетроде
а ток анода равен нулю. При увеличении напряжения анода до 18—20 В ток анода быстро увеличивается, а ток экранирующей сетки уменьшается, так как происходит перераспределение электронов между анодом и экранирующей сеткой (участок /).
При дальнейшем увеличении напряжения анода энергия электронов, падающих на анод, становится достаточной, чтобы вызвать вторичную электронную эмиссию с анода. Вторичные электроны с анода идут на экранирующую сетку (так как ее потенциал выше), поэтому ток анода уменьшается, а ток экранирующей сетки увеличивается (участок 2).
С приближением Ua к Щ разность потенциалов между экранирующей сеткой и анодом уменьшается, ослабляется ускоряющее поле для вторичных электронов, и все большее число их возвращается обратно на анод. Ток анода снова начинает уве- личиваться, а ток экранирующей сетки — уменьшаться (участок 3).
Явление перехода вторичных электронов, вылетающих из ано-
да, на экранирующую сетку, имеющую более высокий потенциал, называют динатронным эффектом (рис. 2.14). При динатронном эффёкте увеличение напряжения анода приводит к уменьшению тока анода, т. е. к провалу в анодной характеристике.
При Ua>U3 динатронный эффект прекращается, так как поле между экранирующей сеткой и анодом становится тормозящим для вторичных электронов; они возвращаются на анод. С увеличением напряжения анода заканчивается перераспределение токов между анодом и экранирующей сеткой; характеристика становится пологой (участок 4). Это рабочий участок характеристики.
Малое изменение тока анода с изменением напряжения анода на рабочем участке объясняется слабым влиянием напряжения анода на движение электронов в промежутке сетка — катод из-за малой проницаемости двух сеток. Рабочий режим не является режимом насыщения.
Из-за динатронного эффекта тетрод не применяют в усилителях низкой частоты, так как провал в анодной характеристике приводит к искажению формы кривой усиливаемого сигнала. Поэтому для использования ламп с экранирующей сеткой необходимо устранить динатронный эффект. Это осуществляется созданием тормозящего поля для вторичных электронов, вылетающих с анода: либо с помощью третьей сетки (в пентодах), либо с помощью отрицательного объемного заряда около анода (в лучевых тетродах).
Пентод
Устройство и принцип действия пентода. Пентодом называют пятиэлектродную элекронную лампу, имеющую катод, анод и три сетки — управляющую, экранирующую и антидинатронную.
Антидинатронная сетка выполняется в виде проволочной спирали с большим шагом витков и помещается между анодом и экранирующей сеткой (рис. 2.15). Антидинатронная сетка соединяется с катодом либо внутри лампы, либо внешними проводами, если она имеет отдельный вывод. Поэтому схема включения пентода (рис. 2.16) не отличается от схемы включения тетрода.
Витки антидинатронной сетки имеют потенциал катода, равный нулю, т. е. всегда ниже потенциала анода; в пространстве между анодом и этой сеткой создается тормозящее поле для вторичных электронов, вылетающих с анода. Вторичные электроны возвращаются на анод (рис. 2.17). Таким образом устраняется динатронный эффект.
Характеристики пентода. В пентоде из-за введения третьей сетки общая проницаемость становится еще меньше, чем в тетроде, а напряжение анода еще слабее влияет на объемный заряд у
катода и движение электронов в промежутке сетка — катод. Поэтому доля анодного напряжения в действующем напряжении сетки очень мала и ею можно пренебречь. Учитывая, что напряжение третьей сетки равно нулю, действующее напряжение в пентоде можно с достаточной степенью точности считать равным
Un=Uc-t-DcU3.Un=Uc-t-DcU3.Рис. 2.15. Пентод а — схема устройства; б — условное графическое обозначениеРис. 2.15. Пентод а — схема устройства; б — условное графическое обозначениеРис. 2.16. Схема включенияпентода
Un=Uc-t-DcU3.
Un=Uc-t-DcU3.
Рис. 2.15. Пентод а — схема устройства; б — условное графическое обозначение
Рис. 2.15. Пентод а — схема устройства; б — условное графическое обозначение
С антО|—С антО|—। а Вторичные электроны। а Вторичные электроныРис. 2.17. Устранение динатронного эффекта в пентоде с помощью антидинатронной сеткиРис. 2.17. Устранение динатронного эффекта в пентоде с помощью антидинатронной сеткиАнод
С ант
О|—
С ант
О|—
। а Вторичные электроны
। а Вторичные электроны
Рис. 2.17. Устранение динатронного эффекта в пентоде с помощью антидинатронной сетки
Рис. 2.17. Устранение динатронного эффекта в пентоде с помощью антидинатронной сетки
Семейство анодно-сеточных характеристик пентода при постоянном напряжении экранирующей сетки и различных значениях напряжения анода выходит пучком из одной точки, а сдвиг характеристик влево зависит от напряжения экранирующей сет-
ки. Пучки характеристик при различных Ua получаются еще более узкими, чем для тетрода, из-за меньшего влияния Ua на распределение токов между анодом и экранирующей сеткой (рис. 2.18, а). Вследствие этого анодно-сеточными характеристиками неудобно пользоваться для расчета режима и параметров пентода; основными характеристиками являются анодные.
Анодные характеристики пентода (рис. 2.18, б) не имеют провала. При небольших напряжениях анода его ток резко возрастает с увеличением Ua; характеристика идет круто вверх.
Рис. 2.18. Анодно-сеточные (а) и анодные (б) характеристики пентода
В этом режиме напряжение экранирующей сетки превышает напряжение анода и большая часть электронов притягивается к этой сетке. С повышением Ua таких электронов становится все меньше, поэтому ток быстро растет.
При более высоких напряжениях анода все электроны, пролетевшие сквозь экранирующую сетку, попадают на анод. Характеристика становится пологой. Это рабочий участок характеристики. Малое изменение тока на рабочем участке объясняется малым влиянием напряжения анода на поток электронов, проходящих из объемного заряда у катода сквозь управляющую и экранирующую сетки.
Переход от крутой части к пологой происходит в пентоде плавно. Для лучшего использования лампы желательно иметь больший пологий участок и резкий переход от восходящей части характеристики к пологой.
С увеличением отрицательного напряжения управляющей сетки ток анода уменьшается; характеристики располагаются ниже. Расстояние между ними при этом уменьшается, и они не параллельны друг другу, а рабочий участок становится все более пологим.
При более высоком постоянном напряжении экранирующей
сетки все семейство анодных характеристик пентода располагается выше.
Параметры пентода. Главные параметры тетродов и пентодов, как и триодов, — это крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления:
5=-^р при Uа = const и tA = const;
=-дУ— при Uc = const и U3 = const;
А 67 а,,
И = д^ при /а = const и иэ = const.
Введение третьей сетки еще больше, чем в тетроде, уменьшает влияние напряжения анода на ток анода, поэтому коэффициент усиления и внутреннее сопротивление пентода очень велики, а крутизна характеристики примерно такая же, как у триодов. Третья сетка дополнительно экранирует управляющую сетку и катод от действия анодного поля, поэтому проходная междуэлектродная емкость Сас уменьшается до тысячных долей пикофарады.
В тетродах и пентодах все параметры зависят не только от конструкции электродов, но и от токораспределения между анодом и экранирующей сеткой. Поэтому в тетродах и пентодах коэффициент усиления не является величиной, обратной проницаемости, а меньше этой величины:
Уравнение параметров лампы, справедливое для триода, остается справедливым и для этих ламп:
р = SRi.
Параметры пентодов определяют по семейству анодных характеристик, но не таким способом, как для триодов, так как характеристики пентода идут очень полого. Для определения параметров в точке А поступают следующим образом (рис. 2.19). Вычисляют:
крутизну характеристики:
s_ Ы'а _ АВ
Ж" uct - ис1 :
внутреннее сопротивление
^ _ &иа _ со
М" ad"*
определяя /" как разность токов, соответствующих точкам Л и С, лежащим на одной и той же характеристике, и М)а — как разность напряжений анода для этих точек;
коэффициент усиления, пользуясь уравнением параметров лампы: ц= SRu
Типы пентодов и применение их. По назначению и, соответственно, по конструкции пентоды делят на два типа — высокочастотные и низкочастотные.
Высокочастотные пентоды предназначены для усиления напряжения высокой частоты, поэтому они должны иметь очень
Рис. 2.19. Определение параметров лентода по характеристикам
малую проходную емкость Сас. Для этого экранирующую сетку делают очень густой и применяют специальные экраны для уменьшения емкости между выводами этих электродов. Иногда вывод управляющей сетки делают в верхнюю часть баллона. В высокочастотных пентодах благодаря тщательному экранированию проходная емкость очень мала (0,003—0,006 пФ), внутреннее сопротивление очень велико (0,8—2,5 МОм). Крутизна характеристики доходит до 5—8 мА/B, и коэффициент усиления получается очень большим — от 1000 до 3000—6000. Высокочастотные пентоды также успешно используют для усиления напряжения колебаний низкой частоты.
Низкочастотные пентоды применяют для усиления мощности колебаний низкой частоты, т. е. как мощные оконечные лампы. В этом случае междуэлектродные емкости не оказывают такого большого влияния, как при усилении колебаний высокой частоты, поэтому не требуется тщательного экранирования и конструкция лампы проще. Экранирующую сетку делают менее густой, не применяют специальных экранов. Благодаря этому низкочастотные пентоды имеют значительно меньший коэффициент усиления (150—600) и меньшее внутреннее сопротивление (20— 100 кОм). Крутизна характеристики при большой рабочей поверхности электродов велика (до 8—12 мА/В).
Лучевой тетрод
Устройство и принцип действия лучевого тетрода. В лучевом тетроде динатронный эффект устраняется с помощью отрицательного объемного заряда, который создается благодаря особой конструкции электродов в пространстве между экранирующей сеткой и анодом плотными электронными лучами (рис. 2.20, а).
Анод имеет цилиндрическую форму, а сетки сплющены, так что расстояние между экранирующей сеткой и анодом по одной из осей получается сравнительно большим (рис. 2.20, 6). В уг-
Рис. 2.20. Лучевой тетрод: а — конструкция электродов: / — катод; 2 — управляющая сетка; 3 — экранирующая сетка; 4 — лучеобразные пластины; 5 — анод; 6 — электронные лучи; 7 — отрицательный объемный заряд около анода; б — вид сверху; в — вертикальный разрез по АБ; г —- условное графическое обозначение
лублениях около анода помещены дополнительные электроды, которые соединены с катодом и имеют нулевой потенциал. Их называют лучеобразующими пластинами, так как они фокусируют поток электронов двумя веерообразными пучками —- лучами — в том направлении, в котором расстояние от второй сетки до анода наибольшее. Этим достигается большая плотность электронного потока вблизи анода.
Кроме фокусировки в горизонтальной плоскости происходит фокусировка электронных лучей в вертикальной плоскости (рис. 2.20, а, в) благодаря тому, что сетки имеют одинаковый шаг витков: витки экранирующей сетки расположены точно против витков управляющей сетки. Электроны, огибая витки сеток, собираются в узкие лучи. Таким образом поток первичных электронов создает у анода отрицательный объемный заряд большой плотности. Тормозящее поле этого заряда возвращает вторич-
ные электроны, вылетевшие с анода, обратно на анод, и дина- тронный эффект устраняется.
Характеристики лучевого тетрода. Анодные характеристики лучевого тетрода (рис. 2.21) не имеют провала, соответствующего динатронному эффекту, как это наблюдается в обычном тетроде. При малых напряжениях анода характеристика идет круто вверх, ток анода резко возрастает, как и в пентоде. С дальнейшим повышением напряжения анода, когда все электроны, прошедшие сквозь вторую сетку, доходят до анода, рост тока почти прекращается; характеристика идет полого, так как анодное напряжение мало влияет на поток электронов от катода.
По сравнению с характеристиками пентодов у лучевых тетродов переход от крутой части характеристики к пологой происхо-
Рис. 2.21. Анодные характеристики лучевого тетродаРис. 2.21. Анодные характеристики лучевого тетрода
Рис. 2.21. Анодные характеристики лучевого тетрода
Рис. 2.21. Анодные характеристики лучевого тетрода
дит резче, так как объемный заряд создает более равномерное распределение потенциалов, чем антидинатронная сетка.
При больших отрицательных напряжениях управляющей сетки, когда ток анода мал, плотность электронного потока уменьшается, тормозящее действие отрицательного объемного заряда у анода ослабляется. При этом часть вторичных электронов попадает на экранирующую сетку, т. е. частично проявляется дина- тронный эффект, и характеристики имеют небольшой провал.
Применение лучевых тетродов. Особая конструкция лучевых тетродов, при которой шаг витков экранирующей сетки такой же, как у управляющей сетки, не позволяет сделать экранирующую сетку очень густой. Поэтому лучевые тетроды имеют большую проходную емкость Сас (0,3—1 пФ) и применяют их, как и низкочастотные пентоды, для усиления мощности колебаний низкой частоты.
В мощных лампах при рабочих режимах начальные участки анодных характеристик не используются, и динатронный эффект не проявляется.
Преимуществом лучевых тетродов является малый ток экранирующей сетки, составляющий всего 7—10% от анодного тока. Этому способствует конструкция сеток: поскольку витки экра-
пирующей сетки находятся против витков управляющей сетки и электронные лучи огибают их, уменьшается количество электронов, перехватываемых экранирующей сеткой.
Лучевые тетроды имеют небольшой коэффициент усиления (100—200), малое внутреннее сопротивление (20—100 кОм) и большую крутизну характеристики (2—ЮмА/В).
В усилителях кинотеатральной звуковоспроизводящей аппаратуры применяются для усиления мощности двойные лучевые тетроды типа 6РЗС.
ааКомбинированные лампы — это электронные лампы, имеющие в одном баллоне две и более систем электродов с независимыми потоками электронов. Простейшие комбинированные лампы — двойные триоды, двойные лучевые тетроды (рис. 2.22, о).
а
а
Рис. 2.22. Условные графические обозначения двойного лучевого тетрода (а) и триод-пентода (б)
В более сложных комбинированных лампах содержатся не одинаковые, а разные системы электродов. Например, триод- пентод и другие (рис. 2.22, б).
Применение комбинированных ламп позволяет конструировать более компактные устройства и уменьшать их стоимость, так как одна лампа может одновременно выполнять различные функции и общее количество ламп значительно уменьшается.
В буквенно-цифровом обозначении многоэлектродных и комбинированных ламп в качестве второго элемента ставятся буквы: Э — тетрод, Ж — высокочастотный пентод, П — низкочастотный пентод или лучевой тетрод, Р — двойной лучевой тетрод, Ф — триод-пентод и др.
Примеры обозначений многоэлекродных ламп:
6Ж32П — высокочастотный пентод в стеклянном пальчиковом баллоне, порядковый номер разработки 32, напряжение накала 6,3 В;
6РЗС — двойной лучевой тетрод в стеклянном баллоне, порядковый номер разработки 3, напряжение накала 6,3 В;
6Ф5П — триод-пеитод в пальчиковом баллоне, порядковый номер разработки 5, напряжение накала 6,3 В.
Контрольные вопросы
Объясните назначение и действие экранирующей сетки. Что такое дина- тронный эффект?
По анодным характеристикам пентода объясните, как устраняется ди- натронный эффект с помощью антидинатронной сетки.
Объясните устройство лучевого тетрода и принцип устранения в нем ди- натронного эффекта.
Раздел 3.
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 3.1.
ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
Электроннолучевая трубка с электростатическимуправлением
Электронно-оптические приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения (световую). К ним, в частности, относятся электроннолучевые приборы.
Электроннолучевой прибор — это электровакуумный прибор, преобразующий электрический сигнал в оптический с помощью формирования электронного луча и управления его интенсивностью и положением. Один из видов элекроннолучевого прибора — элекроннолучевая трубка.
Электроннолучевые трубки предназначены для преобразования электрического сигнала в оптическое изображение, которое получается на специальном экране с люминесцирующим слоем, светящимся под действием направленного на него тонкого электронного луча. Перемещение электронного луча по экрану вызывает перемещение светящегося под действием электронной бомбардировки пятна; луч как бы рисует на экране светящееся изображение. Электроннолучевые трубки могут быть использованы для визуального наблюдения или фотографирования электрических процессов, для отображения информации в виде цифр, букв и других знаков, а также графиков зависимости одной электрической величины от другой или от времени.
Электроннолучевые трубки, предназначенные для светящегося графического воспроизведения электрического сигнала, называют осциллографическими; на их основе построены измерительные приборы, называемые осциллографами. Приемные электроннолучевые трубки, предназначенные для воспроизведения телевизионных изображений, называют кинескопами.
Рассмотрим устройство электроннолучевой трубки (рис. 3.1). Она представляет собой стеклянную колбу вытянутой формы, с расширением к торцу (рис. 3.1, а"). В колбе (баллоне) помещены: электронный прожектор, отклоняющая система и люминес- цирующий экран.
Электронный прожектор создает поток электронов, ускоряет их и фокусирует в узкий луч, направленный вдоль оси трубки в
центр экрана, а также позволяет управлять количеством электронов в луче, т. е. интенсивностью свечения экрана.
Отклоняющая система предназначена для управления движением электронного луча по экрану путем одновременного отклонения луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях — вертикальном и горизонтальном.
Экран служит для получения на нем светящегося изображения.
Рис. 3.1. Электроннолучевая трубка: а — внешний вид; б — устройство: 1 — катод; 2 — управляющий электрод; 3— аноды; 4 — отклоняющие пластины; 5 — аквадаг; 6 — экран; 7 — баллон; в — условное графическое обозначение
В зависимости от способа фокусировки и отклонения электронного луча различают три типа электроннолучевых трубок: с электростатическим управлением, в которых для фокусировки и отклонения луча используется электрическое поле;
с электромагнитным управлением, в которых для фокусировки и отклонения луча используется магнитное поле;
со смешанным управлением, в которых фокусировка осуществляется электрическим полем, а отклонение луча — магнитным.
Устройство элекроннолучевой трубки с электростатическим управлением схематически показано на рис. 3.1, б, а ее условное графическое обозначение — на рис. 3.1, в.
Электронный прожектор состоит из катода косвенного накала, управляющего электрода и двух или трех анодов, ускоряющих и фокусирующих электроны в луче. Катод имеет форму цилиндра, торец которого снаружи покрыт оксидным слоем; внутри цилиндра расположен подогреватель для накала катода и получения термоэлектронной эмиссии с его торца. Управляющий электрод, называемый модулятором, имеет форму цилиндра с от-
верстием в торце и расположен вокруг катода. На него подается отрицательное напряжение порядка нескольких десятков вольт относительно катода.
Электроны, эмиттируемые катодом, движутся под действием ускоряющего поля первого анода сквозь отверстие в торце управляющего электрода, отталкиваясь от его стенок. Количество электронов в луче, проходящем через это отверстие, зависит от величины отрицательного напряжения управляющего электрода: чем оно больше, тем меньше количество электронов в луче, меньше ток луча, а следовательно, и яркость свечения экрана в точке падения на него луча.
Рис. 3.2. Полная система электростатической фокусировки луча (а), фокусирующее электрическое поле между анодами (6) и принцип действия этого поля на траекторию движения электронов луча (в)
Аноды представляют собой полые цилиндры с диафрагмами внутри. Электронный луч проходит сквозь отверстия в этих диафрагмах. Аноды имеют неодинаковые диаметры и разные положительные потенциалы: первый 300—1000 В, второй 1000— 5000 В и более. Эти потенциалы подобраны таким образом, что электрические поля, созданные ими, имеют специальную конфигурацию и собирают пучок летящих с большой скоростью электронов в узкий сходящийся луч (рис. 3.2, а).
В каждой точке неоднородного электрического поля, представленного криволинейными силовыми линиями, идущими в направлении от более высокого потенциала к менее высокому (рис. 3.2, б), на электрон действует сила, направленная по касательной к силовой линии в данной точке в сторону более высо-
кого потенциала, т. е. противоположно силовым линиям. Под действием этих сил изменяется направление движения электронов. Электрические поля между управляющим электродом и первым анодом и между следующими анодами действуют на электронный луч подобно тому, как оптические линзы действуют на световой луч. Пучок электронов фокусируется сначала внутри первого анода, затем расходится и снова собирается по мере выхода из второго анода. Электрическое поле, способное собирать или рассеивать поток электронов, называют электронной линзой.
Рассмотрим подробнее действие электронной линзы на траекторию движения электрона, летящего в ускоряющем поле в направлении к экрану (рис. 3.2, в). Траектория движения электрона изображена толстой линией, а силовая линия электрического поля между анодами Ai и Д2 — тонкой пунктирной. В точке В на электрон действует сила Fb которую можно разложить на две составляющие: горизонтальную F\ ГоР и вертикальную F\ ВеР. Первая ускоряет движение электрона вдоль оси трубки, вторая отклоняет его к оси. Аналогично в точке С сила F2 имеет горизонтальную составляющую Агго?, ускоряющую движение электрона, и вертикальную — ^ве?, отклоняющую его от оси, но в меньшей степени, так как скорость электрона в точке С выше. В результате траектория данного электрона и всех электронов в луче пересечется с осью трубки в точке F экрана, являющейся фокусом системы электронных линз — рассеивающей и собирательной.
Напряжение на первом аноде регулируется таким образом, чтобы луч фокусировался в плоскости экрана и давал на нем четкое светящееся пятно, диаметр которого для осциллографических трубок обычно равен 0,5—1 мм. Напряжение на втором аноде остается постоянным. Благодаря очень высокому напряжению на анодах создается сильное ускоряющее поле для электронов в луче.
Экран трубки покрыт специальным веществом — люминофором, — светящимся под действием электронного луча. Яркость и длительность свечения экрана, а также цвет свечения зависят от вещества люминофора, от скорости и количества электронов в луче. Чем больше скорость электронов и чем больше их падает на экран, тем ярче светится изображение. С течением времени способность люминесцентного вещества светиться ухудшается. Это явление называют утомляемостью экрана.
Цвет свечения зависит от состава люминофора. Для визуального наблюдения кривых исследуемого сигнала в осциллографических трубках применяют люминофор, дающий желто- зеленое свечение, поскольку глаз человека наиболее чувствителен к излучению в этой области спектра. Для этого в качестве люминофора на экран наносится слой сульфида цинка. В труб-
ках, предназначенных для фотографирования изображения с экрана, используют люминофоры, дающие синее свечение. Для получения черно-белого телевизионного изображения на экранах кинескопов используется белое свечение, а для цветных изображений — сложный экран с точками красного, зеленого и синего свечения.
Электроны, падая с большой скоростью на экран трубки, отдают ему свою энергию, которая частично превращается в световую, а частично поглощается электронами вещества экрана и вызывает из него вторичную эмиссию электронов. Вторичные электроны, эмиттируемые экраном, улавливаются аквадагом.
Рис. 3.3. Действие отклоняющих пластин
который представляет собой слой графита, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона электроннолучевой трубки. Аквадаг соединяется со вторым анодом и служит также для защиты электронного луча от воздействия внешних электрических и магнитных полей (см. рис. 3.1, б).
Отклоняющая система состоит из двух пар пластин. Первая пара плоскопараллельных пластин установлена по пути движения электронов луча горизонтально и служит для отклонения луча в вертикальном направлении. Эти пластины при подаче на них напряжения создают электрическое поле, сила которого действует на электроны вертикально, и называются вертикально- отклонякнцими пластинами УУ. Вторая пара плоскопараллельных пластин расположена перпендикулярно первой и служит для отклонения электронного луча в горизонтальном направлении. Это горизонтально-отклоняющие пластины XX.
Действие отклоняющих пластин на электронный луч иллюстрирует рис. 3.3. При подаче постоянного напряжения на пластины УУ так, что потенциал верхней из них выше, чем нижней, луч отклонится из центра экрана О вверх в точку а, а при изменении полярности приложенного напряжения — вниз в точку б. При равенстве потенциалов пластин луч останется в точке О
на оси трубки. Чем больше напряжение между пластинами, тем сильнее отклоняется луч. Если на пластины УУ подать переменное напряжение, то луч будет перемещаться вверх и вниз между точками а и б. Поэтому световое пятно тоже будет двигаться по отрезку вертикальной линии, непрерывно перемещаясь то вверх, то вниз и многократно прочерчивая этот отрезок. При сравнительно большой частоте переменного напряжения, а также вследствие инерционности зрения и свойства послесвечения экрана на экране будет видна непрерывная светящаяся линия, а не отдельные положения светящегося пятна. Длина светящегося вертикального отрезка пропорциональна амплитуде приложенного к пластинам УУ переменного напряжения.
Аналогично действует на движение электронного луча по горизонтали напряжение между пластинами XX: если выше потенциал передней пластины, то луч попадет в точку в, а если задней — то в точку г. При одновременной подаче переменных напряжений на обе пары пластин на экране наблюдаются разные светящиеся кривые линии, форма которых зависит от амплитуды, частоты и фазы подаваемых на пластины XX и УУ напряжений. Эти кривые носят название фигур Лиссажу и позволяют производить исследования электрических сигналов.
Принцип получения изображения на экранеосциллографической трубки
Наличие двух взаимно перпендикулярных пар отклоняющих пластин позволяет получить на экране электроннолучевой трубки график исследуемого процесса в прямоугольной системе координат, т. е. графическую зависимость одной величины от другой.
Рассмотрим в качестве примера получение наиболее распространенных графиков зависимости напряжения сигнала от времени, т. е. временных диаграмм.
Положение светового пятна на экране в любой момент времени зависит от мгновенных значений обоих отклоняющих напряжений, а форма светящейся линии, которую чертит луч при своем движении, — от характера изменения этих напряжений. Если исследуемое изменяющееся напряжение подвести к вертикально-отклоняющим пластинам УУ, то на экране получится вертикальная линия. Для получения формы кривой исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч одновременно смещался по горизонтали прямо пропорционально времени. Этот процесс называют разверткой электронного луча. Осью времени в этом случае служит линия развертки, которую прочерчивает луч под действием напряжения развертки Uv между горизон- тально-отклоняющими пластинами XX.
Для наблюдения электрических процессов, изменяющихся во
времени, применяют линейную развертку, дающую перемещение луча по экрану с постоянной скоростью. Для этого напряжение развертки должно равномерно возрастать, пока луч движется в пределах экрана, и очень быстро спадать до нуля, чтобы вернуть луч к началу координат, а затем снова линейно возрастать и быстро спадать и т. д. При этом луч каждый раз прочерчивает
исследуемую кривую на одном и том же месте и возвращается к началу координат (рис. 3.4, а). Форму напряжения развертки, которое периодически линейно нарастает до максимального значения и быстро спадает до нуля, называют пилообразной (рис. 3.4, б). Амплитуда напряжения развертки UVm определяет
величину отклонения луча по горизонтали, т. е. длину линии
развертки.развертки.Рис. 3.4. Получение на экране трубки осциллограммы исследуемого напряжения (о); пилообразное напряжение развертки (б) и исследуемый синусоидальный сигнал (в)Рис. 3.4. Получение на экране трубки осциллограммы исследуемого напряжения (о); пилообразное напряжение развертки (б) и исследуемый синусоидальный сигнал (в)
развертки.
развертки.
Рис. 3.4. Получение на экране трубки осциллограммы исследуемого напряжения (о); пилообразное напряжение развертки (б) и исследуемый синусоидальный сигнал (в)
Рис. 3.4. Получение на экране трубки осциллограммы исследуемого напряжения (о); пилообразное напряжение развертки (б) и исследуемый синусоидальный сигнал (в)
Если исследуемое напряжение сигнала Uc, например синусоидальное (рис. 3.4, в), подать на пластины УУ, то амплитуда отклонения луча по вертикали будет прямо пропорциональна амплитуде напряжения сигнала Utm. При одновременном действии напряжений сигнала на пластинах УУ и развертки на пластинах XX луч прочерчивает на экране развернутую временную диаграмму исследуемого напряжения, т. е. синусоиду. На рис. 3.4, а показаны положения луча на экране, соответствующие моментам времени 0, 1, 2, 3...8.
Равномерное перемещение светового пятна по экрану от левого края к правому, соответствующее пологой возрастающей части зубца пилообразного напряжения ОА, называется прямым ходом луча, а почти мгновенное, скачкообразное возвращение светового пятна справа налево, соответствующее крутой спадающей части зубца АБ, — обратным ходом луча. Время обратного хода луча должно быть очень мало по сравнению со временем его прямого хода.
Для получения неподвижного изображения одной кривой на экране необходимо, чтобы период развертки был кратным периоду исследуемого напряжения, т. е.
Гр = пК,
где Гр — период напряжения развертки; Гс — период исследуемого напряжения; п — целое число. Это условие для частот сигнала Д и развертки /р имеет вид: Д = nfv.
При выполнении данного соотношения изображение п-перио- дов кривой исследуемого напряжения прочерчивается на одном и том же месте.
н н
Смещение вертикальное Смещение горизонтальное
Яркость Фокуси- R2 о овна
< >1 Выпрямитель I
Рис. 3.5. Схема включения электроннолучевойтрубки с электростатическим управлением
Если частоты обоих колебаний равны, то на экране будет неподвижное изображение одного полного периода исследуемого напряжения. Если частота исследуемого напряжения вдвое больше частоты пилообразного напряжения, то на экране будет два полных периода исследуемого напряжения и т. д.
Схема включения трубки приведена на рис. 3.5. Питание трубки осуществляется от выпрямителя, нагруженного на высокоомный делитель, состоящий из постоянных резисторов R\, Ra, Ra и потенциометров П\, Па, Па, Щ. С делителя выпрямленное напряжение необходимой величины подается на все электроды трубки. На управляющий электрод подают отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Регулировкой этого напряжения с помощью потенциометра П\ изменяют яркость свечения экрана.
На первый анод подают положительное напряжение в несколько сотен вольт. Регулируя величину этого напряжения,
потенциометром П^ производят фокусировку. На второй анод подают положительное напряжение значительно более высокое, чем на первый анод, — тысячи и десятки тысяч вольт. Второй анод и аквадаг соединены с корпусом прибора.
На вертикально-отклоняющие пластины подают напряжение сигнала Uc, а на горизонтально-отклоняющие — напряжение развертки Up. Кроме того, на отклоняющие пластины подают постоянное напряжение, позволяющее установить исходное положение светового пятна на экране трубки. Для этого служат потенциометры П3 и П4.
Рис. 3.6. Схема получения на экране осциллографа вольт-амперной характеристики диодаРис. 3.6. Схема получения на экране осциллографа вольт-амперной характеристики диода
Рис. 3.6. Схема получения на экране осциллографа вольт-амперной характеристики диода
Рис. 3.6. Схема получения на экране осциллографа вольт-амперной характеристики диода
Кроме получения временных осциллограмм, представляющих зависимости токов и напряжений сигнала от времени, электроннолучевая трубка позволяет наблюдать на экране вольт-амперные характеристики электронных приборов. Для этого от пластин XX отключается напряжение временной развертки, а подается напряжение, пропорциональное напряжению на приборе; на пластины УУ подается напряжение, пропорциональное току прибора.
Например, для получения на экране осциллографа вольт- амперной характеристики полупроводникового диода используется схема, показанная на рис. 3.6. Чтобы получить обе ветви вольт-амперной характеристики — прямую и обратную, — исследование проводится на переменном токе. Переменное напряжение подводится через трансформатор Тр к диоду Д и резистору R. Сопротивление резистора должно быть меньше прямого сопротивления диода. К пластинам XX приложено напряжение со вторичной обмотки трансформатора, пропорциональное напряжению на диоде, а к пластинам УУ — напряжение ur с резистора R, пропорциональное току через диод. В течение положительного полупериода на аноде диода луч смещается вправо вверх и обратно в первом квадранте графика, прочерчивая прямую
ветвь характеристики — /пр = /((/пр). В отрицательный полупериод луч смещается влево вниз и обратно в третьем квадранте графика, прочерчивая обратную ветвь — Л>бР =/(170бР). В последующие периоды переменного напряжения луч повторяет вычерчивание характеристики на том же месте, так что на экране наблюдается устойчивое ее изображение.
Электроннолучевая трубка с магнитным управлением
Магнитное поле действует на движущийся электрон, как на элементарный проводник с током. Поскольку ток создается движением электрона, то сила, действующая на электрон со стороны однородного магнитного поля, пропорциональна заряду
Рис. 3.7. Движение электрона в однородном магнитном поле при начальной скорости, перпендикулярной силовым линиям (а) и направленной под углом к ним (6)
электрона е, скорости и и напряженности магнитного поля Н, а также зависит от угла а между направлением силовых линий и направлением движения электрона:
F = ev//sina.
Отсюда следует, что на электрон, движущийся вдоль силовых линий, магнитное поле не оказывает влияния, так как при а=0 и а= 180° since = 0 и F = 0. Сила магнитного поля действует на электрон только в том случае, если он пересекает магнитные силовые линии. Причем эта сила имеет максимальное значение, когда электрон движется перпендикулярно силовым линиям. Рассмотрим траекторию движения электрона в однородном магнитном поле в этом случае.
Направление действующей на электрон силы F можно определить, пользуясь правилом левой руки (рис. 3.7, а). При этом следует учесть, что направление тока / противоположно направлению скорости движения электрона. Сила действует перпендикулярно к скорости, поэтому величина скорости остается постоянной, а изменяется только ее направление. Следовательно, траекторией движения электрона является окружность, лежащая в плоскости, перпендикулярной силовым линиям. Чем больше ско-
рость электрона, тем больше радиус этой окружности, а чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус окружности, т. е. тем больше поле «закручивает» поток электронов.
Если начальная скорость электрона и направлена под углом к силовым линиям, то под действием ее составляющей Уь перпендикулярной силовым линиям, электрон движется по окружности, а под действием второй составляющей и^ — вдоль силовых линий. Результирующая траектория электрона представляет собой спираль (рис. 3.7, б). Радиус этой спирали тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля и меньше составляющая скорости ui, а шаг витков спирали тем больше, чем больше составляющая скорости Уг и меньше напряженность поля.
Рис. 3.8. Схематическое устройство электроннолучевой трубки с магнитным управлением (а) и расположение отклоняющих катушек (б)
В электроннолучевой трубке с магнитным управлением действие магнитного поля на поток электронов, испускаемых катодом и проходящих через отверстие в управляющем электроде, используется как для фокусировки электронного луча, так и для его отклонения (рис. 3.8, а).
Первый анод не используется для фокусировки луча; на него подается постоянное положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, и он служит электростатическим экраном от воздействия сильного ускоряющего поля второго анода на катод и управляющий электрод. Второй анод является ускоряющим электродом. Его роль в электроннолучевых трубках с магнитным управлением обычно выполняет аквадаг, на который подается напряжение 4000—12000 В.
Фокусировка электронного луча осуществляется магнитным полем, которое создает специальная фокусирующая катушка ФК. Эту катушку цилиндрической формы надевают на горловину трубки. Через нее проходит постоянный ток, и внутри катушки в трубке создается продольное магнитное поле, силовые
линий которого идут вдоль оси трубки. Под действием этого поля траектории элекронов, вылетающих из прожектора под разными углами к оси трубки, «закручиваются» по спирали, отклоняются к оси и фокусируются на экране. Фокусировка луча регулируется изменением тока в фокусирующей катушке. Магнитное поле, формирующее электронный луч, называют магнитной линзой.
Отклонение луча на экране также осуществляется магнитными полями. Отклоняющая система состоит из двух пар катушек ОК, расположенных взаимно перпендикулярно снаружи трубки на ее горловине. Расположение отклоняющих катушек в плоскости, перпендикулярной оси трубки, и их соединение показано на рис. 3.8, б. При прохождении тока по отклоняющим катушкам создаются два поперечных магнитных поля, силовые линии которых проходят внутри трубки перпендикулярно друг другу в плоскости, перпендикулярной оси, а значит, и направлению луча. При этом сила Fx, действующая на электроны луча со стороны магнитного поля катушек XX, силовые линии которого идут вертикально, отклоняет луч по горизонтали, а сила Fti магнитного поля катушек УУ — по вертикали. Управление отклонением луча осуществляется за счет изменения тока в отклоняющих пластинах. Для получения сигнала развертки во времени в катушках горизонтального отклонения должен проходить ток, зависимость величины которого от времени характеризуется пилообразной кривой.
Кинескопы
Кинескопы используют для преобразования телевизионных электрических сигналов в изображение на экране. Они бывают черно-белого и цветного изображения. В кинескопах чернобелого изображения участки на экране различаются только по яркости, а в кинескопах цветного изображения — по яркости и цветности.
Наибольшее распространение имеют различные типы кинескопов, предназначенных для непосредственного наблюдения изображения на экране. Применяются также приемные телевизионные электроннолучевые трубки, называемые проекционными кинескопами. Они предназначены для получения изображения на большом внешнем экране с помощью оптической проекции на него с экрана кинескопа.
Действие кинескопа основано на принципе получения изображения на экране электроннолучевой трубки. Однако для получения телевизионного изображения развертка должна осуществляться как по горизонтали, так и по вертикали напряжениями с пилообразной формой кривой. При этом на экране высве-
чивается растр: под действием горизонтально отклоняющего напряжения луч рисует строки, а последовательное высвечивание строк по всему экрану, т. е. получение кадра, дает вертикально отклоняющее пилообразное напряжение. В отечественной телевизионной системе принят растр, имеющий 625 строк в кадре с частотой 25 кадров в секунду. Таким образом, частота строчной развертки 15625 Гц, а кадровой развертки — 25 Гц.
Электрический телевизионный сигнал подается между управляющим электродом и катодом и модулирует количество электронов в луче. Поэтому управляющий электрод кинескопа принято называть модулятором. Телевизионный электрический сигнал управляет яркостью свечения пятна на экране по мере прохождения лучом каждой строки кадра. Различные яркости точек экрана создают черно-белое изображение.
Для фокусировки и отклонения электронного луча в кинескопах могут быть использованы как электрические, так и магнитные поля. В настоящее время применяют электростатическую систему фокусировки, не требующую тяжелой фокусирующей катушки и не потребляющую большую мощность. Для управления световым пятном используют магнитную систему отклонения луча, не создающую электрических полей, которые могут ухудшать фокусировку луча и вызывать этим искажения изображения. Магнитная система управления потребляет значительную мощность от генераторов пилообразного тока развертки.
К кинескопам, в отличие от осциллографических трубок, предъявляются свои специфические требования, связанные с необходимостью получения четкого неискаженного изображения. Они определяют конструктивные особенности кинескопов.
Четкость изображения обеспечивается прежде всего малым размером светового пятна (требуемое число строк помещается на экране без наложения друг на друга). Размеры пятна не должны изменяться при его перемещении по экрану. Кроме того, требуется очень высокая яркость пятна. Все это осуществляется за счет усложнения электронного прожектора и фокусирующей системы.
Основные причины, вызывающие расфокусировку луча и ограничение уменьшения размеров светового пятна, — это конечные размеры эмиттирующей поверхности катода, наличие у эмиттируемых электронов начальных скоростей под разными углами к оси трубки и возникновение в луче сил отталкивания электронов как одноименных зарядов друг от друга. Помимо этого на диаметр пятна влияет величина отрицательного напряжения на управляющем электроде: чем оно больше, т. е. чем меньше плотность электронов в луче и яркость пятна, тем меньше диаметр пятна. Поэтому в кинескопах, где на управляющий электрод подается телевизионный сигнал, модулирующий яр-
кость, влияние изменения яркости на размер пятна и четкость изображения особенно заметно.
Для уменьшения размеров пятна и устранения влияния регулировки яркости и отклонения луча на фокусировку в электронный прожектор вводят дополнительные электроды. Между модулятором и анодом помещают экранирующий электрод Э в виде диска с отверстием в центре и подают на него небольшое положительное напряжение — порядка 250 В (рис. 3.9, а). Он устраняет влияние анодного напряжения на управляющее яркостью действие модулятора. Такой прожектор называют тетродным.
Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнительными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнительными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)
Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнительными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)
Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнительными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)
Еще совершеннее пентодный прожектор, в который введен дополнительный ускоряющий электрод Луск. Он расположен между модулятором и первым анодом при отсутствии экранирующего электрода (рис. 3.9, б) или между экранирующим электродом и первым анодом. Ускоряющий электрод имеет форму длинного цилиндра с двумя диафрагмами и электрически соединен со вторым анодом. Он устраняет влияние регулировки яркости на фокусировку луча.
При увеличении плотности тока и яркости пятна на экране фокусировка луча ухудшается из-за увеличения расталкивающих сил между одноименными зарядами. Рассеяние пучка электронов уменьшается при повышении напряжения на ускоряющем электроде и втором аноде. Поэтому в кинескопах применяют высокое напряжение на этих электродах — порядка 20 кВ — для получения достаточной яркости изображения и малого размера светового пятна.
Использование сложных электронных прожекторов и систем фокусировки позволяет получить на экране одинаково высокую четкость изображения разной яркости.
Одной из причин ухудшения качества изображения в кинескопе в процессе его эксплуатации служит возникновение в
центре экрана темного пятна, называемого ионным. Оно появляется из-за разрушения люминофора тяжелыми отрицательными ионами, падающими вместе с электронами на экран. Источником отрицательных ионов является катод, который их эмиттирует под действием нагрева и бомбардировки положительными ионами при ионизации остаточных газов. В кинескопах с магнитной системой отклонения отрицательный ион отклоняется значительно меньше, чем электрон, так как скорость иона меньше. Поэтому ионами бомбардируется только центральная часть экрана, где и возникает ионное пятно.
Для устранения ионного пятна в электронный прожектор кинескопа вводятся так называемые ионные ловушки. Принцип действия ионных ловушек основан на том, что они создают магнитное поле, различно влияющее на траекторию движения электронов и отрицательных ионов. В результате отрицательные ионы задерживаются внутри электронного прожектора. Простейшая конструкция ионной ловушки содержит постоянный магнит, расположенный на горловине трубки. Он создает поперечное маг- нитйое поле у входа в ускоряющий анод (рис. 3.9, в). Изгибом анода или смещением его входного и выходного отверстий пучки электронов и отрицательных ионов направляются в анод под углом к оси трубки, где они попадают в магнитное поле. Тяжелые отрицательные ионы практически не отклоняются этим полем, попадают на стенку анода и оседают там. Электроны отклоняются магнитным полем вдоль оси трубки и выходят из отверстия анода в виде узкого луча.
Чтобы увеличить чувствительность кинескопа, горловину трубки делают возможно меньшего диаметра. Это дает возможность расположить диаметрально противоположные катушки ближе друг к другу и повысить напряженность магнитного поля внутри трубки при данном значении ампер-витков.
Для получения в телевизионных приемниках достаточно большого изображения экраны кинескопов должны иметь значительно большие размеры, чем в осциллографических трубках. Стремление уменьшить габариты телевизионного приемника при одновременном увеличении размера экрана привело к использованию баллонов с прямоугольным дном, на которое наносится, соответственно, прямоугольный экран.
Нежелательно засвечивание экрана светом, излучаемым изображением. Засвечивание происходит из-за отражения этих лучей от стенок баллона на экран. Чтобы ослабить засвечивание экрана, переход от горловины к расширенной части трубки делают не плавным конусообразным, а специальной, резко расширяющейся формы.
На рис. 3.10 показаны форма баллона кинескопа и растр на его прямоугольном экране. При большом экране кинескопы рас-
считывают на большие углы отклонения луча, чтобы сократить длину трубки.
Основными характеристиками кинескопа являются модуляционные характеристики. Модуляционная характеристика показывает зависимость тока в луче /л и яркости свечения экрана от напряжения модулятора при постоянном значении напряжения на втором аноде (рис. 3.11):
/л = /([/м) при Ua2 = const.
Рис. 3.10. Баллон кинескопа и растр его на экранеРис. 3.10. Баллон кинескопа и растр его на экранеТок в луче зависит от плотности электронов в нем.
Рис. 3.10. Баллон кинескопа и растр его на экране
Рис. 3.10. Баллон кинескопа и растр его на экране
Рис. 3.11. Модуляционные ха-рактеристики кинескопа
Отрицательное напряжение модулятора, при котором /л = 0 и световое пятно исчезает, называют напряжением запирания (/мзап- При большем значении постоянного напряжения на втором аноде абсолютная величина напряжения запирания возрастает; модуляционная характеристика сдвигается влево. В кинескопах, имеющих экранирующий электрод, анодное напряжение Ua2 очень слабо влияет на сдвиг модуляционной характеристики. При Ua2 = const от тока в луче зависит, яркость изображения на экране, поэтому характер зависимости яркости от напряжения модулятора такой же, как для тока /л (на рис. 3.11 это показано пунктирной кривой).
В проекционных кинескопах изображение, полученное на экране трубки, проектируется на большой экран оптическим методом. Поэтому к ним предъявляются более высокие требования в отношении яркости и четкости изображения. Экран проекционного кинескопа должен быть плоским и небольших размеров для уменьшения габаритов устройства и упрощения оптической системы проекции на большой экран, а также во избежание оптических искажений. Однако увеличение размеров большого
экрана, на который осуществляется проекция, возможно только за счет увеличения экрана кинескопа. Яркость экрана проекционного кинескопа должна быть в сотни и тысячи раз больше, чем у обычного кинескопа. Поэтому он работает при очень высоком напряжении на втором аноде, составляющем несколько десятков киловольт, и с большими токами в луче. Экран такого кинескопа покрывают высокоэффективными люминофорами и тонкими пленками алюминия. При малом размере экрана проекционного кинескопа диаметр светового пятна должен быть, соответственно, значительно меньше, чем в обычных кинескопах.
Точки свечения: 1—красного 2—зеленого 3—синегоТочки свечения: 1—красного 2—зеленого 3—синегоВ современных телевизионных приемниках широкое распространение получили кинескопы цветного изображения.
Точки свечения: 1—красного 2—зеленого 3—синего
Точки свечения: 1—красного 2—зеленого 3—синего
Рис. 3.12. Принцип получе-ния цветного изображения наэкране кинескопа
Принцип получения цветного изображения основан, как и цветовое зрение, на том, что любой цвет можно получить при смешении в определенных пропорциях трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Например, при смешении красного и зеленого цветов получается желтый. Все три цвета при смешении дают белый цвет.
На экран кинескопа цветного изображения нанесено более ста тысяч групп точек; каждая из этих групп содержит три точки, люминофоры которых дают, соответственно, красное, зеленое и синее свечение (рис. 3.12). Перед экраном находится маска в виде диафрагмы с отверстиями. Число отверстий соответствует числу групп точек, причем каждое отверстие расположено перед одной группой из трех точек. В кинескопе размещены три электронных прожектора, каждый из которых дает свой электронный луч, попадающий через отверстия в маске только на точки одного цвета: от первого прожектора только на точки с красным свечением, от второго — только на точки с зеленым свечением, от третьего — на точки с синим свечением. Если работает только
один из прожекторов, то в процессе развертки его луч, пробегая по строчкам растра, дает изображение только в одном из основных цветов. Все три прожектора, работая одновременно, дают три луча, каждый из которых вызывает свечение своих точек. В прожекторе плотностью электронов в луче и яркостью свечения точек экрана управляет электрический телевизионный сигнал, соответствующий данному цвету. В результате на экране смешиваются изображения трех основных цветов (в определенных изменяющихся пропорциях) по мере перемещения лучей по группам точек экрана; получается цветное изображение.
Параметры и система обозначенийэлектроннолучевых трубок
Электроннолучевые трубки характеризуются способом управления лучом, чувствительностью, конструктивными особенностями, электрическими и световыми параметрами.
Наиболее важный параметр — чувствительность трубки. Под чувствительностью S трубки понимают отношение величины линейного перемещения h светового пятна на экране к вызвавшему это перемещение отклоняющему напряжению или току.
Чувствительность трубки с электростатическим управлением измеряется в миллиметрах на вольт и показывает, на сколько миллиметров переместится пятно при изменении напряжения на отклоняющих" пластинах на 1 В:
с h
Чувствительность зависит от геометрических размеров трубки. Она прямо пропорциональна длине отклоняющих пластин 1\ и расстоянию от середины пластин до экрана /2 и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d и напряжению на втором аноде Ua^\
=—мм/В.
2dl/a2
Для большинства трубок с электростатическим управлением чувствительность составляет 0,1 — 1 мм/В.
Чувствительность электроннолучевой трубки с магнитным отклонением определяется как отношение величины линейного перемещения h к числу ампер-витков отклоняющей системы и измеряется в миллиметрах на ампер-виток:
с — h
где п — число витков отклоняющей катушки, /откл — ток в этой катушке.
Чувствительность в этом случае зависит от ширины /1 поперечного магнитного поля, пересекаемого пучком электронов, от расстояния /2 между осью катушек и экраном, от ускоряющего анодного напряжения Ua, а также от конфигурации катушек, характеризующейся постоянным коэффициентом а:
о аЛ/2
Диапазон частот сигнала, который можно получить на экране трубки, — еще один из ее параметров. Для современных универсальных электроннолучевых трубок он достигает 20 МГц. При большей частоте падает яркость и увеличивается погрешность изображения.
Световыми параметрами являются цвет свечения, яркость свечения и длительность послесвечения. Под длительностью послесвечения понимают время после прекращения воздействия электронного луча, в течение которого яркость свечения экрана уменьшается до 1 % от первоначальной. Длительность послесвечения зависит от типа люминофора. Ее подразделяют на короткое время послесвечения (до 10 мс), среднее время (от 10 до 100 мс) и длительное (более 100 мс).
К электрическим параметрам относят величину рабочих напряжений на управляющем электроде и анодах и мощности, потребляемой трубкой.
К конструктивным параметрам относят геометрические размеры трубки и отклоняющих пластин или катушек, расстояния между отклоняющими пластинами и от середины отклоняющих пластин до экрана.
Световая отдача К — это сила света /, излучаемого световым пятном, приходящаяся на 1 Вт затрачиваемой мощности Р;
Световая отдача измеряется в канделах на ватт (кд/Вт).
Затрачиваемая электрическая мощность определяется как произведение тока луча 1Л на разность рабочего напряжения ускоряющего анода Ua2 и минимального напряжения Uao, при котором начинается свечение:
Р = 1Диа2 - и^у
Электроннолучевые трубки могут быть не только однолучевыми, но и двухлучевыми и более. Эти трубки имеют две или более электронные системы, формирующие и отклоняющие электронные лучи, но один общий экран. Они позволяют получить одновременно изображения на экране нескольких процессов, например осциллограмм напряжений и токов. Это позволяет ис-
следовать формы кривых и временные сдвиги между электрическими величинами на отдельных участках электронного устройства.
Кроме трубок с системой развертки для наблюдения электрических колебаний в промышленной электронике используют специальные электроннолучевые трубки, дающие на экране знаки — цифры, буквы, различные символы. Эти трубки называют знакопечатающими. Они в настоящее время получили очень широкое распространение. В знакопечатающих трубках электронный луч проходит через металлическую пластину (матрицу), в которой имеются отверстия в виде необходимых знаков. Одна отклоняющая система служит для выбора соответствующего знака и при подаче на нее требуемых напряжений направляет луч через то отверстие в матрице, которое по форме определяет выбранный знак. Вторая отклоняющая система, называемая адресной, служит для направления луча, высвечивающего этот знак, в определенное место экрана.
Условное буквенно-цифровое обозначение типов электроннолучевых трубок в соответствии с ГОСТ 13393-—76 состоит из четырех элементов:
первый элемент — число, указывающее округленно диаметр или диагональ экрана в сантиметрах;
второй элемент — две буквы, характеризующие тип электроннолучевой трубки; например, ЛО — осциллографическая электроннолучевая трубка с электростатическим управлением, ЛМ — электроннолучевая трубка с магнитным управлением, ЛК — кинескоп, ЛС — знакопечатающая электроннолучевая трубка;
третий элемент — число, указывающее порядковый номер разработки данного типа трубки;
четвертый элемент — буква, обозначающая условно тип экрана и цвет его свечения; например, В — зеленое, И — синее, Б — белое, Ц — экран кинескопа цветного изображения.
Примеры обозначения трубок:
18ЛО4В — электроннолучевая осциллографическая трубка с электростатическими фокусировкой и отклонением луча, с экраном диаметром 18 см, с зеленым свечением, четвертый порядковый номер разработки;
61ЛКЗЦ — кинескоп цветного изображения, с диагональю экрана 61 см, третий порядковый номер разработки;
53ЛК5Б — кинескоп черно-белого изображения с экраном диаметром 53 см, пятый порядковый номер разработки.
Передающие телевизионныеэлектроннолучевые трубки
Передающая телевизионная трубка — это электроннолучевой прибор, преобразующий оптическое изображение в последовательность электрических сигналов. Она является датчиком электрического сигнала, который в системе телевидения передается на модулятор кинескопа. Датчик сигнала преобразует световую энергию, отраженную от объекта и падающую на фоточувствительную поверхность, в электрическую.
Яркость отдельных элементов изображения, спроецированного
на фоточувствительную поверхность, различна. Электрические сигналы от этих элементов должны передаваться в определенной последовательности — построчно по кадрам. Для этого служит электронный луч, создаваемый прожектором, и система развертки луча по горизонтали и вертикали изображения на фоточувст- вительной поверхности, аналогичная развертке по экрану кинескопа. Таким образом, передающие телевизионные трубки содержат фотоэлектронные и электроннолучевые приборы.
На рис. 3.13, а приведено схематическое устройство трубки.
Рис. 3.13. Схематическое устройство передающей телевизионной электроннолучевой трубки (а) и разрез структуры мозаичного фотокатода (б):/ — баллон;
2 — мозаичный фотокатод; 3 — второй анод; 4 — объект; 5 — объектив; 6 — электронный прожектор; 7 — отклоняющая система; 8 — электронный луч; 9 — элементы мозаики; 10 — слюда; // — сигнальная пластина; 12 — опорная пластина
В торце широкой части баллона / расположен фоточувствитель- ный экран 2. Он представляет собой тонкую слюдяную пластину (рис. 3.13, б), с одной стороны покрытую металлическим слоем, называемым сигнальной пластиной, от которой сделан наружный вывод. С другой стороны на слюдяную пластину нанесено множество мальчайших изолированных друг от друга зерен фото- чувствительного серебра. Каждое из нескольких миллионов этих зерен является миниатюрным фотоэлементом, который через емкость элементарного миниатюрного конденсатора серебро — слюда — металл соединен с сигнальной пластиной и внешним выводом. Такой экран называют мозаичным фотокатодом, или просто мозаикой. На внутреннюю поверхность баллона нанесен металлический слой 3 (см. рис. 3.13, а), служащий вторым анодом. Напротив мозаики в баллоне имеется окно, через которое оптическое изображение объекта 4 с помощью объектива 5 фокусируется на мозаику.
В узкой горловине трубки, расположенной под углом к мозаике, находятся электронный прожектор 6 и система отклонения луча 7.
Рассмотрим принцип работы передающей трубки. Под дей-
ствием света, падающего на мозаику от объекта через объектив, фотоэлементы мозаики испускают электроны; происходит фотоэлектронная эмиссия. Количество испускаемых каждым фотоэлементом электронов разное; оно пропорционально интенсивности светового потока от данного элемента объекта. Электроны с фотокатода уходят на положительно заряженный анод 3, а элемент мозаики, с которого они ушли, заряжается положительно. Величины зарядов элементов мозаики различны и пропорциональны количеству ушедших электронов; распределение накопленных положительных зарядов на мозаичном фотокатоде точно соответствует освещенности элементов оптического изображения объекта на нем. Так создается электронное изображение объекта, под которым понимают поток электронов с поверхности фотокатода, распределение плотности которого соответствует распределению освещенности в оптическом изображении, спроецированном на фотокатод.
Дальнейший процесс преобразования электронного изображения в электрические сигналы осуществляется путем считывания этого изображения построчно электронным лучом 8. Пробегая по строчкам мозаики, луч поочередно нейтрализует положительные заряды ее элементов своими электронами. Поскольку каждый фотоэлемент соединен через элементарные конденсаторы с сигнальной пластиной, то образовавшиеся на нем положительные заряды индуктируют на пластине соответствующие местные отрицательные заряды, т. е. притягивают электроны. При нейтрализации элементов мозаики лучом происходит разряд элементарных конденсаторов: электроны освобождаются и уходят через внешний вывод в цепь. В результате при движении луча по мозаике в цепи возникают последовательные импульсы тока, величина которых изменяется пропорционально освещенности элементов мозаики. На сопротивлении нагрузки RH импульсы тока создают импульсы напряжения — электрические видеосигналы.
В современных передающих телевизионных трубках конструкция и процессы сложнее. Усовершенствование этих приборов осуществляется с развитием науки и техники в соответствии с требованиями улучшения параметров преобразователей оптических изображений в электрические сигналы: чувствительности, разрешающей способности, быстродействия, световых и спектральных характеристик. В частности, вместо непрозрачного мозаичного фотокатода используется полупрозрачный фотокатод, работающий на просвет, т. е. эмиттирующий электроны в сторону, противоположную той, откуда падает свет. Полученное в виде потока электронов электронное изображение может быть перенесено с помощью ускоряющего электрического и продольного магнитного полей на другую плоскость — мозаичную мишень. Падая на нее, электронные пучки, вышедшие из элементов
фотокатода, вызывают вторичную электронную эмиссию с элементов мишени. Уход вторичных электронов создает на элементах мишени положительные заряды. Поскольку вторичных электронов вылетает больше, чем падает первичных, то происходит умножение величины заряда и увеличение импульсов тока; чувствительность трубки повышается. В ряде типов трубок используются вторично-электронные умножители с несколькими ступенями умножения потока электронов, у которых коэффициент усиления тока достигает величины 107.
Решение задачи миниатюризации передающей телевизионной аппаратуры потребовало замены электровакуумных преобразователей световой энергии в электрические сигналы твердотельными (безвакуумными) фотоэлектронными преобразователями, что привело к изобретению приборов с зарядовой связью. Эти преобразователи основаны на использовании фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов. Изготовление приборов с зарядовой связью осуществляется на базе МОП-структур при полупроводниковой технологии. Используется их способность собирать, накапливать и хранить заряды неосновных носителей в локальных областях у поверхности полупроводника. Заряды возникают под действием света и путем управляемого перемещения этих областей последовательно переносятся к выходному устройству, которое преобразует их в последовательные электрические видеосигналы.
В рассмотренных системах преобразования оптического изображения в электрические сигналы в качестве сигнала используют мгновенное значение фототока только от одного передаваемого элемента изображения и лишь в течение времени передачи этого элемента. Световой поток, падающий на другие элементы изображения, и вызываемый им фототок в этом случае не используют для образования сигнала. Такие системы называют системами мгновенного действия. В них низка эффективность использования светового потока, а также чувствительность системы. Повысить эффективность использования светового потока позволяют системы с бегущим лучом. В них весь световой поток сосредоточен в луче соответственно угловому размеру одного элемента изображения, но световое пятно должно перемещаться по объекту по закону развертки изображения.
Контрольные вопросы
Нарисуйте схематическое устройство электроннолучевой трубки с электростатическим управлением и объясните назначение ее основных узлов.
В чем заключаются развертка электронного луча и получение на экране изображения исследуемого сигнала?
Объясните принцип фокусировки и отклонения луча в электроннолучевой трубке с магнитным управлением.
Что представляет собой кинескоп? Какие виды кинескопов существуют и каковы особенности их устройства?
Объясните принцип действия кинескопов черно-белого и цветного изображений.
Назовите основные параметры электроннолучевых трубок.
Объясните принцип действия передающей телевизионной электроннолучевой трубки.
Глава 3.2.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Виды фотоэффекта. Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронным прибором называют электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Принцип действия этих приборов основан на изменении электрических свойств веществ под действием падающего на них излучения, в частности видимого света. Фотоэлектронные приборы разделяют на электровакуумные и полупроводниковые.
Влияние света на электрические свойства вещества носит название фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фотоэффект.
Внешний фотоэффект — это фотоэлектронная эмиссия, т. е. испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света; на этом основан принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов — фотоэлементов и фотоумножителей.
Внутренний фотоэффект может быть двух видов: фоторезис- тивный эффект — уменьшение электрического сопротивления полупроводника под действием падающего света; фотогальванический эффект — возникновение на р-п переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фото-э.д.с. На внутреннем фотоэффекте основан принцип действия полупроводниковых фотоэлектронных приборов.
Фотоэффект объясняется изменением энергетического состояния свободных электронов в металле, а также атомов в кристалле полупроводника при поглощении энергии излучений. Энергия оптического излучения выделяется и поглощается квантами — фотонами, а распространяется волнами, как электромагнитные колебания. При поглощении фотонов валентными электронами один электрон может поглотить только один фотон. За счет этого его энергия скачком увеличивается.
Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов основан, как было сказано, на фотоэлектронной эмиссии.
Для выхода электрона из фотокатода в вакуум необходимо, чтобы электрон, имевший внутри катода максимальную энергию
Wi, поглотил энергию фотона не меньшую, чем работа выхода электрона для данного вещества. Согласно квантовой теории, энергия кванта, в данном случае фотона, прямо пропорциональна частоте излучения:
№кв = Av,
где v — частота излучения; А — постоянная Планка; А = 6,62 X X Ю-34 Дж • с.
Частота v обратно пропорциональна длине волны излучения X:
Энергия фотона может быть выражена через длину волны излучения:
W = hcкв х ,
где с — скорость света; с = 3 • 108 м/с.
Например, коротковолновое излучение, соответствующее фиолетовым лучам видимого спектра с длиной волны X = 0,38 мкм, несет энергию фотона 3,25 эВ, а длинноволновые красные лучи с X = 0,76 мкм — энергию фотона 1,6 эВ.
Минимальная частота vo, при которой возможна фотоэлектронная эмиссия, называется порогом фотоэлектронной эмиссии. Ей соответствует длина волны Хо. Ее величину для данного вещества можно найти из условия равенства энергии фотона и работы выхода:
^кв = №0.
Подставив сюда значения U70 = вф0; V?KB = Avo и Хо=^, получим
Av0 = ^q>o.
откуда
£фо a he
Vo = —7— и Хо = ——,hефо
где А, с и е (заряд электрона) — постоянные; фо — работа выхода в электрон-вольтах, зависящая от материала фотокатода.
Для получения фотоэлектронной эмиссии в более широкой области видимой части спектра необходимы фотокатоды с малой работой выхода.
Законы фотоэлектронной эмиссии ихарактеристики фотокатода
Простейшим электровакуумным прибором, преобразующим оптический сигнал в электрический, является фотоэлемент. Он имеет два электрода: фотокатод и анод. На анод подается постоянное положительное напряжение относительно катода. Эмитти- рованные из фотокатода электроны движутся к аноду, создавая в цепи фототок /ф.
Законы Столетова и Эйнштейна являются основными для фотоэлектронной эмиссии.
Рис. 3.14. Световая (а) и спектральные (б, в) характеристики фотокатода
Закон Столетова: величина фототока прямо пропорциональна световому потоку, падающему на фотокатод, при неизменном спектральном составе света:
/Ф = 5Ф, где Ф — световой поток в люменах; S — коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотокатода и измеряемый в микроамперах на люмен.
Закон Столетова основывается на квантовой теории: больший световой поток несет в единицу времени больше фотонов, следовательно, большее число электронов может за это время поглотить по одному фотону и выйти из фотокатода в вакуум. Этот закон отражается световой характеристикой (рис. 3.14, а).
Световая характеристика — это зависимость фототока от светового потока при постоянном спектральном составе света и неизменном анодном напряжении:
/ф = ^Ф^ при Ua = const.
Она представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат; ее наклон зависит от чувствительности фотокатода.
Закон Эйнштейна*, максимальная кинетическая энергия вылетевшего из фотокатода электрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.
Поскольку разность энергии фотона и работы выхода превращается в кинетическую энергию электрона, то закон Эйнштейна выражается уравнением
= WKB - Wo,
где то1 /2 — кинетическая энергия электрона.
Подставив в уравнение значения WKB и Wo, получим:
-^ = /IV - еф0.
Это уравнение определяет линейную зависимость кинетической энергии электрона от частоты излучения v; остальные его элементы — постоянные для данного вещества.
Максимальной кинетической энергией будут обладать те электроны, которые внутри фотокатода имели максимальную внутреннюю энергию Wi. При WKB = U/o кинетическая энергия вылетевшего электрона равна нулю, а при WKB С Wo фотоэлектронная эмиссия невозможна.
Закону Эйнштейна подчиняется фотоэлектронная эмиссия из чистых металлов сравнительно большей толщины. Такую эмиссию называют нормальной. Однако эти фотокатоды не нашли применения из-за большой работы выхода, при которой нельзя получить эмиссию при облучении их видимой частью спектра. В фотоэлементах и фотоумножителях используют сложные тонкопленочные катоды, например сурьмяно-цезиевые, характеризующиеся избирательной фотоэлектронной эмиссией. Они обладают максимальной чувствительностью к лучам определенной части спектра.
Чувствительность — основной параметр фотоэлектронного прибора. Различают интегральную (световую) и спектральную чувствительность.
Интегральная чувствительность — это чувствительность фотокатода к суммарному, не разложенному в спектр, световому потоку. Она определяется как фототок, вызываемый общим световым потоком в 1 люмен:
о /фФ "
Для точного определения интегральной чувствительности в качестве источника света выбран стандартный излучатель — электрическая лампа накаливания мощностью 100 Вт при температуре нити 2850 К.
Интегральную чувствительность можно определить по световой характеристике.
Спектральная чувствительность — это чувствительность фотокатода к монохроматическому свету. Она определяется как фототок, приходящийся на 1 люмен светового потока данной длины волны:
Спектральные свойства фотокатода определяют по спектральной характеристике, которая представляет собой зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения.
Sx = tW ПРИ Ф = const.
При нормальной фотоэлектронной эмиссии спектральная характеристика отражает закон Эйнштейна (рис. 3.14, б): с увеличением X, т. е. уменьшением v, кинетическая энергия и скорость эмиттированных электронов уменьшается, следовательно, уменьшается фототок и чувствительность при Ф = const. Фотоэлектронная эмиссия прекращается при Хо соответственно порогу vo.
При избирательной фотоэлектронной эмиссии спектральная характеристика имеет максимум в определенной части спектра. На рис. 3.14, в приведена в качестве примера спектральная характеристика сурьмяно-цезиевого фотокатода, используемого в фотоумножителях. Этот катод наиболее чувствителен к видимой части спектра (от желто-зеленых до сине-фиолетовых лучей); для него Хо = 0,7 мкм.
Фотоумножитель. Устройство и принцип действия
Фотоумножителем называют электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, анод и вторично-электронный умножитель, в котором поток электронов умножается за счет вторичной электронной эмиссии. Вторично-электронный умножитель состоит из электродов, осуществляющих вторичную электронную эмиссию и называемых динодами. Количество динодов может быть различным (от 1 до 18—20). Конструкция, расположение и электрический режим динодов таковы, что число вторичных электронов, эмиттируемых с их поверхности, превышает число падающих на эту поверхность первичных электронов. Фотоумножитель с одним динодом называют однокаскадным, а с несколькими — многокаскадным.
Рассмотрим устройство и принцип действия многокаскадного фотоумножителя (рис. 3.15). Фотокатод под действием света испускает первичные электроны, которые ускоряются электри-
ческим полем и падают на первый динод Дь Динод под ударами первичных электронов испускает вторичные электроны, число которых больше, чем первичных. Для этого между динодом и фотокатодом создается напряжение порядка 100—150 В. Вылетевшие из динода Д| вторичные электроны ускоряются и направляются на второй динод Д2, для которого они первичны. В свою очередь динод Дг испускает вторичные электроны и т. д. Каждый следующий динод должен иметь положительный потенциал, пре-
Рис. 3.15. Усройство многокаскадного фотоумножителя
вышающий потенциал предыдущего на 100—150 В. На анод приходит умноженный во много раз поток электронов, так что ток анода гораздо больше фототока катода; происходит внутреннее усиление тока. Коэффициент усиления тока равен: К = оп, где п — количество динодов; а — коэффициент вторичной эмиссии, показывающий, сколько вторичных электронов эмиттируется под действием одного первичного. Соответственно, чувствительность фотоумножителя в К раз больше, чем чувствительность фотокатода и достигает 100 А/лм.
Недостатками многокаскадных умножителей являются высокое напряжение питания и большой собственный шум.
В кинотехнике для воспроизведения звука с фотографических фонограмм нашли применение однокаскадные фотоумножители. Однокаскадный фотоумножитель имеет три электрода: фотокатод, динод и анод. Фотокатод служит для осуществления фотоэлектронной эмиссии. Динод — это вторично-эмиссионный электрод. Анод служит для ускорения первичных и вторичных электронов, а также для собирания вторичных электронов.
Устройство однокаскадного фотоумножителя типа ФЭУ-1, а также его условное графическое обозначение на схемах показано на рис. 3.16. Фотокатод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на половину внутренней поверхности стеклянного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен
такой же по материалу, но небольшой по площади слой, являющийся динодом. Катод и динод — сурьмяно-цезиевые. Внутри баллона (ближе к диноду) расположен анод в виде редкой металлической решетки из тонкой проволоки, натянутой на овальную металлическую рамку. Выводы трех электродов впаяны в пластмассовый цоколь.
Схема включения однокаскадного фотоумножителя (рис. 3.17, а) содержит две цепи: цепь анода и цепь динода. В цепь
Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителяРис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителяРис. 3.16. Однокаскадный фотоумножитель ФЭУ-1: а — устройство; б — условное графическое обозначение
Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителя
Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителя
анода входят: источник анодного питания Еа, нагрузка RH и промежуток анод — катод; в цепь динода входят: источник питания Ед и промежуток динод — катод. В практических схемах оба электрода питаются от одного источника Еа; на анод подается -|-220 В, а на динод(-170 В относительно катода через гасящие резисторы.
Принцип действия однокаскадного фотоумножителя поясняет рис. 3.17, б, на котором схематически показаны: световой поток — пунктирными линиями, поток первичных электронов —
г
тонкими сплошными линиями, а вторичных — толстыми линиями. Световой поток от источника света падает на катод и вызывает фотоэлектронную эмиссию. Под действием ускоряющих электрических полей анода и динода первичные электроны с большой скоростью движутся к аноду. Незначительная часть электронов попадает при этом на анод, а основной поток электронов проходит сквозь редкую решетку анода и падает на динод, вызывая вторичную эмиссию с его поверхности. Вторичные электроны, эмиттированные динодом, движутся под действием ускоряющего электрического поля к аноду, потенциал которого выше, чем динода. Анодный ток создается главным образом вторичными электронами, попадающими на анод, так как число первичных электронов, падающих с катода непосредственно на анод, пренебрежимо мало по сравнению с числом вторичных электронов.
Поток эмиттированных катодом первичных электронов создает в цепи фотокатода фототок /ф, а поток вторичных электронов, попадающих с динода на анод, создает анодный ток /а. Вторичных электронов вылетает больше, чем падает первичных, в а раз (о — коэффициент вторичной эмиссии), поэтому /а = о/ф.
Коэффициент усиления тока К, показывающий, во сколько раз анодный ток больше фототока, для однокаскадного фотоумножителя равен коэффициенту вторичной эмиссии:
В оптимальном режиме К достигает 4—6. Во столько же раз увеличивается чувствительность однокаскадного фотоумножителя по сравнению с чувствительностью фотокатода:
5 = 4 = АЗф,Ф Ф
где S — чувствительность фотоумножителя; 5Ф — чувствительность фотокатода, составляющая 100—120 мкА/лм для сурьмя- но-цезиевого фотокатода. У ФЭУ-1 чувствительность достигает 400—600 мкА/лм.
Характеристики однокаскадного фотоумножителя
Анодный ток фотоумножителя, имеющего три электрода, зависит от двух напряжений — анода и динода — и от светового потока. Поэтому основными характеристиками такого прибора являются вольт-амперная, каскадная и световая.
Для того чтобы снять эти характеристики, необходимо собрать электрическую схему (рис. 3.18, а), в которой можно изменять напряжения анода и динода с помощью потенциометров, а световой поток от лампы накаливания — с помощью диафраг-
мы Д с переменным диаметром отверстия. В схему включают измерительные приборы для измерения /а, Ua и (/д.
Вольт-амперная (анодная) характеристика — это зависимость анодного тока от напряжения между анодом и динодом Uaa при постоянных значениях напряжения динода и светового потока (рис. 3.18, б):
4 = Киад) при Ua = const; Ф = const.4 = Киад) при Ua = const; Ф = const.Рис. 3.18. Схема для снятия характеристик (а), вольт-амперная (б) и каскадная (в) характеристики фотоумножителяРис. 3.18. Схема для снятия характеристик (а), вольт-амперная (б) и каскадная (в) характеристики фотоумножителя
4 = Киад) при Ua = const; Ф = const.
4 = Киад) при Ua = const; Ф = const.
Рис. 3.18. Схема для снятия характеристик (а), вольт-амперная (б) и каскадная (в) характеристики фотоумножителя
Рис. 3.18. Схема для снятия характеристик (а), вольт-амперная (б) и каскадная (в) характеристики фотоумножителя
Для снятия этой характеристики устанавливают рабочее напряжение динода, равное 170 В, и постоянный световой поток порядка сотых долей люмена. При изменении анодного напряжения от нуля до величины, при которой иад = 0 (Ua — U^, анодный ток практически остается равным нулю. С увеличением анодного напряжения, когда иад>>0 (^/а>^д), электрическое поле для вторичных электронов становится ускоряющим; все большее число их движется к аноду, анодный ток быстро растет, и характеристика идет круто вверх, пока ток не достигает величины тока насыщения. Это происходит при анодном напряжении, превышающем напряжение динода на 35—40 В. Дальнейшее увеличение анодного напряжения не вызывает роста анодного тока,
так как все вторичные электроны достигают анода. Горизонтальный участок характеристики, соответствующий насыщению, является рабочим.
Устанавливая разные значения светового потока, можно получить семейство вольт-амперных характеристик. Чем больше световой поток, тем выше располагается рабочий участок характеристики.
По вольт-амперной характеристике можно определить интегральную чувствительность фотоумножителя. Для этого величину анодного тока /а на рабочем участке (обычно при рабочем напряжении Ua = 220 В) следует разделить на величину светового потока Ф, при котором снималась характеристика:
S = ^~ мкА/лм.
Каскадная характеристика — это зависимость анодного тока от напряжения динода при постоянных величинах анодного напряжения и светового потока (рис. 3.18, в):
/а = Д(/д) при Ua = const; Ф = const.
При снятии этой характеристики устанавливается постоянное анодное напряжение, равное рабочему напряжению 220 В, и световой поток порядка сотых долей люмена. При U^ = 0 все первичные электроны идут на анод; даже электроны, пролетевшие сквозь анод, возвращаются к нему. Поэтому анодный ток 1а равен фототоку катода /а = /ф. С увеличением напряжения Ua часть электронов, пролетая сквозь решетку анода, достигает динода, вызывая вторичную эмиссию. При небольшом напряжении Ua количество эмиттируемых вторичных электронов еще невелико, но все же коэффициент вторичной эмиссии о > 1. Все вторичные электроны движутся на анод, имеющий значительно больший потенциал, и анодный ток начинает медленно расти. При дальнейшем увеличении скорость и количество первичных электронов, падающих на динод, возрастают; следовательно, увеличивается количество вторичных электронов, растет анодный ток. Это происходит при увеличении Un до определенной оптимальной величины U. = ^допт, при которой анодный ток достигает максимального значения /амакс- При этом получается наибольшее значение коэффициента усиления тока и наибольшая чувствительность фотоумножителя. Рабочее напряжение динода задается равным оптимальному и составляет примерно 170 В.
Дальнейшее увеличение ^д приводит к уменьшению анодного тока из-за того, что по мере приближения ^д к величине Ua уменьшается разность потенциалов между анодом и динодом, а следовательно, ослабляется ускоряющее электрическое поле для вторичных электронов. Все меньшее число вторичных электронов
попадает на анод, и анодный ток уменьшается. При </д = Ua ускоряющего поля для вторичных электронов нет, и все они возвращаются на динод. При этом анодный ток 1а становится равным нулю.
По каскадной характеристике можно определить такие параметры фотоумножителя, как чувствительность и коэффициент усиления, а также чувствительность фотокатода.
Для определения чувствительности фотоумножителя S необходимо взять отношение /аМакс к величине постоянного светового потока, при котором снималась каскадная характеристика:
о ^а макс
Чувствительность фотокатода 5Ф определяется как отношение фототока /ф к световому потоку:
с Оф —— »4 ф
где /ф = /а при (/д= 0.
Коэффициент усиления вычисляется как отношение максимального анодного тока к току фотоэлектронной эмиссии:
1Ф5ф
На динод с катода приходят первичные электроны, которые создают ток динода, равный фототоку /ф. В то же время с динода уходят на анод вторичные электроны, которые создают анодный ток /а. Поэтому ток динода /д в любом режиме равен разности анодного тока и фототока (пунктирная кривая /д = /(^/д) на рис. 3.18, в):
/а ^ /а /ф-
В частности, при Ua = Ua, когда /а = 0, ток /д = /ф, а при Од = = 0, когда /а = /ф, ток /д = 0.
Световая характеристика фотоумножителя является эмиссионной характеристикой и представляет собой зависимость анодного тока от светового потока при постоянных напряжениях анода и динода:
/а = /(Ф) при Ua = const; ^д = const.
Поскольку фотоумножитель — прибор электровакуумный, его световая характеристика подчиняется закону Столетова и имеет вид прямой линии, выходящей из начала координат под углом, зависящим от чувствительности прибора (см. рис. 3.14, а). При больших световых потоках рост анодного тока несколько замедляется, так как скопление движущихся к аноду вторичных
электронов создает отрицательный объемный заряд, который тормозит движение этих электронов на анод.
Спектральная характеристика фотоумножителя определяется спектральной характеристикой его катода, в данном случае сурь- мяно-цезиевого (см. рис. 3.14, в). Большая чувствительность этого катода к видимой части спектра отвечает требованиям воспроизведения фонограмм цветных кинофильмов.
Частотные свойства фотоумножителя определяются его частотной характеристикой.
Частотная характеристика — это зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока.
Процессы в однокаскадном фотоумножителе практически безынерционны, поэтому его частотная характеристика выражается горизонтальной прямой линией во всей области звуковых частот, а также на более высоких частотах до десятков килогерц. Это позволяет успешно использовать фотоумножители в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов.
К параметрам фотоумножителя кроме чувствительности относятся темновой ток, рабочее напряжение анода, рабочее напряжение динода.
Темновой ток /т — это ток, протекающий в анодной цепи при отсутствии светового потока. Причиной его появления может быть термоэлектронная эмиссия, происходящая при комнатной температуре, а также ток утечки между выводами электродов.
Контрольные вопросы
Назовите виды фотоэффекта и законы фотоэлектронной эмиссии.
Нарисуйте схематическое устройство многокаскадного и однокаскадного фотоумножителей и объясните принцип их действия.
Нарисуйте и объясните вольт-амперную и каскадную характеристики однокаскадного фотоумножителя.
Назовите основные параметры фотоумножителя и объясните, как они определяются по характеристикам.
Нарисуйте и объясните световую и спектральную характеристики фотоумножителя с сурьмяно-цезиевым катодом.
Глава 3.3.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы и фотогальванические элементы
В полупроводниковых фотоэлектронных приборах, использующих внутренний фотоэффект (фотогальванический или фоторе- зистивный), энергия фотона, поглощаемого валентным электроном, должна быть не меньше энергии, соответствующей запрещенной зоне Д1Г3. Получив дополнительно эту энергию, валент
ный электрон переходит в зону проводимости. В полупроводнике при этом происходит разрушение ковалентных связей, сопровождаемое генерацией пар электрон — дырка, за счет чего уменьшается его сопротивление. Если энергия фотона больше энергии Ли^з, то избыток энергии, полученной электроном, превращается в его кинетическую энергию.
В примесных полупроводниках наряду с этим за счет энергии фотонов может происходить ионизация атомов примеси, сопровождающаяся переходом валентных электронов на энергетические уровни атомов акцепторов в области p-типа и переходом электронов с уровней атомов доноров в зону проводимости в области л-типа. При этом увеличивается количество основных носителей заряда.
К полупроводниковым фотоэлектронным приборам относят фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного электрического сопротивления полупроводника под действием света или невидимого излучения — инфракрасного, ультрафиолетового. Основной частью фоторезистора является полупроводниковая пластина или фоточувствительный проводящий полупроводниковый слой на стеклянной подложке. Материалом для фоторезистора может служить сернистый кадмий, сернистый свинец, селенистый кадмий, селенистый теллур и другие.
Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником питания. Он обладает омическим сопротивлением: ток через него пропорционален приложенному напряжению при постоянном световом потоке или без него. Проводимость фоторезистора одинакова в обоих направлениях. При отсутствии светового потока в цепи фаторезистора протекает небольшой темновый ток /т. Темновое сопротивление фоторезистора RT велико; его можно определить как отношение приложенного напряжения U к темновому току:
D U
/т •
При освещении фоторезистора его сопротивление резко уменьшается: световое сопротивление Rc меньше RT в сотни и тысячи раз. Поэтому в цепи протекает большой световой ток /с. Фототок равен разности между световым и темновым токами: /ф = /с - /т.
Основной параметр фоторезистора — чувствительность S:
С ^ф ^с ^т
— "ф- — ф •
Инерционность фоторезисторов служит причиной того, что они не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм. Их применяют в измерительной аппаратуре, в схемах автоматики, в качестве фотореле для считывания информации с перфолент и т. п. Фоторезисторы в микроэлектронном исполнении применяются в оптоэлектронике.
Фотогальваническим элементом называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую. Его действие основано на фотогальваническом эффекте.
Фотогальванический элемент не требует источника питания. При изготовлении такого элемента используют кремний, селен, германий и другие полупроводники, на базе которых создается р-п переход. При облучении р-п перехода или прилегающих к нему областей, обычно области n-типа, за счет Световой энергии генерируются пары электрон — дырка. Они диффундируют к р-п переходу и на границе разделяются под действием контактной разности потенциалов: дырки втягиваются в область p-типа, а электроны накапливаются в области л-типа. Значительное увеличение концентрации носителей заряда по обе стороны р-п перехода приводит при разомкнутой цепи к возникновению разности потенциалов между обеими областями, называемой фото-э.д.с.
Из-за большой собственной емкости фотогальванического элемента, имеющего большую рабочую поверхность, его граничная частота не превышает 500—1000 Гц.
Нелинейность световой характеристики, большая инерционность и большой собственный шум являются недостатками фотогальванических элементов, ограничивающими их применение для преобразования световых сигналов в электрические. По этой причине они не могут быть использораны в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов.
Фотогальванические элементы используют в качестве источников электрической энергии в виде солнечных батарей, а также в фотометрии, в автоматике, в приборах для измерения освещенности — люксметрах, в частности, для измерения освещенности киноэкранов, в экспонометрах для определения экспозиции при фотосъемках и киносъемках.
Фотодиоды
Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которого управляется световым потоком.
Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на
основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупроводников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Они являются датчиками электрического сигнала, поступающего на вход усилителя при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кинофильма, т. е. преобразуют световые сигналы в электрические. Условное графическое обозначение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 3.19, в.
Рис. 3.19. Фотодиод: а — устройство; б — внешний вид; в — условное графическое обозначениеРис. 3.19. Фотодиод: а — устройство; б — внешний вид; в — условное графическое обозначениеРис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режимеРис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме
Рис. 3.19. Фотодиод: а — устройство; б — внешний вид; в — условное графическое обозначение
Рис. 3.19. Фотодиод: а — устройство; б — внешний вид; в — условное графическое обозначение
Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме
Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме
Фотодиоды получили широкое распространение в разнообразной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в системах автоматики и контроля.
Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный — с внешним источником питания, включенным в обратном направлении; при этом используется фоторезистивный эффект, в результате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальванический — без внешнего источника питания; при этом используется фотогальванический эффект, в результате чего световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фо- то-э.д.с.
Работа фотодиода в фотодиодном режиме. На рис. 3.20 приведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и
иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света.
При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (ф = О, U = 0) на р-п переходе, как и в обычном полупроводниковом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки «-|-» и «—» без кружочков).
При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф = 0; (/ = (/ОбР) через затемненный фотодиод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являющийся темновым током /т.
Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область «-типа, в ней генерируются пары электрон — дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в «-области увеличивается, и поток их через р-п переход возрастает. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /ф и возрастает с увеличением светового потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воздействием светового потока увеличивается обратный ток р-п перехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.
Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух величин — приложенного извне напряжения U и светового потока Ф. Поэтому основными являются два вида характеристик — вольт- амперные и световые. Схема для снятия характеристик фотодиода (рис. 3.21, а) содержит источник питания Е, потенциометр и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник светового потока — лампа накаливания Л и диафрагма Д с регулируемым диаметром отверстия для изменения светового потока.
Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока фотодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 3.21, 6):
/ф = f (£7) при Ф = const.
Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода (при Ф = 0) является характеристикой темнового тока IT = f (СТ) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. При воздействии светового потока ток увеличивается; обратная ветвь сдвигается по оси обратного тока в сторону его увеличения тем сильнее, чем больше световой поток. Если строить вольт-амперные характеристики, не учитывая знаков тока и напряжения обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, то они примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характеристики располагаются выше.
Поскольку количество неосновных носителей заряда в «-области, проходящих через р-п переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного
напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое увеличение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению области р-п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой n-области. При этом меньшее количество дырок успевает рекомбинировать с электронами 'по пути движения к р-п переходу, а большее число их принимает участие в создании тока через фотодиод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может привести к пробою р-п перехода.
Рис. 3.21. Схема для снятия характеристик фотодиода (а), его вольт-амперные (6), световые (в) и спектральные (г) характеристики: / — кремниевых; 2 — германиевых
Световая характеристика — это зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении источника питания:
/ф = КФ) при U = const.
Световые характеристики в фотодиодном режиме практически линейны (рис. 3.21, в). Если учитывать темновой ток, протекающий при Ф = О, то световые характеристики выходят не из начала координат. Однако темновой ток, особенно кремниевых фотодиодов, настолько мал по сравнению с фототоком, что на световых характеристиках им можно пренебречь. Характеристи-
ки, снятые при большей величине напряжения, идут несколько круче, так как ток немного возрастает, как было показано на вольт-амперных характеристиках.
Спектральные характеристики фотодиодов показывают зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения. На рис. 3.21, г приведены спектральные характеристики кремниевого и германиевого фотодиодов. По оси ординат отложена относительная спектральная чувствительность, т. е. отношение 5х/5хмакс, %. Из характеристик видно, что кремниевый фотодиод обладает более избирательной чувствительностью, максимум которой приходится на красные и инфракрасные лучи с длиной волны 0,7—0,85 мкм. Германиевый фотодиод чувствителен к более широкой области спектра — от 0,6 до 1,8 мкм. В зависимости от основного материала фотодиода и введенных в него примесей можно получить спектральные характеристики, перекрывающие всю область видимого спектра (от 0,38 до 0,76 мкм) и инфракрасную область излучения.
К основным параметрам фотодиода в фотодиодном режиме относят интегральную чувствительность, дифференциальное сопротивление, начальное статическое сопротивление, максимально допустимое и рабочее напряжения, граничную частоту.
Чувствительность фотодиода S показывает, какой ток приходится на единицу светового потока. Поскольку ток фотодиода, а следовательно, и его чувствительность зависят в какой-то степени от приложенного напряжения, то чувствительность определяют при напряжении U = 1 В и называют удельной интегральной чувствительностью. Она может быть определена по вольт-амперным характеристикам или по световой характеристике, снятой при напряжении 1 В, по формуле:
S = -^- при U = 1 В.
Кремниевые фотодиоды имеют чувствительность 3—7 мА/лм, а германиевые— 10—20 мА/лм.
Темновой ток /т зависит от приложенного напряжения. Поэтому как параметр его определяют при U = 1 В. Темновой ток можно определить по световой характеристике, снятой при U = = 1 В в точке, где Ф = 0 (см. рис. 3.21, в), или по вольт-амперной характеристике для темнового тока (Ф = 0) при U = 1 В (см. рис. 3.21, б; точка Л).
Темновой ток германиевых фотодиодов составляет 15— 30 мкА, кремниевых — гораздо меньше: до 1 мкА.
Дифференциальное сопротивление гдиф — это сопротивление затемненного фотодиода изменению тока. Его определяют по вольт-амперной характеристике темнового тока как отношение
приращения приложенного напряжения к соответствующему приращению темнового тока:
г - At/ДИф — д/т .
Приращения берут для двух близлежащих точек характеристики (см. рис. 3.21, б; точки Л и Б).
Начальное статическое сопротивление RCT — это сопротивление затемненного фотодиода при постоянном напряжении, равном 1 В.
Его определяют как напряжение, деленное на темновой ток:
Rct
т. е. начальное статическое сопротивление вычисляется как величина, обратная темновому току. Например, для кремниевого фотодиода при /т = 1 мкА RCT = 1 МОм.
Максимально допустимым является наибольшее напряжение, при котором не происходит пробой фотодиода. Его величина зависит от температуры. Кремниевые фотодиоды могут работать в большем диапазоне температур окружающей среды, чем германиевые.
Рабочее напряжение — это напряжение, выбранное с запасом таким образом, чтобы фотодиод работал надежно длительное время. Для кремниевых и германиевых фотодиодов оно составляет 10—20 В.
Граничная частота характеризует частотные свойства фотодиода, как и частотная характеристика; />Р — это та частота изменения интенсивности светового потока, при которой интегральная чувствительность уменьшается в д/2 раз. Для кремниевых фотодиодов, работающих в фотодиодном режиме, граничная частота— порядка 107 герц, т. е. их быстродействие велико и они практически безынерционны. Это способствует их успешному использованию для воспроизведения звука в кинематографии, а также в других областях.
Работа фотодиода в фотогальваническом режиме. В этом режиме фотодиод работает без внешнего источника напряжения. В цепь фотодиода в этом случае включают только сопротивление нагрузки RH (рис. 3.22, а). Рассмотрим сначала процессы, происходящие в фотодиоде при разомкнутой внешней цепи (рис. 3.22, б). При отсутствии светового потока на электронно-дырочном переходе создается потенциальный барьер. Под действием светового потока, падающего на область n-типа, в этой области генерируются пары электрон — дырка. Двигаясь хаотически во всех направлениях, часть образовавшихся носителей заряда подходит к р-п переходу, где дырки втягиваются в p-область внут-
ренним электрическим полем, созданным контактной разностью потенциалов, а электроны отталкиваются этим полем и остаются в n-области. Таким образом, в p-области происходит накопление дырок, заряжающих ее положительно, а в и-области — электронов, заряжающих ее отрицательно. Вследствие этого при разомкнутой цепи между выводами от р- и n-областей создается разность потенциалов, называемая фотоэлектродвижущей силой Еф. Чем больше световой поток, тем больше фото-э.д.с. Однако прямой пропорциональности между Еф и Ф нет.
Рис. 3.22. Работа фотодиода в фотогальваническом режиме (а, б) и его световые характеристики в этом режиме (в)
При подключении нагрузки в цепи фотодиода под действием фото-э.д.с. протекает ток /ф, создающий падение напряжения на нагрузке = /фн. Таким образом фотодиод без внешнего источника питания (непосредственно) преобразует световую энергию в электрическую.
Основные характеристики фотодиода в фотогальваническом режиме — это световые характеристики, которые представляют собой два вида зависимостей (рис. 3.22, в):
зависимость фото-э.д.с. от светового потока
Еф = h№;
зависимость фототока от светового потока при постоянной величине сопротивления нагрузки
/Ф = ^(Ф) при RH = const.
Первая зависимость выражается нелинейной характеристи-
кой: фото-э.д.с. растет с увеличением светового потока сначала быстро, а затем все медленнее (кривая /).
Зависимость тока /ф от светового потока при разных значениях сопротивления RH представляет собой семейство световых характеристик (кривые 2), из которых световая характеристика при коротком замыкании нагрузки (RH = 0) строго линейна, а с увеличением сопротивления нагрузки характеристики все более искривляются; при больших величинах сопротивления нагрузки характеристики имеют пологую часть, отражающую область насыщения при больших значениях светового потока.
Нелинейность световых характеристик является недостатком фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме при больших сопротивлениях нагрузки. В случае применения фотодиода в этом режиме для воспроизведения звука с фотографических фонограмм используют небольшие световые потоки, а сопротивлением нагрузки фотодиода является малое входное сопротивление транзисторного усилителя.
Из-за нелинейности световых характеристик чувствительность фотодиода в фотогальваническом режиме определяют по приращениям тока и светового потока:
5диф = -~- При RH = const.
При малых световых потоках чувствительность больше; с увеличением светового потока она уменьшается. Чувствительность также зависит от сопротивления нагрузки: наибольшая чувствительность фотодиода получается при коротком замыкании на^ грузки. В этом случае чувствительность остается одинаковой при различной величине светового потока и определяется для любой точки характеристики как отношение I^/Ф. С ростом сопротивления нагрузки чувствительность уменьшается.
Внутреннее сопротивление фотодиода в фотогальваническом режиме значительно меньше, чем в фотодиодном; напряжение, создаваемое фотодиодом на нагрузке, при одинаковом световом потоке в фотогальваническом режиме, тоже значительно меньше, чем в фотодиодном. Максимальная чувствительность, определяемая как ток, который можно получить на единицу светового потока, в обоих режимах практически одинакова.
В кинематографии фотодиоды применяются в транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок как датчики сигнала с фотографических фонограмм: в передвижной аппаратуре — в фотогальваническом режиме, а в стационарной — в фотодиодном. Их преимуществами перед фотоумножителями, используемыми в ламповой звуковоспроизводящей аппаратуре, являются малые габариты и масса, большие чувствительность и механическая прочность, долговечность и надежность, низкие
напряжения питания в фотодиодном режиме и возможность использовать их без внешнего источника питания в фотогальвани
ческом режиме.
В микроэлектронном исполнении фотодиоды используют в оптоэлектронике.
Фототранзисторы и фототиристоры
Фототранзистор — это фотоэлектронный прибор, имеющий транзисторную структуру, ток которого управляется световым потоком.
Простейший фототранзистор устроен подобно биполярному
Рис. 3.23. Фототранзистор: а — структура; б — условное графическое обозначение; в — схема с общим эмиттером с включенной базой; г — схема включения со свободной базой
транзистору р-п-р или п-р-п типа с двумя р-п переходами: эмиттерным и коллекторным. Базовый слой выполняется очень тонким. Кристалл помещается в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом базовой области. Структура фототранзистора, его условное графическое обозначение и схемы включения показаны на рис. 3.23.
Фототранзистор включается в цепь источника питания как обычный биполярный транзистор, так что на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное. Чаще всего используют схему с общим эмиттером (рис. 3.23, в). Получили большое распространение также схемы со свободной базой, в которых цепь базы разомкнута, причем база может не иметь отделимого вывода (рис. 3.23, г).
Рассмотрим принцип действия фототранзистора р-п-р-типа в схеме со свободной базой (рис. 3.24). В части база — коллектор его можно рассматривать как фотодиод, а вместе с эмиттером он получает дополнительные усилительные свойства транзистора, что значительно увеличивает его чувствительность при преобразовании световых сигналов в электрические.
,. При отсутствии светового потока через фототранзистор про-
текает очень малый темновой ток. Он обусловлен тем, что дырки, которые переходят из эмиттера в базу, частично доходят до коллекторного перехода и втягиваются коллектором. Небольшая величина этого тока объясняется тем, что в этом процессе заряд дырок в базе не компенсируется электронами, концентрация которых в базе мала, а пополнения электронов при разомкнутой цепи базы нет. Образующийся таким образом в л-области базы положительный объемный заряд дырок увеличивает потенциальный барьер эмиттерного перехода и препятствует дальнейшему проникновению дырок из эмиттера в базу. В результате количество дырок, инжектируемых эмиттером в базу, ограничивается,
Рис. 3.24. Принцип действия фототранзистора (а) и его вольт-амперные характеристики (б)
а следовательно, меньше их переходит в коллектор под действием приложенного к коллекторному переходу напряжения. Таким образом, темновой ток фототранзистора получается сравнительно малым.
При облучении базовой л-области светом в ней, как и в фотодиоде, за счет световой энергии разрушаются ковалентные связи и образуются электронно-дырочные пары. Дырки под действием приложенного напряжения переходят в коллектор, увеличивая его ток по сравнению с темновым током, т. е. появляется фототок /ф. Таким образом, в коллекторном переходе фототранзистора между базой л-типа и коллектором p-типа происходят те же процессы, что и в фотодиоде.
Однако рассмотренными процессами принцип действия фототранзистора не ограничивается, поскольку в нем имеется еще эмиттерный переход. Электроны, образованные фотонами света при разрушении ковалентных связей, накапливаются в базе л-ти- па около эмиттерного перехода и понижают его потенциальный
барьер. В результате резко увеличивается количество дырок, инжектируемых из эмиттера в базу, которые движутся к коллекторному переходу и через него — в коллектор. За счет этих дырок в цепи коллектора появляется составляющая тока /*, а общий ток коллектора возрастает, причем в гораздо большей степени, чем за счет дырок, образованных в базе фотонами при попадании светового потока. Здесь сказываются усилительные свойства транзистора: в схеме с общим эмиттером ток усиливается в р раз, где р = h-n э.
На рис. 3.24, а темновой ток /т показан пунктирными стрелками, фототок /ф — ТОНКИМИ СПЛОШНЫМИ, а ТОК /к — толстыми сплошными. Общий ток коллектора /к фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и свободной базой, определяется как сумма трех составляющих:
/к ^к "Ь ^ф 4" А-
Подставив значение /к = р/ф, получим: /к = Р^ф + ^ф + А-
Или окончательно:
/к = (Р + 1) Aj> + /т.
Таким образом, в фототранзисторе наряду с появлением фототока происходит его усиление, за счет чего он имеет гораздо большую интегральную чувствительность, чем фотодиод.
Чувствительность фототранзистора определяется как отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению светового потока при свободной базе и коротком замыкании нагрузки:
5диф = -^- при /б = 0; RH = 0.
Чувствительность фототранзисторов составляет сотни миллиампер на люмен.
Важный параметр фототранзистора — коэффициент усиления по фототоку Кф, который определяется как отношение тока коллектора освещенного фототранзистора со свободной базой к фототоку коллекторного р-п перехода при отключенном эмиттере при той же величине светового потока:
Кф = -у— при Ф = const.
/ф
Коэффициент усиления Кф можно определить по формуле: Кф = 1 + Р = 1 4-^213?
Кф составляет десятки и сотни единиц.
Основные характеристики фототранзистора — вольт-амперные и световые.
Вольт-амперная характеристика фототранзистора — это зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном световом потоке (рис. 3.24, б):
/к = f (17кэ) при Ф = const.
Вольт-амперные характеристики фототранзистора по виду аналогичны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но постоянной величиной, при которой снимается каждая характеристика, будет не ток базы, а световой поток. От вольт-амперных характеристик фотодиода они отличаются масштабом оси токов (ток фототранзистора гораздо больше) и тем, что все характеристики выходят из начала координат, т.е. при (7КЭ = О /к = 0. Чем больше световой поток, тем выше располагаются характеристики.
Световые характеристики фототранзистора линейны и имеют такой же вид, как характеристики фотодиода, работающего с внешним источником питания.
Спектральные характеристики зависят от материала и примесей и перекрывают видимую и инфракрасную часть спектра.
Граничная частота биполярных фототранзисторов составляет 105 Гц.
В схеме использования фототранзистора с включенной цепью базы (см. рис. 3.23, в) происходят такие же процессы, как в схеме со свободной базой. При наличии цепи базы появляется дополнительная возможность управлять током коллектора путем изменения тока базы и расширяется область применения фототранзисторов: наряду с преобразованием слабых световых сигналов в электрические и их усилением внутри фототранзистора можно суммировать их с электрическими сигналами, поступающими в цепь базы и усиленными фототранзистором как обычным биполярным транзистором.
Помимо биполярных фототранзисторов разработаны полевые фототранзисторы с управляющим р-п переходом. Они имеют более высокую чувствительность — до нескольких ампер на люмен, допускают большую мощность; граничная частота их — до 107— 108 Гц.
Фототранзисторы наряду с фоторезисторами и фотодиодами находят применение в различных областях, в том числе и в микроэлектронике — в качестве фотоприемников совместно со светодиодами, являющимися фотоизлучателями.
Фототиристор — фотоэлектронный прибор, имеющий четырехслойную структуру с двумя выводами (рис. 3.25, а). Его условное графическое обозначение показано на рис. 3.25, б.
Фототиристор, как и обычный полупроводниковый тиристор,
имеет структуру р-п-р-п и три р-п перехода, из которых крайние Пх и П3 включены в прямом направлении, а средний — П^— в обратном. Величина напряжения на фототиристоре выбирается так, что при отсутствии светового потока он закрыт. В отличие от обычного тиристора напряжение включения фототиристора зависит не от тока управления, а от светового потока. Фототиристор устроен так, что свет падает на внутренние слои р2 и пх, в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар электрон — дырка. Дырки из области пх переходят в область Р2, а электроны — из области р^ в область пх под действием об-
Рис. 3.25. Фототиристор: а — структура и схема включения; б — условное графическое обозначение; в — вольт-амперные характеристики
ратного напряжения на коллекторном переходе П2. При этом возрастает ток через этот переход, следовательно, увеличивается ток / во внешней цепи. При определенной величине тока фототиристор включается. Чем больше световой поток Ф, тем меньше напряжение ивкл, при котором включается фототиристор.
Вольт-амперные характеристики фототиристора аналогичны вольт-амперным характеристикам обычного тиристора (рис. 3.25, в), но каждая из них соответствует определенному постоянному значению светового потока:
/ = /({/) при Ф = const.
При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора уменьшается от сотен мегаом до десятых долей ома; это происходит практически мгновенно — в течение миллионных долей секунды. Фототиристоры используют для коммутации электрических цепей большой мощности при помощи световых сигналов.
Система обозначения фотоэлектронных приборов. Электровакуумные фотоумножители обозначают тремя буквами — ФЭУ — и числом, определяющим коли-
чество динодов во вторично-электронном умножителе; например, ФЭУ-1 —однокаскадный фотоумножитель, ФЭУ-18 — фотоумножитель многокаскадный, имеющий 18 динодов.
Полупроводниковые фотоэлектронные приборы имеют в системе обозначений четыре элемента:
первый элемент — две буквы, определяющие группу прибора по принципу • действия: ФР — фоторезисторы, ФД — фотоэлектронные приборы с р-п переходами, ФУ — приборы с р-п переходами и внутренним усилением;
второй элемент — буква, определяющая исходный материал, из которого изготовляется прибор: К — кремний, Г — германий;
третий элемент — число от 001 до 999 — порядковый номер разработки прибора;
четвертый элемент — буква, определяющая подгруппу прибора: Б — биполярный фототранзистор, У — полевой (униполярный) фототранзистор, Т — фототиристор.
Примеры обозначений: ФДК9 — фотодиод кремниевый, порядковый номер разработки 9, ФДК155 — то же, порядковый номер разработки 155.
Контрольные вопросы
На чем основан принцип действия фоторезистора?
Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотодиодном режиме, и его вольт-амперные характеристики.
Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотогальваническом режиме.
Нарисуйте и объясните световые характеристики фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режиме и назовите его основные параметры.
Объясните принцип действия и вольт-амперные характеристики фототранзистора и фототиристора.
Глава 3.4.СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ
Устройство и принцип действия светодиода
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор с одним р-п переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
Светодиоды предназначены для использования в устройствах визуального представления информации, а также в качестве светоизлучающего элемента в оптоэлектронных устройствах.
Принцип действия светодиода основан на излучении света р-п переходом некоторых полупроводников, вызываемом рекомбинацией электронов и дырок при прохождении прямого тока.
Светодиод имеет двухслойную структуру (рис. 3.26, а). Процессы, происходящие в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения и при прямом напряжении, такие же, как в обычном полупроводниковом диоде, но главную роль в светодиоде играют процессы рекомбинации, на рассмотрении которых следует остановиться подробно. Как известно, в собственных и примесных
полупроводниках наряду с генерацией электронно-дырочных пар (за счет поглощения дополнительной энергии) происходят обратные процессы — рекомбинации электронов и дырок с выделением квантов энергии.
В большинстве полупроводников, в том числе в германии и в кремнии, выделяемая при рекомбинации энергия в основном превращается в тепловую, а излучаемая энергия мала; излучение из-за малой ширины запрещенной зоны находится в невидимой части спектра. В этом случае рекомбинация носит название безызлучательной.
Рис. 3.26. Структура светодиода (а) и энергетическая диаграмма, поясняющая его принцип действия (б)
В некоторых полупроводниках, имеющих большую ширину запрещенной зоны Д№3, например арсениде галлия (1,5 эВ), фосфиде галлия (2,2 эВ), карбиде кремния (2,5—3 эВ) и других, рекомбинация сопровождается выделением квантов света (фотонов), т. е. является излучательной.
При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интенсивность рекомбинаций настолько незначительна, что излучение р-п перехода не наблюдается. Обычно светодиоды изготовляют с несимметричным р-п переходом: концентрация дырок в р-облас- ти значительно превышает концентрацию электронов в «-области.
При включении источника прямого напряжения через р-п переход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р-об- ласти в «-область. В результате «-область вблизи р-п перехода насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупроводниках излучением света. Интенсивность излучения пропорциональна количеству носителей заряда, инжектированных через р-п переход. Поэтому светодиоды называют инжекционными. Для увеличения яркости свечения необходимо увеличивать прямой ток через светодиод. Чтобы обеспечить достаточную яркость из-
лучения, требуется создать плотность тока порядка 30 А/см, а поскольку площадь р-п перехода очень мала, то прямой ток составляет обычно 5—100 мА.
Свечение, излучаемое р-п переходом светодиода, связано с энергетическими процессами и может быть объяснено с помощью диаграммы энергетических уровней. В результате инжекции в /i-область неосновных для нее носителей заряда и большого количества в ней основных носителей получается значительное число электронов проводимости и дырок. На энергетической диаграмме это соответствует заполнению нижних уровней зоны проводимости электронами и появлению в верхней части валентной зоны не занятых электронами уровней — дырок (рис. 3.26, б). Такое состояние неустойчиво, поэтому непрерывно происходит процесс обратного перехода электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны, т. е. рекомбинация электронов и дырок. Выделяющаяся при этом энергия для каждого случая рекомбинации равна разности энергий, соответствующих уровню, на котором электрон был в зоне проводимости, и уровню, на который он перешел в валентной зоне.
Из энергетической диаграммы видно, что выделяющаяся при рекомбинации энергия может иметь значения только в пределах от ширины запрещенной зоны Д№3 до величины AU7, + 26 UP, где 6 UP— ширина заполненной части зоны проводимости и, соответственно, свободной части валентной зоны. В то же время выделяющийся при рекомбинации квант с энергией от AUP3 до AUP3 4- 26 UP не может быть поглощен электроном валентной зоны, так как для перехода его с занимаемого им уровня в валентной зоне на свободный уровень в зоне проводимости он должен получить энергию, превышающую величину AUP34-26UP.
Из-за того что на верхних уровнях валентной зоны нет электронов, а нижние уровни зоны проводимости заняты, переход электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии кванта, выделяющейся при рекомбинации, невозможен; эта энергия не поглощается электронами прилежащих к р-п переходу слоев, а выделяется в пространство в виде фотонов лучистой энергии. Частота излучения соответствует энергии фотона в узком диапазоне — от AUP3 до AUP3 + 26 UP.
Пусть энергия фотона равна энергии AUP3. Тогда Av = AUP3, откуда
A U^3V — h "
Учитывая, что длина волны К=-^ , получим:
1 ch
где с — скорость света; h — постоянная Планка.
Следовательно, длина волны излучения тем меньше, чем больше ширина запрещенной зоны.
При этом наблюдается свечение определенного цвета, зависящего от материала светодиода. Различные типы светодиодов могут дать красное, оранжевое, желтое, зеленое, голубое свечение, а также инфракрасное излучение, позволяя перекрыть диапазон длин волн от 0,45 до 0,9 мкм.
Часть фотонов, испускаемых р-п переходом при рекомбинации, не выходит из кристалла во внешнее пространство, а пре-
Рис. 3.27. Устройство светодиода: а — плоская конструкция; б — полусферическая конструкция; в — условное графическое обозначение; г — внешний вид
терпевает отражение от его поверхности и поглощается затем в объеме полупроводника. Отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных носителей заряда, инжектированных через р-п переход, называется квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом. Квантовый выход составляет 0,1—0,3 %.
Структура и конструкция простейшего светодиода, а также его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.27. В кристалле сложного полупроводника создаются области п-типа и p-типа, на которых имеются невыпрямляющие контакты для присоединения наружных выводов. Кристалл помещается в корпус с прозрачным окном, через которое от р-п перехода исходит излучение; в окно может быть вставлена линза.
Характеристики и параметры светодиодов
Основными характеристиками светодиода являются вольт-амперная, яркостная и спектральная.
Вольт-амперная характеристика имеет такой же вид, как для обычного полупроводникового диода, но используется только ее прямая ветвь (рис. 3.28, а):
Inp = fW).
Отличается она большим падением напряжения на светодиоде
в прямом направлении (3—6 В) из-за большей ширины AU73.
Яркостная, или люкс-амперная, характеристика представляет собой зависимость яркости свечения В от проходящего через светодиод тока (рис. 3.28, б):
В = /(/).
Начальный участок этой характеристики нелинейный: при токе меньше порогового /пор яркость свечения очень мала и медленно возрастает с увеличением тока (практически люминесцен-
Желтый
ция очень слабая). Этот участок не используется при работе светодиода. С увеличением тока от порогового значения характеристика имеет большой линейный участок, являющийся рабочим. На этом участке существует пропорциональность между яркостью свечения и током.
Изменение яркости свечения, приходящееся на единицу изменения тока, называют чувствительностью по яркости Во.
На линейном рабочем участке яркостной характеристики чувствительность по яркости во всех точках одинакова и определяет наклон рабочего участка характеристики .^горизонтальной оси.
Спектральная характеристика светодиода — это зависимость яркости излучения от длины волны излучаемого света (рис. 3.28, в). По вертикальной оси обычно откладывают относительную яркость В/Вмакс в процентах от максимальной.
Длина волны, на которой светодиод дает максимум излучения, зависит от материала: для светодиодов на основе фосфида галлия, дающих красное и красно-оранжевое свечение, максимум соответствует длине волны 0,68 мкм; для светодиодов, дающих зеленое свечение, — 0,54 мкм; для светодиодов на основе карби-
да кремния с желтым свечением — 0,6 мкм, с желто-оранжевым свечением — 0,625 мкм.
Основными параметрами светодиода являются мощность или яркость излучения, длина волны излучаемого света, определяющая цвет свечения, ток и напряжение в рабочем режиме.
Светодиоды работают при прямом токе 3—40 мА и прямом напряжении 2,5—5,5 В.
Яркость свечения различна у светодиодов с разным цветом свечения. Наибольшую яркость имеют светодиоды с зеленым свечением— до 120 кд/м2 при постоянном токе 3 мА; яркость у остальных светодиодов — порядка 20—50 кд/м2.
К.п.д. светодиода, представляющий собой отношение мощности излучения к затраченной электрической мощности, очень низок и не превышает 1—3 %, так как основная часть электрической мощности превращается в тепло и составляет потери.
Светодиоды характеризуются очень малой инерционностью; их быстродействие составляет 10~7—10-9 с.
Типы светодиодов и их применение
Светодиоды находят все более широкое применение в качестве источников света в автоматике, измерительной технике, кинематографии и других областях благодаря целому ряду преимуществ. Они имеют малые габариты и вес, практически неограниченный срок службы, высокую стабильность, высокое быстродействие, работают при низких напряжениях питания, потребляют малую электрическую мощность, позволяют получать различный цвет свечения, просты в эксплуатации, устойчивы к механическим воздействиям и действию окружающей среды, имеют низкую стоимость при массовом изготовлении, позволяют использовать их в электронных схемах с другими полупроводниковыми приборами. Технология изготовления светодиодов совместима с технологией изготовления полупроводниковых интегральных микросхем.
Светодиоды нашли основное применение в качестве световых индикаторов на панелях управления электронной аппаратуры. Они могут служить элементами святящихся табло для отражения различной информации, индикаторами перегрузки, включения аппаратуры, измеряемых величин взамен стрелок на панелях измерительных приборов.
Система обозначений светодиодов такая же, как для обычных диодов: первый элемент — буква, обозначающая материал светодиода; например, на базе соединений галлия (арсенида галлия, фосфида галлия) — буква А, на базе карбида кремния — К; второй элемент — буква Л — обозначает тип прибора по принципу действия — люминесцентный; третий и четвертый элементы — число и буква — соответствуют порядковому номеру разработки данного типа и группе по параметрам. Примеры обозначений: АЛ102Б, КЛ101В.
В кинотехнике светодиоды могут быть использованы как световые индикаторы включения звуковоспроизводящей и электропитающей аппаратуры, как пик-индикаторы — указатели превышения номинальной мощности усилителя, а также в качестве источников света при фотографической записи звука и в системе воспроизведения фотографической фонограммы.
Для визуального контроля работы электронной аппаратуры используют светодиоды из фосфида галлия типа АЛ102А, Б (красное свечение) и АЛ 102В (зеленое свечение). Светодиоды типа АЛ301А, Б (красное свечение) могут быть использованы
Единичные
а
Рис. 3.29. Светодиоды для отображения информации: а — многоэлементный светодиод типа КЛ104А; б — его цоколевка; в — светящаяся панель; г — принцип создания экранов буквенно-цифровой информации
при киносъемке для фиксации на непроявленную пленку различных отметок. Например, временных и синхронизирующих. Эти же светодиоды можно использовать взамен лампы накаливания при воспроизведении фотографической фонограмы в передвижных киноустановках, где особенно важно уменьшить потребление энергии и облегчить тепловой режим аппаратуры.
Светодиоды на основе карбида кремния серии КЛ101А, Б, В дают желтое свечение и могут быть использованы как светящиеся элементы на табло отображения информации. Например, для неподвижной и движущейся рекламы. Для отображения цифровой или буквенной информации разработаны светодиоды серий КЛ104А, Б и КЛ105А, Б, В, а также Б-60, Б-120 и др. (рис. 3.29, а). Такой светодиод представляет собой полупроводниковую пластину размером 5X8 мм2, на которой сформировано несколько светящихся единичных элементов (рис. 3.29, в). Комбинация из семи таких элементов позволяет получить любую светящуюся цифру от 0 до 9 (рис. 3.29, б). Прибор оформлен в пластмассовом корпусе, со стеклянной полусферической линзой диаметром 14 мм и имеет массу 7 г. Единичый элемент имеет габариты 1,5X1,5X0,3 мм, массу 0,05 г. Корпус имеет по одному выводу от катода каждого единичного элемента и один общий
вывод от анодов. Конструкция позволяет монтировать приборы в любом количестве на табло при помощи панелей для пальчиковых ламп и высвечивать необходимую информацию.
Для экранов буквенно-цифровой индикации на одной пластине, являющейся подложкой, размещается набор светодиодов; например, семь рядов по пять светодиодов в каждом (рис. 3.29, г) — получается матрица из 35 единичных элементов, выводы от которых соединены с проводящими шинами соответствующего ряда и столбца. При подаче на определенную группу светодиодов прямого напряжения получается светящееся изображение требуемого знака. В интегральном исполнении такая матрица представляет собой интегральную микросхему. Из этих матриц составляется экран, отображающий определенную информацию.
Светодиоды на основе арсенида галлия серии АЛ 106 А, Б, В дают инфракрасное излучение, которое в большинстве случаев не влияет на необработанную пленку, поэтому они могут быть использованы в устройствах автоматического контроля при изготовлении и обработке кинофотоматериалов.
В приборах для измерения электрического тока или напряжения единичные светодиоды могут быть расположены по одной линии, создавая светящуюся полоску, длина которой изменяется в зависимости от измеряемой величины. Значение этой величины определяют по шкале, проградуированной в соответствующих единицах.
Большое распространение получили светодиоды в устройствах передачи информации с помощью светового потока. Такие устройства получили название оптоэлектронных. Основными элементами в них являются управляемый источник света (фотоизлучатель) и фотоприемник. Управляемым источником света называют такой источник, яркость свечения или световой поток которого линейно зависит от тока или напряжения. В современной электронике в качестве фотоизлучателя используют светодиод. В качестве фотоприемников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Фотоизлучатель и фотоприемник образуют оптопару. Это могут быть дискретные элементы, смонтированные в одном устройстве и используемые в оптоэлектронной аппаратуре, но чаще они представляют собой интегральную микросхему.
Контрольные вопросы
Что представляет собой светоизлучающий диод и для чего он используется?
Объясните процессы, происходящие в светодиоде, с помощью энергетической диаграммы.
Нарисуйте и объясните яркостную характеристику светодиода.
Что называют чувствительностью светодиода по яркости?
Раздел 4.ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 4.1.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗЕ
Основные понятия
Газоразрядными называют электровакуумные приборы, действие которых основано на электрическом разряде в газе.
При изготовлении этих приборов в баллоне создают вакуум, а затем его наполняют инертным газом (неоном, аргоном, гелием, криптоном, ксеноном) или парами ртути до давления порядка 10-3 гПа. В баллон помещают электроды (в простейшем случае два — катод и анод), выводы от которых подводят к ножкам цоколя.
Под действием приложенного извне напряжения через ионный прибор проходит электрический ток. Совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока, называют электрическим разрядом в газе. При электрическом разряде в газе происходят ионизация и рекомбинация.
Ионизация газа осуществляется, если движущиеся к аноду электроны приобретают скорость, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом газа расщепить его на свободный электрон и положительный ион. Чтобы электрон атома газа мог перейти с энергетического уровня валентной зоны в зону проводимости, должна быть извне затрачена энергия.
Рекомбинация происходит при соединении положительного иона газа и свободного электрона в нейтральный атом. При этом электрон переходит с более высокого энергетического уровня, соответствующего зоне проводимости, на более низкий уровень, соответствующий валентной зоне. Избыток энергии, равный разности этих уровней, излучается в виде квантов света — фотонов.
При электрическом разряде в газе непрерывно происходят как ионизация, так и рекомбинация, поэтому наблюдается свечение газа.
Электроны, образовавшиеся в процессе ионизации, как и электроны, испускаемые катодом, движутся к аноду, ионизируя на своем пути газ. Процесс ионизации лавинообразно нарастает, увеличивая поток электронов на анод. Положительные ионы дви-
жутся к катоду. Таким образом, носителями заряда в ионных приборах наряду с электронами являются ионы газа. Ионы оказывают существенное влияние на процессы и явления в приборах, а следовательно, на их свойства, характеристики и параметры.
Помимо ионизации и рекомбинации при электрическом разряде в газе могут происходить и другие процессы, вызванные взаимодействием двужущихся электронов с атомами газа. Если энергия свободного электрона недостаточна для ионизации атома, то в результате их соударения электрон внешней оболочки атома может перейти на более высокий энергетический уровень, оставаясь в атоме. Такой атом называют возбужденным. Это состояние неустойчивое и длится очень недолго: примерно через 10-8 с электрон возвращается на свой прежний уровень, атом переходит в нормальное состояние, а избыток энергии выделяется в виде кванта лучистой энергии; наблюдается свечение газа.
Иногда происходит ступенчатая ионизация: при последующем соударении возбужденного атома с электроном требуется меньшая дополнительная энергия, чтобы электрон, находящийся на уровне возбуждения, оторвался от атома.
Движущийся в газе электрон приобретает в электрическом поле между электродами энергию, величина которой определяется разностью потенциалов. Разность потенциалов, необходимая для возбуждения электроном атома, называется потенциалом возбуждения, а разность потенциалов, необходимая для ударной ионизации атома, — потенциалом ионизации. Их величина зависит от рода газа. Потенциал ионизации всегда выше потенциала возбуждения для данного газа.
Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным.
Самостоятельный разряд продолжается после удаления внешнего ионизатора. При этом носители заряда непрерывно образуются в процессе самого разряда. Это происходит за счет испускания электронов катодом под действием ионной бомбардировки.
Несамостоятельный разряд прекращается при отсутствии внешнего ионизатора.
Внешними факторами, необходимыми для поддержания несамостоятельного разряда, могут быть естественные ионизаторы: космические и солнечные лучи, электромагнитные излучения, радиация, а также накал или освещение катода для получения электронной эмиссии.
Обычно газоразрядные приборы, основанные на самостоятельном разряде, имеют холодный катод, а приборы с несамостоятельным разрядом — накаливаемый термокатод.
Отметим, что самостоятельный разряд не может самостоятельно возникнуть при подаче анодного напряжения, если в газе
нет начальной ионизации атомов. В реальных условиях она всегда существует под воздействием естественных ионизаторов, и в газе есть какое-то количество свободных электронов и положительных ионов, необходимых для возникновения разряда. Таким образом, самостоятельный разряд может возникнуть только в процессе перехода из несамостоятельного.
Электрический разряд в газе прекращается при выключении напряжения или уменьшении его до определенной величины, когда прекращается ионизация газа движущимися электронами. При этом продолжаются процессы рекомбинации, приводящие к деионизации газа — уменьшению количества свободных электронов и положительных ионов.
Как самостоятельный, так и несамостоятельный разряды в зависимости от интенсивности ионизации и других условий могут быть разных видов: темный, тлеющий, дуговой, искровой.
Вольт-амперная характеристика и видыэлектрического разряда в газе
Возникновение электрического разряда в газе и процессы, происходящие при разных видах разряда в зависимости от величины проходящего через прибор тока, можно рассмотреть на примере простейшего газоразрядного прибора с двумя одинаковыми электродами (рис. 4.1, а). Прибор подключают к источнику постоянного напряжения Еа через балластное сопротивление R6, необходимое для ограничения тока. При этом на приборе действует напряжение Ua, равное разности напряжения источника и падения напряжения на балластном сопротивлении.
В баллоне находится разряженный газ, в котором имеется некоторое количество свободных электронов и положительных ионов в результате естественной ионизации. При включении источника питания между электродами создается электрическое поле, под действием которого электроны движутся к положительному аноду, а ионы — к катоду. Через прибор от источника питания потечет очень малый ток /а, поскольку количество носителей заряда невелико. Ток создается в основном движением электронов, так как ионы имеют гораздо большую массу и значительно меньшие скорости, чем электроны, и их роль в переносе заряда невелика. Подавая на схему все большее напряжение Еа, можно постепенно увеличивать ток в цепи. Пока ток очень мал, падение напряжения на балластном сопротивлении ничтожно мало; все напряжение источника питания приложено к прибору: Ua = Еа.
Зависимость между напряжением на газоразрядном приборе и проходящим через него током называется вольт-амперной характеристикой электрического разряда в газе (рис. 4.1, б).
С увеличением напряжения питания при малых токах на участке ОА растет напряжение на приборе. Пока оно не достигнет величины потенциала ионизации U„ (точка Б), ток остается очень малым. С ростом напряжения возрастает количество ударных ионизаций атомов электронами, увеличивается общее число электронов, приходящих на анод, и ток растет (участок БВ). Ионы сравнительно медленно движутся к катоду и рекомбинируют
Рис. 4.1. Электрический разряд в газе (а) и его вольт- амперная характеристика (б);
/ — естественная ионизация газа; 2 — ударная ионизация; 3 — эмиссия электронов под ударами ионов
на нем с электронами, приходящими из внешней цепи. Рекомбинация в междуэлектродном пространстве практически отсутствует, и свечение не наблюдается. Такой разряд требует постоянного образования носителей заряда за счет естественной ионизации; электрический разряд, соответствующий этому режиму, называют темным несамостоятельным разрядом (область /).
Когда напряжение на приборе достигает величины, при которой ионы движутся к катоду с достаточно большими скоростями, чтобы, бомбардируя его, вызвать электронную эмиссию, разряд переходит в самостоятельный (точка В на характеристике). Он поддерживается за счет того, что катод под ударами ионов испускает достаточное количество электронов, которые по пути к аноду ионизируют атомы газа. При этом поток электронов на анод лавинообразно нарастает; действие внешних факторов для поддержания разряда уже не требуется. Напряжение, соответствующее моменту перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный, называется напряжением возникновения разряда U6p. При этом напряжении сопротивление прибора уменьшается, а ток резко возрастает (участок ВГ). Однако процессы рекомбинации еще незначительны, свечение не заметно, поэтому разряд называют темным самостоятельным (область II).
Если не ограничить дальнейшее увеличение тока прибора соответствующим выбором балластного сопротивления и напряжения источника, то лавинообразное нарастание процессов ионизации приводит к резкому уменьшению сопротивления прибора и напряжения на нем при значительном увеличении тока; темный разряд переходит в тлеющий (участок ГД). Переход происходит мгновенно как неуправляемый процесс (переходная область III).
Возникновение тлеющего разряда сопровождается свечением газа. Цвет свечения определяется родом газа; например, неон дает красно-оранжевое свечение, аргон — синее, гелий — желтое, пары ртути — сине-зеленое. Переход к тлеющему разряду совершается при значительном увеличении интенсивности ионизации газа. Это приводит к резкому уменьшению сопротивления прибора и возрастанию тока через него. В результате возрастает падение напряжения на балластном сопротивлении R6l а напряжение на приборе резко понижается: Ua = Ea— ГВб.
Величина устанавливающегося на приборе напряжения Ua обеспечивает поддержание требуемой степени ионизации газа для продолжения разряда. При этом Ua приблизительно равно потенциалу ионизации газа.
Тлеющий разряд может быть двух видов: нормальный и аномальный. При переходе темного разряда в тлеющий (точка Д) сначала устанавливается нормальный тлеющий разряд (область IV). Он характеризуется тем, что с дальнейшим ростом тока /а напряжение на приборе Ua остается постоянным (участок ДЕ). Это свойство используется в приборах для стабилизации напряжения. Увеличение тока осуществляется либо путем увеличения напряжения питания Еа, либо уменьшением балластного сопротивления. При возникновении нормального тлеющего разряда свечение газа сначала наблюдается не у всей поверхности катода. По мере роста тока светящееся пятно увеличивается, а
яркость свечения остается постоянной. Это означает, что плотность тока на катоде остается неизменной, а увеличивается площадь поверхности катода, испускающей электроны под действием ионной бомбардировки.
В режиме нормального тлеющего разряда величина тока составляет единицы и десятки миллиампер, а напряжение на приборе измеряется десятками и сотнями вольт.
Увеличение тока при неизменном напряжении Ua идет до тех пор, пока свечение не распространится на всю поверхность катода. Дальнейшее увеличение тока возможно только за счет более интенсивной бомбардировки катода ионами, а для этого требуется повышение напряжения на приборе. В этот момент (точка Е) разряд переходит в аномальный тлеющий (область V). На участке ЕЖ, соответствующем этому разряду, с ростом тока увеличиваются напряжение Ua и яркость свечения газа.
Лавинообразное нарастание процесса ионизации, а также увеличение скорости и энергии ионов, бомбардирующих катод, приводит к разогреву катода под их ударами и возникновению термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Это вызывает значительный рост тока при резком уменьшении сопротивления прибора и напряжения на нем; разряд переходит в дуговой (переходная область VI). Переход совершается самопроизвольно (участок ЖЗ) и является неуправляемым. Максимальное напряжение, вызывающее этот переход (точка Ж), называют напряжением возникновения дугового разряда.
Дуговой разряд (область VII) характеризуется очень большим током (десятки и сотни ампер) и низким напряжением между электродами — порядка 10—15 В. Величина тока через прибор ограничивается только балластным сопротивлением. Дуговой разряд используется в дуговых проекционных лампах, в мощных источниках света, в выпрямителях большой мощности.
Все газоразрядные приборы включают в цепь источника питания обязательно последовательно с балластным сопротивлением для ограничения тока, чтобы один вид разряда не переходил самопроизвольно в другой. При включении прибора без балластного сопротивления процессы лавинообразно проходят стадии всех видов разряда; мгновенно развивается дуговой разряд, разрушающий электроды и выводящий прибор из строя.
Контрольные вопросы
Какие приборы называют газоразрядными и на каких процессах основан их принцип действия?
Нарисуйте вольт-амперную характеристику электрического разряда в газе и объясните, каким процессам соответствуют ее участки.
Назовите виды электрического разряда в газе, происходящего в зависимости от величины протекающего через прибор тока.
Главе 4.2.
ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
Неоновые лампы
Неоновая лампа — это газоразрядный прибор тлеющего разряда. Она представляет собой стеклянный баллон, наполненный после откачки воздуха неоном, который при разряде дает краснооранжевое свечение. Внутри баллона помещены два электрода, которые в зависимости от назначения лампы могут иметь различную форму. При одинаковой конструкции обоих электродов
мн-змн-заамн-5мн-5Рис. 4.2. Неоновые лампы: а — устройство; б — условное графическое обозначение при одинаковых (/) и разных (2) электродах; в — схема включенияРис. 4.2. Неоновые лампы: а — устройство; б — условное графическое обозначение при одинаковых (/) и разных (2) электродах; в — схема включения
мн-з
мн-з
а
а
мн-5
мн-5
Рис. 4.2. Неоновые лампы: а — устройство; б — условное графическое обозначение при одинаковых (/) и разных (2) электродах; в — схема включения
Рис. 4.2. Неоновые лампы: а — устройство; б — условное графическое обозначение при одинаковых (/) и разных (2) электродах; в — схема включения
процессы при разряде не зависят от направления тока. Это позволяет использовать лампу в цепях переменного тока; например, в качестве сигнальной при включении устройства в сеть или индикатора перегрузки на выходе усилителя. Если лампа рассчитана на применение в цепях постоянного тока, то электроды имеют разную конструкцию и различное назначение, один служит катодом, а второй — анодом. Такая лампа может служить стабилизатором или индикатором выпрямленного напряжения. На рис. 4.2 показаны внешний вид неоновых ламп, их условные графические обозначения и схема включения.
Принцип действия неоновых ламп основан на процессах, происходящих при тлеющем разряде. В зависимости от назначения лампы может быть использован нормальный или аномальный тлеющий разряд. При тлеющем разряде все пространство между электродами заполняется газовой плазмой — смесью атомов, ионов газа и свободных электронов. Вблизи катода образуется избыточный положительный заряд ионов. Между ним и отрицательным катодом создается основная часть падения напряжения, действующего между электродами, которая называется катодным падением потенциала. На этом участке положительные ионы получают большое ускорение и бомбардируют катод, вызывая электронную эмиссию с его поверхности, а эмиттируемые катодом
электроны приобретают необходимую скорость и энергию для ионизации атомов газа. В этой области происходят наиболее интенсивные процессы ионизации и рекомбинации, наблюдается свечение газа, которое воспринимается как светящееся пятно на поверхности катода.
Режим работы неоновой лампы выбирается по ее вольт-амперной характеристике (рис. 4.3). При увеличении напряжения питания £а напряжение на лампе Ua быстро растет при очень малом токе. При Ua = Uap возникает нормальный тлеющий разряд в соответствии с выбранным балластным сопротивлением. В этот момент миллиамперметр показывает появление тока в цепи, а напряжение на лампе падает; на части поверхности катода появляется светящееся пятно. С дальнейшим увеличением Еа ток /а растет, а напряжение Ua = UCt остается постоянным. Когда разряд переходит в аномальный, рост тока сопровождается повышением напряжения на лампе.
Рис. 4.3. Схема для снятия характеристики (а) и вольт-амперная характеристика (б) неоновой лампы
При уменьшении напряжения питания (нисходящая ветвь характеристики) ток и напряжение на лампе уменьшаются. Эта ветвь не совпадает с восходящей из-за инерционности процессов деионизации. Напряжение прекращения разряда Un меньше UBp.
Нормальный тлеющий разряд используют в неоновых лампах, которые применяют для стабилизации или ограничения напряжения, а аномальный — в лампах для индикации включения в сеть или перегрузки аппаратуры, в цифровых и знаковых индикаторах и индикаторных панелях, а также в газоразрядных источниках света.
В звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок в качестве индикатора перегрузки применяют неоновые лампы типа МН-3; ТН-0,5; ТН-0,2; для ограничения перегрузки усилителя со стороны входа используют лампу ИН-3.
Знаковые индикаторы и индикаторные панели
Знаковым индикатором называют прибор тлеющего разряда, который высвечивает изображение цифр, букв или любых других знаков. Он представляет собой стеклянный баллон, внутри которого помещены анод и несколько катодов; выводы этих электродов подведены к штырькам цоколя. Баллон наполнен инертным газом. Анод выполнен в виде одной или двух электрически соединенных решеток из тонкой проволоки, а катоды — в виде цифр, букв или других знаков из нихромовой проволоки.
о 12 *-9бо 12 *-9бАнод
о 12 *-9б
о 12 *-9б
Рис. 4.4. Десятикатодный цифровой индикатор тлеющего разряда: а — устройство; б — условное графическое обозначение
При подаче напряжения между анодом и одним из катодов в газе возникает электрический разряд; вокруг данного катода появляется яркое свечение, повторяющее форму этого катода, — высвечивается требуемый знак. Напряжение на катоды поступает из электронных блоков заданной информации.
Знаковые индикаторы используют в контрольно-измерительной и вычислительной технике, а также в автоматике. Наибольшее распространение получили цифровые индикаторы.
Устройство цифрового индикатора тлеющего разряда и его условное графическое обозначение на схемах показаны на рис. 4.4. Он имеет десять катодов, выполненных из тонкой проволоки, в виде цифр 0, 1,2, 3...9, расположенных горизонтально на расстоянии 1 мм друг от друга. Перед ними и в середине между ними находятся две тонкие сетки, соединенные между собой и выполняющие роль анода. На анод подается постоянное напряжение со знаком «плюс», а на один из катодов — «минус». Напряжение возникновения разряда составляет 170—210 В; напряжение при тлеющем разряде—105—160 В; ток разряда — 2— 4 мА. Обычно цифровые индикаторы наполняют неоном.
Несколько цифровых индикаторов, смонтированных на панели, могут высветить любое число: два — двухзначное, три —
трехзначное и т. д. Соответственно, определенное число буквенных индикаторов дает светящуюся надпись на табло, отображающем требуемую информацию.
ааДиэлентрикДиэлентрик
а
а
Диэлентрик
Диэлентрик
Рис. 4.5. Индикаторная точечно-растровая панельтлеющего разряда: а — стеклянная пластина с анода-ми; б — диэлектрическая пластина с отверстиями; в —стеклянная пластина с катодами
Для получения более сложного светящегося изображения — графиков, различных символов, фигур и т. п. — используют индикаторные панели тлеющего разряда (рис. 4.5). В них применен точечно-растровый принцип получения изображения.
Индикаторная панель представляет собой прибор в герметичном корпусе с прозрачной передней стенкой, наполненном инертным газом. Основными элементами панели являются три пластины: с анодами, с катодами и изолирующая. В пазы первой стеклянной пластины горизонтально уложены проволочные аноды— до 100 штук — с шагом между ними 1 мм (рис. 4.5, о). В пазы второй, расположенной параллельно первой, уложено вертикально столько же катодов, с таким же шагом между ними (рис. 4.5, в). Эти пластины разделены изолирующей пластиной из диэлектрика с отверстиями против точек перекрещивания анодов с катодами (рис. 4.5, б). Таким образом создается точечный растр. При подаче напряжения между определенным анодом и катодом в точке их перекрещивания возникает тлеющий разряд, а в соответствующем отверстии видна яркая светящаяся точка. Выбор необходимых электродов, на которые подается напряжение для получения заданного светящегося изображения, осуществляет электронный блок в соответствии с заданной программой.
Контрольные вопросы
Объясните процессы, происходящие при тлеющем разряде в газе.
Нарисуйте схему включения неоновой лампы и объясните назначение балластного сопротивления.
Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику неоновой лампы; назовите области применения неоновых ламп.
Какие приборы называют знаковыми индикаторами и какое устройство они имеют?
Что представляют собой индикаторные панели?
Раздел 5.
ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Глава 5.1.
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ И МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Общие сведения
Электронная аппаратура содержит большое количество функциональных блоков и узлов, построенных на элементах —электрорадиодеталях. Элементы — это полупроводниковые приборы, электронные лампы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и пр. С развитием радиоэлектроники эти элементы совершенствовались: снижались их габариты и масса, увеличивались долговечность и надежность, повышались мощность и эффективность. На первом этапе развития элементную базу радиоэлектронной аппаратуры составляли электровакуумные приборы; затем их постепенно вытеснили полупроводниковые приборы, имеющие несомненные преимущества благодаря меньшим габаритам, отсутствию накала, большей долговечности и надежности. На втором этапе развития элементной базы — с появлением транзисторов и печатного монтажа — размеры электронной аппаратуры уменьшились, а плотность монтажа возросла. Однако возрастающая сложность электронных систем (в частности, электронно-вычислительных машин и компьютерной техники) требовала дальнейшего увеличения количества элементов, а следовательно, их миниатюризации.
Так появились модули — элементарные узлы электронной аппаратуры, выполняющие определенные функции. На типовых модулях, выпускаемых промышленностью, можно построить блоки различных устройств, что сокращает время их разработки и производства, снижает стоимость аппаратуры и повышает ее надежность.
Модуль представляет собой конструктивно законченную функциональную часть схемы, а серия модулей различного назначения должна иметь единое конструктивное исполнение, чтобы из них легко собиралось все устройство.
Дальнейшее уменьшение размеров и веса электронной аппаратуры привело к микроминиатюризации ее элементов. Это потребовало разработки и применения новой технологии изготовле-
ния микроэлементов схем, новых конструкций, объединяющих эти микроэлементы в микромодули, а также новых методов конструирования электронных устройств на микромодулях.
Микромодули
Микромодуль — это миниатюрный модуль, представляющий собой законченный функциональный и конструктивный блок радиоэлектронной аппаратуры (усилитель, генератор и т. д.) или набор элементов. Он появился на первом этапе микроминиатюризации электронных устройств. Микромодуль собирается из микроэлементов, которые представляют собой микроминиатюр-
Рис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г —- готовый модуль;R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индуктивности, Д — диод, Т — транзисторРис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г —- готовый модуль;R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индуктивности, Д — диод, Т — транзистор
Рис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г —- готовый модуль;
R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индуктивности, Д — диод, Т — транзистор
Рис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — микроплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы; г —- готовый модуль;
R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индуктивности, Д — диод, Т — транзистор
ные радиодетали, укрепленные каждая на микроплате определенной формы. Наиболее удобная конструкция микромодуля — этажерочная (рис. 5.1). В ней набор микроплат с микроэлементами располагается в виде этажерки, в которой эти микроплаты соединяются между собой жесткими проводниками, проходящими через пазы по боковым сторонам плат.
Микроплата служит для размещения на ней как специальных навесных микроэлементов, так и печатных элементов и соединительных проводников. Соединительные проводники впаивают в металлизированные пазы платы, служащие контактами при сборке этажерочного модуля. Размеры микроплаты: сторона квадрата — 9,6 мм, толщина — 0,5—1,4 мм. Платы изготовляют
из специального изоляционного материала, обладающего большой механической прочностью при малой толщине. Для правильного расположения микроэлементов на плате и микроплат при сборке микромодуля в соответствии с требуемой электрической схемой на плате в углу имеется вырез, являющийся ключом. Пазы нумеруются, начиная от ключа, по часовой стрелке.
Готовые микроэлементы представляют собой микроплаты с размещенными на них и электрически с ними соединенными радиодеталями в микромодульном исполнении.
После сборки «этажерки» ее заливают компаундом и помещают в алюминиевый экран, а торец, в котором располагаются выводы, заливают застывающим эпоксидным компаундом. Это создает механическую прочность, герметизацию от воздействий влаги и защиту от внешних электростатических полей.
Плотность компоновки элементов в микромодулях составляет 10—20 в 1 см3, в то время как в модулях она не превышает 3—5 элементов в 1 см3. Еще большую плотность компоновки и одновременно более высокую надежность имеют полиэлемен- тные модули, у которых на каждой плате размещены не один, а несколько элементов.
Этажерочные микромодули удовлетворяли требованиям, предъявляемым к ним на первом этапе микроминиатюризации аппаратуры. Они имели стандартную конструкцию, универсальные микроэлементы, позволяли монтировать аппаратуру из микромодулей на печатных платах, создавали возможность автоматизации их производства.
Однако основной их недостаток — сборка из дискретных радиодеталей — привел к тому, что с усложнением и дальнейшим развитием электронных устройств значительно возросло количество необходимых отдельных компонентов и соединений между ними, а плотность компоновки оставалась сравнительно низкой, это в свою очередь делало аппаратуру очень громоздкой, дорогой и недостаточно надежной.
Дальнейшая микроминиатюризация дискретных элементов, даже в микромодульном исполнении, не может решить проблем, связанных с изготовлением огромного количества очень малых деталей, необходимостью их испытания, упаковки, транспортировки, вторичного испытания и соединения в схеме устройства. Надежность аппаратуры при этом снижается, а необходимость резервирования узлов делает ее еще более громоздкой и повь|ша- ет стоимость.
Решение этих проблем привело к новому перспективному этапу развития элементной базы электроники — к микроэлектронике.
Контрольные вопросы
Чем вызвана необходимость миниатюризации и микроминиатюризации электронных изделий?
Что представляют собой модули и мцкромодули?
Глава 5.2.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Основные понятия микроэлектроники
Микроэлектроника представляет собой современное направление электроники, которое охватывает проблемы, связанные с исследованием, разработкой, изготовлением и применением микроэлектронных устройств, т. е. электронных изделий с высокой степенью микроминиатюризации.
Главная особенность микроэлектроники — отказ от применения дискретных электрорадиодеталей. Вместо отдельных диодов, транзисторов, резисторов и др. в микроэлектронике используется принцип интеграции, т. е. объединения всех элементов и соединяющих их проводников в едином групповом технологическом процессе изготовления функциональных узлов и устройств микроэлектронной аппаратуры. Эти изделия микроэлектроники носят название интегральных микросхем.
Интегральная микросхема (ИМС) выполняет определенную функцию преобразования сигнала и представляет собой единое целое с точки зрения изготовления, упаковки, транспортировки и эксплуатации. Все ее элементы и соединительные проводники формируются в процессе изготовления в микрообъеме твердого тела — полупроводникового кристалла — или на поверхности подложки и имеют общую герметизацию и защиту от внешних механических воздействий и влаги. Количество элементов, или степень интеграции, в микросхеме может составлять тысячи и сотни тысяч в одном кристалле.
Микроэлектроника позволяет решить задачу создания максимально надежных элементов и устройств при одновременном уменьшении массы и габаритов, снижении потребляемой энергии и стоимости.
Надежность микроэлектронной аппаратуры повышается за счет специальной полупроводниковой технологии изготовления микросхем с применением особо чистых материалов и создания условий, исключающих всякое загрязнение. Надежность обеспечивается также за счет герметизации элементов и их межсоединений, уменьшения количества соединений, автоматизации процесса изготовления и снижения вероятности отказа отдельных элементов.
Уменьшение габаритов и массы микроэлектронной аппаратуры достигается за счет малых размеров микросхем, элементы которых в кристалле измеряются долями микрометра. При этом они работают в облегченном режиме при низких напряжениях питания и потребляют небольшую энергию, что повышает экономичность аппаратуры и ее надежность.
Основные направления микроэлектроники: интегральные микросхемы, функциональная микроэлектроника и конструктивновспомогательные изделия в микроминиатюрном исполнении. Важным разделом функциональной микроэлектроники стала оптоэлектроника.
т Д R Тт д R Тт Д R ТТ Д R Тт д R тТ А в тт д R Тт Д R ТТ д R ТТ д R ТТ д R Ттд R Тт Д R Тт Д R ТТА R Тт А R Тт Д R Тт д R Тт Д R ТТ Д R Тт д R тТ А в тт д R Тт Д R ТТ д R ТТ д R ТТ д R Ттд R Тт Д R Тт Д R ТТА R Тт А R Тимсимсббаат д R Тт д R Т
т Д R Т
т д R Т
т Д R Т
Т Д R Т
т д R т
Т А в т
т д R Т
т Д R Т
Т д R Т
Т д R Т
Т д R Т
тд R Т
т Д R Т
т Д R Т
ТА R Т
т А R Т
т Д R Т
т д R Т
т Д R Т
Т Д R Т
т д R т
Т А в т
т д R Т
т Д R Т
Т д R Т
Т д R Т
Т д R Т
тд R Т
т Д R Т
т Д R Т
ТА R Т
т А R Т
имс
имс
б
б
а
а
т д R Т
т д R Т
Рис. 5.2. Иллюстрация группового метода изготовления полупро-водниковых интегральных микросхем: а — полупроводниковаяпластина с элементами большого числа ИМС; б — отдельныйкристалл ИМС после разрезания пластины; в — электрическаясхема соединения элементов ИМС; г — ИМС в корпусе с при-соединенными внешними выводами и снятой крышкой
Развитие микроэлектроники базируется на новейших достижениях ряда наук и технических направлений. В частности, физики, химии, математики, биологии, радиотехники, металлургии, приборостроения, машиностроения и других.
Групповой метод изготовления полупроводниковых интегральных микросхем, позволяющий снизить их стоимость, заключается в том, что на небольшой пластине полупроводника (диаметром до 40 мм) одновременно формируется несколько сотен микросхем; множество таких пластин одновременно обрабатывается (рис. 5.2).
Пластину разрезают на части, в каждой из которых получается микросхема в виде кристалла, содержащего комплекс элементов и их соединений в соответствии с требуемой электрической схемой изделия.
Каждый такой кристалл помещают в герметичный корпус, и соединяют его контактные площадки с внешними выводами корпуса.
Кристаллом в полупроводниковой технике принято назы-
вать готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или микросхему без внешних выводов и корпуса.
Интегральная микросхема содержит элементы и компоненты.
Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, которая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэлемента, например транзистора, диода, резистора, и не может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие. Элемент нельзя отдельно испытать, упаковать и эксплуатировать, так как он изготовляется неразрывно с кристаллом ИМС.
Компонентом интегральной микросхемы также называют часть ИМС, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, но эта часть перед монтажом является самостоятельным комплектующим изделием в специальной упаковке и может быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в изготовляемую ИМС. Компонент в принципе может быть выделен из изготовленной ИМС (например, бескорпусный транзистор в гибридной микросхеме).
Функциональная сложность схемы, показывающая уровень развития интегральной техники, характеризуется степенью интеграции.
Степень интеграции микросхемы — это показатель сложности ИМС, определяемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Суммарное число элементов и компонентов N, входящих в ИМС, называют уровнем интеграции. Степень интеграции к вычисляется как десятичный логарифм от уровня интеграции N, округленный до ближайшего большего целого числа: к = 1g/V.
Например, ИМС первой степени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов включительно, второй степени — от 11 до 100 включительно, третьей степени — от 101 до 1000, четвертой — от 1001 до 10000 и т. д.
Сложность интегральной микросхемы характеризуют еще следующим образом: при К^ 10 (к^ 1) ИМС называют простой; при N от 11 до 100 — средней; при N от 101 до 10000 — большой интегральной схемой (БИС); при N> 10000 (к">^ — сверхбольшой (СБИС).
Иногда в качестве критерия сложности и микроминиатюризации ИМС применяют термин «плотность упаковки». Плотностью упаковки называют количество элементов, обычно транзисторов, на единицу объема или площади кристалла. В настоящее время она может превышать 104 элементов/мм2.
Элементы любых электронных схем делят на активные и пассивные.
Активным элементом называют элемент, обладающий свойством преобразования электрической энергии — выпрямления,
усиления, генерирования, управления. К ним относятся, например, диоды, транзисторы и т. д.
Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
. Классификация интегральных микросхем
Интегральные микросхемы можно классифицировать по разным признакам: по конструктивно-технологическому исполнению, по функциональному назначению, по степени интеграции, по физическому принципу работы активных элементов и др.
По конструктивно-технологическому признаку ИМС могут быть полупроводниковыми, пленочными, гибридными и совмещенными.
Полупроводниковая интегральная микросхема — это ИМС, все активные и пассивные элементы которой и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности монокристалла полупроводника в общем технологическом процессе. Кристалл полупроводника, в котором формируются элементы, называют активной подложкой.
В полупроводниковых ИМС в качестве исходного материала используют кристалл кремния. Выбор кремния обусловлен тем, что он допускает более высокую рабочую температуру и мощность рассеяния, чем германий, а также имеет большую, чем германий, ширину запрещенной зоны и позволяет получить больший диапазон сопротивлений при создании на его основе резисторов микросхемы.
Изготовление полупроводниковой микросхемы в конечном счете сводится к образованию системы электронно-дырочных переходов в кристалле кремния; при этом формируются локальные области кристалла, эквивалентные электрорадиодеталям обычных электронных схем и их соединениям. Изоляция этих областей, т. е. элементов ИМС, осуществляется с помощью р-п переходов, смещенных в обратном направлении, или двуокиси кремния, являющейся диэлектриком. Двуокись кремния также защищает поверхность кристалла от загрязнения. Размеры участка кристалла, занимаемого одним элементом, измеряются микрометрами, а площадь одной микросхемы — единицами и долями квадратного миллиметра.
Готовый кристалл с созданными элементами и межсоединениями представляет собой монолитную структуру, которая после присоединения к ней внешних выводов и герметизации может быть использована в качестве блока электронной аппаратуры.
Пленочной интегральной микросхемой называют ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок различных материалов, нанесенных на общее
основание. По технологии изготовления различают тонкопленочные и толстопленочные ИМС. Интегральные микросхемы с толщиной пленок до 1 мкм относят к тонкопленочным, а микросхемы с толщиной пленок более 1 мкм — к толстопленочным. Пленки наносят на диэлектрическую подложку, называемую пассивной (стекло, керамика, пластмасса).
Пленочные интегральные микросхемы содержат обычно только пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, высокочастотные катушки индуктивности — и их соединения. Это вызвано большими затруднениями, имеющимися в настоящее время в области создания пленочных транзисторов и диодов с достаточно стабильными и устойчивыми характеристиками. Ведутся исследования по созданию пленочных активных элементов, удовлетворяющих современным требованиям.
При изготовлении тонкопленочных интегральных микросхем пассивные элементы в виде тонких пленок токопроводящих и изоляционных материалов создаются путем предварительного нагрева и испарения требуемого материала с последующим осаждением его на более холодную подложку. Это осуществляется в вакууме через специальные трафареты, так что пленки имеют определенную конфигурацию в соответствии с заданным расположением элементов микросхемы.
При изготовлении толстопленочных ИМС на керамическую подложку через трафареты наносятся различные пасты: резистивные и проводящие — для получения резисторов, соединительных проводников и контактов, а также обкладок конденсаторов и индуктивностей; диэлектрические — для изоляции элементов и создания диэлектриков конденсаторов. Пассивные пленочные ИМС как самостоятельные изделия не получили широкого применения.
Гибридная интегральная микросхема представляет собой ИМС, в составе которой имеются пленочные пассивные элементы, выполненные на диэлектрической подложке, и навесные микроминиатюрные активные компоненты, изготовленные как дискретные транзисторы и диоды (обычно в бескорпусном исполнении) и вмонтированные в подложку. В составе гибридных микросхем могут быть не только простые навесные компоненты (транзисторы и диоды), а и сложные — бескорпусные ИМС.
Более сложные ИМС явились результатом совмещения двух основных технологий изготовления интегральных микросхем — пленочной и полупроводниковой. Такие схемы называют совмещенными.
Совмещенная интегральная микросхема — это ИМС, в которой активные элементы выполнены в кристалле полупроводника, а пассивные элементы и межсоединения — в виде пленок. При этом используются два способа сочетания технологии полупро-
водниковых и пленочных микросхем. Первый способ состоит в том, что в активной полупроводниковой подложке формируются транзисторы и диоды, как в полупроводниковой ИМС, затем на поверхности этого кристалла создается изолирующая пленка путем окисления кремния, а на нее наносятся пленочные резисторы, конденсаторы и межсоединения. В другом варианте совмещенной микросхемы, как в гибридных схемах, пассивные элементы и часть межсоединений создают в виде пленок на ди-
Рис. 5.3. Конструкции интегральных микросхем: а — тонкопленочные; б — гибридные; в, г — полупроводниковые; / — в корпусе;2 — со снятым корпусомРис. 5.3. Конструкции интегральных микросхем: а — тонкопленочные; б — гибридные; в, г — полупроводниковые; / — в корпусе;2 — со снятым корпусомРис. 5.4. Расположение выводов микросхем: а — типа К140УД2; б —типа К553УД2; в — типа К174УН7Рис. 5.4. Расположение выводов микросхем: а — типа К140УД2; б —типа К553УД2; в — типа К174УН7
Рис. 5.3. Конструкции интегральных микросхем: а — тонкопленочные; б — гибридные; в, г — полупроводниковые; / — в корпусе;
2 — со снятым корпусом
Рис. 5.3. Конструкции интегральных микросхем: а — тонкопленочные; б — гибридные; в, г — полупроводниковые; / — в корпусе;
2 — со снятым корпусом
Рис. 5.4. Расположение выводов микросхем: а — типа К140УД2; б —типа К553УД2; в — типа К174УН7
Рис. 5.4. Расположение выводов микросхем: а — типа К140УД2; б —типа К553УД2; в — типа К174УН7
электрической подложке, а активные элементы и основные соединения формируются по технологии полупроводниковых ИМС в кремниевом кристалле, который монтируется на этой подложке^ Технология совмещенных интегральных микросхем позволяет использовать преимущества пленочных и полупроводниковых ИМС и создавать как активные, так и пассивные элементы с требуемыми параметрами и стабильными характеристиками.
По способу герметизации для защиты от внешних воздействий различают корпусные интегральные микросхемы, помещенные в специальный корпус или опрессованные в пластмассу (вакуумная
герметизация), и бескорпусные— покрытые эпоксидным защитным лаком. Интегральные микросхемы в различном конструктивном исполнении показаны на рис. 5.3, а расположение выводов — на рис. 5.4.
По характеру функционального назначения интегральные микросхемы делят на аналоговые, цифровые и комбинированные — аналого-цифровые.
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для генерирования и усиления гармонических сигналов, а также для детектирования, модулирования и т. д.
Цифровые (логические) ИМС используют для цифровой обработки информации, т. е. электрических сигналов, соответствующих двоичному или другому цифровому коду, в вычислительной технике, цифровых измерительных приборах, устройствах автоматики.
По выполняемой функции все микросхемы подразделяют на подгруппы; например, усилители, генераторы, фильтры, детекторы, логические элементы ЭВМ и др. Каждую подгруппу делят на виды; например, усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, усилители постоянного тока и т. д.
Классификация по физическому принципу работы зависит от типа создаваемых в микросхеме основных и наиболее сложных элементов — транзисторов. На их структуре базируется формирование и других элементов. В полупроводниковых интегральных микросхемах применяют как биполярные транзисторы, так и полевые МДП-транзисторы.
В гибридных интегральных микросхемах в качестве навесных компонентов применяют биполярные бескорпусные транзисторы.
Контрольные вопросы
Чем занимается микроэлектроника?
Что представляет собой интегральная микросхема?
Что называют элементом и компонентом интегральной микросхемы?
Что показывает степень интеграции микросхемы?
Назовите виды интегральных микросхем и объясните, что представляет собой каждый из этих видов.
Глава S.3.
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Элементы полупроводниковых интегральных микросхем
Полупроводниковые интегральные микросхемы содержат активные и пассивные элементы, формируемые в кристалле кремния в едином технологическом процессе. Эти элементы должны быть изолированы друг от друга и соединены согласно электри-
ческой схеме. По типу основного активного элемента — транзистора — полупроводниковые ИМС делят на биполярные и МДП-микросхемы. Соответственно, отличается и технология изготовления микросхем на базе структур биполярных и МДП- транзисторов. Рассмотрим кратко, как формируются активные и пассивные элементы в этих двух разновидностях полупроводниковых микросхем.
Транзисторы. Наиболее важным и сложным элементом при изготовлении интегральной микросхемы является транзистор. Его структура служит базой для формирования всех остальных элементов ИМС (как активных, так и пассивных).
Большинство биполярных транзисторов создается со структурой п-р-п, электрические характеристики которой лучше, чем у структуры р-п-р; но для реализации некоторых электрических схем требуются транзисторы с противоположным типом электропроводности, так что используют и транзисторы типа р-п-р. Транзисторы типа п-р-п характеризуются большим быстродействием и возможностью получения большего коэффициента передачи тока а, так как подвижность электронов в несколько раз превышает подвижность дырок.
Для изготовления элементов на основе транзисторной структуры используется планарная технология. При такой технологии элементы имеют плоскую структуру: их р-п переходы и контактные площадки выходят на одну плоскость полупроводниковой пластины — подложки, на поверхности и в объеме которой создаются элементы.
Разновидности планарной технологии — планарно-диффузионная и планарно-эпитаксиальная технология.
При планарно-диффузионной технологии для создания слоев полупроводника n-типа и p-типа примеси вводятся методом диффузии — перемещения частиц при их тепловом движении в направлении, где их концентрация меньше.
При планарно-эпитаксиальной технологии используют метод эпитаксии: на пластину полупроводника, служащую подложкой, наращивают слои, кристаллическая решетка которых повторяет кристаллическую структуру пластины, как бы продолжая кристалл. Одновременно с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев в них вводят требуемые примеси, получая области n-типа и р-типа.
Для формирования биполярных транзисторов п-р-п типа основой служит монокристаллическая, т. е. имеющая правильную кристаллическую решетку, пластина кремния p-типа толщиной не более 50 мкм. Она служит подложкой. При планарно-диффузионной технологии (рис. 5.5) на поверхности этой подложки путем различных технологических процессов создают пленку двуокиси кремния ЗЮг, которая является защитной и изоляционной (/).
Затем вытравливают в этой пленке отверстия по количеству создаваемых транзисторов (2). В полученные окна методом диффузии вводят примеси, образующие слои л-типа. Они изолированы друг от друга и от подложки р-п переходами, смещенными в обратном направлении. Эти островки л-типа образуют коллекторы транзисторов (5). На них наносится через специальные маски примесь, атомы которой диффундируют в л-слой и создают
Рис. 5.5. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-диффузионной технологии изготовления ИМС
базы p-типа. Затем таким же образом вводят примеси, создающие вторую область л-типа — эмиттеры транзисторов (4). На полученные локальные структуры п-р-п напыляют металлизированные контакты и соединительные дорожки. На поверхности между контактами создается пленка SiO2.
При планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 5.6) для получения транзисторов п-р-п типа на кристаллическую подложку из кремния p-типа наращивают эпитаксиальный кристаллический слой л-типа и создают на нем защитную пленку двуокиси кремния SiO2 (/). В ней методом травления делают окна (позиция 2). Через эти окна осуществляется диффузия атомов примеси, создающая в эпитаксиальном слое под окнами области р-типа, сливающиеся с подложкой того же типа. Таким образом в эпитаксиальном слое остаются островки, образующие коллекторы транзисторов л-типа (5).
Далее эти островки подвергают обработке, как при планарнодиффузионной технологии. Поскольку полученные таким способом транзисторы (4) со стороны коллектора л-типа окружены со всех сторон областями полупроводника p-типа, образуется р-л переход, который изолирует транзисторы друг от друга, а также от других элементов схемы при подаче на него обратного напряжения.
При создании л-р-л-структур для транзисторов одновременно
в этом же технологическом процессе на основе получаемых областей полупроводника с разными типами электропроводности создаются диоды и пассивные элементы микросхемы. Изоляция элементов может быть осуществлена р-п переходами или диэлектриками. При использовании структуры полевых транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с изолированным затвором (рис. 5.7). Для этого в интегральных микросхе-
Рис. 5.6. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-эпитаксиальной технологии изготовления ИМСРис. 5.6. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-эпитаксиальной технологии изготовления ИМСРис. 5.7. МДП-структура ИМС: а — со встроенным каналом; б — с индуцированным каналомРис. 5.7. МДП-структура ИМС: а — со встроенным каналом; б — с индуцированным каналом
Рис. 5.6. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-эпитаксиальной технологии изготовления ИМС
Рис. 5.6. Последовательность формирования биполярных транзисторов типа п-р-п при планарно-эпитаксиальной технологии изготовления ИМС
Рис. 5.7. МДП-структура ИМС: а — со встроенным каналом; б — с индуцированным каналом
Рис. 5.7. МДП-структура ИМС: а — со встроенным каналом; б — с индуцированным каналом
мах создают МДП-структуры, а при использовании в качестве диэлектрика под затвором двуокиси кремния SiO2 — МОП- структуры. Диоды и пассивные элементы также формируются на основе МДП- или МОП-структуры.
ИМС на основе этих структур изготовляют на кремниевой пластине п- или p-типа по плановой технологии. Конструкция интегральных микросхем на МДП-транзисторах обеспечивает более
высокую степень интеграции и плотность упаковки в связи с тем, что при создании МДП-структур не нужна изоляция между элементами, а площадь, занимаемая таким транзистором, на два порядка меньше площади биполярного транзистора. Кроме того, для каждого биполярного транзистора требуются три контакта металла с полупроводником, а для МДП-тран- зистора — только два; количество операций в технологическом процессе изготовления микросхем на основе МДП-структур сокращается примерно в три раза по сравнению с изготовлением микросхем на основе биполярных транзисторов.
Диоды. В полупроводниковых ИМС диоды формируют одновременно с биполярными транзисторами, на основе тех же слоев и р-п переходов. Получать диоды на основе транзисторных структур п-р-п проще, чем формировать отдельные, специально для них, р-п структуры.
Возможны разные схемы диодного включения транзисторов. Например, используется эмиттерный переход, а коллекторный замкнут или разомкнут, либо используется коллекторный переход, а эмиттерный замкнут или разомкнут. Параметры диодов в полупроводниковых ИМС зависят от свойств используемого р-п перехода. Допустимое обратное напряжение определяется напряжением пробоя. Для схем с использованием эмиттерного перехода оно невелико и составляет 5—7 В, а при использовании коллекторного перехода оно в зависимости от концентрации примеси в коллекторе составляет 20—50 В.
Резисторы. Из пассивных элементов микросхем наибольшее распространение получили резисторы. Параметры резисторов в полупроводниковых ИМС — номинальное сопротивление, допуск на отклонение от номинала, мощность рассеяния и температурный коэффициент сопротивления — зависят от материала, формы и способа формирования резистора.
Полупроводниковые резисторы — это резисторы, изготовленные в полупроводниковом материале методами полупроводниковой технологии, которыми формируются транзисторы, диоды и все остальные элементы полупроводниковой ИМС. Их делят на объемные и диффузионные.
Объемные резисторы получают созданием омических, т. е. невыпрямляющих контактов металл — полупроводник. Они не имеют широкого распространения из-за температурной нестабильности и большой занимаемой площади.
Диффузионные резисторы получают одновременно с формированием других элементов при изготовлении транзисторной структуры п-р-п методами планарной технологии с локальной диффузией примесей в разные слои в островках подложки.
Обычно используют базовый или эмиттерный диффузионный слой транзисторной структуры. Толщина такого резистора —
порядка 3 мкм, что гораздо меньше его длины и ширины. На рис. 5.8 представлены структуры диффузионных резисторов на основе базового и эмиттерного слоев планарно-эпитаксиального биполярного транзистора. Наиболее распространены резисторы, сформированные на основе базового слоя (рис. 5.8, а). В островке эпитаксиального слоя, предназначенном для формирования резистора, эмиттерный слой не создается. Базовый слой используется как резистор; на поверхности кристалла он защищен
Рис. 5.8. Полупроводниковые диффузионные резисторы: а — на основе базового слоя; б — на основе эмиттерного слоя
изоляционным слоем двуокиси кремния, а на концах полоски базового слоя путем металлизации алюминием делают выводные контакты 1 и 2. Поскольку базовый слой имеет значительно меньшую концентрацию основных носителей заряда, чем эмиттерный, то на его основе формируют высокоомные резисторы. Изоляция резисторов от других элементов микросхемы осуществляется минимум двумя встречно-включенными р-п переходами, т. е. системой, запертой при любой полярности приложенного напряжения.
Величина сопротивления диффузионного резистора определяется удельным сопротивлением диффузионного слоя и размерами сформированного резистора: сопротивление тем больше, чем больше удельное сопротивление и длина резистора и меньше ширина и толщина слоя.
В зависимости от требуемой величины сопротивления резистор формируют в виде прямоугольной полоски или — для увеличения длины — в виде змейки.
Для получения низкоомных резисторов используют эмиттерный слой п -типа (рис. 5.8, б), сопротивление которого значительно меньше, чем базового, из-за высокой концентрации основных носителей заряда. Диффузионные резисторы имеют сопротивление от 50 Ом до 300 кОм с разбросом ±(10 4-20)%; максимальная мощность рассеяния — до 0,1 Вт.
В полупроводниках ИМС, выполненных на .основе МДП- транзисторов, резисторы также формируются на основе МДП- структуры. В этих микросхемах в качестве резистора используют МДП-транзистор (в частности, МОП-транзистор). Его сопротивлением является сопротивление канала транзистора между истоком и стоком, зависящее от режима работы, заданного напряжением на затворе.
Конденсаторы. Пассивный элемент ИМС, реализующий функцию конденсатора, не нашел широкого применения в современной микроэлектронике в связи с трудностями получения больших
с
0—1 рю
абв
Рис. 5.9. Полупроводниковые диффузионные конденсаторы на основе р-п пере-ходов: а — между подложкой и коллектором; б — коллекторного; в — эмит-терного; 1, 2 — выводы конденсатора
удельных емкостей, значительно большей занимаемой площадью по сравнению с другими элементами — транзисторами, диодами, резисторами, зависимостью емкости от напряжения и другими недостатками. По структуре полупроводниковые конденсаторы могут быть двух типов: диффузионные и МДП-конденсаторы.
Диффузионные конденсаторы основаны на использовании барьерной емкости обратно смещенного р-п перехода. В них может быть использован один из р-п переходов структуры биполярного транзистора: изолирующий переход между подложкой p-типа и коллектором n-типа, коллекторный или эмиттерный переход (рис. 5.9). Конденсаторы создают одновременно с другими элементами в изолированных от них островках. При их применении необходимо соблюдать полярность подключения обратного напряжения к используемому р-п переходу. Удельная емкость конденсатора, построенного на эмиттерном переходе, в несколько раз превышает удельную емкость конденсатора на коллекторном переходе, но пробивное напряжение его составляет единицы вольт, тогда как для конденсатора на коллекторном переходе — десятки вольт.
К недостаткам конденсаторов, создаваемых на основе р-п переходов, следует отнести: небольшую величину удельной емкости; сравнительно большую площадь обкладок, значительно превы-
шающую площадь транзистора; зависимость емкости от напряжения и наличие паразитных емкостей из-за изолирующих р-п переходов, а также необходимость соблюдения полярности при включении. Эти недостатки ограничивают применение конденсаторов в ИМС.
МДП-конденсаторы имеют структуру металл — окисел — полупроводник. В качестве нижней обкладки в них используют полупроводниковый слой n-типа; диэлектриком служит слой двуокиси кремния 8Юг толщиной до 0,1 мкм, а верхней обкладкой — пленка алюминия. Их удельная емкость — порядка 650 пФ/мм2, пробивное напряжение 50 В, допуск на емкость ±10%. МДП- конденсаторы не требуют соблюдения определенной полярности напряжения, кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения.
Индуктивные элементы по полупроводниковой технологии очень трудно создать, поэтому в полупроводниковых ИМС они не используются.
Элементы и компоненты гибридныхинтегральных микросхем
Гибридная интегральная микросхема состоит из подложки, нанесенных на нее пассивных пленочных элементов и навесных дискретных активных элементов в виде бескорпусных диодов и транзисторов или кристалла полупроводниковой ИМС. Иногда применяют также навесные миниатюрные пассивные элементы, которые нельзя выполнить по пленочной технологии. Например, конденсаторы сравнительно большой емкости, дроссели. Готовая ИМС помещается в корпус для герметизации.
Для изготовления подложек используют некоторые сорта стекла и керамики. Подложка должна иметь высокую чистоту и плоскостность поверхности. Возможные размеры подложки (ширина и длина): от ЮХ 12 и 10X 16 до 24X30 и 30X48 мм; толщина 1,6 и 0,6 мм, но может быть и до 0,2 мм.
Пленочные резисторы. Для получения пленочных резисторов тонкие резистивные пленки наносят на подложку в виде узких полосок прямоугольной или П-образной формы, многократно повторяющейся для увеличения номинального сопротивления (рис. 5.10, а). Эти полоски заканчиваются контактными площадками, имеющими высокую проводимость. Материалами для изготовления тонкопленочных резисторов могут быть металлы, сплавы, полупроводники и смеси металлов с керамикой, называемые керметами. Например, для изготовления резисторов используют хром, тантал, нихром, нитрид тантала и др. Контактные площадки напыляют из золота, меди, тантала, алюминия с подслоем нихрома, меди с подслоем нихрома.
Тонкие пленки получают методом термического или катодного напыления в вакууме, а также методом электролитического осаждения металлов из электролитов под действием электрического тока и другими способами. Номинальные значения сопротивлений тонкопленочных резисторов лежат в пределах от 100 Ом до 50 кОм, а мощность рассеяния не превышает 0,2 Вт. Чем больше длина пленки и меньше ее ширина, тем больше сопротивление резистора при той же толщине пленки. На этом основано получение различных по номиналу сопротивлений.
Рис. 5.10. Тонкопленочные пассивные элементы ИМС: а — резисторы прямоугольной и П-об- разной формы; б — конденсатор; в — индуктивные элементы в виде круглой и прямоугольной спиралей; 1 — резистивная пленка; 2 — контактные площадки; 3 — подложка; 4, 6 — нижняя и верхняя обкладки; 5 — диэлектрик; 7 — подложка; 8 — изоляционная пленка; 9 — токопроводящая пленка
ааПленочные конденсаторы. В гибридных ИМС пленочные конденсаторы изготовляют обычно вакуумным напылением трех слоев: двух проводящих обкладок и разделяющей их пленки диэлектрика (рис. 5.10, б). Емкость пленочного конденсатора прямо пропорциональна площади обкладки и обратно пропорциональна толщине диэлектрической пленки. При этом емкость тем больше, чем больше значение диэлектрической проницаемости пленки между обкладками. Наилучшим диэлектриком для пленочных конденсаторов является моноокись кремния SiO. Могут быть использованы также двуокись кремния 8Юг, окись алюминия AI2O3, окись тантала ТагС^. Для получения обкладок напыляют пленки алюминия. Номинальные значения емкостей пленочных конденсаторов получаются от 10 до 10000 пФ при рабочем напряжении, не превышающем 15 В. Конденсаторы большой емкости нельзя получить методом пленочной технологии; при необходимости их применяют в виде дискретных компонентов.
а
а
Пленочные индуктивные элементы. В гибридных ИМС индуктивности могут быть получены в виде пленочных элементов. Их изготовляют осаждением на диэлектрическую подложку спирали из проводящего материала; спираль может иметь круглую или прямоугольную форму (рис. 5.10, в). Проводящий спиральный слой осаждается методом вакуумного испарения через специальную маску (трафарет). Поскольку размеры изготовленной пленочной индуктивной катушки должны быть очень малы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к элементам ИМС, индуктивность получается не более 5 мкГн. При необходимости применения элементов с большей индуктивностью используют кольцевые микроминиатюрные катушки с магнитным сердечником из порошкового железа или ферритов.
Навесные компоненты гибридных ИМС. В качестве навесных дискретных компонентов гибридных ИМС используют полупроводниковые микроминиатюрные приборы — диоды и транзисторы. Они могут быть заключены в миниатюрный корпус, но чаще используются бескорпусные приборы, имеющие значительно меньшие размеры и массу. В бескорпусных приборах кристалл полупроводника герметически защищается от воздействия внешней среды специальными покрытиями: лаком, эмалью, смолой, компаундом и др. Бескорпусные дискретные полупроводниковые приборы изготовляют отдельно от микросхемы. Для защиты от механических повреждений при испытаниях и транспортировке их помещают в специальный пластмассовый корпус, а перед монтажом в микросхему корпус снимают.
Чаще всего в качестве активных навесных компонентов используют биполярные транзисторы п-р-п типа КТ307, КТ319, КТ324 и другие, а также полевые МДП-транзисторы, например КП201. В качестве навесных компонентов применяют также бескорпусные полупроводниковые микросхемы.
Кроме активных компонентов иногда применяют и пассивные навесные компоненты. В частности, конденсаторы с емкостью более 2000 пФ.
Дискретные активные компоненты гибридных ИМС позволяют создавать аппаратуру более мощную, чем аппаратура на прлу- проводниковых ИМС, а также применять транзисторы разных типов — биполярные и полевые — в одной микросхеме и получать оптимальные электрические параметры.
Монтаж навесных компонентов на подложке с нанесенными тонкопленочными пассивными элементами, а также соединение пленочных элементов между собой и с внешними выводами микросхемы осуществляется с помощью пленочных проводников и контактных площадок.
Хорошими токопроводящими материалами являются золото, медь, алюминий, никель, а для улучшения их сцепления с под-
ложкой или межслойной изоляцией элементов сначала напыляют подслой хрома или нихрома, а на него — токопроводящие полоски и контактные площадки.
Внешние выводы навесных компонентов соединяют с контактными площадками пассивной микросхемы различными методами пайки или сварки, используя ультразвук, импульсный косвенный нагрев, микропаяльник, луч лазера.
Межслойная изоляция проводников друг от друга в местах их пересечения осуществляется тонкой пленкой диэлектрика, чаще всего моноокиси кремния.
Контрольные вопросы
Как формируются биполярные и МДП-транзисторы при изготовлении полупроводниковых ИМС?
Как осуществляется формирование диодов, резисторов и конденсаторов в ИМС на базе биполярных транзисторов?
Как формируются пленочные резисторы, конденсаторы и индуктивные элементы?
Что представляют собой навесные компоненты гибридных ИМС?
ГЛАВА 5.4.
ВИДЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразования и обработки непрерывно и плавно изменяющихся сигналов. Обычно они имеют линейные характеристики, поэтому получил распространение термин «линейная микросхема». Они применяются в качестве усилителей и генераторов гармонических (синусоидальных) сигналов, а также детекторов, фильтров, модуляторов, коммутаторов и других устройств.
Аналоговые ИМС получают все более широкое применение благодаря усовершенствованию технологии и возможности создания транзисторных структур в интегральном исполнении с высоким напряжением пробоя, с высокой граничной частотой и одинаковыми параметрами всех элементов, а также создания структур п-р-п и р-п-р на одной подложке в едином технологическом процессе.
Наиболее распространенный тип аналоговых ИМС — интегральные усилители. Они подразделяются на многоцелевые (с одним входом) и многоцелевые дифференциальные усилители (с двумя входами и двумя или одним выходом). Разновидностью дифференциальных усилителей являются операционные усилители, имеющие два входа и один выход.
Многоцелевые усилители с одним входом и одним выходом
предназначены для усиления гармонических сигналов в широком диапазоне частот. К ним относятся усилители низких, промежуточных и высоких частот, видеоусилители и широкополосные усилители. Они находят применение в практике приемной и передающей радиоаппаратуры, телевидения и видеотехники.
Дифференциальные усилители имеют два симметричных относительно общей точки (корпуса) входа. Они усиливают разность двух сигналов, подаваемых на входы, и могут быть использованы в цепях как постоянного, так и переменного тока.
в
Рис. 5.11. Условные графические обозначения операционных усилителей (а, б) и логических элементов (в)
Операционные усилители — это многокаскадные усилители с дифференциальными входами (два входа) и одним общим выходом. Они отличаются очень большим коээфициентом усиления, большим входным и очень малым выходным сопротивлением. Название «операционный» связано с их первоначальным применением для выполнения различных математических операций в ЭВМ — сложения, вычитания, умножения, интегрирования и других. Но по мере развития микроэлектроники и производства операционных усилителей в интегральном исполнении — в виде ИМС — их применение все более расширялось. Их используют в усилителях постоянного и переменного тока, в генераторах, стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д. Два варианта условного обозначения операционных усилителей на схемах показаны на рис. 5.11, а, б. Один вход (со знаком «+») называют неинвертирующим; при подаче сигнала на него фазы приращения сигнала на выходе и входе совпадают. Второй (со знаком «—») — инвертирующим; приращения сигнала на выходе и этом входе по фазе противоположны.
Аналоговые ИМС могут быть как полупроводниковыми, так и гибридными с тонко- и толстопленочными элементами. Их изготовляют на основе биполярных или МДП-транзисторов, которые имеют более высокое входное сопротивление и меньший шум, чем
биполярные; поэтому их целесообразно применять на входе операционных усилителей. На выходе обычно используют эмиттерный повторитель. Основные параметры аналоговых схем следующие: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления и частотный диапазон.
Питание аналоговых ИМС осуществляется от низковольтных источников постоянного тока. В зависимости от схем каскадов может требоваться источник питания, дающий не одно, а два напряжения: равной величины, но противоположной полярности относительно общей точки. Вторичные источники питания в интегральном исполнении выпускаются серией К142, содержащей маломощные выпрямители и стабилизаторы напряжения.
Цифровые (логические) ИМС предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов. Их используют как электронные ключи с двумя устойчивыми состояниями. В одном состоянии на их входе (выходе) действует низкий уровень напряжения; при переводе на двоичный цифровой код это соответствует логическому нулю (0). В другом состоянии действует высокий уровень напряжения, что соответствует логической единице (1). Частный случай цифровой ИМС — логическая микросхема. Положительной логикой называют действие элементов, срабатывающих при положительном импульсе входного сигнала — при изменении его с 0 на 1, а отрицательной — при изменении входного сигнала с 1 на 0. Цифровые ИМС применяют в узлах и блоках электронных вычислительных машин, в устройствах дискретной автоматики и измерительной техники.
Статическими параметрами цифровых ИМС называют параметры, характеризующие состояние включенной микросхемы: напряжение источника питания; входное и выходное напряжения, соответствующие логическому нулю (0) или логической единице (1); допустимое количество входов ИМС, называемое коэффициентом объединения по входу; количество одновременно подключенных нагрузок — коэффициент разветвления по выходу; средняя потребляемая мощность; помехоустойчивость.
Динамические параметры характеризуют ИМС в режиме переключения: время перехода из состояния, соответствующего 0, в состояние, соответствующее 1, или наоборот; время задержки распространения сигнала и другие. Цифровые ИМС по функциональному назначению делят на подгруппы: логические ИМС, триггеры, элементы арифметических устройств и т. д.
Логическая микросхема как базовый элемент цифрового устройства реализует определенную логическую (переключательную) функцию. Сигнал на входе или нескольких входах может иметь значения, равные либо логической единице, что соответствует наличию импульса, либо логическому нулю при отсутствии импульса. Эти входные сигналы вызывают появление
на выходе микросхемы выходных сигналов, которые тоже могут принимать только значения логической 1 или 0.
Ключи в логических ИМС могут быть построены на различных полупроводниковых приборах: диодах, биполярных или МДП-транзисторах и их сочетаниях. Они выполняют различные логические операции. Простейшими из них являются логическая инверсия НЕ (функция отрицания), логическое умножение И (конъюнкция) и логическое сложение ИЛИ (дизъюнкция). На рис. 5.11,6 даны условные графические обозначения логических схем. Самая простая логическая ИМС НЕ реализует функцию НЕ; она содержит ключ с одним входом и одним выходом. Если на входе логический 0 (нет сигнала), то на выходе появится сигнал, т. е. будет логическая 1, и наоборот. Логическую функцию И осуществляет ИМС И, которая строится на основе ключей с двумя или более входами и одним выходом. Сигнал на выходе (логическая 1) появляется в этой схеме только тогда, когда на всех входах одновременно логические 1. Если хоть на одном входе 0, то и на выходе будет 0. Функцию ИЛИ реализует ИМС ИЛИ тоже на основе ключей с двумя и более входами и одним выходом, но выходной сигнал равен логической 1, если хотя бы один входной сигнал равен 1. Эти три логические ИМС — НЕ, ИЛИ, И — составляют функционально полную систему логических элементов; используя различные их сочетания, можно создать цифровое устройство любой функциональной сложности; например, И — НЕ, ИЛИ — НЕ (основные логические ИМС) и более сложные: НЕ — И — ИЛИ, И — ИЛИ — НЕ, И — ИЛИ — И и др.
Каждая цифровая (логическая) ИМС может выполнять как логические, так и арифметические операции в двоичной системе счисления. Их изготовляют в основном по технологии полупроводниковых ИМС и в зависимости от используемых полупроводниковых элементов подразделяют на резисторно-транзисторную логику РТЛ, диодно-транзисторную логику ДТЛ, транзисторно-транзисторную логику ТТЛ, транзисторную логику на переключателях тока ПТТЛ и логику на МДП-транзисторах МДПТЛ. Например, микросхема РТЛ имеет во входных цепях резисторы, а в выходных — транзисторы; ДТЛ на входе содержит диоды, а на выходе — транзисторы и т. д.
Цифровые ИМС выполняют различные сложные логические и арифметические функции, а также запоминают информацию и обеспечивают возможность построения любых арифметических, запоминающих и управляющих устройств ЭВМ.
Большие интегральные схемы и микропроцессоры
Создание больших интегральных схем (БИС) характеризует новый этап в развитии микроэлектроники. Это явилось след-
ствием непрерывного совершенствования технологических процессов изготовления ИМС, увеличения степени интеграции, уменьшения размеров активных и пассивных элементов, роста функциональной сложности микросхем.
БИС — это интегральная микросхема третьей, четвертой и более высокой степени интеграции, которая содержит несколько функциональных устройств. Каждое из этих устройств в свою очередь содержит более 1000 элементов.
БИС отличаются от ИМС с меньшей степенью интеграции тем, что представляют собой более сложные интегральные схемы, выполняющие функции блоков и целых радиоэлектронных устройств. Они предназначаются для определенных типов аппаратуры и не являются устройствами широкого применения. При изготовлении БИС на полупроводниковой пластине одновременно создается большое количество микросхем, но, в отличие от процесса изготовления ИМС, пластина не разрезается на отдельные кристаллы, а готовые ИМС путем создания специальных металлизированных межсоединений объединяются на общей подложке в определенную единую систему, которая и является большой интегральной схемой.
БИС позволяет повысить не только степень интеграции, но и качественные показатели, и надежность радиоэлектронной аппаратуры при снижении ее стоимости. Это достигается за счет уменьшения числа соединений в аппаратуре, поскольку БИС заменяет ряд отдельных ИМС; уменьшения объема монтажносборочных работ, а также сокращения числа технологических операций. Создание БИС повышает быстродействие узлов аппаратуры и ее помехозащищенность.
БИС, как и ИМС, подразделяют на цифровые и аналоговые, а по конструкционно-технологическому признаку — на полупроводниковые и гибридные. В гибридных БИС в качестве навесных компонентов используют бескорпусные ИМС средней степени интеграции. Широкое распространение получили БИС в вычислительной аппаратуре, которая производит миллионы операций в секунду. К ним относятся микропроцессорные схемы и другие блоки ЭВМ, микрокалькуляторы.
Микропроцессором называют устройство цифровой обработки информации, осуществляемой по программе. Это функционально законченное устройство, построенное на одной или нескольких БИС. Микропроцессорные ИМС были созданы в начале 70-х годов и получили бурное развитие, в результате которого появились четыре поколения микропроцессоров: медленно действующих, среднего быстродействия, быстродействующих и однокристальных микропроцессоров, процессорных секций и микро-ЭВМ. Микропроцессоры и микропроцессорные системы применяют также для расширения возможностей телефонных и телеграфных аппа-
ратов. Например, телефонный аппарат, построенный на базе микропроцессора, позволяет: осуществить кнопочный набор номера с преобразованием сигнала в импульсы дискового набора; осуществить автоматическое повторение последнего набранного номера; закодировать ряд номеров в запоминающем устройстве микропроцессора с последующим автоматическим набором любого из них путем нажатия соответствующей коду кнопки и т. п.
С помощью микропроцессоров можно осуществить преобразование звуковых сигналов в цифровой код и обратно для передачи по линии связи только цифровой информации. БИС с высокой степенью интеграции позволяют создавать микроэлектронные устройства для широкого применения не только в технике, но и в быту: карманные калькуляторы, наручные часы, микро-ЭВМ.
Система обозначений интегральных микросхем
Для разработки и создания сложной электронной аппаратуры, электронной базой которой являются интегральные микросхемы, требуются не отдельные ИМС различного назначения, а их полный набор. Поэтому электронная промышленность выпускает серии интегральных микросхем, т. е. совокупность микросхем, выполняющих различные функции, но имеющих одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения в радиоэлектронной аппаратуре. В состав серии могут входить десятки различных типов микросхем в зависимости от области применения и назначения.
Система буквенно-цифровых обозначений ИМС состоит из четырех элементов, установленных ГОСТ 19480—74.
Первый элемент — цифра, обозначающая конструктивно-технологическую группу: полупроводниковые, гибридные и прочие.
Полупроводниковым ИМС присвоены цифры 1 и 5 для корпусных ИМС, 7 — для бескорпусных; гибридным ИМС присвоены цифры 2, 4, 6, 8; прочим ИМС — цифра 3. К прочим относят пленочные ИМС, вакуумные и керамические. Пленочные ИМС выпускаются в ограниченном количестве.
Второй элемент — две-три цифры, указывающие на порядковый номер разработки данной серии.
Первые два элемента вместе составляют число, указывающее на полный номер данной серии ИМС. Микросхемы широкого применения имеют перед номером серии букву К; например, серия К122 — полупроводниковые ИМС широкого применения, номер разработки 22. Отсутствие буквы К означает изделие специального применения, по заказу потребителя.
Третий элемент — две буквы, первая из которых соответствует подгруппе по функциональному назначению, а вторая — виду в данной подгруппе. Например, первая буква Г — генераторы, Д — детекторы, К — коммутаторы и клю- чи» Л — логические элементы, X — многофункциональные микросхемы, М — модуляторы, Н — наборы элементов, П — преобразователи, Е — вторичные источники питания, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры и т. д.
Примеры буквенного обозначения вида (вторая буква):
для усилителей высокой частоты — буква В, низкой частоты — Н, промежуточной частоты — Р, импульсных сигналов — И, постоянного тока — Т, операционных и дифференциальных — Д, прочих — П;
для вторичных источников питания: выпрямители — В, стабилизаторы напряжения — Н, стабилизаторы тока — Т, прочие — П;
для набора элементов: диодов — Д, транзисторов — Т, резисторов — Р, конденсаторов — Е, комбинированных — К, прочих — П;
для логических элементов: И — элемент И, Н — элемент НЕ, Л — элемент ИЛИ, С — элемент И — ИЛИ, А — элемент И — НЕ, Е — элемент ИЛИ — НЕ, Р — элемент И — ИЛИ — НЕ и т. д.
Примеры полного обозначения типономинала, т. е. подгруппы и вида (две буквы): усилитель низкой частоты — УН, усилитель операционный — УД, источник питания — выпрямитель — ЕВ, набор диодов — НД, логический элемент НЕ — ЛН.
Четвертый элемент — одна или несколько цифр, указывающих порядковый номер разработки ИМС в данной серии.
После четвертого элемента может стоять буква, отличающая данный тип в серии от другого по разбросу параметров, конкретные значения которых приводятся в справочниках.
Примеры обозначений интегральных микросхем:
К174УН7— усилитель низкой частоты широкого применения, серия К174, полупроводниковая ИМС, порядковый номер разработки серии 74, порядковый номер разработки усилителя низкой частоты в данной серии 7.
553УД2А — полупроводниковая ИМС серии 553, порядковый номер разработки серии 53, операционный усилитель, порядковый номер разработки которого в данной серии 2, значения электрических параметров соответствуют букве А.
204ЛИ1—гибридная ИМС серии 204, порядковый номер разработки 4, логический элемент ЭВМ И, порядковый номер разработки логического элемента в данной серии 1.
До введения действующего в настоящее время ГОСТ интегральным микросхемам присваивались старые буквенно-цифровые условные обозначения типов, некоторые из которых сохранились до сих пор. Старые обозначения отличаются от новых тем, что порядковый номер разработки серии стоит не до буквенных обозначений подгруппы и вида, а после них, т. е. второй и третий элемент меняются местами. Кроме того, могут отличаться и буквенные обозначения подгрупп и видов. Например, операционный усилитель К14ОУД1 обозначался раньше К1УТ401, усилитель низкой частоты К122УН1В обозначался как К1УС221В, где буквы УС означали: усилитель синусоидальных колебаний.
В кинотехнике интегральные микросхемы применяются в транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок для усиления электрических колебаний звуковой частоты. В усилителях большой мощности интегральные микросхемы еще не нашли применения; их используют для предварительного усиления сигнала, а также в качестве контрольных усилителей в аппаратных кинотеатров.
Контрольные вопросы
Какие ИМС называют аналоговыми и для чего их применяют?
Какие ИМС называют цифровыми (логическими) и i;iv они находят применение?
Что представляют собой БИС и микропроцессоры и где их используют?
Объясните систему обозначения ИМС.
Глава 5.5.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Общие сведения о функциональной микроэлектронике
Одним из современных направлений микроэлектроники наряду с интегральными микросхемами является функциональная микроэлектроника. В интегральной микроэлектронике проектирование, разработка и изготовление микросхем осуществляются на основе электрических схем. При этом в одном кристалле формируются области, каждая из которых эквивалентна определенной радиодетали. Усложнение интегральной микросхемы приводит к необходимости увеличивать количество элементов и уменьшать их размеры, что не беспредельно. При большом количестве очень малых элементов возрастают паразитные связи между ними и вредные взаимовлияния, которые трудно устранить.
В функциональной микроэлектронике приборы строят на основе преобразования энергии с использованием различных физических явлений в твердом теле, например фотоэлектрических, электронно-оптических, выделения тепла при прохождении электрического тока и, наоборот, возникновения э. д. с. при нагреве. Поэтому при создании функциональных микросхем не воспроизводят все элементы электрической схемы в соответствующих участках твердого тела, а создают области с определенными свойствами, необходимыми для выполнения данной функции.
В качестве примера рассмотрим простейший функциональный блок, который выполняет функцию преобразования переменного тока в постоянный (рис. 5.12, а). Для сравнения на рис. 5.12, б приведена простейшая электрическая схема, которая при реализации с помощью электрорадиоэлементов выполняет ту же функцию выпрямителя. Рассматриваемый функциональный блок состоит из трех областей: / — область, обладающая активным сопротивлением и выделяющая тепло при прохождении через нее электрического тока любого рода; 2 — область, являющаяся электрическим изолятором, но проводящая тепло; 3 — термоэлектрическая область, которая под воздействием теплового потока вырабатывает э. д. с. постоянного тока. К области / подводится переменное напряжение, и под действием электрического тока выделяется тепло. Тепловой поток проходит из области / через теплопроводящую область 2 в термоэлектрическую область 3, которая при этом генерирует постоянный ток.
Другим примером является пьезоэлектрический кристалл, генерирующий колебания подобно резонансному контуру, содержащему катушку индуктивности, конденсатор и резистор.
По сравнению с электрической схемой количество элементов или компонентов в функциональной микросхеме гораздо
меньше, а следовательно, появляется возможность значительно уменьшить размеры и стоимость устройств, а главное, резко повысить надежность схемы и устройства в целом.
Однако функциональные микросхемы не универсальны. Это специфические схемы, имеющие свои преимущества и недостатки. В основном они используются для управления электрическими сигналами, однако могут найти применение и в случаях, когда
Рис. 5.12. Функциональный блок для выпрямления переменного тока (а) и аналогичная по функции электрическая схема (б)
входными или выходными величинами являются тепло, электромагнитное излучение, механическое смещение и т. п. В качестве материала, на базе которого создаются функциональные микросхемы, могут использоваться как полупроводники, так и сверхпроводники, диэлектрики, фотопроводящие материалы и другие.
Направления функциональной микроэлектроники
Оптоэлектроника основана на использовании различных оптических явлений, т. е. свойств твердых тел, вызванных световым потоком. Световой поток электрически нейтрален, не создает электрических контактов и гальванических связей, обладает односторонней направленностью и очень высокой несущей частотой, позволяет пропускать много каналов обработки информации.
Акустоэлектроника основана на явлениях, возникающих при взаимодействии потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. На этой основе можно осуществлять генерацию и усиление акустических волн с помощью потока электронов, скорость которых значительно превышает звуковую. В акустоэлектронике используются механические резонансные эффекты, пьезоэлектрический эффект и др. Акустоэлектроника занимается преобразованием электрических сигналов в акустические и акустических в электрические.
Прибор, основанный на электромеханическом резонансе, называют резонистором. Он представляет собой полевой транзистор с затвором, часть которого нависает над каналом. Сигнал подается на электрод, расположенный на изоляторе под нависаю-
щим концом затвора, а на затвор подается постоянное смещение. При совпадении частоты сигнала с частотой резонанса свободного конца затвора последний вибрирует под действием электрического поля между затвором и сигнальным электродом. Механические колебания, генерируемые при этом, могут иметь частоту от 1 кГц до 1 МГц.
На пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в изменении размеров образца материала под действием электрического поля, основана работа кварцевых генераторов и фильтров, а также ультразвуковых линий задержки. Пьезоэлектрические преобразователи возбуждают с помощью электрических сигналов акустические волны и осуществляют обратное преобразование акустических волн в электрический сигнал.
Магнитоэлектроника основана на использовании свойств слабых ферромагнетиков и магнитных полупроводников, которые имеют малую намагниченность насыщения и позволяют управлять движением намагниченных микроминиатюрных областей в трех измерениях. Используется для хранения, обработки и перемещения больших объемов информации, причем для хранения информации не требуется питания, а при ее перемещении выделяется очень небольшая мощность рассеяния.
Квантовая микроэлектроника основана на явлениях, которые возникают при изменении структуры тел на молекулярном уровне при их конденсации. Это сопровождается изменением оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел и жидких кристаллов при высокой чувствительности к внешним воздействиям, что используют для управления и преобразования потоков информации в различных функциональных устройствах.
Биоэлектроника, одно из направлений бионики, использует явления живой природы на молекулярном уровне. Она исследует принципы хранения и обработки информации в живых организмах для создания сверхсложных систем обработки информации, подобных по своим функциональным возможностям человеческому мозгу. Биоэлектроника изучает нервную систему животных и человека для совершенствования микроэлектронных устройств и разработки для них новых элементов. Использование явлений живой природы в микроэлектронике — это перспективное направление, которое таит в себе огромные возможности.
Диэлектрическая электроника использует свойства тонких пленок диэлектриков, возникающие при контакте их с тонкими пленками металла. При этом из металла в диэлектрик эмитти- руются электроны, которыми обогащается приконтактный слой диэлектрика. Они распространяются во всем объеме тонкой диэлектрической пленки благодаря очень малой ее толщине и определяют проводящие свойства диэлектрической пленки. Если между двумя пленочными металлическими электродами с разными
значениями работы выхода расположить тонкую пленку диэлектрика толщиной в единицы микрометра, то электроны будут переходить из металла с меньшей работой выхода в диэлектрик, заполнять всю его толщину и под действием приложенного внешнего напряжения создавать ток в диэлектрике. На этом основан принцип действия диэлектрических диодов и транзисторов, характеристики которых аналогичны соответствующим характеристикам электровакуумных диодов и триодов.
Хемотроника (ионика) изучает физико-химические и электрохимические процессы, протекающие в жидкостях. В электрохимических приборах жидкость служит электролитом, используются ионные процессы. На основе электрохимических явлений созданы приборы, выполняющие функции выпрямителей, усилителей и ряда других преобразователей сигнала, а также управляемые сопротивления и запоминающие устройства.
Управляемое сопротивление выполняет функции переменного резистора, не имеющего движущихся контактов. Управляемое сопротивление представляет собой резистивный электрод из инертного металла, например платины, от концов которого сделаны два вывода. Между этими выводами электрод имеет определенное омическое сопротивление. Управление его величиной осуществляется с помощью второго электрода из меди, имеющего свой вывод. Оба электрода помещены в герметический корпус, пространство между ними заполнено электролитом, содержащим соединения меди. При подаче постоянного напряжения, когда резистивный электрод является катодом, а управляющий — анодом, происходит электролиз, в результате которого медь из электролита осаждается на резистивном электроде, уменьшая его сопротивление, а управляющий электрод частично растворяется в электролите. Если изменить полярность управляющего напряжения, то слой меди на резистивном электроде (аноде) начнет растворяться, а на управляющем (катоде) осаждаться. В результате этого сечение резистивного электрода уменьшится, а его сопротивление возрастет. После прекращения подачи управляющего сигнала сопротивление остается неизменным, таким, как оно было в момент выключения сигнала, т. е. «запоминается» прибором надолго.
Созданы также электрохимические твердотельные приборы, называемые ионисторами. Они имеют большую емкость (более 50 Ф), долго сохраняют заряд и могут быть использованы в качестве низковольтного источника питания в микроэлектронной аппаратуре, а также в качестве запоминающего устройства.
Функциональные микросхемы могут быть основаны и на других явлениях и физических процессах в твердом теле.
Основные сведения об оптоэлектронике
Одной из важных самостоятельных областей функциональной микроэлектроники является оптоэлектроника. В оптоэлектронных устройствах осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические и наоборот; световой луч при этом выполняет такие же функции управления, преобразования и связи, как электрический сигнал в электрических цепях. Преимущества оптоэлектронных устройств объясняются тем, что их элементы связаны оптически, но изолированы друг от друга электрически. В то время как электроны являются заряженными частицами и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, частицы светового луча — фотоны — электрически нейтральны, не взаимодействуют друг с другом, не смешиваются и не рассеиваются. При этом исключаются паразитные связи между выходом и входом, легко согласовать высокоомные и низкоомные цепи, а также высокочастотные и низкочастотные, высоковольтные и низковольтные цепи, получить идеальную изоляцию.
Недостатком оптических систем является то, что оптический сигнал нельзя использовать для непосредственного преобразования его в механическую энергию, чтобы привести в движение реле, двигатели и другие механизмы. Для осуществления различных функций в оптоэлектронике обычно объединяют оптические и электрические системы. Различают два направления оптоэлектроники: оптическое и электронно-оптическое.
Оптическим направлением оптоэлектроники является лазерное направление, использующее эффекты взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением, голографию, фотохимию.
Электронно-оптическое направление использует электролюминесценцию, т. е. излучение света под действием электрического тока, и фотоэлектрические свойства элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Это применяется в микроэлектронике для создания функциональных оптоэлектронных микросхем, которые по сравнению с интегральными микросхемами позволяют значительно уменьшить паразитные связи между элементами внутри микросхемы и между микросхемами, а также повысить плотность информации, быстродействие, помехозащищенность и надежность устройств.
Методами оптоэлектроники могут быть созданы следующие устройства: преобразователи электрических сигналов — ключи, переключатели, усилители, генераторы, логические схемы и элементы памяти ЭВМ; преобразователи оптических сигналов — твердотельные электронно-оптические и электроннолучевые приборы, например усилители света и изображения, передающие и воспроизводящие экраны; устройства отображения информации — цифровые табло, индикаторные экраны и др.
Главным структурным элементом или компонентом оптоэлектроники является оптрон, основу которого составляет оптронная пара — фотоизлучатель и фотоприемник. Фотоизлучателем в принципе может быть любой управляемый источник света, световой поток или яркость которого однозначно зависит от электрического сигнала, поступающего на его вход. Фотоизлучатели должны удовлетворять требованиям миниатюрности, малой потребляемой мощности, высокой эффективности и надежности, долговечности, механической прочности и технологичности. Наибольшее распространение в качестве фотоизлучателей в оптронах нашли светодиоды, относящиеся к электролюминесцентным источникам света. В качестве фотоприемников используют полупроводниковые приборы, преобразующие световое излучение в электрические сигналы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
При подборе фотоизлучателя и фотоприемника в оптрон- ную пару необходимо согласовать их спектральные характеристики.
Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть среда, которая играет роль световода. К материалу световода предъявляются определенные требования: он должен быть прозрачен в рабочей области, обладать большим коэффициентом преломления, высокой плотностью прилегания к материалам источника и приемника света и иметь с этими материалами одинаковый температурный коэффициент расширения. Большой коэффициент преломления необходим для уменьшения потерь света при отражении от границы светодиода и световода. Материалы с большим коэффициентом преломления называют иммерсионными. В качестве световодов большое распространение получили иммерсионные стекла — свинцовые и селеновые, а также волоконная оптика — тонкие нити стекла или пластмассы (волокна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели, проводящие свет подобно тому, как многожильные металлические кабели проводят электрический ток. С помощью волоконной оптики можно получить большое количество каналов для передачи оптической информации. Волокна световода можно изгибать и скручивать, причем каждое волокно все равно будет передавать свой оптический сигнал, например определенный элемент изображения.
В микроэлектронике используют только те оптронные пары, которые можно изготовить методами интегральной технологии, совместимыми с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.
Оптроны
Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые объединены конструктивно и имеют оптическую (фотонную) или электрическую внутреннюю связь (рис. 5.13). Оптрон имеет вход и выход. Цепи входа и выхода называют внешними связями, в отличие от связи между источником и приемником света внутри оптрона.
Рис. 5.13. Структурные схемы оптронов: а — с внутренней фотонной связью; б — с внутренней электрической связью; / — фотоизлучатель; 2 — фотоприемник, 3 — световод, 4— усилитель электрического сигнала
В зависимости от вида внутренней, а следовательно, и внешних связей различают два типа оптронов: первый, основной, тип — с фотонной внутренней связью — имеет электрические внешние связи; второй — с электрической внутренней связью — имеет фотонные внешние связи.
Рассмотрим принцип действия этих оптронов.
В оптроне с внутренней фотонной связью (рис. 5.13, о) на вход подается электрический сигнал; под действием этого сигнала в фотоизлучателе, например светодиоде, проходит ток, возбуждающий свечение; световой поток по световоду попадает на фотоприемник, например фотодиод, в результате чего в его цепи проходит ток. Изменение напряжения на входе или входного тока светодиода вызывает изменение яркости его свечения или светового потока, а это в свою очередь вызывает изменение тока и напряжения на выходе фотоприемника, т. е. появляется электрический сигнал на выходе. В этом случае в оптроне происходит преобразование вида: электрический сигнал — оптический сигнал — электрический сигнал. Такой оптрон может служить для усиления электрических сигналов. Поскольку внутренней электрической связи в нем нет, получается идеальная гальваническая развязка выходной и входной цепей и односторонняя направленность сигнала.
К параметрам оптрона с внутренней фотонной связью отно-
сятся максимально допустимый входной ток, максимально допустимое входное напряжение, сопротивление изоляции, проходная емкость, выходные параметры фотоприемника.
Сопротивление изоляции оптрона очень велико; оно может достигать 1012—1014 Ом. Проходная емкость очень мала: порядка 10"2 пФ.
Оптрон с внутренней электрической и внешними фотонными связями (рис. 5.13, 6) осуществляет преобразование вида: оптический сигнал — электрический сигнал — оптический сигнал. Входным сигналом является световой поток, который поступает на фотоприемник, например фотодиод. Изменения светового потока вызывают изменение тока в выходной цепи фотоприемника, а следовательно, и во входной цепи фотоизлучателя. Световой поток фотоизлучателя, например светодиода, изменяется с изменением проходящего через него тока. Между фотоприемником и фотоизлучателем обычно включается усилитель электрических сигналов, для того чтобы через источник света проходил больший ток. Это увеличивает яркость свечения. Рассмотренный тип оптрона может служить усилителем оптических сигналов и преобразователем частоты этих сигналов; например, сигналов инфракрасного или рентгеновского излучения — в сигналы видимого спектра.
Оптрон может быть изготовлен из дискретных элементов — бескорпусных светодиода и фотодиода, помещенных в общий герметичный металлический корпус. Такой оптрон внутри заливают специальным стеклом, служащим световодом; корпус имеет четыре наружных вывода — два входных и два выходных. Структура такого оптрона показана на рис. 5.14, а. Условное графическое обозначение оптронов с фотонными связями при использовании разных типов фотоприемников показано на рис. 5.14,6.
В микроэлектронике оптроны изготовляют в едином технологическом процессе методом интегральной технологии одновременно с другими элементами микросхемы оптоэлектронного изделия. Структура оптрона, применяемого в оптоэлектронных ИМС, приведена на рис. 5.14, в. Фотоприемник формируется по планарно-диффузионной технологии на основе кремния п-типа, в котором создается слой p-типа. Полученная структура с р-п переходом представляет собой фотодиод. На него наносится иммерсионная среда, например селеновое стекло, являющееся световодом. На этом слое формируется р-п переход светодиода на основе арсенида галлия GaAs n-типа с диффузионным слоем p-типа. На каждом слое создаются омические контакты для присоединения внешних выводов.
Для интегральных оптоэлектронных схем создают световоды в виде диэлектрических тонкопленочных микроволноводов оптического диапазона: на прозрачную подложку методами микроэлект-
роники (вакуумного напыления или эпитаксиального наращивания) наносят тонкий слой светопроводящего диэлектрического или полупроводникового материала, который имеет коэффициент преломления более высокиий, чем подложка. Этот световод — полоска пленки толщиной 0,5 мкм и длиной 14-3 мкм — удерживает световой луч в своих пределах благодаря полному внутреннему отражению на границе с подложкой. Таким методом с помощью маски на подложку можно наносить световоды любой конфигурации и создавать сложные оптические схемы с
Вход
Рис. 5.14. Оптроны: а — структура оптрона на дискретных бескор- пусных светодиоде (/) и фотодиоде (2); б — условное графическое обозначение оптронов: резисторного, диодного, |ранзисторного и тиристорного (3, 4, 5, 6); в—структура интегрального микроэлектронного оптрона; 7 — фотоизлучатель; 8 — светодиод; 9 — фотоприемник; 10 — омические контакты для выводов
разветвляющимися микроволноводами. Этим занимается интегральная оптика.
Мы рассмотрели простейшие оптроны, в которых источником света является светодиод, а фотоприемником служит фотодиод. Такой диодный оптрон имеет большое сопротивление между цепями входа и выхода и используется в качестве ключа. Его выходное сопротивление при отсутствии светового потока, когда фотодиод закрыт, составляет 102—104 МОм, т. е. цепь оказывается разомкнутой, а при наличии светового потока, в открытом состоянии, сопротивление уменьшается в миллионы раз (до 102— 104Ом). Быстродействие диодного оптрона позволяет производить переключения тока с частотой 106—107 Гц.
Транзисторные оптроны содержат в качестве фотоприемника фототранзистор, который имеет большую чувствительность, чем фотодиод. Поэтому транзисторные оптроны более экономичны. По сравнению с диодными оптронами их быстродействие меньше: максимальная частота переключений до Кг Гц.
В тиристорных оптронах в качестве фотоприемника используют фототиристор, в результате чего увеличивается допустимый импульс выходного тока: более 5 А при входном токе менее 10 мА. Эти оптроны могут быть использованы для управления мощными цепями сильноточных устройств.
Рассмотренные три вида оптронов применяются в основном в качестве быстродействующих ключей и работают в ключевом режиме, т. е. могут находиться в двух крайних состояниях — открытом и закрытом.
При автоматическом управлении различными цепями для бесконтактных регулировок используют резисторные оптроны, в которых фотоприемником служит фоторезистор. Их быстродействие невелико, но более широк диапазон величин входных сигналов и меньше темновой ток.
Более сложные оптроны могут содержать помимо фотоизлучателя и фотоприемника электронный усилитель на выходе фотоприемника, причем все эти элементы формируются методами микроэлектроники на одной кремниевой подложке и заключаются в корпус.
Система обозначения оптронов в качестве первого элемента содержит букву, определяющую материал светодиода; например, А — арсенид галлия и другие соединения галлия, К — карбид кремния и другие его соединения; второй элемент — буква О — оптрон; третий элемент — буква, определяющая тип оптрона по виду фотоприемника: Р — резисторный, Д — диодный, Т — транзисторный, У — тиристорный; четвертый и пятый элементы такие же, как для светодиодов. Например, АОД101 —диодный оптрон светодиод — фотодиод на основе арсенида галлия, малой мощности, порядковый номер 01.
Контрольные вопросы
Назовите основные направления функциональной микроэлектроники.
Какие функции выполняют оптоэлектронные устройства и в чем их преимущества перед электронными устройствами?
Что представляет собой оптронная пара?
Какие бывают типы оптронов в зависимости от вида внутренней и внешних связей оптронной пары? Нарисуйте их структурные суемы.
ЛИТ»АТУРА
Вайсбурд Ф. И., Панаев Г. А., Савельев Б. Н. Электронные приборы и усилители. М.: Радио и связь, 1987.
Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа, 1982.
Джакония В. Е. и др. Телевидение. М.: Радио и связь, 1986.
Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроники. М.: Высшая школа, 1983.
Жеребцов И. П. Основы электроники.М.: Энергоатомиздат, 1985. Заб^^ Ю С Промышленная электроника. М.: Высшая школа, Криштафович А. К. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1984.
Криштафович А. К., Трифонок В. В. Основы промышленной электроники. М.: Высшая школа, 1985.
^ве?979 ^ П°^пров^~е пРибоРы- М.: Высшая школа,
Сапаров В. Е., Максимов Н. А. Система стандартов в электросвязи и радиоэлектронике. М.: Радио и связь, 1985.
Харченко В. М. Основы электроники. М.: Энергоиздат, 1982.
Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Горюнова Н Н Изд 5-е М.: Энергия, 1979.
СОДЕРЖАНИЕ
От авторов 3 Введение 5
Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 11
Глава 1.1. Электропроводность полупроводников 11
Глава 1.2. Электронно-дырочный переход 24
Глава 1.3. Полупроводниковые диоды 37
Глава 1.4. Биполярные транзисторы 52
Глава 1.5. Полевые транзисторы 73
Глава 1.6. Тиристоры 85
Глава 1.7. Однопереходные транзисторы 98
Раздел 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ 106
Глава 2.1. Электронная эмиссия 106
Глава 2.2. Триод 110
Глава 2.3. Многоэлектродные лампы 123
Раздел 3. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 136
Глава 3.1. Электроннолучевые трубки 136
Глава 3.2. Электровакуумные фотоэлектронные приборы 159
Глава 3.3. Полупроводниковые фотоэлектронные приборы 170
Глава 3.4. Светоизлучающие диоды 185
Раздел 4. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ 193
Глава 4.1. Электрический разряд в газе 193
Глава 4.2. Приборы тлеющего разряда 199
Раздел 5. ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 203
Глава 5.1. Миниатюризация и микроминиатюризация электронных устройств 203
Глава 5.2. Интегральные микросхемы 206
Глава 5.3. Элементы интегральных микросхем 212
Глава 5.4. Виды интегральных микросхем 222
Глава 5.5. Функциональная микроэлектроника 229
Литература 239