Дрейфовый ток

Свободные электроны хаотически перемещаются по кристаллу полупроводника. Помимо этого происходит разрушение ковалентных связей одних атомов (процесс ге­нерации носителей заряда) и восстановление ковалентных связей (рекомбинация) других, рядом расположенных с ними атомов, что сопровождается исчезновением дырок в одном месте и появлением их в другом. Такое явление по­зволяет представить дырки в качестве подвижных свобод­ных носителей элементарного положительного заряда.

Если в полупроводниках создать электрическое поле на­пряженностью Е, то хаотическое движение электронов и дырок приобретет направленный характер: электронов — в направлении, противоположном направлению напряженно­сти поля, а дырок — в направлении, совпадающем с на­правлением напряженности. Направленное движение заря­дов вызовет протекание через полупроводник электричес­кого тока, называемого дрейфовым и имеющего две состав­ляющие — электронную и дырочную, плотности которых соответственно равны

J_nдр=qnµ_n EJ_pдp =qpµ_р E

где п и р — концентрация электронов и дырок в полупроводнике; ц„ и ц„ — подвижность электронов и ды­рок,

Подвижность электронов и дырок равна их сред­ней скорости в электрическом поле с напряженностью Е = 1 В/см, т.е.

µ_n = V_n/E, µ_p = V_p/E

Значения ji_n и \i_p зависят от температуры и концентрации примесей. С ростом температуры и концентрации приме­сей подвижность носителей заряда уменьшается, что связа­но с увеличением числа столкновений зарядов в единицу времени.

Поскольку электроны и дырки под действием электри­ческого поля движутся в противоположных направлениях (напомним, что за направление тока принимается направле­ние движения положительных зарядов), то результирующая плотность протекающего через полупроводник тока равна

Устройство и характеристики электронных вакуумных приборов

Электронные лампы

Первыми в радиоэлектронной технике начали использовать вакуумные электронные приборы — электронные лампы. Конст­рукции и внешний вид наиболее распространенных электронных ламп (диодов и триодов) показаны на рис. 12.

Работа электронной лампы основана на создании потока электронов в вакууме и управлении им с помощью электрических полей, формируемых специальными электродами. Электронная
лампа состоит из нескольких металлических электродов, заклю­ченных в стеклянный, керамический или металлокерамический баллон, внутри которо­го создан высокий вакуум. Один из электродов — катод — нагре­вают спиралью до температуры 500... 700 °С. Под действием вы­сокой температуры электроны покидают металлическую поверхность катода и образуют вокруг него электронное облако.

В простейшей электронной лампе диоде второй электрод анод, имеет форму цилиндра,

Рис. 12. Схемы диода (а), триода (б) и их внешний вид (в):

1- стеклянный баллон; К- катод; А-анод; С-управляющая сетка

Рис.13, Схема (а) подключения напряжения кламповому диоду для снятия ВАХ (б) и схема детектирования (в)

охватывающего катод. Если к диоду подвести постоянное напря­жение, как показано на рис. 13, а (плюс — на анод и минус — на катод — прямое включение), электроны под действием электри­ческого поля устремятся от катода к аноду, создавая электриче­ский ток в цепи. Если в цепь включить резистор R (рис. 13, в), то при появлении тока в лампе на нем появится перепад напряжений.

При малом анодном напряжении только небольшая часть элек­тронов притягивается анодом, а остальные электроны образуют пространственный заряд вокруг катода. По мере возрастания анод­ного напряжения увеличивается число электронов, достигающих катода, и ток в цепи растет, а плотность пространственного заря­да уменьшается. Когда напряжение и ток возрастают настолько, что пространственный заряд полностью «рассасывается» и все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, рост тока с ростом анодного напряжения замедляется и наступает режим на­сыщения.

Измеряя зависимость тока от напряжения получают ВАХ ди­ода, представленную на рис. 13, б.

Если поменять полярность подключаемого к диоду напряже­ния, т.е. к аноду подвести минус, а к катоду — плюс (обратное включение), ток в электронной лампе не пойдет, так как анод при этом остается «холодным» и не испускает электроны. Следо­вательно, электронная лампа диод обладает односторонней (вен­тильной) проводимостью.

Это свойство используется при применении электронных ламп в качестве детектора в радиоэлектронных устройствах и в каче­стве выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. Электронная лампа триод имеет третий электрод — сетку, — устанавливаемый между анодом и катодом (рис. 14, а). Располага­ется он ближе к катоду, поэтому напряжение, подаваемое на него, сильнее влияет на поток электронов между анодом и катодом. Так как третий электрод выполняется действительно в виде сетки или спирали, окружающей катод, то сам он забирает мало электро­нов, а большая их часть проскакивает к аноду. Из-за близкого распо­ложения сетки к катоду небольшие изменения напряжения на ней сильнее сказываются на потоке электронов к аноду и значении анодного тока. Именно это свойство триода используется для уси­ления электрических сигналов.

На рис. 14, а показана схема включения триода в усилитель­ном каскаде, а на рис. 14, 6 приведено семейство его ВАХ при различных напряжениях на сетке. Прямая АС показывает зависи­мость тока триода от напряжения на сетке (U_вх), если рабочая точка В выбрана при смещении на сетке, равном 2В. Колебания тока приводят к колебаниям падения напряжения между катодом и анодом (U_ВЫХ) или на нагрузочном сопротивлении R. Причем при возрастании напряжения U _вх на сетке напряжение U_ВЫХ будет сильно падать. В этом случае усилительный каскад является ин­вертирующим (переворачивающим полярность напряжения сиг­нала).

Так как питающее напряжение триода составляет обычно 200...250 В, изменение напряжения на сетке в +1 В приводит к падению напряжения на выходе на 100... 150 В, т.е. триоды имеют довольно большой коэффициент усиления по напряжению.

Рис.14. Схема включения триода в усилительном каскаде (а) и семейство его ВАХ (б) при различных напряжениях на сетке

Благодаря своим усилительным свойствам электронные лампы широко применялись в радиоэлектронной аппаратуре, пока им на смену не пришли полупроводниковые транзисторы и инте­гральные микросхемы.

Некоторые недостатки триодов требовали их усовершенство­вания, поэтому были созданы лампы с двумя и тремя сетками — соответственно тетроды и пентоды. Такие лампы имеют более вы­сокие коэффициенты усиления, улучшенные частотные и шумо­вые характеристики, более высокие рабочие напряжения и токи. Мощные усилительные электронные лампы, используемые в ра­диопередатчиках, часто называют генераторными, или модуля­торными.

На основе триодов и других электронных ламп разработано множество электронных устройств. Это прежде всего электронные усилители разнообразного назначения: резонансные, широкопо­лосные, импульсные, силовые и т.п.

Работа триодов во всех усилителях примерно одинаковая, а раз­личие усилителей определяется внешними электрическими цепя­ми. (Подробно работа цепей и усилительных каскадов рассматри­вается в последующих главах.)

Схема включения триода в резонансном усилителе приведена на рис. 15, а. Этот усилитель имеет наибольший коэффициент усиления на резонансных частотах, соответствующих резонанс­ной частоте контура на основе индуктивности L и емкости С.

Ламповый генератор — это устройство, в котором при помощи электронной лампы создаются незатухающие электрические коле­бания. Основными элементами простейшего лампового генератора являются электронная лампа с источниками питания и коле­бательный контур. Кроме того, в ламповых генераторах использу­ется положительная обратная связь между цепями сетки и анода лампы, при которой часть энергии перелается на управляющую сетку. На рис. 15, б дана схема включения триода в ламповом гене­раторе с индуктивной обратной связью на катушке резонансного контура.

Ламповый (катодный) вольтметр, предназначенный для изме­рения переменных напряжений в широком диапазоне частот (вплоть до СВЧ), представляет собой комбинацию одной или не скольких электронных ламп и чувствительного магнитоэлектри­ческого

Рис. Схемы включе­ния триода в резонан­сном усилителе (а) и ге­нераторе синусоидаль­ных колебаний (б)

измерительного стрелочного прибора. Измеряемые напряжения подводятся к управляющей сетке триода или многоэлект­родной лампы и изменяют постоянную составляющую анодного тока, регистрируемого измерительным прибором, проградуированным в единицах подводимого переменного напряжения. Так как входное сопротивление ламп очень велико (т.е. ток на сетке очень мал), особенно на низких частотах, то важным преимуще­ством лампового вольтметра по сравнению с вольтметрами других типов является его малое влияние на входной сигнал и, следова­тельно, малые искажения измеряемого сигнала.

Приведем некоторые сведения о модификациях электронных ламп и электровакуумных приборах специального назначения.

Клистрон — это электронный прибор, представляющий собой сочетание многоэлектродной лампы с объемными резонаторами и предназначенный для усиления и генерирования колебаний сверхвысоких частот (в диапазоне сантиметровых и миллиметро­вых волн). В этом приборе поток электронов, испускаемых като­дом, ускоряется электрическим полем и проходит через периоди­чески расположенные резонаторы, перед которыми установлены управляющие сетки. Пролетая через резонаторы, электроны взаи­модействуют с электрическими полями внутри них. Когда поле тормозит электроны, часть их энергии передается этому полю, и наоборот, когда электроны ускоряются полем, энергия поля пе­реходит к ним. Поток электронов модулируется переменным на­пряжением сеток, создающим сгустки электронов с разными ско­ростями. Если двухрезонаторный клистрон работает как усили­тель, то к первому резонатору подводят слабые колебания, а со второго резонатора снимают усиленные колебания. Для использо­вания клистрона в качестве генератора его резонаторы связывают между собой через проводники обратной связью. Изменение час­тоты клистрона в этом случае производят путем изменения фор­мы или размеров резонаторов.

Отражательный клистрон — это электронный прибор для ге­нерации ультравысоких частот (свыше 100 ГГц), относящихся к миллиметровому диапазону длин волн. Этот прибор имеет один резонатор, за которым расположен отражающий электрод под отрицательным напряжением. Анодом является корпус резонато­ра, в котором находится электрод для вывода высокочастотных колебаний. Сгустки электронов, как и в обычном клистроне, фор­мируются сеткой, расположенной между катодом и резонатором. Эти сгустки электронов, прошедшие через резонатор, возвраща­ются обратно в него отражающим электродом. Если они возвра­щаются в фазе, то в резонаторе возбуждаются колебания УВЧ. Изменяя напряжения на отражательном электроде, можно ме­нять частоту генерации.

Магнетрон — это многорезонаторный электронный прибор для генерации сверхвысоких частот большой мощности. Анод магнет­рона представляет собой массивный цилиндр, в центральной по­лости которого расположен катод, а в стенках находятся цилинд­рические резонаторные полости. Для создания нужной траекто­рии электронов, идущих от катода к аноду, применяется попе­речное магнитное поле. Под действием этого поля вылетающие из катода электроны искривляют спой путь в соответствии с законом Лорениа. Приближаясь к аноду, электроны движутся почти по касательной к его цилиндрической поверхности с прорезями, на­правленными к резонаторным полостям. Под действием случай­ных изменений потока электронов в резонаторах возникают колеба­ния, которые модулируют эти потоки электронов, создавая таким образом устойчивую генерацию СВЧ колебаний. Часть энергии колебаний отбирается в рабочую линию из одного резонатора ко­аксиальным волноводом с помощью петли связи.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — это специальная электронная лампа для усиления и генерации колебаний сверхвысоких частот (дециметровых и сантиметровых волн). Внутри этой лампы, вы­полненной в виде цилиндра диаметром 3 см и длиной 15... 20 см, вдоль провода, свитого в длинную спираль, распространяется элек­тромагнитная волна со скоростью света (с ≈ 300 000 км/с). Вдоль оси спирали электрическое поле этой волны распространяется с меньшей скоростью (так как эта последняя скорость представляет собой проекцию скорости распространения волн вдоль спирали на направление оси спирали). Одновременно вдоль оси спирали движется пучок электронов приблизительно со скоростью пере­мещения поля. Взаимодействуя с электрическим полем волны, электроны отдают ему часть своей энергии и тем самым усили­вают волну, распространяющуюся по спирали. При достаточно большом усилении в лампе наступает генерация колебаний. Ос­новные достоинства лампы бегущей волны как усилителя — воз­можность прямого усиления СВЧ сигналов в широкой полосе частот (до 10 % от средней частоты) и сравнительно низкий шумо­вой фактор.

Лампа обратной волны (ЛОВ) — это электронная лампа, в ко­торой в отличие от лампы бегущей волны электроны, сконцент­рированные в узкий пучок, движутся не в одном направлении с движущимся вдоль замедляющего устройства полем бегущей вол­ны, а встречно. При этом, так же как и в ЛБВ, взаимодействие движущихся электронов с полем бегущей волны приводит к усиле­нию этого поля. Основное применение лампы обратной волны — это генерация колебаний в диапазоне дециметровых и сантимет­ровых волн. Частота генерируемых ЛОВ колебаний может в неко­торых пределах изменяться путем изменения скорости движения электронов (электронной настройки). Различают ЛОВ типа О с продольным магнитным полем, используемые как генераторы малой мощности с низким КПД и стабильной частотой (напри­мер, в качестве гетеродинов в приемниках), и ЛОВ типа М с по­перечным магнитным полем, используемые как генераторы с КПД до 50 % и большой мощностью (до нескольких сотен ватт) в де­циметровом диапазоне.

Следует отметить, что хотя электронные лампы в настоящее время интенсивно вытесняются полупроводниковыми прибора­ми — диодами, транзисторами, интегральными микросхемами, они по-прежнему широко используются в электронной аппарату­ре. (Сведения о работе и характеристиках электровакуумных при­боров можно найти в специальной литературе.)

Маркировка электронных ламп

В соответствии с классификацией приняты условные обозна­чения типов электронных ламп в виде определенных комбинаций букв и цифр.

В маркировке отечественных генераторных и модуляторных ламп первые буквы обозначают:

ГК — генераторные лампы для работы на частотах, не превос­ходящих 25 МГц, т. е. в диапазоне от самых длинных до коротких волн включительно;

ГУ — генераторные лампы для работы в диапазоне ультра­коротких волн на частотах от 25 до 600 М Гц;

ГС — генераторные лампы для работы на частотах выше 600 МГц, т. е. в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн; ГМ — модуляторная лампа; ГИ — импульсная генераторная лампа; ГМИ — импульсная модуляторная лампа. Далее в маркировке через тире следует порядковый номер дан­ного типа генератора, а затем буквы А или Б (А — водяное охлаж­дение анода; Б — принудительное воздушное охлаждение анода). Отсутствие этих букв в маркировке указывает на естественное ра­диационное охлаждение анода.

Первым элементом в маркировке приемно-усилительных ламп и кенотронов является цифра, указывающая напряжение накала в вольтах (округленное до целых значений). Обычно это 6 В для больших ламп и ] В для малогабаритных (пальчиковых) ламп.

Второй элемент маркировки — это буква, обозначающая тип лампы:

А — частотно-преобразовательная лампа с двумя управляющи­ми сетками;

Б — пентод с одним или двумя диодами в одной колбе (диод — пентод);

В — пентод с вторичной эмиссией;

Г — триод с одним или двумя диодами в одной колбе (диод-триод);

Д — диод;

Е — индикатор настройки;

Ж — пентод (или лучевой тетрод) с короткой характеристикой;

И — частотно-преобразовательная лампа типа триод—гексод, триод—гептод или триод—октод;

К — пентод или лучевой тетрод с удлиненной характеристи­кой;

Н — двойной триод;

П — выходной пентод или лучевой тетрод;

Р — двойной пентод или тетрод;

С — триод;

Ф — частотно-преобразовательная лампа типа триод—пентод;

X — двойной диод;

Ц — кенотрон;

Э — тетрод.

Третий элемент маркировки — это порядковый номер данного типа ламп определенной мощности.

Четвертым элементом маркировки является буква, характери­зующая конструктивное оформление лампы:

С — лампа в стеклянном баллоне с цоколем;

К — лампа в керамическом баллоне (металлокерамическая лампа);

Ж — миниатюрная лампа типа «желудь»;

П — пальчиковая миниатюрная лампа диаметром 19 или 22,5 мм;

Г — сверхминиатюрная лампа диаметром более 10 мм;

Б — то же, диаметром 10 мм;

А — то же, диаметром 6 мм;

Р — то же, диаметром 4 мм;

Л — лампа с замком в ключе цоколя (препятствующим свобод­ному извлечению ее из панельки);

Д — лампа с дисковыми выводами.

Отсутствие четвертого элемента в маркировке указывает на то, что лампа заключена в металлический баллон.

Например: 6П6С — триод с напряжением накала 6 В для око­нечных каскадов усилителей звука в стеклянном баллоне; 6Ж8 — пентод ВЧ усилителей в металлическом баллоне; 1Н2С — малога­баритный двойной триод в стеклянном пальчиковом баллоне.

В маркировке некоторых ламп после четвертого элемента через тире указывается буква, обозначающая особые условия ее работы:

В — лампа повышенной механической прочности и надежности;

Е — долговечная лампа;

И — лампа, предназначенная для импульсной работы;

К — лампа высокой виброустойчивости.

Электронно-лучевые трубки и телевизионные кинескопы

Модификациями электронных ламп являются такие электро­вакуумные приборы, как кинескопы телевизоров, электронно­лучевые трубки, рентгеновские трубки, электронно-оптические преобразователи, видиконы и т.п.

В основе действия электронно-лучевых трубок и кинескопов лежит принцип электронной пушки. Это нагреваемый спиралью катод и ряд электродов, формирующих направленный пучок электронов, интенсивность которых регулируется сеточным элек­тродом.

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 16.

Кроме электронной пушки, включающей в себя катод 1, сет­ку 2 и ускоряющий электрод 3, в электронной лучевой трубке есть магнитная отклоняющая и фокусирующая система 5 и откло­няющие электроды 4, позволяющие направлять пучок электронов в различные точки внутренней поверхности экрана 9, имеющего металлическую анодную сетку 8с проводящим слоем люминофо­ра. Напряжение на сетку анода с люминофором подается через высоковольтный ввод 7. Пучок электронов, падающих с большой скоростью на люминофор, вызывает его свечение, и на экране можно видеть светящееся изображение пучка электронов.

Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах фор­мируют линейно изменяющееся напряжение, которое подастся на отклоняющие электроды и создаст развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумер­ную картину изображения.

Рис.16. Устройство электронно-лучевой трубки телевизионного при­емника:

1 — катод; 2 — управляющая сетка; 3 — ускоряющий электрод; 4 — отклоняю­щие электроды; 5 — магнитная отклоняющая и фокусирующая система; 6 — колбя; 7 — ввод для подключения высокого напряжения к аноду; 8 — анодная сетка с люминофором; 9 — экран; 10 — электронный луч

В телевизорах с цветным изображением применяются электрон­но-лучевые трубки с тремя электронными пушками, управляемые тремя независимыми сигналами, регулирующими яркость основных цветов: синего, зеленого и красного. Анод е них представляет со­бой металлическую маску с круглыми отверстиями напротив яче­ек с люминофорами синего, зеленого и красного свечений. В ре­зультате сканирования лучей при горизонтальной и вертикальной развертках электроны попадают на люминофор соответствующего цвета и вызывают его свечение. Формируемый при этом светло-зеленый цвет близок к лимонно-желтому, поэтому сочетание зе­леного и красного цветов дает промежуточный оранжевый или золотисто-желтый цвет. Сочетание красного и синего цветов дает фиолетовый или сиреневый цвет. Сочетание синего цвета с зеле­ным дает изумрудный и темно-зеленый цвета. При ярком включе­нии всех трех основных цветов формируется белый цвет.

Электронно-лучевые трубки используются и в видеокамерах, воспринимающих изображение. Электронный прибор, преобразу­ющий изображение в видеосигнал, называется видиконом. В нем электронный луч сканирует по внутренней поверхности экрана электронно-лучевой трубки, на которую с внешней стороны объек­тивом проектируется изображение. Внутренняя поверхность экра­на электронно-лучевой трубки покрыта фоторезистивным мате­риалом, меняющим сопротивление под действием света (обычно оксидом свинца РЬО). При сканировании по горизонтали и верти­кали сила тока электронного луча меняется в зависимости от осве­щенности поля, на которое падает луч. В цепи катода, питающего луч, находится резистор, на котором возникает перепад напря­жений, зависящий от тока электронного луча. Это напряжение и является телевизионным видеосигналом, который записывается на видеокассету или передается в радиоэфир после модуляции высокочастотными колебаниями.

В настоящее время существует много видов электронно-опти­ческих преобразователей, имеющих очень высокую чувствитель­ность, т. е. которые могут воспринимать инфракрасное излучение. Сведения о них можно найти в специальной литературе по теле­визионным устройствам.

Электронно-лучевые устройства используются и в научных приборах (например, электронных микроскопах), и в технологи­ческих установках (например, для высокоточной резки металлов электронным лучом). Также развивается новое направление микросхемотехники — нанотехнология, в которой резисторы, кон­денсаторы, проводники, диоды и транзисторы рисуются на слои­стых полупроводниковых структурах электронным лучом. При этом размеры полученных отдельных элементов составляют десятки нанометров, т. е. они примерно в сто раз меньше аналогичных эле­ментов, изготовленных фотолитографией.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (ЭДП)