Основы электроники и микроэлектроники - Федосеева Е.О., Федосеева Г.П.

Автор: Федосеева Е.О. Федосеева Г.П.
Теги: телевидение микроэлектроника электроника радиотехника электротехника
ISBN: 5—210—00243—8
Год: 1990
Похожие
Основы микроэлектроники
Основы электроники и микроэлектроники
Электроника и микропроцессорная техника.
Схемотехника электронных средств
Текст
                    Е.О.Федосеева, ГП.Федосеева
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
ББК 32.94—5
ФЗЗ
Ф 33 Федосеева Е. О., Федосеева Г. П. Основы элект-
роники и микроэлектроники: Учебник. — М.: Искус-
ство, 1990. — 240 с.
В учебнике рассматриваются электронные процессы при прохож-
дении электрического тока в полупроводниках, вакууме, разреженном
газе. Излагаются характеристики, параметры н принципы действия
полупроводниковых, электровакуумных, газоразрядных, электронно-
оптических и фотоэлектронных приборов, используемых в кинемато-
графии и видеотехнике. Даются основы микроминиатюризации элек-
тронных изделий, а также классификация, виды и обозначения инте-
гральных микросхем и оптронов.
Для учащихся кннотехннкумов; также может использоваться уча-
щимися радиотехнических техникумов и ПТУ и инженерно-техниче-
скими работниками кинофикации.
Ф
2302030100—153
025(01)—90
ББК 37.95
Елена Осиповна Федосеева
Галина 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 издания
60x 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. Тираж
30 000. 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 СССР
по печати. 191126 Ленинград, Социалистическая ул., 14.
ISBN 5—210—00243—8
© Федосеева Е. О., Федосеева Г. П., 1990 г.
2
ОТ АВТОРОВ
Книга «Основы электроники и микроэлектроники» является
учебником для учащихся кинотехникумов и соответствует про-
грамме одноименного курса по специальности «Эксплуатация
кинообрудования и видеотехники».
Современная электроника представляет собой обширную об-
ласть науки и техники, на основе которой создана и бурно разви-
вается электронная промышленность. Электронные и микроэлек-
тронные 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 требу-
ет 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 проектирова-
ния, создания и эксплуатации сложнейшего современного элек-
тронного оборудования и компьютерной техники.
В книге основное внимание уделено элементной базе совре-
менных электронных устройств. Рассматриваются физические
явления и электронные процессы при прохождении электричес-
кого 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, фотоэлект-
ронных и газоразрядных приборов, используемых в кино- и ви-
деотехнике: полупроводниковых диодов, стабилитронов, транзис-
торов, тиристоров, однопереходных транзисторов, триодов, пенто-
дов, лучевых тетродов, электроннолучевых трубок, фотодиодов,
фотоумножителей, светоизлучающих диодов, неоновых ламп,
а также интегральных микросхем и оптронов.
Главное внимание уделяется физическим процессам и объяс-
нению характеристик и параметров приборов в соответствии с
этими процессами.
Схемотехническая сторона использования электронных прибо-
ров и микросхем в данном учебнике подробно не рассматривает-
ся, поскольку изучение этих вопросов предусмотрено программа-
ми специальных предметов.
1
з
Книга может быть полезна для учащихся средних специаль-
ных учебных заведений связи и радиоэлектроники, профессио-
нально-технических училищ, готовящих киномехаников, а также
для инженерно-технических работников кинофикации.
Авторы выражают признательность рецензентам — зав. ка-
федрой 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 при-
няты авторами с признательностью. Отзывы просьба направлять
по адресу: 103009 Москва, Собиновский пер., 3, издательство
«Искусство», редакция литературы по художественным пробле-
мам массовой коммуникации.
4
ВВЕДЕНИЕ
Роль и значение электроники
Электроника — это область науки и техники, изучающая
теорию работы и практическое использование полупроводнико-
вых и электровакуумных приборов в различных электронных
устройствах и системах.
Во всех электронных приборах осуществляется преобразова-
ние либо одного вида электрического тока в другой (постоянно-
го — в переменный и наоборот), либо одного вида энергии в дру-
гую (например, электрической в световую и наоборот) за счет
управления потоком заряженных частиц.
Современная электроника охватывает обширный круг вопро-
сов, связанных с исследованием физических явлений, происходя-
щих 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 явля-
ется микроэлектроника, бурно развивающаяся на основе микро-
миниатюризации электронной аппаратуры. Ее элементной базой
являются не отдельные электрорадиодеталй, а интегральные
микросхемы, каждая из которых представляет собой функцио-
нальный узел электронного устройства, сформированный в еди-
ном полупроводниковом кристалле.
Одно из важных направлений современной электроники —
радиоэлектроника, занимающаяся разработкой и применением
электронной аппаратуры для целей радиовещания, радиолока-
ции, радионавигации, космонавтики, телевидения, звукового
кино, связи. Другое направление — промышленная электроника,
обеспечивающая внедрение электронных устройств во все отрас-
ли народного хозяйства, науки и техники, быта как для электро-
энергетики, так и для целей измерения, контроля и управления
различными промышленными объектами и автоматизации техно-
логических и производственных процессов.
Значение электроники трудно переоценить. Она играет важ-
нейшую роль в решении всех задач, стоящих перед народным
5
хозяйством. Без электроники немыслимы ускорение социально-
экономического развития страны, всемерная интенсификация и
повышение эффективности производства на базе научно-техни-
ческого прогресса.
Техника кинематографии и видеотехника базируются на ис-
пользовании электронных устройств, в которых применяются
полупроводниковые и электровакуумные приборы. Например, при
воспроизведении звука с фотографической фонограммы кино-
фильма световой поток от читающей лампы кинопроектора про-
ходит сквозь фонограмму на фотодиод или фотоумножитель,
который преобразует световые колебания в электрические. Одна-
ко мощность этих колебаний слишком мала, чтобы привести в
действие громкоговоритель кинозала. Поэтому слабые электри-
ческие 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 электронно-
лучевые 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 полу-
проводниковые 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 полу-
проводника. К ним относятся полупроводниковые диоды, тран-
зисторы, 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 воз-
дух до давления, не превышающего 10~б гПа. При таком высо-
ком вакууме в процессах участвуют только электроны. К таким
приборам относятся электронные лампы, электроннолучевые
трубки, фотоумножители и другие.
Электровакуумные приборы, действие которых основано на
6
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 лам-
пы, цифровые индикаторы тлеющего разряда, газоразрядные
источники света и другие.
По виду преобразования энергии различают электропреобра-
зовательные, 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 подраз-
деляют на выпрямительные, усилительные и генераторные.
Выпрямительные приборы преобразуют переменный ток про-
мышленной частоты в постоянный ток, а также осуществляют
детектирование высокочастотных колебаний в радиотехнике.
К ним относятся полупроводниковые диоды.
У силительные приборы предназначены для увеличения мощ-
ности электрических колебаний различной частоты, а также
постоянного тока. К ним относятся транзисторы, триоды, много-
электродные лампы. Усилительные приборы могут выполнять
функцию вырабатывания электрических колебаний разной часто-
ты 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 развива-
лась 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 осве-
тительную лампу с нитью накаливания, которая является прообразом электро-
вакуумного прибора. В 1883 г. Томас Эдисон обнаружил прохождение электри-
ческого 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.
7
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 элек-
тронных 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 раз-
работаны академиком Н. Д. Папалекси в 1914 г., а первые вакуумные приемно-
усилительные лампы создал М. А. Бонч-Бруевич в 1916 г. Однако в технически
отсталой царской России эти изобретения, как и многие другие, не были исполь-
зованы, 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 Ниж-
нем 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, превративши-
еся 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 лаборато-
рии, руководимой А. А. Чернышевым и С. А. Векшинским, был создан электро-
ламповый 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 созда-
вались фотоэлектронные и электронно-оптические приборы. В 1887—1889 гг.
А. Г. Столетов вывел основной закон фотоэлектронной эмиссии, на основании ко-
торого 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 пред-
ложил в 1910—1911 гг. Д. А. Рожанский, а в 1912 г. профессор Б. Л. Розинг про-
демонстрировал возможность использования электроннолучевых трубок для пере-
дачи и приема телевизионного изображения. Созданием передающих и приемных
электроннолучевых трубок занимались советские ученые П. В. Шмаков, П. В. Ти-
мофеев, С. И. Катаев.
На современном этапе развития электроники полупроводниковые приборы
практически вытеснили электровакуумные почти во всех областях науки и техни-
ки. Интересна история их развития. Еще в 1874 г. А. С. Попов обнаружил выпря-
мительные свойства контактов между металлом и некоторыми сернистыми соеди-
нениями, 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 полупро-
водники долгое время не находили технического применения.
О. В. Лосев, изучая полупроводниковые кристаллы в Нижегородской
радиолаборатории, разработал в 1922 г. радиоприемник с использованием такого
8
кристалла. Дальнейшие его работы привели в 1923 г. к обнаружению в кристал-
лах 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 фотоэлектри-
ческих 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. Поз-
днее 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, конструирова-
нием, 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 межсоедине-
ния создаются в едином технологическом процессе, после чего кристалл гермети-
зируется в корпусе с выводами для внешних соединений. Полученная интеграль-
ная микросхема выполняет определенную функцию преобразования электричес-
кого сигнала и является законченным узлом устройства — усилителем, выпрями-
телем, 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 кон-
денсаторов. 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 электропровод-
ностью: фотоэлектрических, оптических, магнитных, электрохимических, тепловых,
ультразвуковых и т. д. В зависимости от используемых явлений различают на-
правления функциональной микроэлектроники. Одним из них, получившим широ-
кое 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.
9
Первые разработки в области интегральных микросхем появились в конце
50-х — начале 60-х г. В 1961 —1962 гг. начали создавать отечественные микро-
схемы 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 сверхбыстро-
действующие микросхемы и микропроцессоры. Одновременно все большее разви-
тие получает функциональная микроэлектроника.
Постоянное совершенствование производства полупроводниковых приборов
идет по пути разработки новых технологических процессов и методов использо-
вания новых материалов, широкого внедрения автоматизации и механизации
производственных процессов.
10
Раздел 1.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 1.1.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1.1.1.	Строение и энергетические свойства
кристаллов твердых тел
Все вещества по электрическим свойствам делят на три
группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
По величине удельной электрической проводимости полупро-
водники занимают промежуточное положение между проводника-
ми и диэлектриками. Они обладают особыми свойствами, свя-
занными с физической сущностью механизма их электропровод-
ности. На этих свойствах основан принцип действия разнообраз-
ных 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 распро-
странение для изготовления полупроводниковых приборов, —
следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдель-
ного 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 элек-
тронов 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 энерге-
тической диаграммы. Пример такой диаграммы для изолирован-
II
него 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 элект-
ронов в отдельном атоме (а) и расщепление их на
энергетические зоны в кристалле (6)
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 заня-
того этим электроном уровней, В этом случае атом переходит
в возбужденное состояние.
Возбуждение атомов может осуществляться за счет воздей-
ствия любого вида энергии — тепловой, световой, электрической,
магнитной, причем внешняя энергия может поглощаться электро-
нами 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 вы-
делением 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
12
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 выделе-
нием избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая
энергия равна затраченной ранее на ионизацию атома.
При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимо-
действие между атомами, в результате которого разрешенные
уровни энергии отдельных атомов как бы расщепляются на ряд
близко расположенных, но отделенных друг от друга (дискрет-
ных) 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 направ-
лением вращения вокруг собственной оси.
Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при
температуре абсолютного нуля Т — О К, образуют в кристалле
заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными
электронами, называется валентной зоной.
Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не заня-
тые электронами при Т = О К, образуют в кристалле свободную
зону, ее нижняя часть, уровни которой могут занимать электро-
ны, получившие дополнительную энергию, называется зоной про-
водимости. Электроны, находящиеся в зоне проводимости,
участвуют в создании электрического тока под действием при-
ложенного 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 , которы-
ми не могут обладать электроны в кристалле. Наличие запрещен-
ной зоны характерно для полупроводников и диэлектриков; у
металлов ее нет.
Энергетические диаграммы металлов, полупроводников и ди-
электриков при Т — О К представлены на рис. 1.2. На этих диаг-
раммах 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
в
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 действи-
ем электрического поля свободные электроны движутся направ-
ленно, обеспечивая высокую удельную электрическую проводи-
мость. Эти свойства отражает энергетическая диаграмма металла
(рис. 1.2, а), на которой валентная зона непосредственно грани-
чит 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 темпера-
туре, отличной от абсолютного нуля.
3
Рис. 1.2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводни-
ков (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, завися-
щую от ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной
зоны ЛЩ, —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 валент-
ные электроны слабее связаны с ядром. Сравнительно небольшая
величина запрещенной зоны у полупроводников служит причиной
того, что уже при некотором значении температуры, отличном
* Один электрон-вольт (1 эВ)—это энергия, которую приобретает электрон,
пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 В.
от абсолютного нуля, часть электронов получает достаточную
энергию для перехода в зону проводимости.
Если дополнительная энергия, сообщаемая валентным элект-
ронам, превышает величину Д1Г3, 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 проводи-
мость полупроводника увеличивается, а электрическое сопротив-
ление уменьшается.
Наличие запрещенной зоны в энергетической диаграмме
полупроводника объясняется особым строением его кристалли-
ческой 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, подоб-
ную полупроводникам, ширина запрещенной зоны значительно
больше — до 6—10 эВ (рис. 1.2, в) ; это объясняется более проч-
ными связями валентных электронов с атомами в кристалличе-
ской решетке. Поэтому в них практически нет свободных электро-
нов, а удельная электрическая проводимость ничтожно мала.
В связи с этим их используют в качестве электрических изоля-
торов. 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.
1.1.2.	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 внеш-
ней оболочке четыре валентных электрона. При образовании
кристалла каждый атом, находясь в узле кристаллической решет-
ки, 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 удержи-
ваются в этой связи силами притяжения к ядрам этих атомов.
Элементарная объемная часть такой решетки представляет собой
15
геометрическую фигуру, показанную на рис. 1.3, а. На условном
плоскостном изображении кристаллической решетки кремния
(рис. 1.3, б) кружочками в узлах показаны остатки атомов без
валентных электронов, причем цифра + 4 означает положитель-
ный заряд такого остатка; двумя линиями между соседними
атомами изображены ковалентные связи и валентные электроны
в них. Около каждого атомного остатка четыре валентных элект-
рона 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 окруж-
ностью.
Рис. 1.3. Объемная структура части кристалличе-
ской решетки кремния или германия (а) и ее схема-
тическая 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 кова-
лентных связей, которые получают тепловую энергию, равную
или превышающую ширину запрещенной зоны AU73 на опреде-
ленную величину, отрываются и уходят из связей. Они стано-
вятся свободными (рис. 1.4, а) и могут перемещаться по кристал-
лу между узлами решетки. Свободный электрон является под-
вижным носителем отрицательного заряда.
Появление свободного электрона сопровождается разрывом
16
ковалентной связи и образованием в этом месте так называемой
дырки. Дырка проводимости, или просто дырка, — это место в
ковалентной связи, не занятое электроном. Отсутствие отрица-
тельного электрона в ковалентной связи равносильно появлению
в этом месте положительного заряда -f- 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 — появ-
ляется. Это равносильно перемещению дырки по кристаллу в
направлении, противоположном переходу электрона по кова-
лентным связям (рис. 1.4,6). Перемещение дырки сопровожда-
Рис. 1.4. Генерация пар свободный электрон — дырка в результа-
те разрушения ковалентной связи (а) и перемещение дырки в
кристалле (6)
ется передвижением положительного заряда, поэтому дырку
можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным
носителем положительного заряда.
Свободные электроны движутся в пространстве между узла-
ми 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 (дыр-
ки) в валентной зоне. Это позволяет электронам валентной
17
зоны перемещаться на вакантный уровень, изменяя соответ-
ственно свою энергию.
При отсутствии примесей в полупроводнике дырка появляет-
ся только при образовании свободного электрона, поэтому
концентрация дырок в нем всегда равна концентрации элект-
ронов tii. Концентрация подвижных носителей заряда зависит
от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: кон-
центрация носителей заряда возрастает с повышением темпера-
туры и уменьшением ширины запрещенной зоны. Следовательно,
удельная электрическая проводимость полупроводника, пропор-
уровень-дырна
Генерация пар
Рекомбинация
Свободный
электрон
Рис. 1.5. Энергетическая диа-
грамма, иллюстрирующая
собственную электропровод-
ность полупроводника при раз-
рушении ковалентндй связи
циональная концентрации носителей заряда, также увеличивает-
ся с повышением температуры, а ее величина больше в полу-
проводниках с меньшей величиной AU73.
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 выде-
лением избыточной энергии в виде тепла или света. На энерге-
тической диаграмме рис. 1.5. рекомбинация соответствует пере-
ходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в
валентной зоне.
Оба процесса — генерация пар носителей заряда и их реком-
бинация — в любом объеме полупроводника происходят одно-
временно. Соответствующая концентрация носителей заряда
устанавливается из условия динамического равновесия, при
котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу
рекомбинирующих. Промежуток времени между моментом гене-
рации 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 различ-
но, под этими терминами понимают среднее время жизни и
среднюю диффузионную длину.
Подвижные носители заряда обусловливают электропровод-
ность полупроводника. При отсутствии электрического поля
18
носители заряда движутся хаотически. Под действием электри-
ческого поля электроны и дырки, продолжая участвовать в
хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: элек-
троны — в сторону положительного потенциала, дырки — в сто-
рону отрицательного. Направленное движение обоих видов
носителей заряда создает электрический ток в кристалле, кото-
рый имеет две составляющие — электронную и дырочную.
Электропроводность полупроводника, обусловленную равным-
количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие
разрушения ковалентных связей, называют собственной электро-
проводностью. Соответственно беспримесный полупроводник
называют собственным полупроводником.
1.1.3.	Электропроводность примесных полупроводников
Химически чистые полупроводники используют в полупровод-
никовой технике в основном в качестве исходного материала,
на базе которого получают примесные полупроводники. За счет
введения примеси можно значительно улучшить электропровод-
ность 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 раз-
ным типом электропроводности позволяет придать полупровод-
никовым 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 хими-
ческого элемента — мышьяка, сурьмы, фосфора — атомы при-
меси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах
кристаллической решетки (рис. 16, а). Четыре валентных элект-
рона 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 мень-
шую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже
при комнатной температуре избыточные электроны атомов при-
меси 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,
19
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 не с ком-
пенсированный положительный объемный заряд.
Примесь, атомы которой отдают электроны, называют до-
норной, При введении донорной примеси концентрация электро-
нов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном
концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит гене-
рация пар электрон — дырка, но количество электронов, возни-
Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении
донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полу-
проводника л-типа (б)
кающих при этом, значительно меньше, чем количество электро-
нов, 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 та-
ком 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
20
в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от
друга расположенных локальных уровней энергии, занятых
избыточными валентными электронами атомов доноров при тем-
пературе абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энер-
гии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти
уровни показаны штрихами. Ширина зоны AU/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 выбран-
ного полупроводника и материала примеси. Этим объясняет-
Рис. 1.7. Появление дырки при введении акцепторной примеси (а)
и энергетическая диаграмма полупроводника р-типа (6)
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, алюми-
ния, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристалличе-
ской решетки, образует своими тремя валентными электронами
только три ковалентные связи с соседними атомами четырех-
валентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи
у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполнен-
ной, т. е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом при-
меси 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 неподвиж-
ный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда
этот электрон ушел, появляется дырка.
Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный
21
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 нескомпенсированный 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 полу-
проводника: Рр>пр. В электрическом токе, возникающем в таком
полупроводнике, преобладает дырочная составляющая.
Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводно-
сти называют полупроводником p-типа. В таком полупроводнике
дырки являются основными носителями заряда, а электроны —
неосновными носителями заряда.
Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа представ-
лена на рис. 1.7, б. Локальные уровни энергии атомов акцептор-
ной 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. Вели-
чина энергии AU/a равна разности между энергией акцепторного
уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и вели-
чина ДГСд 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. Концентра-
ция основных носителей заряда превышает на два-три порядка
концентрацию неосновных носителей. При этом удельная элект-
рическая проводимость примесного полупроводника превышает
удельную проводимость собственного полупроводника в сотни
тысяч раз.
Кроме кремния и германия в качестве исходных полупровод-
никовых материалов в промышленности применяют арсенид
галлия, селен, оксиды, карбиды и другие химические соединения
элементов III и V групп, а также II и VI групп Периодической
системы Менделеева.
22
1.1.4.	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 вслед-
ствие неравномерного распределения носителей заряда по объему
кристалла (диффузия).
Если электрическое поле отсутствует и носители заряда име-
ют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки
совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В ре-
зультате столкновения носителей заряда друг с другом и с атома-
ми кристаллической решетки скорость и направление их движе-
ния все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.
Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем
возникает электрическое поле; движение носителей заряда упоря-
дочивается: электроны перемещаются по направлению к положи-
тельному 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 электро-
нов, или дырочным, если он создается направленным перемеще-
нием дырок.
Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле
прямо пропорциональна напряженности электрического поля:
v = рЕ.
Коэффициент пропорциональности ц называют подвижностью
электронов или дырок Свободные электроны движутся в
пространстве между узлами кристаллической решетки, а дыр-
ки — по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а сле-
довательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кре-
мния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.
В собственных полупроводниках концентрации электронов и
дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности элект-
ронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полу-
проводниках концентрации электронов и дырок существенно от-
личаются, характер тока определяется основными носителями
заряда: в полупроводниках р-типа— дырками, а в полупровод-
никах п-типа — электронами.
При неравномерной концентрации носителей заряда вероят-
ность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полу-
проводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое
23
тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где
меньше число столкновений, т. е. движутся в направлении умень-
шения их концентрации.
Направленное движение носителей заряда из слоя с более
высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, назы-
вают диффузией, а ток, вызванный этим явлением, — диффузи-
онным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электрон-
ным 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 реком-
бинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с по-
ниженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами.
При этом избыточная концентрация носителей заряда умень-
шается.
Контрольные вопросы
1.	Что называют энергетическим уровнем и энергетической диаграммой? Какие
энергетические зоны содержит энергетическая диаграмма?
2.	Чем отличаются энергетические диаграммы металлов, полупроводников
и диэлектриков?
3.	Что представляет собой кристаллическая структура кремния и германия?
4. Объясните механизм собственной электропроводности полупроводника.
5. Объясните механизм примесной электропроводности полупроводников п-типа
и р-типа.
6. Чем отличаются дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике?
Глава 1.2.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
1.2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии
внешнего напряжения
Электронно-дырочный переход, или, сокращенно, р-п пере-
ход, — это тонкий переходный слой в полупроводниковом мате-
риале на границе между двумя областями с различными типами
электропроводности: одна — n-типа, другая — р-типа.
Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свой-
ствам является основным элементом многих полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем. Наряду с.р-п переходами
в полупроводниковой технике используются и другие виды элек-
трических переходов, например металл-полупроводник, а также
24
переходы между двумя областями полупроводника одного типа,
отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями
удельной проводимости: электронно-электронный (п-п+ 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 темпера-
туре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы
акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки
(получается p-область), а атомы доноров отдают электроны,
становящиеся свободными (создается n-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 — распре-
деление неподвижных объемных зарядов доноров (+) и акцепторов
(—); г — потенциальный барьер в р-п переходе
Для простоты примем концентрации основных носителей за-
ряда в обеих областях одинаковыми. Такой р-п переход назы-
вают симметричным-.
Рр =- Пп,
где рр — концентрация дырок в p-области; пп — концентрация
электронов в п-области.
В каждой области кроме основных носителей заряда име-
ются неосновные носители, концентрация которых значительно
меньше, чем основных:
рп < пп и пр<рр,
25
где рп — концентрация дырок в «-области; пр — концентрация
электронов в р-области.
Распределение концентраций основных и неосновных носите-
лей 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. Анало-
гично электроны, углубляясь в p-область, постепенно рекомби-
нируют там с дырками, и концентрация их уменьшается.
Диффузия основных носителей заряда через границу раздела
р- и «-областей создает ток диффузии в р-« переходе, равный
сумме электронного и дырочного токов:
/диф — 4>диф Л1диф-
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 «-об-
ласти, а уход дырок — отрицательный заряд ионов акцепторов
в p-области (рис. 1.8, а, в). Эти неподвижные заряды увеличи-
ваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда
с пришедшими из соседней области носителями заряда противо-
положного знака.
В результате образования по обе стороны границы между
р- и «-областями неподвижных зарядов противоположных знаков
в р-« переходе создается внутреннее электрическое поле, на-
правленное от «-области к p-области. Это поле препятствует
дальнейшей диффузии основных носителей заряда через гра-
ницу, являясь для них так называемым потенциальным барье-
ром. Его действие определяется высотой потенциального барь-
ера <р, измеряемой в электрон-вольтах (рис. 8, г). В результате
появления потенциального барьера диффузионный ток уменьша-
ется. 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-
26
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 носи-
телей заряда, в то же время способствует переходу через гра-
ницу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое
движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия
электрического поля и переносятся им через р-п переход. Дви-
жение неосновных носителей заряда под действием внутреннего
электрического поля создает в р-п переходе дрейфовый ток,
равный сумме электронной и дырочной составляющих:
/др = /рдр Ч- /пдр-
Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал,
так как их количество невелико. Этот ток носит название тепло-
вого тока /т, поскольку количество неосновных носителей заряда
зависит от собственной электропроводности полупроводника, т. е.
от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энер-
гии. Направление дрейфового тока противоположно диффузион-
ному.
При отсутствии внешнего напряжения устанавливается дина-
мическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузион-
ный ток становится равным дрейфовому: /диф = /др, т. е. ток через
р-п переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте
потенциального барьера <р0-
Установившаяся высота потенциального барьера <р0 в элект-
рон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов
UK в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными не-
подвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны
границы: фо = UK.
В состоянии равновесия р-п переход характеризуется также
шириной /о-
Величина <ро зависит от температуры и материала полупро-
водника, а также от концентрации примеси. С повышением тем-
пературы высота потенциального барьера уменьшается. При ком-
натной температуре для германия <р0 = 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 раз-
дела. 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 од-
ной из областей на два-три порядка больше, чем в другой.
27
В области с малой концентрацией примеси ширина части запи-
рающего слоя соответственно на два—три порядка больше, чем
в области с высокой концентрацией примеси.
1.2.2. 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 (7пр почти полностью падает на р-п
переходе, так как его сопротивление во много раз превышает
сопротивление р- и «-областей.
4- и пр —
Ч) О-
Рис. 1.9. Электронно-дырочный переход при прямом напряже-
нии: а — схема включения; б — потенциальный барьер
Полярность внешнего напряжения Unp противоположна по-
лярности контактной разности потенциалов (7К, поэтому элект-
рическое поле, созданное на р-п переходе внешним напряжением
направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В ре-
зультате этого потенциальный барьер понижается и становится
численно равным разности между напряжениями, действующими
на р-п переходе (рис. 1.9,6):
ф =:	^пр •
Вследствие разности концентраций дырок в р- и «-областях,
а электронов в «- и p-областях основные носители заряда диф-
фундируют через р-п переход, чему способствует снижение по-
тенциального барьера. Через р-п переход начинает проходить
диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители за-
ряда в обеих областях движутся к р-п переходу, обогащая его
подвижными носителями и уменьшая таким образом ширину I
обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р-п
перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока Unp
28
меньше UK, еще существует потенциальный барьер; обедненный
носителями заряда слой р-п перехода имеет большое сопротив-
ление, ток в цепи имеет малую величину.
При увеличении внешнего прямого напряжения до Unp = UK
потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стре-
мится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения
при отсутствии слоя р-п перехода, обедненного носителями заря-
да, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда
из своей области в область с противоположным типом электро-
проводности. В результате этого через р-п переход по цепи по-
течет сравнительно большой ток, называемый прямым током /пр,
который с увеличением прямого напряжения растет.
Введение носителей заряда через электронно-дырочный пере-
ход из области, где они являются основными, в область, где они
являются неосновными, за счет снижения потенциального барь-
ера называют инжекцией.
В симметричном р-п переходе инжекции дырок из р-области
в n-область и электронов из n-области в p-область по интенсив-
ности одинаковы.
Инжектированные в n-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, инжектиро-
ванные в n-область дырки — электронами. В результате этой
компенсации объемных зарядов, создаваемых у р-п перехода
инжектированными неосновными носителями, полупроводник ста-
новится электрически нейтральным.
Движение основных носителей заряда через р-п переход соз-
дает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из
n-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. Со-
ответственно, 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 ис-
точника питания.
Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате ин-
жекции в области с противоположным типом электропроводнос-
ти, например дырки, инжектированные из p-области в п-область,
продолжают движение от границы вглубь. Это движение проис-
ходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется
и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводни-
ке, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает
вблизи р-п перехода, а дрейф — вдали от него, внутри соответст-
29
вующей области. На определенном расстоянии от р-п перехода
концентрация инжектированных неосновных носителей заря-
да убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге кон-
центрация неосновных носителей остается такой, какой была в
равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения,
т. е. обусловленной собственной электропроводностью полупро-
водника. Дрейф неосновных носителей заряда теплового проис-
хождения 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 элект-
ронов через р-п переход, но направление его соответствует на-
правлению движения положительных носителей заряда — дырок.
Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника пря-
мого 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 кон-
центрация дырок в p-области на несколько порядков превышает
концентрацию электронов в n-области (рР^>пп), то диффузия
дырок в «-область будет несоизмеримо больше диффузии электро-
нов в p-область. В этом случае можно говорить об односторонней
инжекции дырок в «-область, а диффузионный ток через р-п пе-
реход считать дырочным, пренебрегая его электронной состав-
ляющей. Таким образом, в несимметричном р-п переходе носи-
тели заряда инжектируются из низкоомной области в высоко-
омную, для которой они являются неосновными.
При несимметричном р-п переходе область полупроводника с
малым удельным сопротивлением (большой концентрацией при-
меси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером,
а область, в которую инжектируются неосновные для нее носи-
тели заряда, — базой.
1.2.3. Электронно-дырочный переход
при обратном напряжении
Обратным напряжением [7ОбР называют внешнее напряжение,
полярность которого совпадает с полярностью контактной раз-
ности потенциалов; оно приложено плюсом к «-области, а мину-
сом— 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 -f- Uo6p.
Повышение потенциального барьера препятствует диффузии
зо
основных носителей заряда через р-п переход, и она уменьшает-
ся, а при некотором значении Uo6v совсем прекращается. Одно-
временно под действием электрического поля, созданного внеш-
ним 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, соответствую-
щее возросшему потенциальному барьеру, способствует движе-
Рис. 1.10. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении:
а — схема включения; б — потенциальный барьер
б
нию через переход неосновных носителей заряда. При прибли-
жении их к р-п переходу электрическое поле захватывает их и
переносит через р-п переход в область с противоположным ти-
пом электропроводности: электроны из p-области в «-область, а
дырки — из «-области в p-область. Поскольку количество неос-
новных 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 пере-
ход при обратном напряжении, называют обратным током /обр.
Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым то-
ком /обр = /т, который не зависит от обратного напряжения.
Процесс захватывания электрическим полем р-п перехода
неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напря-
жении 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 диф-
фузию неосновных носителей заряда из глубины области в на-
правлении 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
31
объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объ-
еме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из
внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает про-
хождение электрического тока во внешней цепи.
1.2.4. 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 об-
ратного тока от обратного напряжения (рис. 1.11). Эта характе-
ристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квад-
ранте графика, и обратную — в третьем квадранте.
Рис. 1.11. Вольт-амперная характеристика р-п перехода и влияние темпера-
туры на прямой и обратный токи (о); виды пробоя р-п перехода (б): 1 — ла-
винный пробой; 2 — туннельный пробой; 3 — тепловой пробой; энергетическая
диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой (в)
Прямой ток создается диффузией через р-п переход основ-
ных носителей заряда. С увеличением (7пр от 0 до значения, рав-
ного UK, ток /пр растет медленно и остается очень малым. Это
объясняется наличием потенциального барьера, который препят-
ствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей
заряда, а также большим сопротивлением области р-п перехода,
обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением Unp
потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает.
Это соответствует интенсивной диффузии через р-п переход ос-
новных носителей заряда при отсутствии области перехода, обед-
ненной этими носителями заряда.
Обратный ток создается дрейфом через р-п переход неоснов-
ных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных но-
сителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных,
32
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 (7обр ток остается постоянным. Это
объясняется тем, что при очень малых значениях обратного
напряжения еще есть незначительная диффузия основных носи-
телей заряда, встречное движение которых уменьшает результи-
рующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия пре-
кращается, величина обратного тока определяется только дви-
жением через переход неосновных носителей, количество кото-
рых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение
обратного напряжения до определенного значения, называемого
напряжением пробоя U>6P.nPo6, приводит к пробою электронно-
дырочного перехода, т. е. к резкому уменьшению обратного со-
противления и, соответственно, росту обратного тока.
Свойство р-п перехода проводить электрический ток в одном
направлении значительно больший, чем в другом, называют од-
носторонней 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 по-
вышения температуры на прямую и обратную ветви вольт-ам-
перной характеристики р-п перехода. Прямая ветвь при более
высокой температуре располагается левее, а обратная — ниже.
Таким образом, повышение, температуры при неизменном внеш-
нем 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 крити-
ческого для данного прибора значения LUP.nPo6- Пробой р-п пере-
хода происходит при повышении обратного напряжения вследст-
вие резкого возрастания процессов генерации пар свободный
электрон — дырка. В зависимости от причин, вызывающих до-
полнительную 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, вы-
званный лавинным размножением носителей заряда под дейст-
2-1663
33
вием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной
ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носите-
лями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением
обратного напряжения ускоряется электрическим полем в облас-
ти р-п перехода. При достижении определенной напряженности
электрического поля они приобретают достаточную энергию, что-
бы при столкновении с атомами полупроводника отрывать ва-
лентные электроны из ковалентных связей кристаллической ре-
шетки. 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 че-
рез 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 ускоряе-
мые электрическим полем носители заряда успевают в проме-
жутке между двумя столкновениями с атомами получить доста-
точную энергию для их ионизации.
Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением
температуры из-за уменьшения длины свободного пробега меж-
ду двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При
лавинном пробое напряжение на р-п переходе остается постоян-
ным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной
ветви 1 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 кри-
сталлической решетки полупроводника сильным электрическим
полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с уз-
ким р-п переходом, где при сравнительно невысоком обратном
напряжении (до 7 В) создается большая напряженность элект-
рического поля. При этом возможен туннельный эффект, за-
ключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области
непосредственно в зону проводимости «-области. Объясняется
такое явление тем, что при большой напряженности электриче-
ского поля на границе двух областей с разными типами электро-
проводности энергетические зоны искривляются так, что энергия
валентных электронов p-области становится такой же, как энер-
гия 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 свобод-
ную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе,
соответственно, через р-п переход. В результате перехода допол-
нительных неосновных носителей заряда возникает туннельный
34
ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки
раз. Напряжение на р-п переходе при туннельном пробое остает-
ся 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 тун-
нельного, не разрушают р-п переход и не выводят прибор из
строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, об-
ратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства при-
бора восстанавливаются.
Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом р-п
перехода, в результате которого происходит интенсивная генера-
ция пар носителей заряда — разрушение ковалентных связей за
счет тепловой энергии. Этот процесс развивается лавинообраз-
но, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева при-
водит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обрат-
ного тока.
Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за
неоднородности р-п перехода может перегреться отдельный его
участок, который при лавинообразном процессе будет еще силь-
нее 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) соответст-
вует росту обратного тока при одновременном уменьшении па-
дения 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 пло-
хом теплоотводе, когда выделяемое в р-п переходе тепло пре-
вышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает
напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой про-
бой при более низком, чем при возникновении электрического
пробоя, напряжении.
Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора
указывается интервал рабочих температур и допустимое обрат-
ное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).
Емкость р-п перехода. Электронно-дырочный переход обла-
дает определенной электрической емкостью, складывающейся из
двух емкостей — барьерной и диффузионной. Они создаются объ-
емными зарядами противоположного знака: во-первых, непод-
вижными положительными зарядами ионов доноров и отрица-
тельными — ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемны-
ми зарядами дырок и электронов, инжектированных из области,
где они были основными, в область, где они являются неоснов-
2*	35
ными. Во втором случае инжекция дырок из p-области в и-об-
ласть создает в ней у границы большую концентрацию неоснов-
ных 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 до-
норов и акцепторов, создающих в р-п переходе как бы плоскост-
ной 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 на-
пряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем боль-
ше Uo6p. Это используется в полупроводниковых приборах (вари-
капах), служащих конденсаторами переменной емкости, величи-
на которой управляется напряжением. Барьерная емкость в за-
висимости от площади р-п перехода составляет десятки и сотни
пикофарад.
Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектирован-
ных 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 на-
пряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и зна-
чительно превышает по величине барьерную емкость, составляя
в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пико-
фарад. При обратном напряжении она практически отсутствует.
Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать
диффузионную емкость, а при обратном — барьерную.
Контрольные вопросы
1.	Какие процессы происходят в р-п переходе при отсутствии внешнего напря-
жения?
2.	Как влияет на величину потенциального барьера прямое напряжение на
р-п переходе и какие процессы при этом происходят?
3.	Как влияет на величину потенциального барьера обратное напряжение на
р-п переходе и какие процессы при этом происходят?
4.	Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику р-п перехода.
5.	Какие виды пробоя могут произойти в р-п переходе?
6.	Чем обусловлены барьерная и диффузионная емкости р-п перехода?
Глава 1.3.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.3.1. Устройство полупроводниковых диодов
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый
прибор с одним р-п переходом и двумя выводами. Структура
полупроводникового диода и его условное графическое обозна-
чение показаны на рис. 1.12.
Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в раз-
личных областях полупроводниковой техники. Промышленность
выпускает разные типы полупроводниковых диодов: выпрями-
тельные, детекторные, сверхвысокочастотные, туннельные и дру-
гие, а также полупроводниковые стабилитроны и варикапы.
Рис. 1.12. Упрощенная структура (а) и
условное графическое обозначение по-
лупроводникового диода (б)
Рис. 1.13. Схематическое устрой-
ство плоскостного (а) и точеч-
ного (б) диодов
По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плос-
костные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной
переход, у которого линейные размеры, определяющие его пло-
щадь, значительно больше ширины I (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 полупровод-
никовым кристаллом n-типа (рис. 1.13,6).
Точечные диоды имеют малую емкость р-п перехода благо-
даря его небольшим размерам. Они могут работать в диапазоне
высоких и сверхвысоких частот, но допускают только малые токи
и небольшие обратные напряжения. Эти диоды находят приме-
нение в маломощных высокочастотных устройствах, в частности,
для детектирования радиосигналов.
Наибольшее распространение получили плоскостные диоды.
Они используются как выпрямительные для преобразования пере-
менного тока в постоянный, как стабилитроны — для стабилиза-
ции выпрямленного напряжения, а также для других целей.
Двухслойные структуры с плоскостным р-п переходом созда-
37
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 акцеп-
торной примеси в p-области значительно превышает концентра-
цию донорной примеси в «-области, т. е. получается несиммет-
ричный р-п переход. В таком диоде прямой ток создается в ос-
новном инжекцией дырок из p-области в n-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 полупроводнико-
вых диодов, изготовленных методами
сплавления (а) и диффузии (б)
«-типа, а для получения акцепторной примеси используется таб-
летка алюминия.
Прямой ток протекает внутри диода от p-области к п-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 внеш-
ней цепи, — анодным (А).
При диффузионной технологии, наиболее широко применяе-
мой для изготовления кремниевых диодов, особенно средней и
большей мощности, основой служит также пластина кремния
«-типа (рис. 1.14,6). В технологическом процессе через поверх-
ность такой пластины при высокой температуре осуществляют
диффузию атомов акцепторной примеси — алюминия или бора,
который может находиться в твердом, жидком или газообраз-
ном состоянии. Омические контакты для выводов создают напы-
лением алюминия в вакууме. Полученную двухслойную полупро-
водниковую 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.
38
1.3.2. Принцип действия, характеристики
и параметры выпрямительных диодов
Принцип действия выпрямительных диодов основан на свой-
стве односторонней электропроводности р-п перехода. Если к ди-
оду 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 сопро-
тивление диода мало; через него протекает большой прямой ток.
В следующий полупериод полярность напряжения на диоде ме-
няется на обратную. Его сопротивление значительно увеличи-
вается; через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку
Рис. 1.15. Применение диода для
выпрямления переменного тока
/?н включают в цепь источника питания последовательно с дио-
дом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном
направлении, поскольку обратным током по сравнению с пря-
мым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямле-
ние, т. е. преобразование переменного тока в постоянный по на-
правлению (пульсирующий).
Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит
через нагрузку в течение половины периода, является простей-
шей. На практике применяют более сложные схемы.
Вольт-амперная характеристика диода представляет собой за-
висимость тока от величины и полярности приложенного на-
пряжения. Ее вид определяется вольт-амперной характеристикой
р-п перехода (см. рис. 1.11). Реальные характеристики отли-
чаются 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 при-
ведена на рис. 1.16. При снятии прямой ветви в схему вклю-
чаются миллиамперметр для измерения прямого тока и вольт-
метр, позволяющий измерить доли вольта. Для получения об-
ратной ветви необходимо изменить полярность подаваемого на-
пряжения, включить микроамперметр, измеряющий обратный ток,
и вольтметр со шкалой на десятки и сотни вольт.
На рис. 1.17 представлены реальные вольт-амперные харак-
теристики германиевого и кремниевого диода. В области очень
малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенци-
39
альный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет,
что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия ха-
рактеристик 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 на-
пряжение t/nop составляет десятые доли вольта; для кремниевого
диода оно больше, чем для германиевого; с повышением тем-
пературы пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная вели-
чина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов
при изменении температуры меньше, чем у германиевых.
Рис. 1.16. Схема для снятия
вольт-амперной характерис-
тики диода
Рис. 1.17. Реальные вольт-амперные характе-
ристики германиевого (Ge) и кремниевого
(Si) диодов при разной температуре
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, за-
висит только от температуры. У германиевых диодов обратный
ток определяется главным образом тепловым током, поэтому
он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от
иобр. При данной температуре 1обр только на начальном от 0 уча-
стке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за
уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, проте-
кавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величи-
на /Обр определяется током утечки, так как тепловой ток значи-
тельно меньше. Поэтому с увеличением Uo6p у них равномерно
растет /обр, начиная с нуля.
40
С повышением температуры у германиевых диодов пробивное
напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивает-
ся.
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
оно составляет единицы и десятки ом;
сопротивление диода в обратном направлении
П   U обр .
Аобр	г >
• обр
оно составляет единицы мегаом;
дифференциальное сопротивление диода гДИф — отношение
приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому
приращению тока
—
Гдиф — д/ •
Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в
данной точке характеристики при постоянном токе соответствую-
щего направления; дифференциальное сопротивление—это со-
противление при переменном токе; оно определяет наклон каса-
тельной, проведенной в данной точке вольт-амперной характе-
ристики к оси абсцисс.
При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение
имеют предельно допустимые режимы их использования, ха-
рактеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обес-
печения длительной и надежной работы диодов нельзя превы-
шать ни при каких условиях:
максимально допустимое обратное напряжение £/ОбР.Макс, ко-
торое определяется с запасом как 0,7—0,8 £/проб;
максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом, —
Р
гмакс >
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; до-
пустимая плотность прямого тока для германиевых диодов
41
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 герма-
ниевом 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, мож-
но 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 дио-
ды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение
напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем
на германиевом.
1.3.3. Стабилитроны
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряже-
ние на котором слабо зависит от проходящего тока. Стабилитро-
ны предназначены для стабилизации напряжения.
Рис. 1.18. Условное графическое обозначение (а),
вольт-амперная характеристика (б) и схема включе-
ния (в) кремниевого стабилитрона
Принцип действия стабилитрона основан на использовании
свойства р-п перехода при электрическом пробое сохранять прак-
тически постоянную величину напряжения в определенном диа-
пазоне изменения обратного тока. Как было сказано при рас-
смотрении видов пробоя р-п перехода, электрический пробой яв-
ляется обратимым процессом и не приводит к выходу диода из
строя при условии, что ток не превышает максимально допусти-
мой 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-
42
ветствующая электрическому пробою и ограниченная минималь-
ным и максимальным токами. В стабилитронах применяется
один из видов электрического пробоя: лавинный или туннель-
ный.
Параметрами стабилитрона являются:
напряжение стабилизации U„ — напряжение на стабилитроне
при заданном токе стабилизации /ст; оно практически равно на-
пряжению пробоя;
минимальный ток стабилизации /мин — наименьший ток, при
котором сохраняется устойчивое состояние пробоя; поскольку
необходимо получение малого значения /мин, стабилитроны из-
готовляют из кремния;
максимальный ток стабилизации /макс — наибольший ток, при
котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превы-
шает максимально допустимого значения Рмакс;
р
* макс .
макс — J, »
L/ ст
превышение /макс приводит к тепловому пробою р-п перехода и
выходу из строя стабилитрона;
дифференциальное сопротивление гдиф — отношение прираще-
ния напряжения стабилизации к вызвавшему его малому при-
ращению тока:
Д[/Ст
Гдиф— Д/ст ’
Гдиф определяется в рабочей точке Р и характеризует точность
стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется ста-
билизация;
статическое сопротивление RCTaj — сопротивление стабилитро-
на в рабочей точке при постоянном токе:
температурный коэффициент напряжения otT показывает из-
менение в процентах напряжения стабилизации при изменении
температуры окружающей среды на 1 °C.
Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны
имеют напряжение стабилизации в пределах 3—200 В, мини-
мальный 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 на-
пряжением стабилизации — туннельный.
Схема включения стабилитрона для стабилизации напряже-
ния на нагрузке RH приведена на рис. 1.18, в. Последовательно
43
со стабилитроном в цепь источника постоянного тока включено
балластное сопротивление R6 для ограничения тока, а парал-
лельно стабилитрону—нагрузка. Полярность источника пита-
ния Е соответствует обратному напряжению на стабилитроне.
При увеличении напряжения питания Е при постоянном А*н
увеличивается ток в цепи, протекающий через балластное со-
противление и стабилитрон. Напряжение на стабилитроне и на
нагрузке UK = UCT остается неизменным, а избыток напряжения
питания гасится на балластном сопротивлении R6. В случае из-
менения сопротивления нагрузки R„ при постоянной величине Е
ток через R6 остается неизменным, но происходит перераспре-
деление токов между стабилитроном и нагрузкой, а напряжение
на стабилитроне и нагрузке все равно остается неизменным.
Кремниевые стабилитроны используют не только для стаби-
лизации напряжения, но и в качестве источников опорного на-
пряжения, с которым сравнивается напряжение на нагрузке.
Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для
стабилизации напряжения с использованием в качестве рабо-
чего участка отрезка прямой ветви вольт-амперной характерис-
тики, на котором прямое напряжение слабо зависит от тока.
Такой полупроводниковый диод носит название стабистора.
1.3.4.	Импульсные диоды
Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, ко-
торый имеет очень малую длительность переходных процессов
при переключении с прямого напряжения на обратное (и наобо-
рот) 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 мо-
мент 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 сопротив-
ление до величины /?пр, и в цепи через нагрузку протекает ток.
Это равносильно замыканию ключа. При перемене полярности
импульса на отрицательную диод находится под обратным напря-
жением. Его сопротивление резко возрастает до величины /?ОбР,
цепь размыкается, и ток через нагрузку практически не протека-
ет. Поскольку длительность импульсов очень мала, переход дио-
да из открытого состояния в закрытое и обратно должен проис-
ходить мгновенно. Но этому препятствует инерционность процес-
сов накопления и рассасывания инжектированных в базу п-типа
неосновных для нее носителей заряда — дырок.
Например, на диоде действует прямое напряжение; сопро-
44
тивление его /?пр мало. Из p-области через р-п переход инжекти-
руются в n-область дырки; в результате этого их концентрация
в п-области у границы возрастает. В момент переключения на-
пряжения на обратное это скопление дырок под действием элект-
рического поля, созданного обратным напряжением, начнет пере-
брасываться обратно в p-область; за счет этого возникает им-
пульсный скачок обратного тока (рис. 19,6). Постепенно кон-
центрация дырок в п-области будет убывать частично за счет
Рис. 1.19. Схема включе-
ния (а) и временные диа-
граммы при переключении
импульсного диода с пря-
мого на обратное напря-
жение (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. Быстродейст-
вие этого процесса характеризуется параметром, который назы-
вают временем обратного восстановления диода /вос.обр. Это время
переключения диода с заданного прямого тока на заданное
обратное напряжение от момента прохождения тока через нуле-
вое значение до момента, когда обратный ток, уменьшаясь от
максимального импульсного значения, достигнет заданной вели-
чины.
При переключении обратного напряжения на прямое пере-
ходный процесс также происходит не мгновенно, а требует не-
которого времени. В момент переключения сопротивления диода
45
А*о6р еще велико, следовательно, велико и напряжение на диоде,
а ток диффузии мал. Постепенно диффузия нарастает, инжек-
тированные в n-область дырки накапливаются в ней, сопротив-
ление диода уменьшается до установившегося значения /?пр, а ток
увеличивается до заданного прямого тока. Время, в течение ко-
торого происходит включение диода и прямое напряжение на
нем устанавливается от нуля до заданного установившегося зна-
чения, называют временем прямого восстановления диода 4ос.пР-
Кроме инерционности процессов накопления и рассасывания
инжектированных носителей заряда на быстродействие импульс-
Обедненный
слой
Рис. 1.20. Структура контакта металл —
полупроводник п-типа
ных диодов оказывает влияние емкость р-п перехода. Для умень-
шения длительности переходных процессов эта емкость не долж-
на превышать долей пикофарады. Уменьшение емкости достига-
ется за счет изготовления р-п переходов с очень малой пло-
щадью. Следствием этого является небольшая мощность рассея-
ния (десятки милливатт). Повышение быстродействия путем
ускорения рекомбинации инжектированных в «-базу дырок осу-
ществляется введением в «-область примеси золота; его атомы
создают так называемые ловушки для носителей заряда, где
происходит интенсивная их рекомбинация.
Другой путь достижения высокого быстродействия — это при-
менение диодов Шоттки, изготовленных на основе электрического
перехода металл-полупроводник. Рассмотрим его свойства на
примере контакта металла с полупроводником n-типа (рис. 1.20).
Свободные электроны могут выйти за пределы металла или полу-
проводника, только преодолев силы притяжения к положитель-
ным 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 WoM больше, чем из полупровод-
ника Won, то при образовании контакта металл-полупроводник
свободные электроны из «-полупроводника начнут под действием
46
больших сил притяжения переходить в металл, заряжая его от-
рицательно. В полупроводнике около контакта создается слой,
обедненный основными носителями заряда и имеющий в резуль-
тате этого большое удельное сопротивление. В этом слое высту-
пят нескомпенсированные положительные заряды ионов доно-
ров. 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 кон-
такта). Он препятствует дальнейшему переходу электронов из
полупроводника л-типа в металл.
Если подвести внешнее напряжение плюсом к металлу, а ми-
нусом к полупроводнику, то внешнее электрическое поле будет
направлено навстречу внутреннему, потенциальный барьер сни-
зится, ширина обедненного слоя и его сопротивление уменьшат-
ся, 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 > U^oii будет выпрямляющим.
Импульсный диод с барьером Шоттки имеет значительно
меньшую длительность переходных процессов, чем диод с р-п пе-
реходом, так как в нем нет инжекции неоновых носителей заряда
в базу, поэтому не затрачивается время на накопление и расса-
сывание зарядов. На его быстродействие влияет только барьер-
ная емкость.
К параметрам импульсных диодов помимо общих для всех
диодов параметров относятся прямое импульсное напряжение при
заданном импульсе прямого тока Ц1ри и максимально допусти-
мый импульсный прямой ток при заданной длительности /цР.ИМакс,
а также время прямого восстановления 4ос.иР и обратного вос-
становления /Иос <>бр-
1.3.5.	Туннельные диоды
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, ос-
нованный на туннельном эффекте, при котором прямая ветвь
вольт-амперной характеристики имеет падающий участок с от-
рицательным сопротивлением (рис. 1.21). Благодаря этому свой-
ству туннельный диод может быть использован для усиления
и генерирования электрических колебаний. О возникновении тун-
нельного 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-
47
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 п-области и
верхняя часть валентной зоны p-области по горизонтали находят-
ся на одном уровне и разделены очень узкой запрещенной зоной.
При этом носители заряда легко могут переходить из валентной
зоны p-области в зону проводимости п-области и обратно.
Чтобы создать туннельный эффект, значительно увеличивают
концентрацию примесей в р- и п-областях, за счет чего возрас-
тает электропроводность полупроводников.
а
Рис. 1.21. Условное графическое
обозначение (а) и вольт-ампер-
ная характеристика (б) туннель-
ного диода
При определенном начальном сдвиге энергетических диа-
грамм р- и и-областей без подачи внешнего напряжения
встречные потоки электронов из обеих областей уравновешива-
ют друг друга; тока нет. При небольшом прямом напряжении
энергетическая диаграмма p-области опускается ниже, часть
валентных электронов p-области оказывается против запрещен-
ной зоны п-области и не может в нее перейти. Поэтому равно-
весие нарушается, больше электронов переходит из п-области в
p-область, появляется туннельный прямой ток, который при уве-
личении Unp до некоторого значения растет (участок вольт-ам-
перной характеристики 0—/). В точке 1 ток достигает максиму-
ма и называется пиковым током туннельного диода I„. С даль-
нейшим увеличением Unp и сдвигом вниз диаграммы р-области
туннельный ток уменьшается (участок 1—2), так как все меньше
электронов зоны проводимости n-области находится против ва-
лентной зоны p-области и все больше этих электронов оказыва-
ется против запрещенной зоны p-области. В точке 2 ток достига-
ет минимума и называется током впадины /в. Падающий участок
1—2 характеризуется отрицательным дифференциальным сопро-
тивленцем ГдИф = At/np/A/np < 0, означающим, что увеличению
прямого напряжения соответствует уменьшение прямого тока.
В точке 2 туннельный эффект исчезает, так как запрещенные
48
зоны обеих областей располагаются на одном уровне и слива-
ются в одну сквозную зону. Дальнейшее увеличение прямого
напряжения приводит к росту прямого тока за счет диффузии
основных носителей заряда, преодолевающих снижающийся по-
тенциальный барьер, как в обычном диоде (участок 2—3).
Основными параметрами туннельных диодов являются: пико-
вый ток /п; напряжение пика U„, соответствующее пиковому току;
ток впадины /в и соответствующее ему напряжение впадины UB;
напряжение раствора Upp — прямое напряжение, большее напря-
жения впадины, при котором ток равен пиковому на второй вос-
ходящей ветви характеристики. Предельными параметрами явля-
ются: максимально допустимый постоянный прямой ток на второй
восходящей ветви /np.MaKC; максимально допустимый постоянный
обратный ток /обр.макС; максимальное постоянное прямое напря-
жение 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 генери-
рования СВЧ-колебаний, так как их инерционность очень мала
из-за отсутствия инжекции носителей заряда при туннельном
эффекте.
1.3.6.	Варикапы
Варикап — полупроводниковый прибор, действие которого ос-
новано на использовании зависимости емкости от обратного на-
пряжения. Он предназначен для применения в качестве элемента
с электрически управляемой емкостью.
С пф
150
100
Рис. 1.22. Зависимость барь-
ерной емкости от обратного
напряжения (а) и условное
графическое обозначение ва-
рикапа (б)
иобр-в -80 -40 0
При рассмотрении свойств р-п перехода говорилось, что его
барьерная емкость уменьшается с увеличением обратного на-
пряжения (рис. 1.22,а). Поэтому варикап работает при обрат-
ном 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.
49
Основными параметрами варикапов являются: номинальная
емкость С между выводами при заданном обратном напряже-
нии; коэффициент перекрытия по емкости Кс — отношение ем-
костей варикапа при двух заданных значениях обратного напря-
жения; добротность Q — отношение реактивного сопротивления
варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при за-
данном значении С или Uo6p-, температурный коэффициент ем-
кости о^; максимально допустимое обратное напряжение £/ОбР.Макс
и максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Условное графическое обозначение варикапа приведено на
рис. 1.22,6.
1.3.7.	Типы и система обозначений диодов
По исходному материалу диоды могут быть кремниевые или
германиевые, по назначению и характеристикам — выпрямитель-
ные, детекторные, импульсные, туннельные, стабилитроны, вари-
капы и др. Выпрямительные диоды подразделяют по величине
мощности: малой, средней и большой.
Для схем с большим количеством параллельно или последо-
вательно соединенных диодов промышленность выпускает полу-
проводниковые столбы и блоки. Полупроводниковый столб пред-
ставляет собой совокупность выпрямительных диодов, соединен-
ных последовательно и объединенных конструктивно в одном
корпусе с двумя выводами. Полупроводниковый блок состоит из
выпрямительных диодов, соединенных по определенной электри-
ческой схеме и объединенных конструктивно в корпусе, имею-
щем более двух выводов.
Систему обозначений полупроводниковых приборов, состоящую из букв и
цифр, устанавливает ГОСТ 10862—72. По этой системе обозначение диода со-
держит 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 на-
значению; Д — выпрямительные, детекторные и импульсные диоды, Ц — вы-
прямительные столбы и блоки, С — стабилитроны и стабисторы, А — СВЧ-дио-
ды, И — туннельные диоды, В — варикапы и т. д.
Третий элемент — трехзначное число, первая цифра которого указывает груп-
пу по качественным свойствам, две следующие — порядковый номер разработ-
ки, а для стабилитронов — напряжение стабилизации. В справочниках приво-
дятся 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 /вособр >
>150 нс третий элемент — от 501 до 599, при 30</bocg6p^ 150 нс — от 601 до
699, при 5 < /вос обР 30 нс — от 701 до 799, при 1 < /вособр ^5 нс — от 801 до
899, при /Boco6p< I нс — от 901 до 999.
50
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 трехзнач-
ное 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 на-
пряжение стабилизации, от 10 до 99 В — номинальное напряжение стабилиза-
ции, от 100 до 199 В — уменьшенное на 100 номинальное напряжение стаби-
лизации.
а	б	в	д
Рис. 1.23. Конструкция кремниевых диодов малой (а) и средней (б) мощности и
их внешний вид (в, г); мощный диод ВК-50 с радиатором охлаждения (б);
1 — внешний вывод анода; 2 — трубка; 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус;
5 — внутренний вывод анода; 6 — алюминий; 7 — кристалл кремния и-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 раз-
работки 07, группа Б;
КД208А — кремниевый выпрямительный диод средней мощности, номер раз-
работки 08, группа А;
КЦ405В — кремниевый выпрямительный блок средней мощности, номер раз-
работки 05, группа В;
КС211Б — кремниевый стабилитрон малой мощности, с напряжением стаби-
лизации 11 В, группа Б; КС147А — то же, малой мощности, с напряжением ста-
билизации 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;
51
АД516Б — диод арсенидогаллиевый точечный импульсный, /В1>собр>150 нс,
номер разработки 16, группа Б.
В эксплуатации еще находятся диоды, выпущенные промышленностью до
ввода в действие настоящего ГОСТ, которые имеют старые обозначения; напри-
мер, выпрямительные диоды Д7Ж (германиевый), Д205, Д226В, Д245 (крем-
ниевые), а также стабилитроны Д808, Д814А (Б, В, Г).
Диоды большой мощности, называемые силовыми, выпускаются промыш-
ленностью на токи 10 А и выше (до 2000 А) и обратные напряжения до
3500 В. Они предназначены для применения в силовых цепях электротехниче-
ских устройств в качестве вентилей. Силовые диоды имеют другую систему
обозначений: например, В К-200 — вентиль кремниевый, на прямой ток 200 А.
Конструкция и внешний вид диодов различной мощности даны на рис. 1.23.
Контрольные вопросы
1.	Нарисуйте вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и объ-
ясните его принцип действия.
2.	Чем отличаются свойства германиевых и кремниевых диодов?
3.	Перечислите и дайте формулировку основных параметров диода и покажите
на вольт-амперной характеристике, как определяются сопротивления диода
в прямом и обратном направлениях.
4.	Нарисуйте вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона и по-
кажите на ней рабочий участок.
5.	Нарисуйте схему включения стабилитрона и поясните принцип стабилиза-
ции напряжения на нагрузке.
6.	Объясните назначение и принцип действия импульсных диодов.
7.	Каково назначение и принцип действия туннельных диодов?
8.	Какой прибор называют варикапом и для чего Он применяется?
9.	Объясните буквенно-цифровую систему обозначения диодов.
Глава 1.4.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.4.1.	Устройство и принцип действия транзисторов
Биполярным транзистором, или просто транзистором, назы-
вают полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими
р-п переходами и тремя выводами. Он имеет трехслойную струк-
туру, состоящую из чередующихся областей с различными типа-
ми электропроводности: р-п-р или п-р-п (рис. 1.24).
Работа биполярного транзистора зависит от носителей заря-
да Обеих полярностей — электронов и дырок; отсюда его назва-
ние «биполярный».
Основным элементом транзистора является кристалл кремния
или германия с созданными в нем двумя плоскостными р-п пе-
реходами. Структура такого кристалла p-n-p-типа, изготовленного
по сплавной технологии, показана на рис. 1.25, а. Пластина полу-
проводника n-типа с заранее введенной в небольшом количестве
донорной примесью является базовой. На нее наплавляются с
двух сторон таблетки акцепторной примеси: для германия — ин-
дий, для кремния — алюминий. В процессе термической обработ-
52
ки атомы акцепторной примеси проникают в кристалл, создавая
p-области. Между p-областями и полупроводником n-типа обра-
зуются р-п переходы. Процесс введения примесей контролирует-
ся 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 на-
зывается эмиттером, вторая наружная область — коллектором, а
внутренняя область — базой. Электронно-дырочный переход меж-
ду эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между
коллектором и базой — коллекторным переходом.
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 конструк-
ция (б) сплавного транзистора:
/ — дно корпуса; 2 — крышка кор-
пуса; 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 сос-
тавляет единицы микрометров. Площадь коллекторного перехода
в несколько раз превышает площадь эмиттерного. Пример кон-
струкции маломощного германиевого транзистора дан на
рис. 1.25,6.
Применение транзистора для усиления электрических коле-
баний основано на его принципе действия как управляемого
электронного прибора.
В схеме включения транзистора (рис. 1.26) к эмиттерному
53
переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к кол-
лекторному— обратное. Если на эмиттерном переходе нет на-
пряжения, то через коллекторный переход протекает очень не-
большой 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 Еэ происходит инжекция носителей заряда из
эмиттера в базу, где они являются неосновными. Для транзис-
тора 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 /э. 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. Боль-
шая 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 инжектируе-
мых из эмиттера в базу дырок рекомбинирует в области базы
с электронами, количество которых пополняется из внешней цепи
от источника £э. За счет этого в цепи базы протекает ток базы
/б. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой кон-
центрации основных носителей заряда — электронов. При этих
условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока ба-
зы, невелико.
Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится
ток эмиттера, то практически пропорционально возрастет ток
54
коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах
при малых изменениях прямого напряжения на эмиттерном пе-
реходе.
Для иллюстрации основных процессов на рис. 1.27 показаны
потоки дырок в транзисторе р-п-р при инжекции их через эмит-
терный 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.
-о Е о—
+ к —
пр)	(^обр)
Рис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью
потоков носителей заряда
Кроме того, показаны два процесса, которые по интенсив-
ности неизмеримо меньше основных. Первый из них — генера-
ция пар носителей заряда в области коллектора, обусловли-
вающая 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 ре-
зультате снижения потенциального барьера при прямом напря-
жении на эмиттерном переходе. Однако учитывая, что концентра-
ция основных носителей заряда (электронов) в базе на два-три
порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, можно счи-
тать, что электронная составляющая прямого тока через ЭП
55
очень мала и величину тока эмиттера /э определяет дырочная
составляющая. Электроны, перешедшие из базы в эмиттер, ре-
комбинируют в нем с дырками.
Уход дырок из коллектора соответствует приходу на их
место электронов из внешней цепи от источника питания Ек. Ре-
комбинация электронов с дырками в базе и в эмиттере компен-
сируется пополнением их из внешней цепи от источника пита-
ния Еэ и из коллектора за счет обратного тока 7КОбР- Пополнение
ушедших из эмиттера в базу дырок происходит за счет ухода
электронов из эмиттера во внешнюю цепь под действием источ-
ника Еэ.
Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:
7Э = 7К -|- А-
Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому
для практических расчетов часто считают ток коллектора приб-
лиженно равным току эмиттера: 7К ~ 7Э. Отношение 7К/7Э = а на-
зывают статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, или
коэффициентом передачи постоянного тока.
Принцип действия транзистора п-р-п аналогичен рассмотрен-
ному, но носителями заряда, создающими токи через р-п пере-
ходы в процессе инжекции и экстракции, являются электроны;
полярность источников Еэ и Ек должна быть изменена на про-
тивоположную, соответственно изменятся и направления токов
в цепях.
На основании рассмотренных процессов можно сделать вы-
вод, 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 эмиттер-
ном 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 колеба-
ний UBX~, которые надо усилить. Электрические колебания, по-
даваемые во входную цепь, называют управляющим, или усили-
ваемым, сигналом. Выходная цепь — между коллектором и ба-
зой — является главной цепью', в нее последовательно с источ-
ником Ек включается нагрузка /?„, на которой надо получить уси-
56
ленный сигнал. Источник усиливаемых колебаний малой мощ-
ности дает небольшое переменное напряжение и вызывает из-
менения эмиттерного тока; в результате происходят изменения
коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку со-
противление коллекторного перехода, включенного в обратном
направлении, очень велико, коллекторная цепь является высоко-
омной; в нее включается, соответственно, высокоомная нагруз-
ка А*н.
Рис. 1.28. Схема включения
транзистора для усиления
электрических колебаний
При этих условиях изменения тока коллектора Д/к, практиче-
ски равные изменениям тока эмиттера ЛА, создают в усилителях
низкой частоты на большом сопротивлении /?н электрические
колебания, мощность которых значительно превышает мощность
колебаний в низкоомной входной цепи, т. е. происходит усиление
электрических колебаний.
1.4.2.	Схемы включения и статические характеристики
транзисторов
Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме вклю-
чения один — входной, другой — выходной, а третий — общий
для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой
а	б	в
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 тран-
зистора — 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
57
колебаний (см. рис. 1.26, 1.27, 1.28), входной электрод — эмит-
тер, 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 эмит-
тера 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 транзис-
тора, включенного с общим эмиттером
В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует
напряжение между двумя электродами и протекает ток: во вход-
ной цепи — UBK и /вх, в выходной— ивых и /вых. Эти электрические
величины определяют режим работы транзистора и взаимно вли-
яют друг на друга.
Характеристики транзистора представляют собой зависимость
одной из этих величин от другой при неизменной третьей вели-
чине. Для того чтобы одну. из электрических величин можно
было поддерживать постоянной, в схему для снятия характерис-
тик надо включить только источники питания; нагрузку и ис-
точник усиливаемых колебаний не включают. Для регулирова-
ния напряжений включают потенциометры, а для измерения на-
пряжений и токов — измерительные приборы. На рис. 1.30 при-
ведена схема для снятия характеристик транзистора п-р-п, вклю-
ченного с общим эмиттером. При снятии каждой характеристи-
ки сначала устанавливают с помощью потенциометров значение
постоянной величины, а затем, устанавливая последовательно
разные значения изменяемой величины, определяют соответст-
вующее значение зависящей от нее другой величины.
Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин
поддерживается постоянной, называют статическими. Совокуп-
ность характеристик, снятых при разных значениях этой посто-
янной величины, представляет собой семейство статических ха-
рактеристик.
58
Наибольшее значение при применении транзисторов имеют
два вида характеристик — входные и выходные.
Входной характеристикой называют зависимость входного
тока от входного напряжения при постоянном выходном напря-
жении:
/Вх = /Wx) при иаык = const.
Выходной характеристикой называют зависимость выходного
тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:
/вых ~~ f(Uux) ПрИ /вх Const.
Вид характеристик транзистора зависит от способа его вклю-
чения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, по-
этому пользуются обычно входными и выходными характеристи-
ками для схем ОБ и ОЭ.
Статические характеристики транзистора в схеме ОБ. Как бы-
ло 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 UK6\ входным током является ток эмиттера
/„ а выходным — ток коллектора /к.
Рис. 1.31. Характеристики транзистора, включенного
по схеме ОБ: а — выходные; б — входные
Поскольку /к ~ 4, 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 напря-
жения коллектор — база при постоянном токе эмиттера, поэтому
их называют коллекторными (рис. 1.31,а):
/к — f(UK6) при /э = const.
59
Для того чтобы график характеристик был универсальным
для транзисторов типа р-п-р и п-р-п, напряжение по горизонталь-
ной оси отложено без учета его полярности, по абсолютной ве-
личине.
При /э = 0 ток коллектора равен обратному току коллектор-
ного перехода 4 = /кобр, поэтому выходная характеристика, сня-
тая при 4 = 0 представляет собой обратную ветвь вольт-ампер-
ной характеристики р-п перехода. Характеристики, снятые при
постоянных значениях 4 > 0 располагаются тем выше, чем боль-
ше 4, причем они выходят не из начала координат. Это объясня-
ется тем, что при Uкб — 0 на коллекторном переходе действует
потенциальный барьер <ро» создающий ускоряющее поле для не-
основных носителей заряда, инжектированных в базу из эмитте-
ра. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в
коллектор и создают ток 4, не равный нулю. Он тем больше, чем
больше 4, при котором снимается характеристика. Характерис-
тики 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:
/?выхб = при 4 = const (сотни тысяч ом и более).
Д/ к
При увеличении коллекторного напряжения выше максималь-
но допустимого возникает опасность электрического пробоя кол-
лекторного 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 напря-
жения эмиттер—база при постоянном напряжении коллектор—
база; эти характеристики называют эмиттерными (рис. 1.31,6):
4 = f (и,б) при UK6 — const.
При отсутствии коллекторного напряжения (£4б = 0) вклю-
чен только эмиттерный переход в прямом направлении и харак-
теристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характе-
ристики р-п перехода.
Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схе-
ме ОБ:
/?вх.6 = Ад^~ при £/Кб = 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 UK(>, т. е. Uo6v, расширяется за счет базо-
60
вой области коллекторный р-п переход и уменьшается толщина
базы. Перепад концентрации инжектированных носителей заряда
в базе увеличивается, возрастает процесс диффузии их от эмит-
терного перехода, а следовательно, и инжекция из эмиттера.
В результате становится больше ток /э при том же значении (7эб.
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
Обэ, 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 соз-
даваемое им напряжение на нагрузке /?н в высокоомной выход-
ной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи,
то, значит, схема ОЭ усиливает и ток, и напряжение и, следователь-
но, дает очень большое усиление мощности сигнала.
Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме
ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напря-
жения коллектор — эмиттер при постоянном токе базы. Как и для
схемы ОБ, выходные характеристики в схеме ОЭ — это коллек-
торные характеристики (рис. 1.32,а).
/K — f(UK3) при /б = const.
В этой схеме напряжение U63 — это прямое напряжение на
эмиттерном переходе, а обратное напряжение на коллекторном
переходе UK6 определяется разностью UK3—U^3. Но поскольку
UK3 1Л-3, можно приближенно считать, что Uo6? ~ UK3.
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
61
ток /к = 0. Это объясняется тем, что при UK3 = 0 цепь коллек-
тор — эмиттер закорочена; коллекторный переход подключен па-
раллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое на-
пряжение, равное L/бз, которое понижает потенциальный барьер.
В результате основные носители заряда переходят из коллектора
в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, пере-
ходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что 1К = 0.
Начальная коллекторная характеристика, снятая при U = 0,
имеет вид, соответствующий обратной ветви вольт-амперной ха-
рактеристики диода. Однако величина тока коллектора, являю-
щегося начальным неуправляемым током /К(о>, при этом в де-
сятки раз превышает величину обратного тока коллекторного
перехода. Это объясняется тем, что ток коллектора /к = Д—Д,
а при /б = 0 А = Д, 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 кол-
лектора /К(о) невелики, но созданный потоком основных носи-
телей заряда из эмиттера А(0) значительно превышает обрат-
ный ток коллекторного перехода, создаваемый неосновными но-
сителями при отсутствии инжекции из эмиттера, т. е. при Д = 0.
Чем больше значение тока /б, при котором снимается кол-
лекторная характеристика, тем выше она располагается, так как
для увеличения тока /б необходима более интенсивная инжек-
ция в базу неосновных носителей заряда, чтобы осуществля-
лась более интенсивная рекомбинация их с основными носителя-
ми заряда в базе. Это соответствует большему значению тока
эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.
Начальный круто восходящий участок каждой характерис-
тики является нерабочим. Это участок малого напряжения UK3,
изменяющегося в пределах от 0 до 0,5—1,5 В. При малых зна-
чениях t/кэ, соизмеримых с величиной t/б,, следует учитывать,
что напряжение UK3 равно сумме напряжений на коллекторном
Uk6 и эмиттерном ибз переходах. Отсюда напряжение на кол-
лекторном переходе Uk6—(Jk3 — U63. При UK3 < t/б, из меньшего
вычитается большее, т. е. знак UK6 меняется на противополож-
ный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность Uk6
соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе,
то при UK3 < t/6, она соответствует прямому напряжению. Наи-
большее значение прямого напряжения (До на коллекторном пе-
реходе получается при UK3 = 0, когда Uk6 = ибз. По мере роста
UK3 это прямое напряжение уменьшается и становится равным
нулю при UK3 = U63. Прямое напряжение на коллекторном пере-
ходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор
неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из
62
эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллек-
торном переходе приводит к увеличению экстракции этих носи-
телей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает рез-
кое возрастание тока коллектора.
При > Пбз полярность изменяется на обратную для
коллекторного перехода. Изменение напряжения 0кз 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:
Явых.э = 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), представляю-
щие собой зависимость тока базы от напряжения база — эмит-
тер при постоянном напряжении коллектор — эмиттер:
/б == Ktta) при UK3 = const.
При UK3 = 0 характеристика имеет вид прямой ветви вольт-
амперной характеристики диода. С увеличением постоянного на-
пряжения UK3, при котором снимается характеристика, она не-
много сдвигается вправо. Это объясняется тем, что увеличение
обратного напряжения приводит к расширению коллекторного
перехода за счет базы, уменьшению толщины базы и числа ре-
комбинаций 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 порого-
вым (Упор.
Входное сопротивление в схеме ОЭ не очень мало; оно го-
раздо больше, чем в схеме ОБ:
/?ВХ.Э =-^7^- при UK3 = const (сотни и тысячи ом).
Л/б
Кроме рассмотренных семейств характеристик для практиче-
ских 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
63
база — эмиттер при постоянном напряжении коллектор — эмит-
тер (рис. 1.33, а):
/к = f (ибэ) при UK3 = const.
Проходная характеристика может быть построена по точкам,
взятым на входных и выходных характеристиках. Она начинает-
ся не из начала координат (так как ток коллектора появляется,
когда ток базы /б>0), а при значении напряжения U69, равном
пороговому илор. Начальный участок ее пологий, а с дальнейшим
увеличением 0бз характеристика становится круто восходящей
и практически линейной. При Uf>3 Unop транзистор остается
закрытым, ток /к = 0; при U63 > Unop транзистор открывается.
Рис. 1.33. Проходная характеристика (а) и характерис-
тика прямой передачи (б) транзистора в схеме ОЭ
Характеристикой прямой передачи называют зависимость вы-
ходного тока от входного. Для схемы ОЭ это зависимость тока
коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора
(рис. 1.33,6):
^к = /(/с) при {/кэ = const.
Эта характеристика выходит из начала координат. С увеличе-
нием 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 характе-
ристики, 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 харак-
теристик вверх — значительное увеличение обратного тока кол-
лекторного перехода, который в схеме ОЭ увеличивается в де-
сятки — сотни раз. Кроме того, усиление тока в схеме ОЭ также
возрастает с повышением температуры.
В схеме ОК входным током является ток базы Д, а выход-
ным— ток эмиттера 13. Входное напряжение создается между ба-
64
зой и общей точкой входной и выходной цепей, к которой через
источник постоянного тока Ек подключен по сигналу коллектор,
поэтому входное напряжение— Ебк, а выходное — на сопротивле-
ние нагрузки, включенной между эмиттером и общей точкой, —
является напряжением £/эк. Как видно из схемы рис. 1.29, в, во
входной цепи на эмиттерном переходе действуют два напряже-
ния— от источника сигнала UBX и на резисторе нагрузки £/вых,
причем приращения этих напряжений находятся в противофазе,
так что фактически напряжение на переходе равно их разности
и очень мало. Этим объясняется соотношение EH1JX < (7ВХ, но раз-
ность между ними невелика. Таким образом, в схеме ОК прак-
тически не усиливается напряжение, а усиливается только ток;
Рис. 1.34. Влияние температуры на
коллекторные характеристики тран-
зистора в схеме ОЭ
во столько же раз усиливается мощность сигнала. Из-за отсутст-
вия 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 неболь-
шой разности напряжений [7ВЫХ — UBK и имеет малую величину:
RBX,к =	при UK = const (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.
1.4.3. Параметры транзисторов
Для оценки свойств транзисторов наряду с их характеристи-
ками используют параметры. Различают две группы параметров:
первичные и вторичные.
3-1663
65
К первичным относят собственные параметры транзистора,
характеризующие его физические свойства (рис. 1.35, а) и не
зависящие от схемы включения:
г3 — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
в прямом направлении; составляет единицы и десятки ом;
Гб — объемное сопротивление базы; составляет сотни ом;
гк—дифференциальное сопротивление коллекторного перехо-
да в обратном направлении; составляет сотни килоом;
Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные
параметры гк, гб, Сэ, Ск (а), и представление транзистора в виде
четырехполюсника для определения Л-параметров (б)
Сэ — емкость эмиттерного перехода; составляет сотни пико-
фарад;
Ск — емкость коллекторного перехода; составляет десятки
пикофарад.
Влиянием емкостей Сэ и Ск в области звуковых частот можно
пренебречь.
Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов за-
висят от режима транзистора и могут быть определены как
дифференциальные сопротивления для данной рабочей точки по
статическим характеристикам транзистора в схеме ОБ; сопротив-
ление эмиттерного перехода — по входной характеристике как от-
ношение малого приращения напряжения эмиттера к вызванному
им приращению тока эмиттера при постоянном напряжении
коллектора:
гэ = при L/K = const;
сопротивление коллекторного перехода — по выходной характе-
ристике как отношение приращения напряжения коллектора к
вызванному им малому приращению тока коллектора при по-
стоянном токе эмиттера:
Гк = —г~ при /9 = const.
д/к
66
К неудобству использования первичных параметров транзис-
тора гэ, гб и гк следует отнести то, что их невозможно непосред-
ственно измерить с помощью измерительных приборов, поскольку
точки для подключения прибора находятся внутри структуры
транзистора.
К параметрам транзистора относят также дифференциаль-
ные 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= 4г- при (7Кб = const; а= 0,95—0,99.
А/,
Для схемы ОЭ коэффициент усиления тока 0:
0 = 4г- при (7КЭ = const; 0 = 20—200.
Для схемы ОК коэффициент усиления тока у:
у = 4г- ПРИ = const; у = 20—200.
Л/б
Коэффициенты усиления тока, называемые также коэффици-
ентами передачи тока, в разных схемах включения транзистора
связаны соотношениями:
₽=т-';
у=1+₽; 7 = ^1—.
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»: h и Ui — входные ток и напряжение,
/2 и U? — выходные. Все рассуждения справедливы при условии,
что сигналы, т. е. приращения Д/ь Д(71, Д/2 и Д(7г, малы.
3*
67
Эти четыре величины взаимно связаны и влияют друг на дру-
га. Для расчетов выбирают две из них в качестве независимых
переменных, а две другие величины будут зависимыми перемен-
ными. Для них составляется система из двух уравнений, свя-
зывающих 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. Соот-
ветственными будут и варианты выбора системы уравнений,
а значит, и совокупности параметров для этой системы, назы-
ваемой системой параметров. Существуют разные системы пара-
метров: система Z-параметров (Z имеет размерность сопротив-
ления), //-параметров (у имеет размерность проводимости),
Л-параметров и другие.
Наибольшее распространение при расчете транзисторных низ-
кочастотных схем получили h-параметры. Их преимущество пе-
ред собственными параметрами состоит в том, что их удобно
определять с помощью измерений в схеме включения транзисто-
ра, причем для этого легко создать требуемые режимы по пере-
менному току: короткое замыкание на выходе, соответствующее
условию Д(72 = 0 (или t/2 = const), и холостой ход на входе,
соответственно, Д/i = 0 (или I\ = const).
Для определения //-параметров составляется система уравне-
ний, в которой независимыми переменными являются Д/i и Д4/2:
Д U1 = ЛцД/i -J- Л12Д672;
Д/2 = /г2|Д/1	Л22Д(72.
В этой системе имеется четыре параметра с разной размер-
ностью: Ли, Л22, Л2|, Л12.
Индекс параметра представляет сочетание двух цифр, обозна-
чающих 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. Зна-
чение этих параметров следующее:
Ли — входное сопротивление транзистора при неизменном вы-
ходном напряжении
Лц = при Ич = const;
Л22 — выходная проводимость транзистора при неизменном вход-
ном токе
Л22 — при /1 = const;
MJ 2
68
hi\ — коэффициент усиления тока при неизменном выходном
напряжении:
Л21 = -тт- при (У2 = const;
А/)
Л12 — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению
при неизменном входном токе
, At/,	.	.
h\2 — -TT7- при /1 = const.
ALA
Рис. 1.36. Определение /i-параметров по статическим
характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а —Лцэ;
б — h-22^ в — Л21э; г — Л|2э
Поскольку 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,
Л226, h2i6, hi26', для схемы ОЭ — Ацэ, Лггэ, А2ь, Ai2S; для схемы
ОК добавляется буква «к».
Определение /i-параметров по статическим характеристикам
транзистора для схемы ОЭ показано на рис. 1.36, где Ап опре-
деляется по одной входной характеристике, А22 — по одной вы-
ходной, h\2 — по двум ВХОДНЫМ, А21 — по двум выходным. Учи-
тывая, что характеристики транзистора нелинейны и параметры
зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки
по малым приращениям токов и напряжений:
69
А[[э = л,6 при £/кэ= const (рис. 1.36, а);
/?22э== При /б = const (рис. 1.36, б);
Л21Э = при UK3= const (рис. 1.36, в);
h\2s = при /б = const (рис. 1.36, г).
Лс/кэ
Значения A-параметров для разных схем включения связаны
соотношениями, из которых по A-параметрам одной схемы можно
найти A-параметры другой. Например:
Ацэ = Ан к —	— » ^22э = ^22к = 1 '^В * * * * * * * * * * * * * 22f— •
1 — «21б	1 — «216
Кроме того, A-параметры можно выразить через первичные
параметры транзистора:
л нс = гэ + гб(1 а); Ацэ — Ai |к = Гб 4“ /*э (1 4~ Р);
h 226 = ——;	А22э = Аггк = —+ Р ;
f к	Г к
L, .	_ rf> . Л ______ 1 . L. ____ ^э( 1 + Р) .
«12б — ----,	«12к = 1, Л12э — -------------,
Гк	гк
А216 — &> ll2\K — Y = 1 4” Р = “i-----------i А21э = р.
1 — а	п
В справочниках приводится коэффициент усиления тока в схеме
ОЭ: Л21э = р.
Как видно из приведенных соотношений, аир соответствен-
но равны А216 и Агь; определение их по коллекторным характе-
ристикам для схем ОЭ и ОБ производится аналогично показан-
ному на рис. 1.36, в.
Кроме рассмотренных параметров свойства транзистора ха-
рактеризуются величинами, определяющими номинальный и пре-
дельный режимы работы и возможности использования транзис-
торов 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, кото-
рые нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации.
К ним относятся максимально допустимые постоянные токи кол-
лектора /к макс, эмиттера /эмакс И баЗЫ Диаке, МЗКСИМЗЛЬНО ДОПуСТИ-
мые постоянные напряжения £/Эбмакс, £Лбмакс, t/кэмакс, максимально
70
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 высо-
ких частот сильнее. Это объясняется тем, что емкость Сэ шунти-
рует очень малое сопротивление эмиттерного перехода гэ, а ем-
кость Ск — очень большое сопротивление гк. Параметром тран-
зистора, характеризующим его частотные свойства, является
граничная частота, при которой коэффициент усиления тока
уменьшается в д/2~раз. Для схемы ОБ это частота fa, при кото-
рой а уменьшается в -\[2~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 харак-
теристик 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.
1.4.4. Типы транзисторов и система их обозначений
Транзисторы разделяют на типы в зависимости от их назна-
чения по граничной частоте усиливаемого сигнала и по мощно-
сти, рассеиваемой на коллекторе.
По частотным свойствам транзисторы делят на низкочастот-
ные (fa 3 МГц), средней частоты (Зс/а^ЗО МГц), высоко-
частотные (30<fa<300 МГц) и СВЧ (fa >300 МГц).
По максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллек-
тором, различают транзисторы малой мощности (Ркмакс 0,3 Вт),
средней мощности (0,3 < Ркмакс 1,5 Вт) и большой мощности
(Лмакс > 1,5 Вт). Для улучшения теплоотвода транзисторов
средней и большой мощности используют радиаторы охлажде-
ния; 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
71
номеру разработки; устанавливается
нием по сотням.
Малой мощности
низкой частоты
средней частоты
высокой частоты и СВЧ
Средней мощности
низкой частоты
средней частоты
высокой частоты и СВЧ
Большой мощности
низкой частоты
средней частоты
высокой частоты и СВЧ
в соответствии со следующим распределе-
от 101 до 199;
от 201 до 299;
от 301 до 399.
от 401 до 499;
от 501 до 599;
от 601 до 699.
от 701 до 799;
от 801 до 899;
от 901 до 999.
Г ерманиевые
(p-ir>-p)
ГТ403И
ГТ9О5А
ргп—।--1—।—।—I—|—।—I—п
I 1	2 3 4 Б 6 7 8 9 1О|
Рис. 1.37. Внешний вид транзисторов разных типов (а), со снятой
крышкой корпуса (б) и с радиатором охлаждения (в)
а
Примеры обозначения транзисторов:
ГТ108Б — германиевый транзистор малой мощности, низкой частоты, поряд-
ковый номер разработки 08, группа по параметрам Б;
КТ315Г — кремниевый транзистор малой мощности, высокой частоты, поряд-
ковый 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
1.	Что представляет собой биполярный транзистор?
2.	По схеме включения транзистора объясните его принцип действия как управ-
ляемого прибора.
3.	Объясните процесс усиления электрических колебаний с помощью транзи-
стора.
72
4.	Какие возможны схемы включения транзистора и какими свойствами они
отличаются?
5.	Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора в' схеме с общим
эмиттером.
6.	Перечислите первичные и Л-параметры транзистора и покажите, как опреде-
ляются коэффициенты усиления тока а и 0 по характеристикам.
Глава I.S.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.5.1.	Устройство и принцип действия полевого транзистора
с р-п переходом
Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор,
обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены
потоком основных носителей заряда, протекающим через прово-
дящий канал и управляемым поперечным электрическим полем.
Рис. 1.38. Полевой транзис-
тор с управляющим р-п пе-
реходом: а, б — упрощенные
структуры; в, г — условные
графические обозначения с
каналом n-типа и р-типа;
д — схема включения, пояс-
няющая 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 уп-
равляющим р-п переходом и с изолированным затвором.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзи-
стора с р-п переходом (рис. 1.38). Он представляет собой полу-
проводниковую пластину n-типа, от торцов которой с помощью
невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы
73
электродов. Слой полупроводника между этими контактами,
в котором регулируется поток носителей заряда, называют
проводящим каналом (в данном случае — /2-типа). Электрод
полевого транзистора, через который в проводящий канал вте-
кают носители заряда, называют истоком И, а электрод, через
который из канала вытекают носители заряда, — стоком С.
На грань пластины в ее центральной части наплавляют ак-
цепторное 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 про-
водимость, близкую к нулю. Электрод, на который подается на-
пряжение, создающее электрическое поле для управления проте-
кающим 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 пере-
хода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пласти-
на. 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 обозначе-
ния полевых транзисторов с каналами /г-типа и р-типа.
В схеме включения полевого транзистора (рис. 1.38, д)
между истоком и стоком подается напряжение Uc„ такой поляр-
ности, 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 1С.
Цепь между стоком и истоком является главной.
На затвор относительно истока подается напряжение U3„,
обратное для р-п перехода. Оно создает поперечное по отноше-
нию к каналу электрическое поле, напряженность которого за-
висит 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 обра-
зом, принцип действия полевого транзистора с р-п переходом
основан на изменении проводимости канала за счет изменения
ширины области р-п перехода под действием поперечного элек-
трического поля, которое создается напряжением затвор —
исток.
Если в цепь затвор — исток последовательно с источником
постоянного напряжения Е3 включить источник усиливаемого
74
сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последо-
вательно с источником питания Ес — нагрузку /?н (рис. 1.39),
то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал
вызывает изменения поперечного электрического поля; оно пуль-
сирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к перио-
дическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пуль-
сации тока k и напряжения на нагрузке /?>,. Переменная состав-
ляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал
на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи
управления на входе.
Рис. 1.39. Схема включения по-
левого транзистора с общим
истоком для усиления электри-
ческих колебаний
Из принципа действия полевого транзистора следует, что,
в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током,
а напряжением U3ii.
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 поле-
вого транзистора по сравнению с биполярным.
Такое же устройство и принцип действия имеют полевые тран-
зисторы с р-п переходом и каналом p-типа; по сравнению с тран-
зисторами с каналом n-типа они требуют противоположной по-
лярности источников питания. Основные носители заряда в
них — дырки.
Следует отметить, что при подаче на канал напряжения Ucll
потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по
его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля
до полного напряжения Uc„. В связи с этим увеличивается и об-
ратное напряжение на р-п переходе в направлении от истока
к стоку от значения, равного U3II около истока, до суммы
6ЛИ + йен у стока. Это вызывает постепенное расширение обла-
сти р-п перехода по мере приближения к стоку и соответствую-
щее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении
от истокового конца к стоковому. С увеличением Ucli возрастает
влияние этого напряжения на сужение канала у стокового конца.
1.5.2.	Статические вольт-амперные характеристики
полевых 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 за-
твор — исток:
/с = при Ua„ = const.
Характеристики, снятые при разных значениях неизменной
величины йи, составляют семейство статических стоковых ха-
рактеристик. На рис. 1.40, а, приведено семейство характеристик
для полевого транзистора с р-п переходом и каналом п-типа.
Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при U3li = 0,
когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней
можно выделить три участка.
Рис. 1.40. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-зат-
ворная характеристика (б) полевого транзистора с управляю-
щим р-п переходом и каналом п-типа
Начальный участок выходит из начала координат (при
UCII = 0 ток /с тоже равен нулю) и соответствует малым значе-
ниям напряжения Ucli, 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 Ци 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 С/зи = 0, у стокового конца равно величине Uclt.
По мере увеличения UCK происходит сужение канала, уменьша-
76
ется его проводимость и замедляется рост тока /с. Это соответ-
ствует криволинейной переходной области характеристики.
Дальнейшее увеличение Uclt практически не вызывает роста
тока, так как непосредственное влияние Ucli на величину тока
компенсируется одновременным повышением сопротивления ка-
нала из-за его сужения. Максимальное сужение канала назы-
выют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насы-
щения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, учас-
ток характеристики. Напряжение, при котором начинается режим
насыщения, называют напряжением насыщения t/си нас, а ток при
этом — током насыщения /сиас.. Участок характеристики, соответ-
ствующий режиму насыщения, используется в усилителях как
рабочий.
При дальнейшем увеличении t/CH, когда оно достигает опре-
деленного 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 Uclt ограничивается максимально
допустимым значением, указываемым в справочниках.
Характеристики, снимаемые при значениях t/3H #= 0, распола-
гаются ниже рассмотренной характеристики при U3lt = 0, причем
тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение
затвор — исток. С увеличением напряжения U3H, при котором
снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала
становится меньше, его сопротивление — больше, менее круто
идет начальный участок характеристики, а также при меньшем
напряжении (7СИ и токе /с наступает режим насыщения. Пробой
транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении
t/си.
Полевой транзистор может быть использован не только в
схемах усиления, но и в качестве управляемого омического со-
противления; в этом случае он работает в режиме, соответст-
вующем начальному крутому участку стоковой характеристики.
Стоко-затворная характеристика — это зависимость тока сто-
ка от напряжения затвор — исток при неизменной величине на-
пряжения сток — исток (рис. 1.40, б) :
/с = f(t/3H) при t/си = const.
Эта зависимость характеризует управляющее действие вход-
ного напряжения на величину выходного тока.
При данном постоянном значении t/CH, взятом в рабочем ре-
жиме, т. е. на участке насыщения, и при t/3H = 0 точка характе-
ристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной
току насыщения 1СЯЯС. С увеличением напряжения t/3H по абсо-
лютной величине проводимость канала уменьшается, что приво-
77
дит к уменьшению тока. Увеличение напряжения U3K 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 £/ЗИотс •
На рис. 1.40,6 приведена одна стоко-затворная характери-
стика, поскольку изменение Ucli в режиме насыщения очень
мало влияет на ток /с и характеристики, снятые при разных
значениях неизменной величины Uc„, располагаются очень близко
друг к другу.
Между напряжением насыщения и напряжением отсечки су-
ществует зависимость:
^Аинас === ^Аиотс ^/зи •
ОтСЮДа ПрИ i/зи 0 t/синас == ^Анотс-
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 факто-
ров. С одной стороны, повышение температуры снижает потен-
циальный барьер р-п перехода, что ведет к уменьшению его
ширины и расширению канала, сопротивление канала уменьша-
ется, ток /с возрастает. С другой стороны, при повышении тем-
пературы 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 тем-
пературы уменьшается, что очень благоприятно, а в области
малых токов преобладает первый фактор, и ток немного возрас-
тает (пунктирная кривая на рис. 1.40,6). Повышение темпера-
туры снижает t/BX из-за увеличения обратного тока р-п перехода.
1.5.3.	Параметры полевых транзисторов с р-п переходом
Основные параметры полевого транзистора следующие: кру-
тизна стоко-затворной характеристики, коэффициент усиления,
внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напря-
жение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напря-
жение отсечки, а также параметры предельных режимов: мак-
симально допустимый ток стока /смакс при U3H = 0, максимально
допустимое напряжение сток — исток Саймаке, максимально до-
пустимое напряжение затвор — исток	максимально до-
пустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей темпе-
ратуры.
Статическая крутизна характеристики S показывает влияние
78
напряжения затвора на выходной ток транзистора и определя-
ется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его
малому приращению напряжения затвор — исток при постоянном
напряжении сток — исток:
S =	- при UCB = const.
A Un
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 напря-
жения At/зи и соответствующее ему приращение тока Д/с
(см. рис. 1.40,6). Наибольшее значение имеет крутизна харак-
теристики в точке на оси тока при U3B = 0. С увеличением £7ЗИ
крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра
S= 0,1 — 8 мА/В.
Внутреннее (дифференциальное) сопротивление /?( показы-
вает влияние напряжения сток — исток на выходной ток тран-
зистора. 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):
Я- — -fj- при б/зи = const.
А/с
Чем больше Rit тем более полого идет характеристика в об-
ласти насыщения. Внутреннее сопротивление полевых транзисто-
ров составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет
выходное сопротивление RBblx.
Входное сопротивление RBX полевого транзистора очень ве-
лико; оно определяется обратным сопротивлением р-п перехода
и составляет 108—109 Ом. Большое входное сопротивление явля-
ется преимуществом полевых транзисторов перед биполярными.
Преимуществом является также малый собственный шум.
Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуют-
ся статическим коэффициентом усиления напряжения ц, который
может быть найден как произведение крутизны на внутреннее
сопротивление: ц = SR,.
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение
напряжения затвор — исток сильнее влияет на ток стока, чем
такое же изменение напряжения сток — исток. Его можно опре-
делить как отношение приращения напряжения сток — исток
к приращению напряжения затвор — исток при неизменном токе:
ц = при/с = const.
Ас/ди
79
Кроме этих параметров на свойства высокочастотных тран-
зисторов влияют междуэлектродные емкости.
Максимально допустимое напряжение сток — исток выбирают
с запасом примерно в 1,5 раза меньше напряжения пробоя
сток — затвор при U3lt = 0.
Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом могут
быть созданы и на основе перехода Шоттки (металл — полу-
проводник) на базе арсенида галлия.
1.5.4.	МДП-транзисторы
МДП-транзисторами называют полевые транзисторы с изоли-
рованным затвором. В транзисторах этого вида затвор представ-
ляет 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 БЮг. 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 кана-
лом, 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 поверхно-
сти кристалла создается тонкая пленка окисла кремния SiOa,
которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл
от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними
выводами осуществляются от областей стока и истока, от метал-
лического затвора, а также в некоторых случаях от подложки.
Чаще всего вывод от подложки электрически соединяют с ис-
током.
Принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом
основан на изменении проводимости канала под действием по-
80
перечного электрического поля, создаваемого напряжением на
затворе.
При U3„ = 0 через транзистор протекает ток /с под действи-
ем напряжения сток — исток (7СИ, приложенного плюсом к стоку
при канале n-типа. Величина этого тока определяется исходной
проводимостью канала. Вид стоковой характеристики при (Ли = О
Рис. 1.41. Структуры полевых
транзисторов с каналом п-типа:
а — с управляющим р-п пере-
ходом; 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 тран-
зистора с р-п переходом: ее начальный участок — почти линей-
ный, 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 (7СИ выше максимально допустимого наступает
пробой.
При подаче на затвор отрицательного напряжения относи-
тельно истока U3K < 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 про-
водимость канала, ток через транзистор и тем ниже идет стоко-
вая характеристика.
При подаче на затвор положительного напряжения U3H > О
81
в транзисторе с каналом n-типа электрическое поле затвора
притягивает электроны, втягивая их в канал из p-слоя и п-слоев
истока и стока; канал обогащается основными носителями заря-
да, и проводимость его увеличивается. С повышением положи-
тельного напряжения на затворе возрастает ток стока /с. Чем
больше положительное значение (7ЗИ, при котором снимается
стоковая характеристика, тем выше она располагается. При
увеличении Uc„ до некоторой величины происходит лавинный
пробой транзистора (/с резко возрастает) вследствие пробоя
Рис. 1.42. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затвор-
ная характеристика (б) МДП-транзистора со встроенным кана-
лом п-типа
участка сток — затвор вблизи стока. При отрицательном U3„
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 но-
сителями заряда, так и в режиме обогащения.
Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встро-
енным 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 £/зи = 0 ток имеет опреде-
ленное значение; с увеличением положительных напряжений
(73и >0 ток растет (режим обогащения), а с увеличением отри-
цательных значений Изк < 0 ток уменьшается (режим обедне-
ния). При некотором значении отрицательного напряжения зат-
вор — исток, равном напряжению отсечки (7ЗИ = Сзктс, электро-
ны 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-
82
кого транзистора показана на рис. 1.41, в. В отличие от тран-
зистора со встроенным каналом здесь первоначально на под-
ложке p-типа создаются только области n-типа истока и стока,
а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего
напряжения на затворе (U3lf = 0) транзистор остается закрытым
независимо от величины и полярности напряжения сток —
исток. Это объясняется тем, что при любой полярности UCK
оба р-п перехода (исток — подложка и сток — подложка) на-
ходятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.
Рис. 1.43. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затвор-
ная характеристика (б) МДП-транзистора с индуцированным
каналом и-типа
При подаче на затвор положительного напряжения относи-
тельно истока U3H > 0 электрическое поле затвора отталкивает
дырки подложки от приповерхностного слоя под затвором в глу-
бину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к
границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа элек-
тропроводности тонкого слоя у границы на противоположный
(инверсия), т. е. образуется — индуцируется — проводящий ка-
нал n-типа. С повышением положительного напряжения на за-
творе концентрация электронов в индуцированном канале воз-
растает, растет проводимость канала, а следовательно, и ток
стока через него. При снижении положительного напряжения
1/зи происходят обратные процессы: концентрация электронов
в канале падает, и ток уменьшается. Напряжение на затворе,
при котором ток становится равным нулю при данном значении
(7СИ, называется пороговым напряжением (Ди пор- При отрица-
тельном 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-тран-
зистора с индуцированным каналом n-типа приведено на
рис. 1.43, а. По виду характеристики такие же, как для полевых
83
транзисторов с р-п переходом и МДП-транзисторов со встроен-
ным каналом, но их расположение с изменением постоянного
значения (7ЗИ иное: при U3„ = 0 ток /с = 0, поэтому характери-
стика сливается с осью абсцисс, как и при увеличении постоян-
ного положительного значения U3lt от 0 до U3„ = (Липор- С уве-
личением значения U3„, при котором снимается характеристика,
начиная с U3„ > UMnop, стоковые характеристики идут выше.
Стоко-затворная характеристика (рис. 1.43,6) выходит из
точки на оси напряжений, соответствующей пороговому значению
напряжения затвор — исток (/ЗИПоР, 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 п-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 транзи-
сторами с управляющим р-п переходом являются гораздо боль-
шее входное сопротивление, достигающее 1012—10*4 Ом, сущест-
венно 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, получи-
ли широкое применение в интегральных микросхемах благо-
даря 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,
84
КП302Б, КП350В. Вид структуры полевого транзистора данного
типа указывается в справочниках вместе с параметрами и харак-
теристиками.
Контрольные вопросы
I.	Какой прибор называют полевым транзистором, какие существуют виды
полевых транзисторов и чем отличается их устройство?
2.	Объясните принцип действия каждого вида полевых транзисторов.
3.	Нарисуйте стоковые характеристик каждого вида полевых транзисторов
и объясните, чем они отличаются.
4.	Нарисуйте стоко-затворные характеристики каждого вида полевых транзисто-
ров и объясните, чем они отличаются.
5.	Покажите, как определяются по характеристикам основные параметры по-
левых транзисторов.
6.	Приведите примеры обозначения биполярных и полевых транзисторов в за-
висимости от мощности и частоты.
Глава 1.6.
ТИРИСТОРЫ
1.6.1.	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 чередую-
щимися слоями полупроводника p-типа и n-типа: pi-ni-pz-n?
(рис. 1.45, а). На основе этой структуры в зависимости от числа
Рис. 1.45. Тиристор: а — упрощенная структура: б — схематиче-
ское устройство;
1 — алюминий; 2 — молибден; 3 — золото-сурьма
выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные,
называемые динисторами, и триодные, называемые тринистора-
ми. Диодные тиристоры имеют два вывода: от наружного слоя
Pi — вывод анода А; от наружного слоя л2 — вывод катода К.
Триодные тиристоры имеют три вывода: кроме указанных основ-
85
ных выводов катода и анода — вывод управляющего электрода
УЭ от одного из внутренних слоев р2 или п\.
Схематическое устройство тиристора показано на рис. 1.45,6.
Исходным материалом служит кремний n-типа, в кристалле кото-
рого создается структура р-п-р-п. Слои р2 и п2 имеют большую
концентрацию примесей, а р\ и особенно п\ — меньшую. Пласти-
ну кремния с готовой четырехслойной структурой припаивают
к кристаллодержателю. Контактные площадки создают металли-
зированием, а соединение их с внешними выводами осуществля-
ется через вольфрамовые прокладки. Герметизированный корпус
предохраняет кристалл от воздействия окружающей среды.
Рис. 1.46. Схема включения тиристора без цепи
управления (а); напряжения на р-п переходах при
включении 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 раз-
ные типы электропроводности, создается р-п переход. При обрат-
ном напряжении между анодом и катодом (рис. 1.46,6) пере-
ходы П1 и П3 находятся под обратным напряжением, а переход
П2 — под прямым. На переходе П2 падение напряжения очень
мало, поэтому все внешнее напряжение Ua распределяется фак-
тически между переходами П| и Пз- 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)
86
полярность напряжений на р-п переходах изменится: на пере-
ходах П1 и П3 будет прямое напряжение, а на переходе П2 —
обратное. В этом случае падение напряжения на крайних пере-
ходах П1 и П3 очень мало; фактически все внешнее напряжение
приложено к среднему переходу П2.
Физические процессы, объясняющие принцип действия тирис-
тора 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 pi — эмиттер, Л| — база, р2 — коллектор, а второй —
Та типа п-р-п — содержит области л2— эмиттер, р2 — база,
«I — коллектор. В соответствии с таким представлением тиристо-
ра его крайние слои называют эмиттерами, а средние — базами.
Таким образом, переход П| является эмиттерным переходом для
транзистора Т(, а переход Пз — эмиттерным переходом для тран-
зистора Т2; переход /72 является общим для обоих транзисторов
коллекторным переходом. На эмиттерных переходах действует
прямое напряжение, а на коллекторном — обратное, что соответ-
ствует рабочему режиму транзисторов. Двухтранзисторный экви-
валент тиристора показан на рис. 1.47,6.
Ток в цепи тиристора /а при отсутствии тока в цепи управле-
ния — это ток, протекающий последовательно через все четыре
слоя его структуры, а значит, через оба эмиттера и коллектор-
ный переход /72. Поэтому можно написать следующие равенства:
/а Al» la А2, /а — 1п2-
Рассмотрим, какие составляющие входят в ток 1па через
коллекторный переход. Для транзистора Т\ ток через коллектор-
ный переход равен сиЛи, где си—коэффициент передачи тока
87
эмиттера. Для транзистора Т2 аналогично — агАг- Кроме того,
через коллекторный переход /72 протекает суммарный обратный
ток обоих транзисторов /кобр, обусловленный движением неоснов-
ных носителей заряда — дырок из слоя п\ в слой рг и электронов
из рг в п\. Полный ток через коллекторный переход равен сумме
этих трех составляющих:
412 = 0141 «гАг + /кобр-
Или, учитывая, что через П2 и эмиттеры проходит один и тот
же ток /а, можно эту сумму написать иначе:
А = «14 -J- а2/а -|- /кобр,
откуда получим выражение для анодного тока и цепи тиристора:
>   _____Iкобр___
а — 1 _ (а, + а2) •
Величина ctj и «2 зависит от толщины базовых слоев п\ и р2
и от тока /а в цепи. При малых значениях тока /а си и аг близки
к нулю, поэтому очень малы составляющие анодного тока ai/,i
и агЛг, а ток через тиристор обусловлен только обратным током
перехода /7г- В этом режиме тиристор остается закрытым; на
прямой ветви вольт-амперной характеристикй тиристора это со-
ответствует участку /, аналогичному обратной ветви характерис-
тики р-п перехода (рис. 1.48).
Рис. 1.48. Вольт-амперная характе-
ристика тиристора при /у = 0: А —
точка переключения; 1 — участок
закрытого состояния; 2 — участок
отрицательного динамического со-
противления — переход в открытое
состояние; 3 — участок открытого
состояния
На участке / с увеличением анодного напряжения Ua растет
обратное напряжение на переходе П2 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 ctiAi и а21з2
и более быстрому росту тока /а.
В точке А мгновенно происходит переключение тиристора из
закрытого состояния в открытое. В этот момент ток скачком
возрастает, а напряжение на тиристоре падает, причем этот про-
цесс неуправляем (участок 2 так называемого отрицательного
динамического сопротивления). Напряжение и ток тиристора
88
в точке А в момент переключения называют, соответственно,
напряжением переключения UnpK и током переключения /|||)К.
Условие, необходимое для переключения тиристора, как сле-
дует из формулы для тока /а выражается равенством ai а2 =
= 1. Действительно, в результате взаимного влияния тока /а на ве-
личину коэффициентов ai и аг, а этих коэффициентов на ток 1а
рост тока становится все интенсивнее: например, при си -|- а2 =
= 0,5 ток /а = 2/КобР; при ai+a2 = 0,8 ток /а = 5/КобР; при
т,(р-л-:р)
Unp Unp
Э. | Б|
пр
п2
Приходит
больше
дырок
Приходит
больше
электронов
„	Т.(р-п-р)
Дырки ’-------L.
Р|
^2 П|
Бд Э2
Црбр
'__Unp
Э. | Б1 ItflJ Н,
ОООООООМГТГ^о!
Unp
Pi
Б,
п2
Н2 nt И Бз Рг | Э2
П3
П2
\ Т2(п—р—п)
Приходит
больше
дырок
В открытом состоянии
б
Приходит
больше
электронов
Электроны
А

П

н
В закрытом состоянии	Т2(п—р—п)
а
Рис. 1.49. Схема потоков носителей заряда в тиристоре:
а — при ой 4- а2<1; б — при ott -|- а2^1
ai “I- а2 — 0,95 /а — 20/к обР, при ai “I- а2 — 0,99 la — 100/к обР.
В тот момент, когда ai 4-а2 = 1, знаменатель в выражении для
тока /а обращается в нуль, а ток должен бесконечно возрасти,
но он ограничивается сопротивлением нагрузки /?н в анодной
цепи.
Рассмотрим процессы, сопровождающие переход тиристора из
закрытого состояния в открытое (рис. 1.49).
Для упрощения будем считать, что cti = a2, хотя обычно
создают несимметричную структуру, где a2>ai. До момента
переключения (а( + а2) < 1 (рис. 1.49, а); можно считать, что
для каждого транзистора Т\ и a < 0,5. Это означает, что
в транзисторе Т\ (р\-П\-р^ из потока дырок от эмиттера Э\
большая часть оседает в базе Б\, а меньшая переходит через
89
коллекторный переход 77г в коллектор Ль Аналогично в тран-
зисторе Т2 («2-Р2-Н1) большая часть электронов из эмиттера Э2
остается в базе Б2, а меньшая переходит в коллектор К2 через
переход 772. Таким образом, при cq + аг < 1 в потоке носителей
заряда, поступающих в область п\, преобладают дырки, а в пото-
ке носителей заряда, поступающих в область рг, — электроны.
В базах возрастает концентрация неосновных носителей заряда,
увеличивающих обратный ток коллекторного перехода, а напря-
жение на переходе 77г остается обратным. Рост тока через тирис-
тор, остающийся закрытым, происходит за счет увеличения 7кобр.
С ростом тока и увеличением суммы cti + а2 все больше
дырок из области рх через базу п\ и переход П2 переходит в об-
ласть р2\ одновременно увеличивается поток электронов из обла-
сти п2 через область р2 и переход П2 в область п\. Эти носители
заряда, скапливаясь по обе стороны от р-п перехода 77г (дырки
в рг-базе и электроны в лрбазе), создают электрическое поле,
направленное встречно полю, созданному обратным напряже-
нием, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехо-
да. В тот момент, когда cti-|-a2=l, потенциальный барьер
полностью скомпенсирован, обратное напряжение на переходе
77г равно нулю, тиристор открывается. Одновременно с этим
повышение концентрации избыточных основных носителей заряда
в базах усиливает инжекцию носителей заряда в базы из эмитте-
ров, что вызывает еще большее возрастание коэффициентов пере-
дачи тока и их суммы сц + аг, а следовательно, еще более
быстрый рост тока. Процесс носит лавинообразный характер,
так как возникает положительная обратная связь, когда след-
ствие происходящих явлений влияет на их причину, еще более
усиливая ее воздействие на рост тока.
В результате этих процессов переключение тиристора проис-
ходит мгновенно и неуправляемо, а напряжение на тиристоре
падает, так как ни на одном из переходов нет обратного напря-
жения. Это соответствует участку 2 на рис. 1.48.
После включения тиристора его работа осуществляется при
открытом состоянии, когда сц -Ь ©сг> 1- Небольшое увеличение
напряжения вызывает быстрый рост тока через тиристор (учас-
ток 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 П|-базу возрастают; в результате этого на переходе 77г изменя-
ется полярность напряжения: слой р2 у перехода заряжается
положительно, а п\ — отрицательно, т. е. создается прямое нап-
ряжение (рис. 1.49,6).
В открытом состоянии все три перехода находятся под пря-
мым напряжением, обратный ток коллекторного перехода отсут-
ствует. Ток в основной цепи создается движением инжектируе-
90
мых из эмиттеров носителей заряда: дырок — от Э\ через все
области к катоду, а электронов — от Э? в обратном направле-
нии — к аноду. С увеличением приложенного напряжения возра-
стает напряжение на р-п переходах и растет ток. Поскольку
прямое напряжение на переходе П? по полярности противопо-
ложно прямым напряжениям на переходах П\ и /7з, то напря-
жение на тиристоре в открытом состоянии практически равно
прямому напряжению на одном р-п переходе (0,75—1,5 В).
С уменьшением напряжения на тиристоре в открытом состоя-
нии ток тиристора уменьшается, а при определенном значении
УЭ
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 от-
крытом состоянии, называется током удержания тиристора 1}11.
При /а < /уД слои около перехода /72 обедняются носителями
заряда, напряжение на нем становится обратным, тиристор за-
крывается.
В рассмотренном случае работы тиристора при отсутствии
тока управления переход в открытое состояние достигается уве-
личением прямого напряжения до величины напряжения пере-
ключения Un[>K. 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 управляю-
щего электрода УЭ. Назначение цепи управления состоит в уп-
равлении моментом включения тиристора при напряжениях в
основной цепи меньших, чем напряжение переключения /7прк.
Если вывод управляющего электрода сделан от базового слоя
91
Р2, то источник управляющего тока Еу включается между УЭ
и катодом. Такая схема управления по катоду приведена на
рис. 1.50, а. Возможна и другая схема, в которой вывод управ-
ляющего электрода сделан от базового слоя ль а источник Еу
включается между УЭ и анодом. В этом случае осуществляется
управление по аноду. Условные графические обозначения тири-
сторов разного типа приведены на рис. 1.50, б, в, г. В обоих
случаях источник Еу включается так, чтобы ток управления
/у протекал от него через один из эмиттерных переходов в пря-
мом направлении (рис. 1.50, д).
Рис. 1.51. Семейство вольт-ам-
перных характеристик тиристора
при разных значениях тока уп-
равления
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 /?н. В цепь управления включен источник управляю-
щего сигнала Еу, дающий ток управления /у. Полярность источ-
ника Еу совпадает по знакам с прямым напряжением на пере-
ходе /73. Напряжение между управляющим электродом и катодом
называется напряжением управления Uy.
При включении цепи управления ток /у, проходя от управ-
ляющего электрода через переход Пз к катоду, добавляется к
току эмиттера Э2 и вызывает увеличение коэффициента передачи
тока аг- В результате этого возрастает ток коллекторного пере-
хода 772, 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 вели-
чины напряжения переключения Епрк при /у = 0. Чем больше ток
управления, тем меньше напряжение, при котором открывается
тиристор. Это отражает семейство вольт-амперных характе-
ристик, снятых в прямом направлении при разных значениях
тока управления (рис. 1.51). При определенном значении тока
управления, называемом током управления спрямления 1ус, пря-
92
мая ветвь характеристики спрямляется, участок закрытого со-
стояния 1 отсутствует; тиристор при прямом напряжении открыт,
как диод.
Ток управления влияет только на крутизну участка 1 закры-
того состояния тиристора и напряжение перехода в открытое
состояние; на рабочий участок характеристики в открытом со-
стоянии 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 автоматиче-
скую 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 (Лерпроб происходит
лавинный пробой тиристора (участок 5).
1.6.2. Симметричные тиристоры
Симметричным тиристором, или симистором, называют тири-
стор, который переключается из закрытого состояния в открытое
как в прямом, так и в обратном направлении. Он имеет симмет-
ричную 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 дости-
жении как в прямом, так и в обратном направлениях опреде-
ленного значения напряжения между основными выводами, рав-
ного напряжению переключения. Триодный симметричный тири-
стор (триак) включается как в прямом, так и в обратном направ-
лениях 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 со-
единяют верхние поверхности правой части области области
ni и гц (рис. 1.52, а) и имеют общий вывод А (анод). Метал-
93
лизированная площадка в центре верхней поверхности области
pi соединена с выводом управляющего электрода УЭ. Нижние
поверхности областей р2 и п3 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.
д
Рис. 1.52. Симметричный тиристор: а — полупроводниковая
структура; б — эквивалент в виде двух тиристоров; в, г — услов-
ные графические обозначения диака и триака; д — схема вклю-
чения триака
Эту структуру можно рассматривать как два обычных тири-
стора, включенных встречно-параллельно. Первый из них вклю-
чает часть структуры с правой стороны — ргп2-р2-п3 с перехо-
дами /72, /73 и /74 (рис. 1.52,6); для него прямым будет поло-
жительное напряжение на аноде относительно катода. В этом
случае переходы П2 и /74 находятся под прямым напряжением,
а /7з — под обратным. Как было подробно рассмотрено для
обычного тиристора, с увеличением тока в п2-слое накаплива-
ются электроны, а в р2-слое — дырки, что приводит к перемене
94
полярности напряжения на переходе /7з с обратной на прямую,
и тиристор переключается из закрытого состояния в открытое.
Если на электрод УЭ подавать импульс управляющего напря-
жения со знаком «плюс» относительно анода А, то на дополни-
тельном переходе /75 создается прямое напряжение, электроны
инжектируются из области гц в область р\, диффундируют через
нее к переходу /72 и перебрасываются полем его контактной
разности потенциалов в п2-слой. Насыщение л2-слоя приводит
в свою очередь к увеличению прямого напряжения на переходе
/72, под действием которого усиливается инжекция дырок
Рис. 1.53. Вольт-амперные характеристики симмет-
ричного тиристора
Pi-слоя в п2-слой; они диффундируют через л2-слой и перебрасы-
ваются под действием обратного напряжения на переходе /7з
в р2-слой. Накопление дырок в р2-слое и электронов в л2-слое
под действием импульсов управляющего сигнала происходит
мгновенно, и тиристор переключается в открытое состояние при
меньшем напряжении между основными электродами, чем напря-
жение переключения при отсутствии тока управления.
При перемене полярности напряжения в основной цепи —
плюсом к катоду, минусом к аноду — прямое напряжение ока-
зывается на левой части четырехслойной структуры рис. 1.52, а,
составляющей как бы второй обычный тиристор: снизу вверх
р2-п2-/91-Л1 с р-п переходами /73, /72 и П\ (рис. 1.52,6). На пере-
ходах /7з и П\ 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 П\, и через
него проходит ток управления /v, 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.
95
Рассмотренные процессы отражены на семействе вольт-ампер-
ных характеристик симистора (рис. 1.53). В прямом направле-
нии они такие же, как для обычного тиристора, а в обратном —
аналогичны им, но располагаются симметрично в третьем квад-
ранте системы координат.
1.6.3. Параметры и типы тиристоров
Наиболее важными параметрами тиристоров по основной
цепи являются: ток и напряжение переключения — 1прк и UnpK;
ток, напряжение и рассеиваемая мощность в открытом состоя-
нии тиристора — Де, Uoc, Рос; ток удержания — /уд; обратный
ток — /ОбР; максимально допустимые значения тока и мощности
В открытом СОСТОЯНИИ И обратного напряжения --- /ОСМакс, Рос маек,
/Л>бр макс •
К параметрам, характеризующим цепь управления, относятся
отпирающий постоянный (или импульсный) ток управления /уотп
и соответствующее ему отпирающее постоянное (или импульс-
ное) напряжение управления (7yoTn. Отпирающим током управле-
ния называют наименьший ток управления, необходимый для
включения тиристора в заданном режиме.
Динамический режим работы тиристора характеризуется ди-
намическим сопротивлением в открытом состоянии гдин, време-
нем включения /вкл и временем выключения тиристора /ВЫ|(Л.
Динамическое сопротивление тиристора определяется по на-
клону прямой ветви вольт-амперной характеристики на участке,
соответствующем открытому состоянию; оно равно отношению
приращения напряжения к соответствующему ему приращению
тока:
г _ Af/Ot
дин —~кг~ 
Время включения тиристора tBKJ} — это интервал времени,
в течение которого тиристор переходит из закрытого состояния
в открытое. Время включения тиристора составляет 5—30 мкс.
Время выключения тиристора 4ЫКЛ — это наименьший интер-
вал 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 характе-
ризуют его частотные свойства.
По мощности тиристоры, как и диоды, подразделяют на ти-
96
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, трини-
сторы и симисторы малой мощности используют в качестве
переключающих элементов в устройствах автоматики, в электро-
нно-вычислительных машинах, в преобразователях сигналов, в
осветительных системах. Тринисторы средней и большой мощ-
ности применяют в качестве управляемых вентилей для выпрям-
ления переменного тока. В этом случае импульсы тока управ-
ления отпирают тиристор в определенный момент положитель-
ного полупериода напряжения; этим определяется длительность
пропускания тока, т. е. часть полупериода, когда тиристор от-
крыт. Таким образом можно управлять величиной выпрямлен-
ного тока и напряжения. Тринисторы используют также в тири-
сторных стабилизаторах выпрямленного напряжения, в устройст-
вах для регулирования числа оборотов приводов, в генераторах
большой мощности, в генераторах высокой частоты.
Симметричные тиристоры средней и большой мощности наш-
ли 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 сильноточ-
ных цепях переменного тока, для коммутации силовых цепей
электроприводов и в других устройствах.
Буквенно-цифровая система обозначения тиристоров такая же, как для дио-
дов. Первый элемент — буква К (кремниевый). Второй элемент — буква Н для
динисторов (неуправляемый), У—для тринисторов и симисторов (управляе-
мый). Третий элемент — трехзначное число, обозначающее назначение и поряд-
ковый 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 состоя-
нии тиристора. Например: Т-150, ТВ-1000. После числа, указывающего вели-
чину тока, может стоять еще число, обозначающее класс по допустимому напря-
жению. В этом числе единица соответствует напряжению 100 В; например,
класс 4 — на напряжение 400 В, класс 10—на 1000 В. Число, стоящее после
4-1663
97
г
класса, определяёт 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
НУ2О1Б
А
НУ101А
Рис. 1.54. Внешний вид тиристоров
ВНДУ-150, Т-150
Контрольные вопросы
1.	Нарисуйте и объясните структуру и схему включения тиристора.
2.	Нарисуйте вольт-амперные характеристики тиристора и объясните его прин-
цип действия без тока управления и при разных значениях тока управле-
ния.
3.	Чем отличаются структура и вольт-амперные характеристики симметрич-
ного тиристора?
4.	Назовите основные параметры тиристоров и область их применения.
5.	Какие буквенно-цифровые обозначения присваивают тиристорам?
Глава 1.7.
ОДНОПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.7.1.	Устройство и принцип действия ОПТ
Однопереходный транзистор (ОПТ) — это управляемый полу-
проводниковый прибор с одним р-п переходом и тремя выво-
дами (рис. 1.55, а). Он изготовляется на основе пластины высо-
коомного кремния n-типа. От пластины с помощью невыпрям-
ляющих контактов делается два вывода. Между этими контак-
98
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 Б2, а от эмиттерной области —
эмиттером Э. ОПТ могут иметь и противоположную структуру:
базовые области p-типа, эмиттерную — л-типа.
Условные графические обозначения однопереходных транзи-
сторов с базами n-типа и p-типа на электрических схемах пока-
заны на рис. 1.55,6, в. Более широкое распространение получили
ОПТ с базами л-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 однопереход-
ного транзистора (а) и его услов-
ное графическое обозначение на
схемах (б, в)
Рис. 1.56. Схема включения одно-
переходного транзистора (а) и ил-
люстрация процессов в его струк-
туре (б)
Если между базами подать от источника Е6 постоянное напря-
жение порядка 10—30 В плюсом к базе Б2 (рис. 1.56, а), а на
эмиттер не подавать напряжение, то межбазовое напряжение
^6162 распределится вдоль пластины по линейному закону. Через
пластину от Б2 к Б\ потечет небольшой ток второй базы /б2,
так как межбазовое сопротивление г6б высокоомной кремниевой
пластины велико (4—12 кОм). При этом межбазовое напряжение
делится между областями первой и второй базы пропорциональ-
но их сопротивлениям или длинам 1\ и /2; чаще всего 1\ < /2.
4
99
На сопротивлении первой базы, т. е. на области пластины от
края р-п перехода до вывода создается внутреннее падение
напряжения U6\ (рис. 1.56,6). Оно составляет определенную
часть межбазового напряжения t/6i62 и, следовательно, прямо
пропорционально ему.
Если от внешнего источника подать напряжение U36i на эмит-
тер относительно вывода первой базы Б\, 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 внеш-
него напряжения на эмиттере и внутреннего падения напряжения
на области первой базы:	— Uci- Отсюда следует, что при
любом отрицательном напряжении на эмиттере, а также при
положительном, но по величине меньшем, чем U6i, на р-п пере-
ходе 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: U-i6i = U6i, а обратное
напряжение на р-п переходе и обратный ток эмиттера — равны-
ми нулю. Это соответствует моменту открывания р-п перехода.
Напряжение на эмиттере, равное внутреннему падению напряже-
ния на первой базе, называют пороговым напряжением U3q:
иэ0 = иэы = U6i- Очевидно, что пороговое напряжение зависит
от межбазового Umm, пропорционально которому изменяется
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 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
U96i, поэтому уменьшение сопротивления гб1 еще незначительно.
Но постепенно с увеличением U36i рост тока эмиттера и инжек-
ция дырок в базу становятся все интенсивнее, а уменьшение
сопротивления базы — все существеннее.
При некотором критическом значении тока эмиттера накоп-
ление дырок в первой базе приводит к резкому снижению ее
сопротивления и заметному уменьшению падения напряжения
Uf,\ на нем. В результате снижается потенциальный барьер на
р-п переходе, что способствует дополнительной инжекции дырок
100
в базу и дальнейшему росту тока эмиттера. Процесс нарастает
лавинообразно, поэтому дальнейший рост тока эмиттера сопро-
вождается 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 одно-
переходного транзистора. Напряжение и ток эмиттера в момент
включения называют напряжением включения ивкл и током вклю-
чения /вкл. Ток включения ОПТ составляет обычно единицы мик-
роампер, а напряжение включения пропорционально межбазово-
му напряжению.
Процессы, происходящие в однопереходном транзисторе в ак-
тивном режиме, сложнее рассмотренных. Дело в том, что рост
тока эмиттера и снижение напряжения СЛи 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 Б%. Это в свою очередь увеличивает ток /62 в пластине
между Бг и Б| и падение напряжения в области второй базы.
Следствие этого — дополнительное снижение напряжения Uci,
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 при-
ложенного к нему напряжения. Этот режим называют режимом
насыщения. В режиме насыщения однопереходный транзистор
находится в открытом состоянии. Он работает как диод в пря-
мом направлении и имеет положительное сопротивление; рост
тока эмиттера /э происходит при увеличении напряжения эмит-
тера U3f>\. Сопротивление эмиттер — база в открытом состоянии
мало и составляет десятки ом, ток эмиттера сравнительно ве-
лик — десятки миллиампер, а напряжение между эмиттером и
базой невелико — единицы вольт.
1.7.2.	Вольт-амперная характеристика ОПТ
Процессы, происходящие при включении однопереходного
транзистора, отражаются его эмиттерной вольт-амперной харак-
теристикой, называемой иначе входной характеристикой.
Эмиттерная вольт-амперная характеристика ОПТ (рис. 1.57)
представляет собой зависимость тока эмиттера /э от напряжения
101
между эмиттером и первой базой U36i при постоянном межбазо-
вом напряжении:
/э = f(U36l) при иб1б2 = const.
Если ко второй базе Б% не подключен источник питания
(^6162 = 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 Б% ее
Рис. 1.57. Эмиттерная вольт-ампер-
ная характеристика однопереходно-
го транзистора
характер существенно изменяется, и она напоминает вольт-
амперную характеристику тиристора с двумя устойчивыми со-
стояниями — закрытым и открытым, между которыми имеется
неустойчивое состояние — с отрицательным дифференциальным
сопротивлением.
Рассмотрим участки характеристики, соответствующие этим
состояниям.
При отрицательном напряжении эмиттера относительно пер-
вой базы U36l и при положительном, не превышающем поро-
гового значения U30, 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 <С 0). Эту область
работы ОПТ называют областью отсечки.
При из(Л из0 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 иэб1. Диффе-
ренциальное 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
102
ОПТ — переход в открытое состояние. Этой точке соответствуют
напряжение включения С/Вкл и ток включения 1ВМ.
Участок 3 — активная область, соответствующая активному
режиму: ток эмиттера возрастает, а напряжение на эмиттере
при этом уменьшается. Эта область характеризуется отрица-
тельным 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 откры-
тое состояние, его называют областью насыщения. В этом режи-
ме ОПТ работает так же, как прибор с положительным сопро-
тивлением малой величины: ток эмиттера значительно увеличи-
вается при небольшом увеличении напряжения эмиттера.
При уменьшении тока в открытом состоянии до некоторого
значения, называемого током выключения 1ВЫКЛ, ОПТ переходит
в закрытое состояние.
Семейство эмиттерных характеристик однопереходного тран-
зистора 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, соответст-
венно, располагается выше.
1.7.3. Параметры и типы ОПТ
Свойства однопереходных транзисторов, отраженные на
вольт-амперной характеристике, позволяют применять их в схе-
мах генераторов импульсов и линейно изменяющихся напряже-
ний, в качестве ключевых устройств в системах автоматики,
в преобразователях сигналов. Наибольшее распространение по-
лучили ОПТ в схемах управления тиристорами.
На рис. 1.58 представлен двухтранзисторный аналог одно-
переходного транзистора, который иллюстрирует работу ОПТ.
Это два биполярных транзистора с разными типами электро-
Рис. 1.58. Двухтран-
зисторный аналог ОПТ
103
проводности: Ti p-n-p-типа и Т2 n-p-n-типа, включенных так,
что коллектор первого соединен с базой второго, а коллектор
второго — с базой первого. При этом эмиттером Э эквивалент-
ного ОПТ является эмиттер транзистора Т\, первой базой Б\ —
эмиттер транзистора Т2. Между и Б2 включен делитель меж-
базового напряжения /?1 — /?2, средняя точка А которого под-
ключается к точке соединения базы Т\ и коллектора Т2.
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
/62, 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 отно-
сятся ток включения /вкл, ток выключения /ВыКЛ, обратный ток
эмиттера /ЭОбР при U3f>\ — 0, межбазовое сопротивление г6б, на-
пряжение эмиттер — база в режиме насыщения при заданном
токе эмиттера. Эти параметры зависят от межбазового напря-
жения, поэтому в справочниках их указывают для определен-
ного напряжения f/6)62, чаще для предельного значения.
К предельным эксплуатационным параметрам относятся мак-
симально допустимые значения рассеиваемой мощности Рмакс,
межбазового напряжения ^б1б2макс, среднего и импульсного
токов эмиттера /эмакс.
104
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 невыпрямля-
ющие контакты с ними создаются на поверхности кристалли-
ческой пластины и изолируются тонкой пленкой окиси кремния.
Планарные однопереходные транзисторы по сравнению со сплав-
ными имеют меньший обратный ток эмиттера, меньший разброс
параметров, большее межбазовое сопротивление, лучшие частот-
ные 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 покры-
тия (рис. 1.59, е) —для применения в гибридных микросхемах.
Система обозначения однопереходных транзисторов такая же,
как для биполярных. Например, КТ117А (Б, В, Г), КТ119А, Б.
Контрольные вопросы
I.	Объясните устройство и принцип действия однопереходного транзистора.
2.	Нарисуйте и объясните эмиттерную вольт-амперную характеристику одно-
переходного транзистора.
3.	Назовите основные параметры однопереходных транзисторов.
Раздел 2.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
Глава 2.1.
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
2.1.1.	Работа выхода электронов
Электронной эмиссией называют процесс испускания электро-
нов с поверхности вещества в вакуум. На этом явлении основан
принцип действия электровакуумных приборов.
В атомах металла валентные электроны внешнего слоя элект-
ронной оболочки слабо связаны с ядром. При образовании кри-
сталлов валентные электроны перестают принадлежать данному
атому и становятся свободными, а атомный остаток превраща-
ется в положительный ион. Поэтому кристаллическая решетка
металла образуется положительными ионами, а между узлами
решетки, в которых эти ионы расположены, хаотически пере-
мещаются свободные электроны — электроны проводимости. Как
было показано в главе 1.1, этому соответствует диаграмма энер-
гетических уровней металла, в которой разрешенные энергети-
ческие зоны перекрывают друг друга и между валентной и сво-
бодной зонами нет запрещенной зоны.
При движении внутри кристаллической решетки металла сво-
бодные электроны, являясь носителями заряда, взаимодействуют
друг с другом и с положительными ионами, так что их ско-
рость, 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 тем-
пературе абсолютного нуля называется уровнем Ферми Wi и яв-
ляется постоянной величиной для данного металла. Максималь-
ной энергией W, при температуре абсолютного нуля обладает
наибольшее число электронов, и нет электронов с большей энер-
гией, чем Wt.
При повышении температуры происходит перераспределение
энергии между электронами: часть электронов, имевших энер-
гию 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.
106
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 ско-
ростью, 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 положи-
тельно (рис. 2.1).
©
©
©
©
©
©
Рис. 2.1. Двойной электриче-
ский слой на поверхности ме-
талла
Ф *
©
©
Во-вторых, на поверхности металла электрон испытывает
силы притяжения к положительным ионам, направленные внутрь
металла.
Таким образом, для выхода на поверхность электрон, нахо-
дящийся внутри металла, должен обладать максимальной энер-
гией, затрачиваемой им на преодоление двойного электриче-
ского слоя на границе металл — вакуум, а для отрыва от поверх-
ности металла — получить извне дополнительную энергию Го,
идущую на преодоление сил притяжения к положительным ионам
металла.
Дополнительная энергия, необходимая электрону, имеющему
внутри металла максимальную энергию Г/, для выхода в вакуум,
называется работой выхода Го. Полная энергия электрона Га,
минимально необходимая для выхода его из металла, равна
сумме максимальной внутренней энергии и работы выхода:
Wa = Wi + Го.
Если электрон обладал в металле меньшей, чем Г,, энергией,
то для выхода в вакуум ему должна быть извне сообщена энер-
гия большая, чем работа выхода, на величину энергии, недоста-
ющей 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 веще-
ствами уменьшает работу выхода. Например, полупроводниковый
слой окиси бария с примесью чистого бария имеет работу выхода
1,1 эВ.
107
2.1.2.	Виды электронной эмиссии
В зависимости от способа сообщения электронам дополни-
тельной энергии для совершения работы выхода различают не-
сколько видов электронной эмиссии: термоэлектронная, фото-
электронная, автоэлектронная, вторичная. Электрод, испускаю-
щий электроны, называют катодом.
Термоэлектронная эмиссия происходит за счет тепловой энер-
гии, сообщаемой электроду при нагреве. Эмиссия происходит
при такой температуре, когда дополнительная энергия, пере-
даваемая электронам проводимости, равна или больше работы
выхода. Электрод, испускающий электроны за счет нагрева, на-
зывают термокатодом. Поток электронов, испускаемых катодом
в единицу времени, создает ток электронной эмиссии. Ток термо-
электронной эмиссии зависит от температуры нагрева катода.
Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах.
Фотоэлектронная эмиссия происходит за счет световой энер-
гии. Она используется в фотоэлементах и фотоумножителях.
Электрод, испускающий электроны под действием света, назы-
вают фотокатодом.
Автоэлектронная эмиссия происходит только под действием
внешнего электрического поля.
Вторичная электронная эмиссия обусловлена бомбардиров-
кой поверхности вещества первичными электронами или ионами.
Электроны, вылетающие при этом в вакуум, называют вторич-
ными, а электрод, испускающий их, — динодом. Вторичная эмис-
сия под ударами электронов используется в фотоумножителях,
а под ударами ионов — в газоразрядных приборах.
2.1.3.	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 ак-
тивным слоем значительной толщины), например оксидные. Наи-
большее распространение в электронных лампах получили оксид-
ные катоды. Оксидный катод состоит из вольфрамового или
никелевого керна, на который нанесен слой из смеси окислов
бария, стронция и кальция с вкраплением атомов металличе-
ского бария. Оксидный слой является полупроводником и-типа.
Он имеет очень малую работу выхода, низкую рабочую темпе-
ратуру (1000—1100 К) и дает большой ток эмиссии на каждый
ватт мощности накала — до 60—100 mA/Вт. Для оксидного като-
108
да важны высокая степень вакуума, чтобы оксидный слой не
разрушался ионной бомбардировкой, и стабильный режим нака-
ла; перекал и недокал приводят по разным причинам к разру-
шению 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 зна-
чит, 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 подогре-
ватель, 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 потен-
циал во всех его точках и большая тепловая инерция, что
позволяет питать накал переменным током.
2.1.4.	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 ско-
рость и энергия в любой точке поля определяется только вели-
чиной пройденной разности потенциалов; скорость может быть
определена по формуле:
v — 600д/77 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.
109
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 пото-
ком электронов, вылетающих из катода.
Если начальная скорость направлена перпендикулярно силе
электрического поля, то электрон движется по параболе в сто-
рону более высокого потенциала. В общем случае — при началь-
ной скорости, направленной под углом к силовым линиям, —
траектория электрона также представляет собой параболу. Под-
бирая 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 электронно-
лучевых 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 дио-
дами.
Контрольные вопросы
1.Что называют электронной эмиссией и при каких условиях она возможна?
2. Какие виды электронной эмиссии бывают и где каждый из них исполь-
зуется?
3. Как устроен термокатод?
Глава 2.2.
ТРИОД
2.2.1.	Устройство и принцип действия триода
Триодом называют трехэлектродную лампу, имеющую катод,
анод и управляющую сетку.
В электронных лампах используют в основном оксидный тер-
мокатод косвенного накала. Анод может быть цилиндрической
или плоской формы, изготовляется обычно из никеля и имеет реб-
ра для лучшей теплоотдачи. С этой же целью аноды делают
чернеными, покрывая слоем графита. Катод помещается внутри
анода. Сетка выполняется в виде проволочной спирали и поме-
щается между катодом и анодом (ближе к катоду) (рис. 2.2.).
Электроды приварены к держателям, которые впаяны в стеклян-
ную ножку. Все это помещено в стеклянный или металлический
баллон с цоколем, который имеет штырьки, служащие внешними
выводами электродов. Они электрически соединяются с внутрен-
ними выводами подогревателя, катода, сетки и анода. Из бал-
лона откачивают воздух до давления 10~6—10-7 гПа, т. е. созда-
ют вакуум.
г
Рис. 2.2. Триод: а — схематическое устройство; б, в — конструк-
ции катодов прямого и косвенного накала; г, д — конструкции
анода и сетки
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 напряже-
ние накала UH. Накал подогревателя осуществляется перемен-
ным током, напряжение накала при работе лампы остается
неизменным.
Цепь анода включает источник анодного питания Еа, проме-
жуток анод—катод лампы и соединительные провода. Чтобы
электроны, вылетающие из катода, попадали на анод, электриче-
ское поле в лампе должно быть для них ускоряющим. Поэтому
на анод подается от источника питания положительное напряже-
111
ние относительно катода. Между анодом и катодом действует
напряжение анода Ua; в цепи анода протекает ток анода /а —
от плюса источника питания £а 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 напря-
жением сетки Uc, а ток в цепи сетки — током сетки /с. Общая
точка цепей анода и сетки у вывода катода условно имеет нуле-
вой 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 обус-
ловлен 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 £с, т. е. ее цепь ра-
зомкнута, то она не создает своего электрического поля и не ока-
зывает 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 объем-
ным зарядом. Этот заряд создает тормозящее электрическое по-
ле 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 като-
дом создается для электронов ускоряющее электрическое поле,
которое складывается с ускоряющим полем анода; результи-
рующее 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. Одна-
ко такой режим работы триода практически не используется,
так как часть электронов притягивается к положительно заря-
женной 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-
112
тельного напряжения сетки. Отрицательное напряжение сетки,
при котором ток анода становится равным нулю при положитель-
ном напряжении анода, называют запирающим напряжением
UC3SM. При этом лампа оказывается запертой, поскольку ток через
нее не проходит. Это объясняется тем, что тормозящее поле сетки
полностью компенсирует ускоряющее поле анода. При дальней-
шем увеличении отрицательного напряжения сетки лампа остает-
ся 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 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 отри-
цательном 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 пере-
хватываясь ею, и только часть их доходит сквозь сетку к катоду.
Таким образом сетка ослабляет влияние поля анода на электро-
ны у катода и на величину тока анода.
Параметр лампы, показывающий, какая часть силовых линий
электрического поля анода проходит сквозь сетку к катоду, назы-
вают проницаемостью D. Проницаемость всегда меньше единицы.
Результирующее электрическое поле, действующее на выле-
тевшие из катода электроны в промежутке сетка — катод, состо-
113
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, соответ-
ственно части силовых линий, доходящих до катода от анода.
Напряжение, создающее результирующее поле, называют дей-
ствующим напряжением сетки Ua и определяют по формуле:
= Uc + DUa.
Из формулы видно, что проницаемость D показывает также,
какая часть анодного напряжения участвует в создании резуль-
тирующего электрического поля около катода.
Выход
Рис. 2.5. Схема включения трио-
да для усиления электрических
колебаний
Из сказанного следует, что благодаря экранирующему дейст-
вию 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 напряже-
ния анода. На этом основаны усилительные свойства триода и
использование его для усиления электрических колебаний
(рис. 2.5).
Источник слабых электрических колебаний мс~ включается в
цепь сетки, а нагрузка /?н, на которой создаются усиленные ко-
лебания, включается в цепь анода. Таким образом, цепь сетки
является входной, а цепь анода — выходной; переменное напря-
жение от источника wc~ — входным сигналом нвх. Пока входного
сигнала нет, на сетке действует только постоянное отрицательное
напряжение (смещение) Ес, необходимое, чтобы не появлялся
ток сетки. При этом в анодной цепи протекает постоянный ток
анода от источника питания Еа через резистор нагрузки R„ и
лампу. Напряжение на нагрузке и напряжение анода остаются
постоянными.
При подаче переменного напряжения от источника щ напря-
жение сетки становится пульсирующим, поэтому ток анода тоже
пульсирует и создает на нагрузке пульсирующее падение напря-
жения. Его переменная составляющая имеет такую же частоту и
114
форму кривой, что и входной сигнал, и представляет собой уси-
ленный сигналом на выходе 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 пра-
вильного выбора сопротивления нагрузки: с увеличением сопро-
тивления нагрузки выходной сигнал возрастает.
2.2.2.	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
Ia — f(Ua) при Uc — const;
анодно-сеточные — зависимость тока анода от напряжения
сетки при постоянном напряжении анода
/а = f(Uc) при Ua = const.
Схема для снятия статических характеристик триода
(рис. 2.6) включает источники постоянных напряжений Еа и Ес, по-
тенциометры для изменения напряжений анода и сетки, приборы
для измерения напряжений анода и сетки и тока анода.
Анодные характеристики, снятые при разных значениях по-
стоянного 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 увеличе-
нием Ua ток растет сначала медленно (из-за тормозящего дей-
ствия отрицательного объемного заряда), а затем (по мере
рассасывания этого заряда) — все быстрее.
Характеристика, снятая при постоянном отрицательном на-
пряжении сетки, например при Uc—— 2 В, начинается не из
нуля, а правее, при некотором значении напряжения анода Ua\.
Это объясняется тем, что с увеличением напряжения анода от
нуля ток будет оставаться равным нулю до тех пор, пока уско-
ряющее поле анода не скомпенсирует около катода тормозящее
действие поля сетки. Лампа остается запертой, если действующее
напряжение отрицательно или равно нулю. Значение напряже-
115
ния t/ai, при котором начинается характеристика, можно найти,
приравняв к нулю действующее напряжение:
Uc 4- DUa{ = О,
откуда
Рис. 2.6. Схема для снятия статических
характеристик триода
Рис. 2.7. Анодные (а) и анодио-сеточные (б) характеристики
триода
Чем больше абсолютная величина отрицательного напряже-
ния сетки, при котором снимается анодная характеристика, тем
сильнее тормозящее поле сетки; следовательно, тем сильнее дол-
жно быть ускоряющее поле анода для его компенсации. Поэто-
му 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
116
даже при малом напряжении анода поле у катода ускоряющее и
часть электронов попадает на анод. При большем положитель-
ном напряжении сетки анодные характеристики будут круче.
Анодно-сеточные характеристики, снятые при разных значе-
ниях постоянного напряжения анода, составляют семейство ста-
тических анодно-сеточных характеристик. Анодно-сеточные ха-
рактеристики являются передаточными характеристиками три-
ода.
При снятии анодно-сеточной характеристики триода сначала
устанавливают определенную величину постоянного напряжения
анода, а затем такое отрицательное напряжение сетки, при ко-
тором анодный ток становится равным нулю, т. е. лампа запира-
ется. Это и будет началом характеристики при Uc = UC3an- На-
чиная с этой точки уменьшают абсолютную величину отрица-
тельного 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 характерис-
тики, 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 ха-
рактеристик в области положительных напряжений сетки обычно
не используются: хотя анодный ток с увеличением положительно-
го напряжения сетки растет, но появляется и растет ток сетки,
который приводит к искажению усиливаемых колебаний.
2.2.3.	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, доб-
ротность, статическое сопротивление и мощность, рассеиваемую
анодом. Вспомогательные параметры можно определить, зная
главные параметры.
117
Крутизна характеристики триода S — это параметр, показы-
вающий, на сколько миллиампер изменится ток анода при изме-
нении напряжения сетки на 1 В при постоянном напряжении
анода:
S — при Ua — const.
Крутизна определяет наклон анодно-сеточной характеристики
и измеряется в миллиамперах на вольт (мА/B). Крутизна в раз-
ных точках характеристики различна. Для данной точки кру-
тизну характеристики можно определить по анодно-сеточной ха-
рактеристике, найдя приращения тока анода Д/а и напряжения
сетки AUc как разность, соответственно, токов анода и напряже-
ний 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 Ki — это параметр, показы-
вающий, на сколько вольт надо изменить напряжение анода,
чтобы ток анода изменился на 1 А при постоянном напряжении
сетки:
п bUa ..	.
Ki = —77— При Uc = COnst.
А/а
Внутреннее сопротивление характеризует сопротивление лам-
пы 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 анод-
ной характеристике близко расположенную вторую точку и найдя
приращения напряжения анода Д£7а и тока анода Д/а. Ki может
иметь значения от сотен ом до десятков килоом.
Коэффициент усиления триода р — это параметр, показываю-
щий, 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-се-
точным характеристикам как отношение приращения напряжения
анода к приращению напряжения сетки при одном и том же зна-
чении тока анода:
АС/, .	.
И — Тг7— ПРИ /а — COnst.
АсУ с
В анодной системе координат приращение напряжения сетки
определяется как разность постоянных значений Uc\ и t7C2, при
которых снимались характеристики. В системе анодно-сеточных
координат аналогично определяется Д{/а. Коэффициент усиления
триода в зависимости от конструкции электродов может иметь
значения от 5—10 до 80—100.
118
Для определения всех трех главных параметров для данной
точки А на семействе статических характеристик строят пря-
моугольный 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 анод-
ных, так и на анодно-сеточных характеристиках. На семействе
анодных характеристик (рис. 2.8, а) катет АС соответствует
а
б
Рис. 2.8. Определение главных параметров триода по
анодным (а) и анодно-сеточным характеристикам (б)
приращению анодного напряжения А (Л, катет ВС — прираще-
нию тока анода А/а, а разность напряжений t/c2 и Ucl — при-
ращению напряжения сетки. По найденным приращениям опре-
деляют параметры:
5— Л/а __ вс - R.— AUa — АС
MJ.	ис2 - ик> ’ ' ~ д/а ~ вс ’
___MJa _ АС
мЛ ис2 — Ucl •
Аналогично можно определить параметры по анодно-сеточным
характеристикам (рис. 2.8, б).
Главные параметры, вычисленные для одной точки характе-
ристики, связаны между собой соотношением, которое носит
название уравнения параметров:
р, = S₽i.
Проницаемость лампы, D характеризует долю электрического
поля анода, которая сквозь сетку влияет на вылетающие из ка-
тода электроны. Чем меньше проницаемость, тем сильнее экра-
нирующее действие сетки и больше коэффициент усиления.
119
Таким образом, проницаемость — величина, обратная коэф-
фициенту усиления р:
Учитывая это, можно записать уравнение параметров триода
так:
DSR,= 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, приноси-
мая на анод электронами в одну секунду. Она равна произве-
дению тока анода на напряжение анода:
Pa = IaUa.
Для каждого типа ламп максимально допустимое значение
рассеиваемой анодом мощности РамаКс, при котором анод не
перегревается выше допустимой температуры, указывается в
справочниках.
Добротность лампы G характеризует максимальную полез-
ную мощность усиливаемых колебаний, которую может развить
лампа на нагрузке при амплитуде усиливаемых колебаний на
сетке в один вольт. Добротность вычисляется как произведение
коэффициента усиления 4га крутизну характеристики:
G = pS
и измеряется в милливаттах на вольт в квадрате (мВт/В2).
2.2.4. Типы и применение триодов.
Междуэлектродные емкости
Триоды могут быть применены как для усиления электриче-
ских колебаний низкой частоты, так и в качестве генераторных
ламп. Типы триодов различают по мощности: маломощные трио-
ды используют для предварительного усиления напряжения
электрических колебаний, а триоды большой мощности — в мощ-
ных усилителях и генераторах электрических колебаний.
Триоды, предназначенные для усиления напряжения, должны
иметь большой коэффициент усиления р— до 30—100, а также
большое внутреннее сопротивление R,, достигающее 50—100 кОм,
при небольшой крутизне характеристики S, не превышающей
120
1—2 мА/B. Триоды для мощных усилителей должны иметь боль-
шую добротность и относительно большую крутизну характерис-
тики — до 6 мА/в и более, а также большое значение Рамакс. 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 трех-
электродные системы. Условное обозначение двойного триода
см. на рис. 2.3.
Рис. 2.9. Конструктивное оформление электронных ламп
(а): 1 — в стеклянном баллоне; 2 — в металлическом бал-
лоне; 3 — пальчиковая миниатюрная лампа; 4 — сверх-
миниатюрная лампа; 5 — лампа типа «желудь»; 6 — ок-
тальный 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 дан-
ного типа прибора;
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 — сверхминиатюр-
ная лампа в стеклянном баллоне диаметром до 4 мм, А — диаметром до 6 мм,
121
Б — диаметром до 10 мм, Ж — в стеклянном баллоне типа «желудь», К — в кера-
мическом баллоне; для ламп в металлическом баллоне четвертый элемент отсут-
ствует. 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 стеклян-
ном баллоне, соответственно, второй и третий порядковые номера разработки.
Систему внешних выводов электродов на штырьки цоколя или баллона назы-
вают 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 справоч-
никах 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 ме-
таллических электродов, разделенных изолирующим вакуумным
промежутком, создается паразитная емкость. Эти емкости назы-
вают 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, назы-
ваемая проходной. При работе лампы в схеме усиления эти емко-
сти оказывают вредное влияние, так как емкостное сопротивле-
ние уменьшается с повышением частоты. Особенно большое
влияние оказывает емкость анод — сетка.
В триоде междуэлектродная емкость анод—сетка сравни-
тельно велика. Это приводит к ухудшению усиления колебаний
верхних частот звукового диапазона и делает триод совершенно
непригодным для усиления колебаний высокой частоты в радио-
технике. 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-
122
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 67СЗап и сдвинуть характеристику влево, в
область отрицательных напряжений сетки, необходимо сильно
повысить напряжение анода, что неизбежно приведет к дополни-
тельным усложнениям устройства.
Поэтому недостатки триода устраняют в многоэлектродных
лампах введением дополнительной сетки — экранирующей.
Контрольные вопросы
1.	Нарисуйте схематическое устройство триода и объясните влияние управ-
ляющей сетки на движение электронов от катода к аноду.
2.	Нарисуйте и объясните анодные характеристики триода.
3.	Нарисуйте и объясните анодно-сеточные характеристики триода.
4.	Назовите главные параметры триода, объясните определение их по характе-
ристическому треугольнику и связь между ними.
5.	Какие междуэлектродные емкости действуют в триоде?
Глава 2.3.
МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
2.3.1. 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 конструк-
ция этих электродов такие же, как в триоде. Экранирующая сет-
ка выполняется в виде проволочной спирали с малым шагом вит-
ков, т. е. ее густота значительно больше, чем управляющей сетки.
Как показывает само название, назначение экранирующей сет-
ки — экранировать, т. е. защищать управляющую сетку и катод
от воздействия электрического поля анода. Являясь электроста-
тическим экраном, этот четвертый электрод должен быть не
сплошным, а в виде сетки, чтобы электроны,эмиттируемые като-
дом, попадали на анод. Экранирующая сетка должна ускорять
движение электронов к аноду, поэтому на нее подается постоян-
ное положительное напряжение. Для усиления экранирующего
действия второй сетки уменьшают шаг ее витков и ставят верх-
ний и нижний металлические экраны, соединенные с ней и защи-
щающие 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.
123
Схема включения тетрода приведена на рис. 2.11. В соответ-
ствии с количеством элекродов в ней имеются четыре цепи: на-
кала, анода, управляющей сетки и экранирующей сетки. Первые
три цепи такие же, как для триода. Цепь экранирующей сетки
содержит источник питания Еэ, промежуток экранирующая сет-
ка — 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 13. Напряжение экранирующей сетки обычно меньше на-
пряжения анода, а в практических схемах на экранирующую
Рис. 2.11. Условное графическое
оСюзначение тетрода (а) и схема
его включения (6)
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. Схемати-
чески ее можно представить силовыми линиями полей анода
(тонкие сплошные линии), экранирующей сетки (пунктирные ли-
нии) и управляющей сетки (толстые сплошные линии) (рис. 2.12).
Поскольку экранирующая сетка густая и ее потенциал ниже по-
тенциала анода, то большинство силовых линий, выходящих из
анода, заканчивается у витков этой сетки, т. е. поле анода дей-
ствует главным образом в промежутке между анодом и экрани-
рующей 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-
124
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 отно-
сительному увеличению влияния управляющей сетки, а следова-
тельно, к увеличению коэффициента усиления лампы. Этим экра-
нирующая 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 L4, в промежутке
катод — сетка ускоряющим будет только очень слабое электри-
ческое поле анода. Оно не компенсирует тормозящего действия
отрицательного пространственного заряда и управляющей сетки,
и анодный ток равен нулю. Таким образом, если на экранирую-
щую сетку напряжение не подано, лампа заперта.
Поскольку анодное поле сквозь две сетки очень мало влияет
на движение электронов от катода, то долей анодного напряже-
ния в действующем напряжении тетрода можно пренебречь:
« ис +
где Uc и U3 — напряжения управляющей и экранирующей се-
ток; Dc — проницаемость управляющей сетки.
Характеристики тетрода. Анодно-сеточной характеристикой
тетрода называют зависимость тока анода от напряжения управ-
ляющей сетки при постоянных напряжениях анода и экрани-
рующей сетки (рис. 2.13, а):
h = f(Uc) при Ua = const и Пэ = const.
125
Анодно-сеточная характеристика начинается в точке, лежа-
щей на оси абсцисс и соответствующей запирающему напряже-
нию управляющей сетки t/C3an. Величина запирающего напря-
жения может быть найдена из условия, что ток становится рав-
ным нулю, когда действующее напряжение сетки равно нулю:
Uс зап —	DCU3.
Таким образом, абсолютная величина запирающего напря-
жения, или сдвиг анодно-сеточной характеристики влево от
начала координат, зависит в тетроде главным образом от прони-
Рис. 2.13. Анодно-сеточные (а) и анодная (б) харакеристики триода
цаемости управляющей сетки и напряжения экранирующей сет-
ки 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 до-
статочно «левую» характеристику при невысоких анодных на-
пряжениях.
Характеристики, снятые при одном и том же напряжении
экранирующей сетки U3, но при разных постоянных напряже-
ниях анода 47ai, Ua2 и £7а3, 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 перераспре-
деляется между анодом и экранирующей сеткой: на анод идет
все большая доля электронов, и ток анода возрастает.
Повышение напряжения экранирующей сетки заметно сдви-
гает характеристику влево, так что при U32>U3\ весь пучок ха-
рактеристик, снятых при различных напряжениях анода, пере-
двинется влево.
Анодная характеристика тетрода представляет собой зависи-
126
мость тока анода от напряжения анода при постоянных напря-
жениях управляющей и экранирующей сеток:
/а = /((Л) при Uc — const и U3 = const .
Если одновременно с анодной характеристикой снимать за-
висимость 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,
Рис. 2.14. Движение первичных и вторичных элек-
тронов при динатрониом эффекте в тетроде
Первичные электроны
Вторичные электроны
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 экра-
нирующей сетки увеличивается (участок 2).
С приближением Ua к 11э разность потенциалов между экра-
нирующей сеткой и анодом уменьшается, ослабляется ускоряю-
щее поле для вторичных электронов, и все большее число их
возвращается обратно на анод. Ток анода снова начинает уве-
личиваться, а ток экранирующей сетки — уменьшаться (уча-
сток 3).
Явление перехода вторичных электронов, вылетающих из ано-
127
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 увели-
чением напряжения анода заканчивается перераспределение то-
ков между анодом и экранирующей сеткой; характеристика
становится пологой (участок 4). Это рабочий участок харак-
теристики.
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 усили-
телях низкой частоты, так как провал в анодной характе-
ристике приводит к искажению формы кривой усиливаемого
сигнала. Поэтому для использования ламп с экранирующей
сеткой необходимо устранить динатронный эффект. Это осуще-
ствляется созданием тормозящего поля для вторичных электро-
нов, вылетающих с анода: либо с помощью третьей сетки
(в пентодах), либо с помощью отрицательного объемного заряда
около анода (в лучевых тетродах).
2.3.2. 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 спи-
рали с большим шагом витков и помещается между анодом и
экранирующей сеткой (рис. 2.15). Антидинатронная сетка соеди-
няется 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, рав-
ный нулю, т. е. всегда ниже потенциала анода; в пространстве
между анодом и этой сеткой создается тормозящее поле для
вторичных электронов, вылетающих с анода. Вторичные электро-
ны возвращаются на анод (рис. 2.17). Таким образом устра-
няется динатронный эффект.
Характеристики пентода. В пентоде из-за введения третьей
сетки общая проницаемость становится еще меньше, чем в тетро-
де, а напряжение анода еще слабее влияет на объемный заряд у
128
катода и движение электронов в промежутке сетка — катод.
Поэтому доля анодного напряжения в действующем напряжении
сетки очень мала и ею можно пренебречь. Учитывая, что напря-
жение третьей сетки равно нулю, действующее напряжение в
пентоде можно с достаточной степенью точности считать равным
Ur=Uc + DcU3.
Рис. 2.15. Пентод а — схема устройства;
б — условное графическое обозначение
Рис. 2.16. Схема включения
пентода
Рис. 2.17. Устранение динатронного эффекта
в пентоде с помощью антидинатронной сетки
Семейство анодно-сеточных характеристик пентода при по-
стоянном напряжении экранирующей сетки и различных значе-
ниях напряжения анода выходит пучком из одной точки, а сдвиг
характеристик влево зависит от напряжения экранирующей сет-
5-1663
129
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 характеристи-
ками 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 воз-
растает 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, проле-
тевшие сквозь экранирующую сетку, попадают на анод. Характе-
ристика становится пологой. Это рабочий участок характерис-
тики. Малое изменение тока на рабочем участке объясняется
малым влиянием напряжения анода на поток электронов, про-
ходящих 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
во
сетки все семейство анодных характеристик пентода распола-
гается выше.
Параметры пентода. Главные параметры тетродов и пентодов,
как и триодов, — это крутизна характеристики, внутреннее сопро-
тивление и коэффициент усиления:
S = при Ua = const и U3 = const;
ДОС
Ri = \U,a при Uc = const и U3 = const;
Д/а
|1 = д-^а  при /а = const и U3 = const.
Введение третьей сетки еще больше, чем в тетроде, умень-
шает влияние напряжения анода на ток анода, поэтому коэф-
фициент 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 ано-
дом и экранирующей сеткой. Поэтому в тетродах и пентодах
коэффициент усиления не является величиной, обратной про-
ницаемости, а меньше этой величины:
Уравнение параметров лампы, справедливое для триода, оста-
ется справедливым и для этих ламп:
ц = SR/.
Параметры пентодов определяют по семейству анодных ха-
рактеристик, 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:
1)	крутизну характеристики:
Д/'а _ АВ
~ MJ. ис1 - Uei ’
2)	внутреннее сопротивление
D — ьи* _ CD
1	Д/" AD~ ’
5
131
определяя I" как разность токов, соответствующих точкам А и С,
лежащим на одной и той же характеристике, и Д(/а — как раз-
ность напряжений анода для этих точек;
3)	коэффициент усиления, пользуясь уравнением парамет-
ров лампы: ц = SRi.
Типы пентодов и применение их. По назначению и, соответ-
ственно, по конструкции пентоды делят на два типа — высоко-
частотные и низкочастотные.
Высокочастотные пентоды предназначены для усиления на-
пряжения высокой частоты, поэтому они должны иметь очень
Рис. 2.19. Определение параметров пентода
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 экраниро-
ванию проходная емкость очень мала (0,003—0,006 пФ), внут-
реннее 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. Высокочас-
тотные пентоды также успешно используют для усиления напря-
жения 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 час-
тоты, поэтому не требуется тщательного экранирования и кон-
струкция лампы проще. Экранирующую сетку делают менее гус-
той, не применяют специальных экранов. Благодаря этому низ-
кочастотные пентоды имеют значительно меньший коэффициент
усиления (150—600) и меньшее внутреннее сопротивление (20—
100 кОм). Крутизна характеристики при большой рабочей по-
верхности электродов велика (до 8—12 мА/В).
132
2.3.3. Лучевой тетрод
Устройство и принцип действия лучевого тетрода. В лучевом
тетроде динатронный эффект устраняется с помощью отрица-
тельного 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, б). В уг-
Рис. 2.20. Лучевой тетрод: а — конструкция
электродов: 1 — катод; 2 — управляющая
сетка; 3 — экранирующая сетка; 4 — луче-
образные пластины; 5 — анод; 6 — электрон-
ные лучи; 7 — отрицательный объемный за-
ряд около анода; б — вид сверху; в — верти-
кальный разрез по АБ; г — условное графи-
ческое обозначение
лублениях около анода помещены дополнительные электроды,
которые соединены с катодом и имеют нулевой потенциал. Их
называют лучеобразующими пластинами, так как они фокусиру-
ют поток электронов двумя веерообразными пучками — луча-
ми — 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 про-
тив витков управляющей сетки. Электроны, огибая витки сеток,
собираются в узкие лучи. Таким образом поток первичных элек-
тронов создает у анода отрицательный объемный заряд большой
плотности. Тормозящее поле этого заряда возвращает вторич-
133
г
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, соответствую-
щего 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 даль-
нейшим повышением напряжения анода, когда все электроны,
прошедшие сквозь вторую сетку, доходят до анода, рост тока
почти прекращается; характеристика идет полого, так как анод-
ное напряжение мало влияет на поток электронов от катода.
По сравнению с характеристиками пентодов у лучевых тетро-
дов переход от крутой части характеристики к пологой происхо-
1а,мА U3=const UC=O
Рис. 2.21. Анодные харак-
теристики лучевого тет-
рода
дит резче, так как объемный заряд создает более равномерное
распределение потенциалов, чем антидинатронная сетка.
При больших отрицательных напряжениях управляющей сет-
ки, когда ток анода мал, плотность электронного потока умень-
шается, тормозящее действие отрицательного объемного заряда у
анода ослабляется. При этом часть вторичных электронов попа-
дает 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 низко-
частотные 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 экра-
нирующей сетки, составляющий всего 7—10% от анодного тока.
Этому способствует конструкция сеток: поскольку витки экра-
134
нирующей сетки находятся против витков управляющей сетки и
электронные лучи огибают их, уменьшается количество электро-
нов, 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 аппа-
ратуры применяются для усиления мощности двойные лучевые
тетроды типа 6РЗС.
Комбинированные 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, а).
Рис. 2.22. Условные графи-
ческие обозначения двойного
лучевого тетрода (а) и три-
од-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 конструиро-
вать 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 — высоко-
частотный 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 разра-
ботки 5, напряжение накала 6,3 В.
Контрольные вопросы
1.	Объясните назначение и действие экранирующей сетки. Что такое дина-
тронный эффект?
2.	По анодным характеристикам пентода объясните, как устраняется ди-
натронный эффект с помощью антидинатронной сетки.
3.	Объясните устройство лучевого тетрода и принцип устранения в нем ди-
натронного эффекта.
135
Раздел 3.
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 3.1.
ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
3.1.1.	Электроннолучевая трубка с электростатическим
управлением
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 интенсивно-
стью и положением. Один из видов элекроннолучевого при-
бора — элекроннолучевая трубка.
Электроннолучевые трубки предназначены для преобразова-
ния 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 использо-
ваны для визуального наблюдения или фотографирования элек-
трических 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 электронно-
лучевые трубки, предназначенные для воспроизведения телеви-
зионных 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) поме-
щены: 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
136
центр экрана, а также позволяет управлять количеством электро-
нов в луче, т. е. интенсивностью свечения экрана.
Отклоняющая система предназначена для управления движе-
нием электронного луча по экрану путем одновременного откло-
нения луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях —
вертикальном и горизонтальном.
Экран служит для получения на нем светящегося изобра-
жения.
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 элект-
ронного луча различают три типа электроннолучевых трубок:
с электростатическим управлением, в которых для фокуси-
ровки 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 осуще-
ствляется 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 нака-
ла, управляющего электрода и двух или трех анодов, ускоряю-
щих и фокусирующих электроны в луче. Катод имеет форму
цилиндра, торец которого снаружи покрыт оксидным слоем; вну-
три цилиндра расположен подогреватель для накала катода и
получения термоэлектронной эмиссии с его торца. Управляющий
электрод, называемый модулятором, имеет форму цилиндра с от-
137
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 уп-
равляющего 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.
б
Рис. 3.2. Полная система элек-
тростатической фокусировки лу-
ча (а), фокусирующее электри-
ческое поле между анодами (б)
и принцип действия этого поля
на траекторию движения элек-
тронов луча (в)
Аноды представляют собой полые цилиндры с диафрагмами
внутри. Электронный луч проходит сквозь отверстия в этих диа-
фрагмах. Аноды имеют неодинаковые диаметры и разные поло-
жительные потенциалы: первый 300—1000 В, второй 1000—
5000 В и более. Эти потенциалы подобраны таким образом, что
электрические поля, созданные ими, имеют специальную конфигу-
рацию и собирают пучок летящих с большой скоростью электро-
нов в узкий сходящийся луч (рис. 3.2, а).
В каждой точке неоднородного электрического поля, пред-
ставленного криволинейными силовыми линиями, идущими в
направлении от более высокого потенциала к менее высокому
(рис. 3.2, б), на электрон действует сила, направленная по ка-
сательной к силовой линии в данной точке в сторону более высо-
138
кого потенциала, т. е. противоположно силовым линиям. Под
действием этих сил изменяется направление движения электро-
нов. Электрические поля между управляющим электродом и пер-
вым анодом и между следующими анодами действуют на элек-
тронный 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 соби-
рать или рассеивать поток электронов, называют электронной
линзой.
Рассмотрим подробнее действие электронной линзы на траекто-
рию движения электрона, летящего в ускоряющем поле в на-
правлении к экрану (рис. 3.2, в). Траектория движения электро-
на изображена толстой линией, а силовая линия электрического
поля между анодами А\ и Л2 — тонкой пунктирной. В точке В на
электрон действует сила Fit которую можно разложить на две
составляющие: горизонтальную Fi ГоР и вертикальную F\ ВеР. Пер-
вая ускоряет движение электрона вдоль оси трубки, вторая от-
клоняет его к оси. Аналогично в точке С сила F% имеет горизон-
тальную составляющую Г2гоР, ускоряющую движение электрона,
и вертикальную — Fiw^, отклоняющую его от оси, но в меньшей
степени, так как скорость электрона в точке С выше. В результа-
те траектория данного электрона и всех электронов в луче пере-
сечется 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 осциллографи-
ческих трубок обычно равен 0,5—1 мм. Напряжение на втором
аноде остается постоянным. Благодаря очень высокому напря-
жению на анодах создается сильное ускоряющее поле для
электронов в луче.
Экран трубки покрыт специальным веществом — люмино-
фором, — 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 визу-
ального наблюдения кривых исследуемого сигнала в осциллогра-
фических трубках применяют люминофор, дающий желто-
зеленое свечение, поскольку глаз человека наиболее чувствите-
лен к излучению в этой области спектра. Для этого в качестве
люминофора на экран наносится слой сульфида цинка. В труб-
139
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 изобра-
жений — сложный экран с точками красного, зеленого и синего
свечения.
Электроны, падая с большой скоростью на экран трубки, от-
дают ему свою энергию, которая частично превращается в све-
товую, 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 внут-
реннюю поверхность стеклянного баллона электроннолучевой
трубки. Аквадаг соединяется со вторым анодом и служит также
для защиты электронного луча от воздействия внешних электри-
ческих и магнитных полей (см. рис. 3.1, б).
Отклоняющая система состоит из двух пар пластин. Первая па-
ра 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 дей-
ствует на электроны вертикально, и называются вертикально-
отклоняющими пластинами УУ. Вторая пара плоскопараллель-
ных пластин расположена перпендикулярно первой и служит
для отклонения электронного луча в горизонтальном направле-
нии. Это горизонтально-отклоняющие пластины XX.
Действие отклоняющих пластин на электронный луч иллю-
стрирует рис. 3.3. При подаче постоянного напряжения на
пластины УУ так, что потенциал верхней из них выше, чем ниж-
ней, 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
140
на оси трубки. Чем больше напряжение между пластинами, тем
сильнее отклоняется луч. Если на пластины УУ подать перемен-
ное 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 сравни-
тельно большой частоте переменного напряжения, а также
вследствие инерционности зрения и свойства послесвечения экра-
на на экране будет видна непрерывная светящаяся линия, а не
отдельные положения светящегося пятна. Длина светящегося
вертикального отрезка пропорциональна амплитуде приложен-
ного к пластинам УУ переменного напряжения.
Аналогично действует на движение электронного луча по го-
ризонтали напряжение между пластинами XX: если выше потен-
циал передней пластины, то луч попадет в точку в, а если зад-
ней — то в точку г. При одновременной подаче переменных на-
пряжений на обе пары пластин на экране наблюдаются разные
светящиеся кривые линии, форма которых зависит от ампли-
туды, частоты и фазы подаваемых на пластины XX и УУ напря-
жений. Эти кривые носят название фигур Лиссажу и позволяют
производить исследования электрических сигналов.
3.1.2.	Принцип получения изображения на экране
осциллографической трубки
Наличие двух взаимно перпендикулярных пар отклоняющих
пластин позволяет получить на экране электроннолучевой трубки
график исследуемого процесса в прямоугольной системе коорди-
нат, т. е. графическую зависимость одной величины от другой.
Рассмотрим в качестве примера получение наиболее распро-
страненных графиков зависимости напряжения сигнала от вре-
мени, т. е. временных диаграмм.
Положение светового пятна на экране в любой момент вре-
мени зависит от мгновенных значений обоих отклоняющих
напряжений, а форма светящейся линии, которую чертит луч
при своем движении, — от характера изменения этих напряже-
ний. Если исследуемое изменяющееся напряжение подвести к
вертикально-отклоняющим пластинам УУ, то на экране полу-
чится вертикальная линия. Для получения формы кривой иссле-
дуемого напряжения необходимо, чтобы луч одновременно сме-
щался 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
141
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 зна-
чения и быстро спадает до нуля, называют пилообразной
(рис. 3.4, б). Амплитуда напряжения развертки Upm определяет
величину отклонения луча по горизонтали, т. е. длину линии
развертки.
Рис. 3.4. Получение на экране трубки осциллограм-
мы исследуемого напряжения (а); пилообразное
напряжение развертки (б) и исследуемый синусо-
идальный сигнал (в)
Если исследуемое напряжение сигнала Uc, например сину-
соидальное (рис. 3.4, в), подать на пластины УУ, то амплитуда
отклонения луча по вертикали будет прямо пропорциональна
амплитуде напряжения сигнала Ucm. При одновременном дейст-
вии напряжений сигнала на пластинах УУ и развертки на плас-
тинах 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 ле-
вого 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 спа-
дающей части зубца АБ, — обратным ходом луча. Время обрат-
ного хода луча должно быть очень мало по сравнению со време-
нем его прямого хода.
142
Для получения неподвижного изображения одной кривой на
экране необходимо, чтобы период развертки был кратным пе-
риоду исследуемого напряжения, т. е.
Тр = пТс,
где Тр — период напряжения развертки; Тс — период исследуе-
мого напряжения; п — целое число. Это условие для частот сиг-
нала fc и развертки fp имеет вид: fc = nfp.
При выполнении данного соотношения изображение п-перио-
дов кривой исследуемого напряжения прочерчивается на одном
и том же месте.
Рис. 3.5. Схема включения электроннолучевой
трубки 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 высо-
коомный делитель, состоящий из постоянных резисторов Ri, R2,
R3 и потенциометров П\, П2, Пз, ГЦ. С делителя выпрямленное
напряжение необходимой величины подается на все электроды
трубки. На управляющий электрод подают отрицательное отно-
сительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Регу-
лировкой этого напряжения с помощью потенциометра Щ изме-
няют яркость свечения экрана.
На первый анод подают положительное напряжение в не-
сколько сотен вольт. Регулируя величину этого напряжения,
143
потенциометром /72 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 раз-
вертки Up. Кроме того, на отклоняющие пластины подают по-
стоянное напряжение, позволяющее установить исходное поло-
жение светового пятна на экране трубки. Для этого служат
потенциометры П3 и П4.
Рис. 3.6. Схема получе-
ния на экране осцилло-
графа вольт-амперной ха-
рактеристики диода
Кроме получения временных осциллограмм, представляющих
зависимости токов и напряжений сигнала от времени, электрон-
нолучевая трубка позволяет наблюдать на экране вольт-ампер-
ные характеристики электронных приборов. Для этого от пластин
XX отключается напряжение временной развертки, а подается
напряжение, пропорциональное напряжению на приборе; на пла-
стины УУ подается напряжение, пропорциональное току прибора.
Например, для получения на экране осциллографа вольт-
амперной характеристики полупроводникового диода использует-
ся схема, показанная на рис. 3.6. Чтобы получить обе ветви
вольт-амперной характеристики — прямую и обратную, — иссле-
дование проводится на переменном токе. Переменное напряжение
подводится через трансформатор Тр к диоду Д и резистору R.
Сопротивление резистора должно быть меньше прямого сопро-
тивления диода. К пластинам XX приложено напряжение со
вторичной обмотки трансформатора, пропорциональное напряже-
нию на диоде, а к пластинам УУ — напряжение ur с резистора
/?, пропорциональное току через диод. В течение положитель-
ного полупериода на аноде диода луч смещается вправо вверх
и обратно в первом квадранте графика, прочерчивая прямую
144
ветвь характеристики — /пр = /((/пр). В отрицательный полупе-
риод луч смещается влево вниз и обратно в третьем квадранте
графика, прочерчивая обратную ветвь — /о6р = /(£ЛбР). В после-
дующие периоды переменного напряжения луч повторяет вы-
черчивание характеристики на том же месте, так что на экране
наблюдается устойчивое ее изображение.
3.1.3.	Электроннолучевая трубка с магнитным управлением
Магнитное поле действует на движущийся электрон, как на
элементарный проводник с током. Поскольку ток создается дви-
жением электрона, то сила, действующая на электрон со сто-
роны однородного магнитного поля, пропорциональна заряду
Рис. 3.7. Движение электрона в
однородном магнитном поле при
начальной скорости, перпенди-
кулярной силовым линиям (а) и
направленной под углом к ним (б)
электрона е, скорости v и напряженности магнитного поля Н, а
также зависит от угла а между направлением силовых линий и
направлением движения электрона:
F = eu//sina.
Отсюда следует, что на электрон, движущийся вдоль силовых
линий, магнитное поле не оказывает влияния, так как при а=0
и а= 180° sina=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 маг-
нитном поле в этом случае.
Направление действующей на электрон силы F можно опре-
делить, пользуясь правилом левой руки (рис. 3.7, а). При этом
следует учесть, что направление тока i противоположно направ-
лению скорости движения электрона. Сила действует перпенди-
кулярно к скорости, поэтому величина скорости остается постоян-
ной, а изменяется только ее направление. Следовательно, траек-
торией движения электрона является окружность, лежащая в
плоскости, перпендикулярной силовым линиям. Чем больше ско-
145
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 v направлена под углом
к силовым линиям, то под действием ее составляющей v\, перпен-
дикулярной силовым линиям, электрон движется по окружности,
а под действием второй составляющей V2 — вдоль силовых линий.
Результирующая траектория электрона представляет собой спи-
раль (рис. 3.7, б). Радиус этой спирали тем меньше, чем больше
напряженность магнитного поля и меньше составляющая скоро-
сти Di, а шаг витков спирали тем больше, чем больше состав-
ляющая скорости 02 и меньше напряженность поля.
Рис. 3.8. Схематическое устройство электроннолучевой трубки
с магнитным управлением (а) и расположение отклоняющих ка-
тушек (б)
В электроннолучевой трубке с магнитным управлением дейст-
вие магнитного поля на поток электронов, испускаемых катодом
и проходящих через отверстие в управляющем электроде, исполь-
зуется 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 не-
скольких сотен вольт, и он служит электростатическим экра-
ном от воздействия сильного ускоряющего поля второго анода на
катод и управляющий электрод. Второй анод является уско-
ряющим электродом. Его роль в электроннолучевых трубках
с магнитным управлением обычно выполняет аквадаг, на кото-
рый подается напряжение 4000—12000 В.
Фокусировка электронного луча осуществляется магнитным
полем, которое создает специальная фокусирующая катушка
ФК. Эту катушку цилиндрической формы надевают на горло-
вину трубки. Через нее проходит постоянный ток, и внутри ка-
тушки в трубке создается продольное магнитное поле, силовые
146
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 магнит-
ными полями. Отклоняющая система состоит из двух пар кату-
шек ОК, расположенных взаимно перпендикулярно снаружи
трубки на ее горловине. Расположение отклоняющих катушек в
плоскости, перпендикулярной оси трубки, и их соединение пока-
зано на рис. 3.8, б. При прохождении тока по отклоняющим ка-
тушкам создаются два поперечных магнитных поля, силовые
линии которых проходят внутри трубки перпендикулярно друг
другу в плоскости, перпендикулярной оси, а значит, и направле-
нию луча. При этом сила Fx, действующая на электроны луча
со стороны магнитного поля катушек XX, силовые линии кото-
рого идут вертикально, отклоняет луч по горизонтали, а сила
Fy 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 про-
ходить ток, зависимость величины которого от времени характе-
ризуется пилообразной кривой.
3.1.4.	Кинескопы
Кинескопы используют для преобразования телевизионных
электрических сигналов в изображение на экране. Они бывают
черно-белого и цветного изображения. В кинескопах черно-
белого изображения участки на экране различаются только по
яркости, а в кинескопах цветного изображения — по яркости и
цветности.
Наибольшее распространение имеют различные типы кинеско-
пов, предназначенных для непосредственного наблюдения изо-
бражения на экране. Применяются также приемные телевизион-
ные электроннолучевые трубки, называемые проекционными ки-
нескопами. Они предназначены для получения изображения на
большом внешнем экране с помощью оптической проекции на
него с экрана кинескопа.
Действие кинескопа основано на принципе получения изобра-
жения на экране электроннолучевой трубки. Однако для полу-
чения телевизионного изображения развертка должна осуще-
ствляться как по горизонтали, так и по вертикали напряжениями
с пилообразной формой кривой. При этом на экране высве-
147
г
F
чивается растр: под действием горизонтально отклоняющего
напряжения луч рисует строки, а последовательное высвечива-
ние строк по всему экрану, т. е. получение кадра, дает верти-
кально отклоняющее пилообразное напряжение. В отечественной
телевизионной системе принят растр, имеющий 625 строк в кадре
с частотой 25 кадров в секунду. Таким образом, частота строч-
ной развертки 15625 Гц, а кадровой развертки — 25 Гц.
Электрический телевизионный сигнал подается между управ-
ляющим электродом и катодом и модулирует количество электро-
нов в луче. Поэтому управляющий электрод кинескопа принято
называть модулятором. Телевизионный электрический сигнал
управляет яркостью свечения пятна на экране по мере прохож-
дения лучом каждой строки кадра. Различные яркости точек
экрана создают черно-белое изображение.
Для фокусировки и отклонения электронного луча в кине-
скопах могут быть использованы как электрические, так и маг-
нитные поля. В настоящее время применяют электростатическую
систему фокусировки, не требующую тяжелой фокусирующей
катушки и не потребляющую большую мощность. Для управле-
ния световым пятном используют магнитную систему отклоне-
ния луча, не создающую электрических полей, которые могут
ухудшать фокусировку луча и вызывать этим искажения изобра-
жения. 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, требу-
ется очень высокая яркость пятна. Все это осуществляется за
счет усложнения электронного прожектора и фокусирующей сис-
темы.
Основные причины, вызывающие расфокусировку луча и ог-
раничение уменьшения размеров светового пятна, — это конеч-
ные размеры эмиттирующей поверхности катода, наличие у
эмиттируемых электронов начальных скоростей под разными уг-
лами к оси трубки и возникновение в луче сил отталкивания
электронов как одноименных зарядов друг от друга. Помимо
этого на диаметр пятна влияет величина отрицательного напря-
жения 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-
148
кость, влияние изменения яркости на размер пятна и четкость
изображения особенно заметно.
Для уменьшения размеров пятна и устранения влияния регу-
лировки яркости и отклонения луча на фокусировку в электрон-
ный прожектор вводят дополнительные электроды. Между мо-
дулятором и анодом помещают экранирующий электрод Э в виде
диска с отверстием в центре и подают на него небольшое поло-
жительное напряжение — порядка 250 В (рис. 3.9, а). Он устра-
няет влияние анодного напряжения на управляющее яркостью
действие модулятора. Такой прожектор называют тетрадным.
Рис. 3.9. Схемы конструкции электронного прожектора кинескопа с дополнитель-
ными электродами (а, б) и ионной ловушкой (в)
Еще совершеннее пентодный прожектор, в который введен до-
полнительный ускоряющий электрод Дуск. 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 элект-
роде и втором аноде. Поэтому в кинескопах применяют высокое
напряжение на этих электродах — порядка 20 кВ — для получе-
ния достаточной яркости изображения и малого размера свето-
вого 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 кине-
скопе в процессе его эксплуатации служит возникновение в
149
центре экрана темного пятна, называемого ионным. Оно появля-
ется 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 иона-
ми при ионизации остаточных газов. В кинескопах с магнитной
системой отклонения отрицательный ион отклоняется значитель-
но меньше, чем электрон, так как скорость иона меньше. По-
этому 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 маг-
нитное поле, различно влияющее на траекторию движения элек-
тронов и отрицательных ионов. В результате отрицательные ионы
задерживаются внутри электронного прожектора. Простейшая
конструкция ионной ловушки содержит постоянный магнит, рас-
положенный на горловине трубки. Он создает поперечное маг-
нитное 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 уг-
лом 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 отклоня-
ются 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 возмож-
ность 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 боль-
шого изображения экраны кинескопов должны иметь значитель-
но большие размеры, чем в осциллографических трубках. Стрем-
ление уменьшить габариты телевизионного приемника при одно-
временном увеличении размера экрана привело к использованию
баллонов с прямоугольным дном, на которое наносится, соот-
ветственно, прямоугольный экран.
Нежелательно засвечивание экрана светом, излучаемым изо-
бражением. Засвечивание происходит из-за отражения этих лу-
чей от стенок баллона на экран. Чтобы ослабить засвечивание
экрана, переход от горловины к расширенной части трубки
делают не плавным конусообразным, а специальной, резко рас-
ширяющейся формы.
На рис. 3.10 показаны форма баллона кинескопа и растр на
его прямоугольном экране. При большом экране кинескопы рас-
150
считывают на большие углы отклонения луча, чтобы сократить
длину трубки.
Основными характеристиками кинескопа являются модуля-
ционные характеристики. Модуляционная характеристика показы-
вает зависимость тока в луче /л и яркости свечения экрана от
напряжения модулятора при постоянном значении напряжения
на втором аноде (рис. 3.11):
/л = при L/a2 = const.
Ток в луче зависит от плотности электронов в нем.
Рис. 3.10. Баллон кинескопа и
растр его на экране
Рис. 3.11. Модуляционные ха-
рактеристики кинескопа
Отрицательное напряжение модулятора, при котором 1п = 0
и световое пятно исчезает, называют напряжением запирания
t/м зап- При большем значении постоянного напряжения на вто-
ром аноде абсолютная величина напряжения запирания воз-
растает; модуляционная характеристика сдвигается влево. В кине-
скопах, имеющих экранирующий электрод, анодное напряжение
(/а2 очень слабо влияет на сдвиг модуляционной характеристики.
При 1/а2 = 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 эк-
ране трубки, проектируется на большой экран оптическим мето-
дом. Поэтому к ним предъявляются более высокие требования
в отношении яркости и четкости изображения. Экран проек-
ционного 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
1S1
экрана, на который осуществляется проекция, возможно только
за счет увеличения экрана кинескопа. Яркость экрана проек-
ционного кинескопа должна быть в сотни и тысячи раз больше,
чем у обычного кинескопа. Поэтому он работает при очень высо-
ком 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 проек-
ционного кинескопа диаметр светового пятна должен быть,
соответственно, значительно меньше, чем в обычных кинескопах.
В современных телевизионных приемниках широкое распро-
странение получили кинескопы цветного изображения.
Точки свечения: 1—красного
2—зеленого
3—синего
Рис. 3.12. Принцип получе-
ния цветного изображения на
экране 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 смеше-
нии 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 элект-
ронных 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
152
один из прожекторов, то в процессе развертки его луч, пробегая
по строчкам растра, дает изображение только в одном из основ-
ных 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 смеши-
ваются изображения трех основных цветов (в определенных
изменяющихся пропорциях) по мере перемещения лучей по груп-
пам точек экрана; получается цветное изображение.
3.1.5.	Параметры и система обозначений
электроннолучевых трубок
Электроннолучевые трубки характеризуются способом управ-
ления лучом, чувствительностью, конструктивными особенно-
стями, электрическими и световыми параметрами.
Наиболее важный параметр — чувствительность трубки. Под
чувствительностью S трубки понимают отношение величины ли-
нейного 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
иткл •
Чувствительность зависит от геометрических размеров трубки.
Она прямо пропорциональна длине отклоняющих пластин Ц и
расстоянию от середины пластин до экрана /2 и обратно про-
порциональна расстоянию между пластинами d и напряжению на
втором аноде Ua2’.
$3 = ~ЪП1—мм/в-
2al/a2
Для большинства трубок с электростатическим управлением
чувствительность составляет 0,1 — 1 мм/В.
Чувствительность электроннолучевой трубки с магнитным от-
клонением определяется как отношение величины линейного пе-
ремещения h к числу ампер-витков отклоняющей системы и из-
меряется в миллиметрах на ампер-виток:
S — h
*-^М---7	1
П* откл
где п — число витков отклоняющей катушки, /откл — ток в этой
катушке.
153
Чувствительность в этом случае зависит от ширины 1\ по-
перечного магнитного поля, пересекаемого пучком электронов,
от расстояния /2 между осью катушек и экраном, от ускоряющего
анодного напряжения (Л, а также от конфигурации катушек,
характеризующейся постоянным коэффициентом а:
о а/1/2
Диапазон частот сигнала, который можно получить на экране
трубки, — еще один из ее параметров. Для современных уни-
версальных электроннолучевых трубок он достигает 20 МГц.
При большей частоте падает яркость и увеличивается погреш-
ность изображения.
Световыми параметрами являются цвет свечения, яркость све-
чения и длительность послесвечения. Под длительностью после-
свечения понимают время после прекращения воздействия элек-
тронного луча, в течение которого яркость свечения экрана
уменьшается до 1 % от первоначальной. Длительность после-
свечения 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 разме-
ры 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 /л на разность рабочего напряжения
ускоряющего анода Ua2 и минимального напряжения Ua0, при
котором начинается свечение:
Р= /л((/а2 - (/а0).
Электроннолучевые трубки могут быть не только однолуче-
выми, но и двухлучевыми и более. Эти трубки имеют две или бо-
лее электронные системы, формирующие и отклоняющие элект-
ронные лучи, но один общий экран. Они позволяют получить
одновременно изображения на экране нескольких процессов,
например осциллограмм напряжений и токов. Это позволяет ис-
154
следовать формы кривых и временные сдвиги между электричес-
кими величинами на отдельных участках электронного устройст-
ва.
Кроме трубок с системой развертки для наблюдения электри-
ческих колебаний в промышленной электронике используют
специальные электроннолучевые трубки, дающие на экране зна-
ки — цифры, буквы, различные символы. Эти трубки называют
знакопечатающими. Они в настоящее время получили очень ши-
рокое распространение. В знакопечатающих трубках электрон-
ный 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 направ-
ляет луч через то отверстие в матрице, которое по форме опре-
деляет выбранный знак. Вторая отклоняющая система, называе-
мая 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 труб-
ки; например, ЛО — осциллографическая электроннолучевая трубка с электроста-
тическим управлением, ЛМ — электроннолучевая трубка с магнитным управле-
нием, 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 электростатичес-
кими 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.
3.1.6.	Передающие телевизионные
электроннолучевые трубки
Передающая телевизионная трубка — это электроннолучевой
прибор, преобразующий оптическое изображение в последова-
тельность электрических сигналов. Она является датчиком
электрического сигнала, который в системе телевидения пере-
дается на модулятор кинескопа. Датчик сигнала преобразует
световую энергию, отраженную от объекта и падающую на
фоточувствительную поверхность, в электрическую.
Яркость отдельных элементов изображения, спроецированного
155
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 разверт-
ки луча по горизонтали и вертикали изображения на фоточувст-
вительной поверхности, аналогичная развертке по экрану кинес-
копа. Таким образом, передающие телевизионные трубки содер-
жат фотоэлектронные и электроннолучевые приборы.
На рис. 3.13, а приведено схематическое устройство трубки.
Рис. 3.13. Схематическое устрой-
ство передающей телевизионной
электроннолучевой трубки (а) и
разрез структуры мозаичного
фотокатода (б):	1 — баллон;
2 — мозаичный фотокатод; 3 —
второй анод; 4 — объект; 5 —
объектив; 6 — электронный про-
жектор; 7 — отклоняющая сис-
тема; 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 мно-
жество мельчайших изолированных друг от друга зерен фото-
чувствительного серебра. Каждое из нескольких миллионов этих
зерен является миниатюрным фотоэлементом, который через ем-
кость элементарного миниатюрного конденсатора серебро — слю-
да — металл соединен с сигнальной пластиной и внешним вы-
водом. Такой экран называют мозаичным фотокатодом, или прос-
то мозаикой. На внутреннюю поверхность баллона нанесен ме-
таллический слой 3 (см. рис. 3.13, а), служащий вторым анодом.
Напротив мозаики в баллоне имеется окно, через которое опти-
ческое изображение объекта 4 с помощью объектива 5 фокуси-
руется на мозаику.
В узкой горловине трубки, расположенной под углом к мозаи-
ке, находятся электронный прожектор 6 и система отклонения
луча 7.
Рассмотрим принцип работы передающей трубки. Под дей-
156
ствием света, падающего на мозаику от объекта через объектив,
фотоэлементы мозаики испускают электроны; происходит фото-
электронная эмиссия. Количество испускаемых каждым фотоэле-
ментом электронов разное; оно пропорционально интенсивности
светового потока от данного элемента объекта. Электроны с
фотокатода уходят на положительно заряженный анод 5, а эле-
мент мозаики, с которого они ушли, заряжается положительно.
Величины зарядов элементов мозаики различны и пропорцио-
нальны количеству ушедших электронов; распределение накоп-
ленных 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 фото-
катода, распределение плотности которого соответствует распре-
делению освещенности в оптическом изображении, спроециро-
ванном на фотокатод.
Дальнейший процесс преобразования электронного изображе-
ния в электрические сигналы осуществляется путем считывания
этого изображения построчно электронным лучом 8. Пробегая
по строчкам мозаики, луч поочередно нейтрализует положитель-
ные заряды ее элементов своими электронами. Поскольку каж-
дый фотоэлемент соединен через элементарные конденсаторы с
сигнальной пластиной, то образовавшиеся на нем положительные
заряды индуктируют на пластине соответствующие местные от-
рицательные заряды, т. е. притягивают электроны. При нейтрали-
зации элементов мозаики лучом происходит разряд элементарных
конденсаторов: электроны освобождаются и уходят через внеш-
ний 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 /?н импульсы тока создают
импульсы напряжения — электрические видеосигналы.
В современных передающих телевизионных трубках конструк-
ция и процессы сложнее. Усовершенствование этих приборов
осуществляется с развитием науки и техники в соответствии
с требованиями улучшения параметров преобразователей опти-
ческих изображений в электрические сигналы: чувствительности,
разрешающей способности, быстродействия, световых и спект-
ральных характеристик. В частности, вместо непрозрачного мо-
заичного фотокатода используется полупрозрачный фотокатод,
работающий на просвет, т. е. эмиттирующий электроны в сторо-
ну, противоположную той, откуда падает свет. Полученное в
виде потока электронов электронное изображение может быть
перенесено с помощью ускоряющего электрического и продоль-
ного магнитного полей на другую плоскость — мозаичную ми-
шень. Падая на нее, электронные пучки, вышедшие из элементов
157
фотокатода, вызывают вторичную электронную эмиссию с эле-
ментов мишени. Уход вторичных электронов создает на элемен-
тах мишени положительные заряды. Поскольку вторичных
электронов вылетает больше, чем падает первичных, то проис-
ходит умножение величины заряда и увеличение импульсов тока;
чувствительность трубки повышается. В ряде типов трубок ис-
пользуются 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 преобразо-
вателей световой энергии в электрические сигналы твердотель-
ными (безвакуумными) фотоэлектронными преобразователями,
что привело к изобретению приборов с зарядовой связью. Эти
преобразователи основаны на использовании фоторезисторов,
фотодиодов и фототранзисторов. Изготовление приборов с заря-
довой связью осуществляется на базе МОП-структур при полу-
проводниковой технологии. Используется их способность соби-
рать, накапливать и хранить заряды неосновных носителей в
локальных областях у поверхности полупроводника. Заряды
возникают под действием света и путем управляемого переме-
щения этих областей последовательно переносятся к выходному
устройству, которое преобразует их в последовательные электри-
ческие видеосигналы.
В рассмотренных системах преобразования оптического изоб-
ражения 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 изобра-
жения, и вызываемый им фототок в этом случае не используют
для образования сигнала. Такие системы называют системами
мгновенного действия. В них низка эффективность использова-
ния светового потока, а также чувствительность системы. Повы-
сить эффективность использования светового потока позволяют
системы с бегущим лучом. В них весь световой поток сосредото-
чен в луче соответственно угловому размеру одного элемента
изображения, но световое пятно должно перемещаться по объек-
ту по закону развертки изображения.
Контрольные вопросы
1.	Нарисуйте схематическое устройство электроннолучевой трубки с электро-
статическим управлением и объясните назначение ее основных узлов.
2.	В чем заключаются развертка электронного луча и получение на экране изо-
бражения исследуемого сигнала?
3.	Объясните принцип фокусировки и отклонения луча в электроннолучевой
трубке с магнитным управлением.
158
4.	Что представляет собой кинескоп? Какие виды кинескопов существуют и
каковы особенности их устройства?
5.	Объясните принцип действия кинескопов черно-белого и цветного изобра-
жений.
6.	Назовите основные параметры электроннолучевых трубок.
7.	Объясните принцип действия передающей телевизионной электроннолучевой
трубки.
Глава 3.2.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
3.2.1.	Виды фотоэффекта. Фотоэлектронная эмиссия
Фотоэлектронным прибором называют электронный прибор,
предназначенный для преобразования энергии оптического излу-
чения в электрическую. Принцип действия этих приборов осно-
ван на изменении электрических свойств веществ под действием
падающего на них излучения, в частности видимого света. Фото-
электронные приборы разделяют на электровакуумные и полу-
проводниковые.
Влияние света на электрические свойства вещества носит на-
звание фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фото-
эффект.
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 по-
лупроводника под действием падающего света; фотогальвани-
ческий эффект — возникновение на р-п переходе под действием
падающего света разности потенциалов, называемой фото-э.д.с.
На внутреннем фотоэффекте основан принцип действия полу-
проводниковых фотоэлектронных приборов.
Фотоэффект объясняется изменением энергетического состоя-
ния свободных электронов в металле, а также атомов в кристал-
ле 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 прибо-
ров основан, как было сказано, на фотоэлектронной эмиссии.
Для выхода электрона из фотокатода в вакуум необходимо,
чтобы электрон, имевший внутри катода максимальную энергию
159
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 = hv,
где v — частота излучения; h — постоянная Планка; h — 6,62 X
X Ю“34 Дж • с.
Частота v обратно пропорциональна длине волны излуче-
ния X:
Энергия фотона может быть выражена через длину волны
излучения:
W = hc
кв л ’
где с — скорость света; с — 3 • 108 м/с.
Например, коротковолновое излучение, соответствующее фио-
летовым 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 фотоэлект-
ронная эмиссия, называется порогом фотоэлектронной эмиссии.
Ей соответствует длина волны Хо- Ее величину для данного ве-
щества можно найти из условия равенства энергии фотона и ра-
боты выхода:
№кв = Wo.
Подставив сюда значения Wo — £фо; WKB — hvo и Хо —— ,
Vo
получим
A vo = е<ро,
откуда
где h, с и е (заряд электрона) — постоянные; фо — работа вы-
хода в электрон-вольтах, зависящая от материала фотокатода.
Для получения фотоэлектронной эмиссии в более широкой
области видимой части спектра необходимы фотокатоды с малой
работой выхода.
3.2.2.	Законы фотоэлектронной эмиссии и
характеристики фотокатода
Простейшим электровакуумным прибором, преобразующим
оптический сигнал в электрический, является фотоэлемент. Он
имеет два электрода: фотокатод и анод. На анод подается посто-
янное 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 пропорциональ-
на световому потоку, падающему на фотокатод, при неизменном
спектральном составе света:
/Ф = 5Ф,
где Ф — световой поток в люменах; S — коэффициент пропор-
циональности, называемый чувствительностью фотокатода и из-
меряемый в микроамперах на люмен.
Закон Столетова основывается на квантовой теории: больший
световой поток несет в единицу времени больше фотонов, сле-
довательно, большее число электронов может за это время погло-
тить по одному фотону и выйти из фотокатода в вакуум. Этот за-
кон отражается световой характеристикой (рис. 3.14, а).
Световая характеристика — это зависимость фототока от све-
тового потока при постоянном спектральном составе света и
неизменном анодном напряжении:
/ф == |(ф) при Ua — const.
Она представляет собой прямую линию, выходящую из нача-
ла координат; ее наклон зависит от чувствительности фотока-
тода.
6-1663
161
Закон Эйнштейна: максимальная кинетическая энергия выле-
тевшего из фотокатода электрона линейно возрастает с увели-
чением частоты падающего света и не зависит от его интенсив-
ности.
Поскольку разность энергии фотона и работы выхода прев-
ращается в кинетическую энергию электрона, то закон Эйнштей-
на выражается уравнением
- u/0,
где tnv2/2 — кинетическая энергия электрона.
Подставив в уравнение значения UPKB и U^o, получим:
= hv - вфо.
Это уравнение определяет линейную зависимость кинетичес-
кой 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 внут-
реннюю энергию Wi. При 1Гкв — №о кинетическая энергия вылетев-
шего электрона равна нулю, а при U7KB < фотоэлектронная
эмиссия невозможна.
Закону Эйнштейна подчиняется фотоэлектронная эмиссия из
чистых металлов сравнительно большей толщины. Такую эмис-
сию 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 тон-
копленочные катоды, например сурьмяно-цезиевые, характери-
зующиеся избирательной фотоэлектронной эмиссией. Они облада-
ют максимальной чувствительностью к лучам определенной час-
ти спектра.
Чувствительность — основной параметр фотоэлектронного
прибора. Различают интегральную (световую) и спектральную
чувствительность.
Интегральная чувствительность — это чувствительность фо-
токатода к суммарному, не разложенному в спектр, световому
потоку. Она определяется как фототок, вызываемый общим све-
товым потоком в 1 люмен:
с__
Ф ’
Для точного определения интегральной чувствительности в
качестве источника света выбран стандартный излучатель —
электрическая лампа накаливания мощностью 100 Вт при тем-
пературе нити 2850 К.
162
Интегральную чувствительность можно определить по свето-
вой характеристике.
Спектральная чувствительность — это чувствительность фото-
катода к монохроматическому свету. Она определяется как фото-
ток, приходящийся на 1 люмен светового потока данной длины
волны:
Спектральные свойства фотокатода определяют по спектраль-
ной характеристике, которая представляет собой зависимость
спектральной чувствительности от длины волны излучения.
Si = /(X) при Ф = const.
При нормальной фотоэлектронной эмиссии спектральная ха-
рактеристика отражает закон Эйнштейна (рис. 3.14, б): с уве-
личением X, т. е. уменьшением v, кинетическая энергия и скорость
эмиттированных электронов уменьшается, следовательно, умень-
шается фототок и чувствительность при Ф = const. Фотоэлект-
ронная 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.
3.2.3.	Фотоумножитель. Устройство и принцип действия
Фотоумножителем называют электровакуумный прибор, пре-
образующий энергию оптического излучения в электрическую и
содержащий фотокатод, анод и вторично-электронный умножи-
тель, 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 раз-
личным (от 1 до 18—20). Конструкция, расположение и электри-
ческий 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-
6*	163
ческим полем и падают на первый динод Д\. Динод под ударами
первичных электронов испускает вторичные электроны, число ко-
торых больше, чем первичных. Для этого между динодом и фото-
катодом 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 сле-
дующий динод должен иметь положительный потенциал, пре-
вышающий потенциал предыдущего на 100—150 В. На анод при-
ходит 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 фото-
катода и достигает 100 А/лм.
Недостатками многокаскадных умножителей являются вы-
сокое напряжение питания и большой собственный шум.
В кинотехнике для воспроизведения звука с фотографичес-
ких фонограмм нашли применение однокаскадные фотоумножи-
тели. Однокаскадный фотоумножитель имеет три электрода: фо-
токатод, 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 пока-
зано на рис. 3.16. Фотокатод в виде тонкого светочувствитель-
ного слоя нанесен на половину внутренней поверхности стеклян-
ного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен
164
такой же по материалу, но небольшой по площади слой, являю-
щийся динодом. Катод и динод — сурьмяно-цезиевые. Внутри
баллона (ближе к диноду) расположен анод в виде редкой ме-
таллической решетки из тонкой проволоки, натянутой на оваль-
ную 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
а
Рис. 3.16. Однокаскадный фо-
тоумножитель ФЭУ-1: а — уст-
ройство; б — условное графиче-
ское обозначение
Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б)
однокаскадного фотоумножителя
анода входят: источник анодного питания Еа, нагрузка /?н и про-
межуток анод — катод; в цепь динода входят: источник пита-
ния Ед и промежуток динод — катод. В практических схемах
оба электрода питаются от одного источника Еа; на анод по-
дается -J-220 В, а на динод--1-170 В относительно катода через
гасящие резисторы.
Принцип действия однокаскадного фотоумножителя поясняет
рис. 3.17, б, на котором схематически показаны: световой по-
ток — пунктирными линиями, поток первичных электронов —
165
тонкими сплошными линиями, а вторичных — толстыми линиями.
Световой поток от источника света падает на катод и вызывает
фотоэлектронную эмиссию. Под действием ускоряющих электри-
ческих полей анода и динода первичные электроны с большой
скоростью движутся к аноду. Незначительная часть электронов
попадает при этом на анод, а основной поток электронов про-
ходит сквозь редкую решетку анода и падает на динод, вызы-
вая 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, пре-
небрежимо мало по сравнению с числом вторичных электронов.
Поток эмиттированных катодом первичных электронов созда-
ет в цепи фотокатода фототок /ф, а поток вторичных электронов,
попадающих с динода на анод, создает анодный ток /а. Вторич-
ных электронов вылетает больше, чем падает первичных, в о раз
(о — коэффициент вторичной эмиссии), поэтому /а = а/ф.
Коэффициент усиления тока К, показывающий, во сколько
раз анодный ток больше фототока, для однокаскадного фотоум-
ножителя равен коэффициенту вторичной эмиссии:
В оптимальном режиме К достигает 4—6. Во столько же раз
увеличивается чувствительность однокаскадного фотоумножите-
ля по сравнению с чувствительностью фотокатода:
S = ^- = -^= К5Ф,
Ф Ф *
где S — чувствительность фотоумножителя; — чувствитель-
ность фотокатода, составляющая 100—120 мкА/лм для сурьмя-
но-цезиевого фотокатода. У ФЭУ-1 чувствительность достигает
400—600 мкА/лм.
3.2.4.	Характеристики однокаскадного фотоумножителя
Анодный ток фотоумножителя, имеющего три электрода, за-
висит 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 соб-
рать электрическую схему (рис. 3.18, а), в которой можно изме-
нять напряжения анода и динода с помощью потенциометров, а
световой поток от лампы накаливания — с помощью диафраг-
166
мы Д с переменным диаметром отверстия. В схему включают
измерительные приборы для измерения /а, Ua и ил.
Вольт-амперная (анодная) характеристика — это зависи-
мость анодного тока от напряжения между анодом и динодом
UaIi при постоянных значениях напряжения динода и светового
потока (рис. 3.18, б):
/а = /((/ад) при UR = const; Ф = const.
+
а
1 а
мн А
Ua=const
4>=const =0,01 лм
Un=const
а	____
*2**1
-Ф,
иад
35-40В	.
О
а
4 -
2
*Ф
'Д
мнА
а манс^
1 .i_L
/
А
О '40 80 120 160 200 240
ид, в
Рис. 3.18. Схема для снятия
характеристик (а), вольт-ам-
перная (б) и каскадная (в)
характеристики фотоумножи-
теля
в
Для снятия этой характеристики устанавливают рабочее на-
пряжение динода, равное 170 В, и постоянный световой поток
порядка сотых долей люмена. При изменении анодного напряже-
ния от нуля до величины, при которой (Лд=0 ((/а = (/д), анод-
ный ток практически остается равным нулю. С увеличением анод-
ного напряжения, когда (7ад>0 ((/а>(7д), электрическое поле
для вторичных электронов становится ускоряющим; все большее
число их движется к аноду, анодный ток быстро растет, и харак-
теристика идет круто вверх, пока ток не достигает величины тока
насыщения. Это происходит при анодном напряжении, превы-
шающем напряжение динода на 35—40 В. Дальнейшее увели-
чение анодного напряжения не вызывает роста анодного тока,
167
так как все вторичные электроны достигают анода. Горизонталь-
ный участок характеристики, соответствующий насыщению, яв-
ляется рабочим.
Устанавливая разные значения светового потока, можно по-
лучить семейство вольт-амперных характеристик. Чем больше
световой поток, тем выше располагается рабочий участок ха-
рактеристики.
По вольт-амперной характеристике можно определить инте-
гральную чувствительность фотоумножителя. Для этого величину
анодного тока /а на рабочем участке (обычно при рабочем
напряжении Ua — 220 В) следует разделить на величину свето-
вого потока Ф, при котором снималась характеристика:
мкА/лм.
Каскадная характеристика — это зависимость анодного тока
от напряжения динода при постоянных величинах анодного
напряжения и светового потока (рис. 3.18, в):
Л = Д(7д) при Ua = const; Ф = const.
При снятии этой характеристики устанавливается постоянное
анодное напряжение, равное рабочему напряжению 220 В, и све-
товой поток порядка сотых долей люмена. При Ua = 0 все пер-
вичные электроны идут на анод; даже электроны, пролетевшие
сквозь анод, возвращаются к нему. Поэтому анодный ток 1а
равен фототоку катода /а = /ф. С увеличением напряжения (7Д
часть электронов, пролетая сквозь решетку анода, достигает ди-
нода, 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 по-
тенциал, и анодный ток начинает медленно расти. При дальней-
шем увеличении скорость и количество первичных электронов,
падающих на динод, возрастают; следовательно, увеличивается
количество вторичных электронов, растет анодный ток. Это про-
исходит при увеличении Ua до определенной оптимальной вели-
чины Ua — Uaomt при которой анодный ток достигает макси-
мального значения /амакс. При этом получается наибольшее зна-
чение коэффициента усиления тока и наибольшая чувствитель-
ность фотоумножителя. Рабочее напряжение динода задается
равным оптимальному и составляет примерно 170 В.
Дальнейшее увеличение (7Д приводит к уменьшению анодного
тока из-за того, что по мере приближения Ua к величине Ua
уменьшается разность потенциалов между анодом и динодом, а
следовательно, ослабляется ускоряющее электрическое поле для
вторичных электронов. Все меньшее число вторичных электронов
168
попадает на анод, и анодный ток уменьшается. При Ua — Ua
ускоряющего поля для вторичных электронов нет, и все они
возвращаются на динод. При этом анодный ток /а становится
равным нулю.
По каскадной характеристике можно определить такие пара-
метры фотоумножителя, как чувствительность и коэффициент
усиления, а также чувствительность фотокатода.
Для определения чувствительности фотоумножителя S необ-
ходимо взять отношение /амакс к величине постоянного светового
потока, при котором снималась каскадная характеристика:
Ф
Чувствительность фотокатода определяется как отношение
фототока /ф к световому потоку:
е __
Оф —77— »
4 ф
где /ф = /а при (Уд= 0.
Коэффициент усиления вычисляется как отношение макси-
мального анодного тока к току фотоэлектронной эмиссии:
г/-   ! а макс   S
Л —	.
'ф
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 = f (Ua) на
рис. 3.18, в) :
/а — /а /ф •
В частности, при (Уд = Ua, когда 1а — 0, ток /д = /ф, а при UR =
= 0, когда /а = /ф, ток /д = 0.
Световая характеристика фотоумножителя является эмис-
сионной характеристикой и представляет собой зависимость
анодного тока от светового потока при постоянных напряжениях
анода и динода:
/а = ДФ) 'при Ua — const; Ua — 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 замед-
ляется, так как скопление движущихся к аноду вторичных
169
электронов создает отрицательный объемный заряд, который тор-
мозит 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 час-
тотной характеристикой.
Частотная характеристика — это зависимость чувствительнос-
ти от частоты изменения светового потока.
Процессы в однокаскадном фотоумножителе практически бе-
зынерционны, поэтому его частотная характеристика выражает-
ся горизонтальной прямой линией во всей области звуковых час-
тот, а также на более высоких частотах до десятков килогерц.
Это позволяет успешно использовать фотоумножители в кине-
матографии для воспроизведения звука с фотографических фо-
нограмм кинофильмов.
К параметрам фотоумножителя кроме чувствительности от-
носятся темновой ток, рабочее напряжение анода, рабочее напря-
жение 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
1.	Назовите виды фотоэффекта и законы фотоэлектронной эмиссии.
2.	Нарисуйте схематическое устройство многокаскадного и однокаскадного
фотоумножителей и объясните принцип их действия.
3.	Нарисуйте и объясните вольт-амперную и каскадную характеристики
однокаскадного фотоумножителя.
4.	Назовите основные параметры фотоумножителя и объясните, как они оп-
ределяются по характеристикам.
5.	Нарисуйте и объясните световую и спектральную характеристики фото-
умножителя с сурьмяно-цезиевым катодом.
Глава 3.3.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
3.3.1.	Фоторезисторы и фотогальванические элементы
В полупроводниковых фотоэлектронных приборах, использую-
щих внутренний фотоэффект (фотогальванический или фоторе-
зистивный), энергия фотона, поглощаемого валентным электро-
ном, должна быть не меньше энергии, соответствующей запре-
щенной зоне Д№3. Получив дополнительно эту энергию, валент-
но
ный электрон переходит в зону проводимости. В полупроводнике
при этом происходит разрушение ковалентных связей, сопровож-
даемое генерацией пар электрон — дырка, за счет чего уменьша-
ется его сопротивление. Если энергия фотона больше энергии
Д1Г3, 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, сопро-
вождающаяся переходом валентных электронов на энергетичес-
кие уровни атомов акцепторов в области p-типа и переходом
электронов с уровней атомов доноров в зону проводимости в об-
ласти n-типа. При этом увеличивается количество основных носи-
телей заряда.
К полупроводниковым фотоэлектронным приборам относят
фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фото-
транзисторы и фототиристоры.
Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие
которого основано на уменьшении удельного электрического
сопротивления полупроводника под действием света или невиди-
мого 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 кад-
мий, селенистый теллур и другие.
Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником
питания. Он обладает омическим сопротивлением: ток через него
пропорционален приложенному напряжению при постоянном све-
товом потоке или без него. Проводимость фоторезистора одина-
кова 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 темно-
вому току:
При освещении фоторезистора его сопротивление резко
уменьшается: световое сопротивление Rc меньше /?т в сотни и
тысячи раз. Поэтому в цепи протекает большой световой ток /с.
Фототок равен разности между световым и темновым токами:
/ф = 4 — А-
Основной параметр фоторезистора — чувствительность S:
Ф  А А
171
Инерционность фоторезисторов служит причиной того, что
они не могут быть использованы в кинематографии для воспроиз-
ведения 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 свето-
вую энергию в электрическую. Его действие основано на фото-
гальваническом 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 п-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 п-типа. Значительное увели-
чение концентрации носителей заряда по обе стороны р-п перехо-
да 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 гранич-
ная частота не превышает 500—1000 Гц.
Нелинейность световой характеристики, большая инерцион-
ность 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 кинофиль-
мов.
Фотогальванические элементы используют в качестве источ-
ников электрической энергии в виде солнечных батарей, а
также в фотометрии, в автоматике, в приборах для измерения
освещенности — люксметрах, в частности, для измерения осве-
щенности киноэкранов, в экспонометрах для определения экспо-
зиции при фотосъемках и киносъемках.
3.3.2.	Фотодиоды
Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которо-
го управляется световым потоком.
Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один
р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на
172
основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупровод-
ников. 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 кино-
фильма, 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 — устрой-
ство; б — внешний вид; в — услов-
в ное графическое обозначение
Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме
Фотодиоды получили широкое распространение в разнооб-
разной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в
системах автоматики и контроля.
Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный —
с внешним источником питания, включенным в обратном направ-
лении; при этом используется фоторезистивный эффект, в резуль-
тате 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 при-
ведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и
173
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 полупровод-
никовом диоде, создается контактная разность потенциалов
(знаки «-|-» и «—» без кружочков).
При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии
светового потока (Ф =0; U — (/обр) через затемненный фото-
диод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являю-
щийся темновым током /т.
Под действием светового потока, который обычно направляют
на тонкую область n-типа, в ней генерируются пары электрон —
дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в
п-области увеличивается, и поток их через р-п переход возраста-
ет. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового
потока, является фототоком /ф и возрастает с увеличением свето-
вого потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воз-
действием светового потока увеличивается обратный ток р-п пе-
рехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.
Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух вели-
чин — приложенного извне напряжения U и светового потока Ф.
Поэтому основными являются два вида характеристик — вольт-
амперные и световые. Схема для снятия характеристик фото-
диода (рис. 3.21, а) содержит источник питания Е, потенциометр
и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник све-
тового потока — лампа накаливания JJ и диафрагма Д с регули-
руемым диаметром отверстия для изменения светового потока.
Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока фо-
тодиода от приложенного напряжения при постоянном световом
потоке (рис. 3.21, б):
/ф = f (С7) при Ф = const.
Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода
(при Ф = 0) является характеристикой темнового тока /т = f (U)
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 учиты-
вая 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 характе-
ристики располагаются выше.
Поскольку количество неосновных носителей заряда в п-об-
ласти, проходящих через р-п переход, зависит главным образом
от светового потока и очень мало зависит от приложенного
174
напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением
напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое уве-
личение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увели-
чение обратного напряжения приводит к расширению области
р-п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой
n-области. При этом меньшее количество дырок успевает реком-
бинировать с электронами <по пути движения к р-п переходу, а
большее число их принимает участие в создании тока через фото-
диод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может при-
вести к пробою р-п перехода.
а
Рис. 3.21. Схема для снятия характеристик фотодиода (а),
его вольт-амперные (б), световые (в) и спектральные (г)
характеристики: / — кремниевых; 2 — германиевых
Световая характеристика — это зависимость фототока от све-
тового потока при постоянном напряжении источника питания:
/ф = |(Ф) при U — const.
Световые характеристики в фотодиодном режиме практически
линейны (рис. 3.21, в). Если учитывать темновой ток, протекаю-
щий при Ф — 0, то световые характеристики выходят не из на-
чала координат. Однако темновой ток, особенно кремниевых
фотодиодов, настолько мал по сравнению с фототоком, что на
световых характеристиках им можно пренебречь. Характеристи-
175
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 зави-
симость спектральной чувствительности от длины волны излуче-
ния. На рис. 3.21, г приведены спектральные характеристики
кремниевого и германиевого фотодиодов. По оси ординат отложе-
на относительная спектральная чувствительность, т. е. отношение
-Sji/Sx макс, %- Из характеристик видно, что кремниевый фотодиод
обладает более избирательной чувствительностью, максимум ко-
торой приходится на красные и инфракрасные лучи с длиной
волны 0,7—0,85 мкм. Германиевый фотодиод чувствителен к бо-
лее 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 инфра-
красную область излучения.
К основным параметрам фотодиода в фотодиодном режиме
относят интегральную чувствительность, дифференциальное со-
противление, начальное статическое сопротивление, максимально
допустимое и рабочее напряжения, граничную частоту.
Чувствительность фотодиода S показывает, какой ток прихо-
дится на единицу светового потока. Поскольку ток фотодиода,
а следовательно, и его чувствительность зависят в какой-то сте-
пени от приложенного напряжения, то чувствительность опреде-
ляют при напряжении U = 1 В и называют удельной интегральной
чувствительностью. Она может- быть определена по вольт-ампер-
ным 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. Поэ-
тому 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-ампер-
ной 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
176
приращения приложенного напряжения к соответствующему при-
ращению темнового тока:
ли
Гдиф — А/т •
Приращения берут для двух близлежащих точек характерис-
тики (см. рис. 3.21, б; точки А и Б).
Начальное статическое сопротивление /?ст — это сопротивле-
ние затемненного фотодиода при постоянном напряжении, рав-
ном 1 В.
Его определяют как напряжение, деленное на темновой ток:
р _________________________ U
/Уст -J 1
т. е. начальное статическое сопротивление вычисляется как ве-
личина, 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 за-
висит от температуры. Кремниевые фотодиоды могут работать
в большем диапазоне температур окружающей среды, чем гер-
маниевые.
Рабочее напряжение — это напряжение, выбранное с запасом
таким образом, чтобы фотодиод работал надежно длительное
время. Для кремниевых и германиевых фотодиодов оно состав-
ляет 10—20 В.
Граничная частота характеризует частотные свойства фото-
диода, как и частотная характеристика; /гр — это та частота из-
менения интенсивности светового потока, при которой интеграль-
ная чувствительность уменьшается в -\/2 раз. Для кремниевых
фотодиодов, работающих в фотодиодном режиме, граничная час-
тота— 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 ре-
жиме фотодиод работает без внешнего источника напряжения.
В цепь фотодиода в этом случае включают только сопротивление
нагрузки /?н (рис. 3.22, а). Рассмотрим сначала процессы, проис-
ходящие в фотодиоде при разомкнутой внешней цепи (рис.
3.22, б). При отсутствии светового потока на электронно-дыроч-
ном 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 под-
ходит к р-п переходу, где дырки втягиваются в p-область внут-
177
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 — электро-
нов, заряжающих ее отрицательно. Вследствие этого при разомк-
нутой цепи между выводами от р- и n-областей создается разность
потенциалов, называемая фотоэлектрод вижу щей силой Е$. 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 ис-
точника питания (непосредственно) преобразует световую энер-
гию в электрическую.
Основные характеристики фотодиода в фотогальваническом
режиме — это световые характеристики, которые представляют
собой два вида зависимостей (рис. 3.22, в):
1)	зависимость фото-э.д.с. от светового потока
£Ф= А(Ф);
2)	зависимость фототока от светового потока при постоянной
величине сопротивления нагрузки
/ф — fl(&) При /?„ = const.
Первая зависимость выражается нелинейной характеристи-
ке
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 значе-
ниях сопротивления /?„ представляет собой семейство световых
характеристик (кривые 2), из которых световая характеристика
при коротком замыкании нагрузки (R, — 0) строго линейна, а с
увеличением сопротивления нагрузки характеристики все более
искривляются; при больших величинах сопротивления нагрузки
характеристики имеют пологую часть, отражающую область на-
сыщения при больших значениях светового потока.
Нелинейность световых характеристик является недостатком
фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме при
больших сопротивлениях нагрузки. В случае применения фото-
диода в этом режиме для воспроизведения звука с фотографи-
ческих 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 прира-
щениям тока и светового потока:
•^диф — при /?н — const.
При малых световых потоках чувствительность больше; с уве-
личением светового потока она уменьшается. Чувствительность
также зависит от сопротивления нагрузки: наибольшая чувстви-
тельность 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 со-
противления 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, определяе-
мая 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 аппара-
туре — 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
179
напряжения питания в фотодиодном режиме и возможность ис-
пользовать их без внешнего источника питания в фотогальвани-
ческом режиме.
В микроэлектронном исполнении фотодиоды используют в оп-
тоэлектронике.
3.3.3.	Фототранзисторы и фототиристоры
Фототранзистор — это фотоэлектронный прибор, имеющий
транзисторную структуру, ток которого управляется световым по-
током.
Простейший фототранзистор устроен подобно биполярному
Рис. 3.23. Фототранзистор: а — структура; б — условное графиче-
ское обозначение; в — схема с общим эмиттером с включенной ба-
зой; 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 фото-
транзистора, 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 перехо-
де действует прямое напряжение, а на коллекторном — обрат-
ное. 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 отдельного вывода (рис. 3.23, г).
Рассмотрим принцип действия фототранзистора р-л-р-типа
в схеме со свободной базой (рис. 3.24). В части база — коллек-
тор его можно рассматривать как фотодиод, а вместе с эмитте-
ром он получает дополнительные усилительные свойства транзис-
тора, что значительно увеличивает его чувствительность при пре-
образовании световых сигналов в электрические.
< При отсутствии светового потока через фототранзистор про-
180
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 потенциаль-
ный барьер эмиттерного перехода и препятствует дальнейшему
проникновению дырок из эмиттера в базу. В результате коли-
чество дырок, инжектируемых эмиттером в базу, ограничивается,
Рис. 3.24. Принцип действия фототранзистора (а) и его вольт-ампер-
ные характеристики (б)
а следовательно, меньше их переходит в коллектор под действием
приложенного к коллекторному переходу напряжения. Таким
образом, темновой ток фототранзистора получается сравнитель-
но малым.
При облучении базовой п-области светом в ней, как и в фо-
тодиоде, за счет световой энергии разрушаются ковалентные
связи и образуются электронно-дырочные пары. Дырки под дей-
ствием приложенного напряжения переходят в коллектор, увели-
чивая его ток по сравнению с темновым током, т. е. появляется
фототок /ф. Таким образом, в коллекторном переходе фототран-
зистора между базой n-типа и коллектором p-типа происходят
те же процессы, что и в фотодиоде.
Однако рассмотренными процессами принцип действия фото-
транзистора 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
181
барьер. В результате резко увеличивается количество дырок, ин-
жектируемых из эмиттера в базу, которые движутся к коллек-
торному переходу и через него — в коллектор. За счет этих ды-
рок в цепи коллектора появляется составляющая тока Ц, а об-
щий ток коллектора возрастает, причем в гораздо большей сте-
пени, чем за счет дырок, образованных в базе фотонами при
попадании светового потока. Здесь сказываются усилительные
свойства транзистора: в схеме с общим эмиттером ток усиливает-
ся в р раз, где 0 — h2X э.
На рис. 3.24, а темновой ток /т показан пунктирными стрелка-
ми, фототок /ф — тонкими сплошными, а ток /к — толстыми
сплошными. Общий ток коллектора 1К фототранзистора, вклю-
ченного по схеме с общим эмиттером и свободной базой, опре-
деляется как сумма трех составляющих:
4 = К 4" И- Л-
Подставив значение /к' = 0/ф, получим:
/к = р/ф + /ф + /т.
Или окончательно:
/к = (Р + 1) /ф + А.
Таким образом, в фототранзисторе наряду с появлением фо-
тотока происходит его усиление, за счет чего он имеет гораздо
большую интегральную чувствительность, чем фотодиод.
Чувствительность фототранзистора определяется как отноше-
ние изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению
светового потока при свободной базе и коротком замыкании
нагрузки:
5ДИф = 4^” ПРИ ,б = °’’ R" = °-
Чувствительность фототранзисторов составляет сотни милли-
ампер на люмен.
Важный параметр фототранзистора — коэффициент усиления
по фототоку Кф, который определяется как отношение тока кол-
лектора освещенного фототранзистора со свободной базой к фо-
тотоку 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 + KzijJ
Кф составляет десятки и сотни единиц.
182
Основные характеристики фототранзистора — вольт-амперные
и световые.
Вольт-амперная характеристика фототранзистора — это зави-
симость тока коллектора от напряжения между коллектором и
эмиттером при постоянном световом потоке (рис. 3.24, б):
/к = f ((Аэ) 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 UK3 = О /к == 0. Чем больше световой поток, тем выше распо-
лагаются характеристики.
Световые характеристики фототранзистора линейны и имеют
такой же вид, как характеристики фотодиода, работающего с
внешним источником питания.
Спектральные характеристики зависят от материала и приме-
сей 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 фото-
транзисторов: наряду с преобразованием слабых световых сигна-
лов в электрические и их усилением внутри фототранзистора
можно суммировать их с электрическими сигналами, поступаю-
щими в цепь базы и усиленными фототранзистором как обычным
биполярным транзистором.
Помимо биполярных фототранзисторов разработаны полевые
фототранзисторы с управляющим р-п переходом. Они имеют бо-
лее высокую чувствительность — до нескольких ампер на люмен,
допускают большую мощность; граничная частота их — до 107—
108 Гц.
Фототранзисторы наряду сч фоторезисторами и фотодиодами
находят применение в различных областях, в том числе и в мик-
роэлектронике — в качестве фотоприемников совместно со свето-
диодами, являющимися фотоизлучателями.
Фототиристор — фотоэлектронный прибор, имеющий четырех-
слойную структуру с двумя выводами (рис. 3.25, а). Его услов-
ное графическое обозначение показано на рис. 3.25, б.
Фототиристор, как и обычный полупроводниковый тиристор,
183
имеет структуру р-п-р-п и три р-п перехода, из которых крайние
/71 и /7з включены в прямом направлении, а средний — /72 — 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. Фототи-
ристор устроен так, что свет падает на внутренние слои р2 и п\,
в которых за счет энергии фотонов происходит образование пар
электрон — дырка. Дырки из области П\ переходят в область
р2, а электроны — из области р2 в область п\ 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 /72. При этом
возрастает ток через этот переход, следовательно, увеличивается
ток / во внешней цепи. При определенной величине тока фото-
тиристор 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 постоян-
ному значению светового потока:
/ — при Ф = const.
При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивле-
ние фототиристора уменьшается от сотен мегаом до десятых до-
лей ома; это происходит практически мгновенно — в течение мил-
лионных долей секунды. Фототиристоры используют для комму-
тации электрических цепей большой мощности при помощи све-
товых сигналов.
Система обозначения фотоэлектронных приборов. Электровакуумные фото-
умножители обозначают тремя буквами — ФЭУ — и числом, определяющим коли-
184
чество динодов во вторично-электронном умножителе; например, ФЭУ-1 — одно-
каскадный фотоумножитель, ФЭУ-18 — фотоумножитель многокаскадный, имею-
щий 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 перехода-
ми, 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 при-
бора;
четвертый элемент — буква, определяющая подгруппу прибора: Б — биполяр-
ный фототранзистор, У — полевой (униполярный) фототранзистор, Т — фото-
тиристор.
Примеры обозначений: ФДК9 — фотодиод кремниевый, порядковый номер
разработки 9, ФДК155 — то же, порядковый номер разработки 155.
Контрольные вопросы
1.	На чем основан принцип действия фоторезистора?
2.	Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотодиодном
режиме, и его вольт-амперные характеристики.
3.	Объясните процессы, происходящие в фотодиоде при работе в фотогальвани-
ческом режиме.
4.	Нарисуйте и объясните световые характеристики фотодиода в фотодиодном
и фотогальваническом режиме и назовите его основные параметры.
5.	Объясните принцип действия и вольт-амперные характеристики фототран-
зистора и фототиристора.
Глава 3.4.
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ
3.4.1.	Устройство и принцип действия светодиода
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводнико-
вый прибор с одним р-п переходом, в котором осуществляется
непосредственное преобразование электрической энергии в энер-
гию светового излучения.
Светодиоды предназначены для использования в устройствах
визуального представления информации, а также в качестве све-
тоизлучающего элемента в оптоэлектронных устройствах.
Принцип действия светодиода основан на излучении света
р-п переходом некоторых полупроводников, вызываемом реком-
бинацией 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 оста-
новиться подробно. Как известно, в собственных и примесных
185
полупроводниках наряду с генерацией электронно-дырочных пар
(за счет поглощения дополнительной энергии) происходят обрат-
ные 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.
ю о—
ипр
Валентная зона
б
Рис. 3.26. Структура светодиода (а) и энергетическая диаграмма,
поясняющая его принцип действия (б)
а
В некоторых полупроводниках, имеющих большую ширину
запрещенной зоны AlK, например арсениде галлия (1,5 эВ), фос-
фиде галлия (2,2 эВ), карбиде кремния (2,5—3 эВ) и других, ре-
комбинация сопровождается выделением квантов света (фото-
нов), т. е. является излучательной.
При отсутствии внешнего напряжения на светодиоде интен-
сивность 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 п-области.
При включении источника прямого напряжения через р-п пе-
реход проходит большой ток за счет инжекции дырок из р-об-
ласти в n-область. В результате n-область вблизи р-п перехода
насыщается дырками, происходит интенсивная их рекомбинация
с электронами, сопровождающаяся в рассматриваемых полупро-
водниках излучением света. Интенсивность излучения пропорци-
ональна 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-
186
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
n-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 валент-
ной 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 ко-
торый он перешел в валентной зоне.
Из энергетической диаграммы видно, что выделяющаяся при
рекомбинации энергия может иметь значения только в пределах
от ширины запрещенной зоны AU7, до величины AU7, -|- 26W,
где 8W — ширина заполненной части зоны проводимости и, соот-
ветственно, свободной части валентной зоны. В то же время вы-
деляющийся при рекомбинации квант с энергией от AU73 до
А№3 4- 26 № не может быть поглощен электроном валентной зо-
ны, так как для перехода его с занимаемого им уровня в валент-
ной зоне на свободный уровень в зоне проводимости он должен
получить энергию, превышающую величину АЖ,-|-261Г.
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 энер-
гии 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 уз-
ком диапазоне — от AU7, до AU7, + 26 W.
Пусть энергия фотона равна энергии Д№3. Тогда hv — А№3,
откуда
д №3
v — —- .
Учитывая, что длина волны А, = —^ , получим:
, ch
~ Ь№3’
где с — скорость света; h — постоянная Планка.
187
Следовательно, длина волны излучения тем меньше, чем боль-
ше ширина запрещенной зоны.
При этом наблюдается свечение определенного цвета, завися-
щего от материала светодиода. Различные типы светодиодов
могут дать красное, оранжевое, желтое, зеленое, голубое свече-
ние, а также инфракрасное излучение, позволяя перекрыть диа-
пазон длин волн от 0,45 до 0,9 мкм.
Часть фотонов, испускаемых р-п переходом при рекомбина-
ции, 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 внеш-
нее пространство фотонов к числу неосновных носителей заряда,
инжектированных через р-п переход, называется квантовой эф-
фективностью 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 кор-
пус с прозрачным окном, через которое от р-п перехода исходит
излучение; в окно может быть вставлена линза.
3.4.2.	Характеристики и параметры светодиодов
Основными характеристиками светодиода являются вольт-ам-
перная, 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 = f(Unp).
Отличается она большим падением напряжения на светодиоде
188
в прямом направлении (3—6 В) из-за большей ширины Д№3.
Яркостная, или люкс-амперная, характеристика представляет
собой зависимость яркости свечения В от проходящего через све-
тодиод тока (рис. 3.28, б):
В = /(/).
Начальный участок этой характеристики нелинейный: при
токе меньше порогового /пор яркость свечения очень мала и мед-
ленно возрастает с увеличением тока (практически люминесцен-
Рис. 3.28. Характеристики светодиода; а — вольт-амперная; б — яркостная;
в — спектральные
ция очень слабая). Этот участок не используется при работе све-
тодиода. С увеличением тока от порогового значения характе-
ристика имеет большой линейный участок, являющийся рабочим.
На этом участке существует пропорциональность между яр-
костью свечения и током.
Изменение яркости свечения, приходящееся на единицу из-
менения тока, называют чувствительностью по яркости Во.
На линейном рабочем участке яркостной характеристики чув-
ствительность по яркости во всех точках одинакова и определяет
наклон рабочего участка характеристики .^горизонтальной оси.
Спектральная характеристика светодиода — это зависимость
яркости излучения от длины волны изучаемого света (рис.
3.28, в). По вертикальной оси обычно откладывают относитель-
ную яркость В/Вмакс в процентах от максимальной.
Длина волны, на которой светодиод дает максимум излуче-
ния, 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-
189
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, определяю-
щая 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 све-
чением— 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 мощнос-
ти излучения к затраченной электрической мощности, очень
низок и не превышает 1—3 %, так как основная часть электри-
ческой мощности превращается в тепло и составляет потери.
Светодиоды характеризуются очень малой инерционностью;
их быстродействие составляет 10~7—10-9 с.
3.4.3.	Типы светодиодов и их применение
Светодиоды находят все более широкое применение в качестве
источников света в автоматике, измерительной технике, кинема-
тографии 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 механи-
ческим воздействиям и действию окружающей среды, имеют низ-
кую стоимость при массовом изготовлении, позволяют использо-
вать их в электронных схемах с другими полупроводниковыми
приборами. Технология изготовления светодиодов совместима с
технологией изготовления полупроводниковых интегральных мик-
росхем.
Светодиоды нашли основное применение в качестве световых
индикаторов на панелях управления электронной аппаратуры.
Они могут служить элементами святящихся табло для отраже-
ния различной информации, индикаторами перегрузки, включе-
ния 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.
190
В кинотехнике светодиоды могут быть использованы как све-
товые индикаторы включения звуковоспроизводящей и электро-
питающей аппаратуры, как пик-индикаторы — указатели превы-
шения 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 — много-
элементный светодиод типа КЛ104А; б — его цоколевка; в — све-
тящаяся панель; г — принцип создания экранов буквенно-цифровой
информации
при киносъемке для фиксации на непроявленную пленку различ-
ных отметок. Например, временных и синхронизирующих. Эти
же светодиоды можно использовать взамен лампы накаливания
при воспроизведении фотографической фонограмы в передвиж-
ных 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 светящие-
ся элементы на табло отображения информации. Например, для
неподвижной и движущейся рекламы. Для отображения цифро-
вой 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 полупровод-
никовую пластину размером 5X8 мм2, на которой сформировано
несколько светящихся единичных элементов (рис. 3.29, в). Ком-
бинация 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
191
вывод от анодов. Конструкция позволяет монтировать приборы
в любом количестве на табло при помощи панелей для пальчи-
ковых ламп и высвечивать необходимую информацию.
Для экранов буквенно-цифровой индикации на одной пласти-
не, являющейся подложкой, размещается набор светодиодов;
например, семь рядов по пять светодиодов в каждом (рис.
3.29, г) — получается матрица из 35 единичных элементов, вы-
воды от которых соединены с проводящими шинами соответст-
вующего ряда и столбца. При подаче на определенную группу
светодиодов прямого напряжения получается светящееся изобра-
жение требуемого знака. В интегральном исполнении такая мат-
рица представляет собой интегральную микросхему. Из этих мат-
риц составляется экран, отображающий определенную информа-
цию.
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 ис-
пользованы в устройствах автоматического контроля при изго-
товлении и обработке кинофотоматериалов.
В приборах для измерения электрического тока или напряже-
ния 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 уст-
ройства получили название оптоэлектронных. Основными элемен-
тами в них являются управляемый источник света (фотоизлу-
чатель) и фотоприемник. Управляемым источником света назы-
вают такой источник, яркость свечения или световой поток ко-
торого линейно зависит от тока или напряжения. В современной
электронике в качестве фотоизлучателя используют светодиод.
В качестве фотоприемников используют фоторезисторы, фотодио-
ды, фототранзисторы и фототиристоры. Фотоизлучатель и фото-
приемник образуют оптопару. Это могут быть дискретные эле-
менты, смонтированные в одном устройстве и используемые в
оптоэлектронной аппаратуре, но чаще они представляют собой
интегральную микросхему.
Контрольные вопросы
1.	Что представляет собой светоизлучающий диод и для чего он используется?
2.	Объясните процессы, происходящие в светодиоде, с помощью энергетической
диаграммы.
3.	Нарисуйте и объясните яркостную характеристику светодиода.
4.	Что называют чувствительностью светодиода по яркости?
Раздел 4.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 4.1.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗЕ
4.1.1. Основные понятия
Газоразрядными называют электровакуумные приборы, дейст-
вие 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, про-
исходящих в газе или парах ртути при прохождении через них
электрического тока, называют электрическим разрядом в газе.
При электрическом разряде в газе происходят ионизация и ре-
комбинация.
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 зо-
ну 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 раз-
ности этих уровней, излучается в виде квантов света — фотонов.
При электрическом разряде в газе непрерывно происходят
как ионизация, так и рекомбинация, поэтому наблюдается свече-
ние 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-
7-1663
193
жутся к катоду. Таким образом, носителями заряда в ионных
приборах наряду с электронами являются ионы газа. Ионы ока-
зывают существенное влияние на процессы и явления в прибо-
рах, а следовательно, на их свойства, характеристики и пара-
метры.
Помимо ионизации и рекомбинации при электрическом раз-
ряде в газе могут происходить и другие процессы, вызванные
взаимодействием двужущихся электронов с атомами газа. Если
энергия свободного электрона недостаточна для ионизации ато-
ма, 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 выделя-
ется в виде кванта лучистой энергии; наблюдается свечение газа.
Иногда происходит ступенчатая ионизация: при последующем
соударении возбужденного атома с электроном требуется мень-
шая дополнительная энергия, чтобы электрон, находящийся на
уровне возбуждения, оторвался от атома.
Движущийся в газе электрон приобретает в электрическом
поле между электродами энергию, величина которой определяет-
ся разностью потенциалов. Разность потенциалов, необходимая
для возбуждения электроном атома, называется потенциалом воз-
буждения, а разность потенциалов, необходимая для ударной
ионизации атома, — потенциалом ионизации. Их величина зави-
сит 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 внеш-
него ионизатора. При этом носители заряда непрерывно образу-
ются в процессе самого разряда. Это происходит за счет испус-
кания электронов катодом под действием ионной бомбардировки.
Несамостоятельный разряд прекращается при отсутствии
внешнего ионизатора.
Внешними факторами, необходимыми для поддержания неса-
мостоятельного разряда, могут быть естественные ионизаторы:
космические и солнечные лучи, электромагнитные излучения, ра-
диация, а также накал или освещение катода для получения
электронной эмиссии.
Обычно газоразрядные приборы, основанные на самостоя-
тельном разряде, имеют холодный катод, а приборы с несамос-
тоятельным разрядом — накаливаемый термокатод.
Отметим, что самостоятельный разряд не может самостоя-
тельно возникнуть при подаче анодного напряжения, если в газе
194
нет начальной ионизации атомов. В реальных условиях она всег-
да существует под воздействием естественных ионизаторов, и в
газе есть какое-то количество свободных электронов и положи-
тельных 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, ког-
да прекращается ионизация газа движущимися электронами.
При этом продолжаются процессы рекомбинации, приводящие к
деионизации газа — уменьшению количества свободных электро-
нов 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.
4.1.2. Вольт-амперная характеристика и виды
электрического разряда в газе
Возникновение электрического разряда в газе и процессы,
происходящие при разных видах разряда в зависимости от вели-
чины проходящего через прибор тока, можно рассмотреть на при-
мере простейшего газоразрядного прибора с двумя одинаковы-
ми электродами (рис. 4.1, а). Прибор подключают к источнику
постоянного напряжения Еа через балластное сопротивление R6,
необходимое для ограничения тока. При этом на приборе дейст-
вует 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 ис-
точника питания между электродами создается электрическое
поле, под действием которого электроны движутся к положитель-
ному аноду, а ионы — к катоду. Через прибор от источника пи-
тания потечет очень малый ток /а, поскольку количество носите-
лей заряда невелико. Ток создается в основном движением элек-
тронов, так как ионы имеют гораздо большую массу и значитель-
но меньшие скорости, чем электроны, и их роль в переносе за-
ряда 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 ха-
рактеристикой электрического разряда в газе (рис. 4.1, б).
7*	195
С увеличением напряжения питания при малых токах на
участке ОА растет напряжение на приборе. Пока оно не достиг-
нет величины потенциала ионизации иц (точка Б), ток остается
очень малым. С ростом напряжения возрастает количество удар-
ных ионизаций атомов электронами, увеличивается общее число
электронов, приходящих на анод, и ток растет (участок БВ). Ио-
ны сравнительно медленно движутся к катоду и рекомбинируют
Катод
0-*- Электроны
а
Рис. 4.1. Электрический разряд в газе (а) и его вольт-
амперная характеристика (б);
1 — естественная ионизация газа; 2 — ударная иониза-
ция; 3 — эмиссия электронов под ударами ионов
на нем с электронами, приходящими из внешней цепи. Рекомби-
нация 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 /).
196
Когда напряжение на приборе достигает величины, при кото-
рой 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 ис-
пускает 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, соответ-
ствующее моменту перехода несамостоятельного разряда в са-
мостоятельный, называется напряжением возникновения разряда
UBp. При этом напряжении сопротивление прибора уменьшается,
а ток резко возрастает (участок ВГ). Однако процессы рекомби-
нации еще незначительны, свечение не заметно, поэтому разряд
называют темным самостоятельным (область II).
Если не ограничить дальнейшее увеличение тока прибора
соответствующим выбором балластного сопротивления и напря-
жения источника, то лавинообразное нарастание процессов иони-
зации 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 совер-
шается при значительном увеличении интенсивности ионизации
газа. Это приводит к резкому уменьшению сопротивления прибо-
ра и возрастанию тока через него. В результате возрастает па-
дение напряжения на балластном сопротивлении /?б, а напряже-
ние на приборе резко понижается: Ua = Ea — IaRe-
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 ано-
мальный. 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 напря-
жения. Увеличение тока осуществляется либо путем увеличения
напряжения питания Еа, либо уменьшением балластного сопро-
тивления. При возникновении нормального тлеющего разряда
свечение газа сначала наблюдается не у всей поверхности ка-
тода. По мере роста тока светящееся пятно увеличивается, а
197
яркость свечения остается постоянной. Это означает, что плот-
ность тока на катоде остается неизменной, а увеличивается пло-
щадь поверхности катода, испускающей электроны под действием
ионной бомбардировки.
В режиме нормального тлеющего разряда величина тока со-
ставляет единицы и десятки миллиампер, а напряжение на при-
боре измеряется десятками и сотнями вольт.
Увеличение тока при неизменном напряжении Ua идет до тех
пор, пока свечение не распространится на всю поверхность ка-
тода. Дальнейшее увеличение тока возможно только за счет бо-
лее интенсивной бомбардировки катода ионами, а для этого тре-
буется повышение напряжения на приборе. В этот момент (точ-
ка 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 зна-
чительный рост тока при резком уменьшении сопротивления при-
бора и напряжения на нем; разряд переходит в дуговой (пере-
ходная область VI). Переход совершается самопроизвольно
(участок ЖЗ) и является неуправляемым. Максимальное напря-
жение, вызывающее этот переход (точка Ж), называют напря-
жением возникновения дугового разряда.
Дуговой разряд (область VII) характеризуется очень боль-
шим током (десятки и сотни ампер) и низким напряжением меж-
ду электродами — порядка 10—15 В. Величина тока через при-
бор ограничивается только балластным сопротивлением. Дуговой
разряд используется в дуговых проекционных лампах, в мощ-
ных источниках света, в выпрямителях большой мощности.
Все газоразрядные приборы включают в цепь источника пи-
тания обязательно последовательно с балластным сопротивлени-
ем для ограничения тока, чтобы один вид разряда не переходил
самопроизвольно в другой. При включении прибора без балласт-
ного сопротивления процессы лавинообразно проходят стадии
всех видов разряда; мгновенно развивается дуговой разряд, раз-
рушающий электроды и выводящий прибор из строя.
Контрольные вопросы
1.	Какие приборы называют газоразрядными и на каких процессах основан их
принцип действия?
2.	Нарисуйте вольт-амперную характеристику электрического разряда в газе и
объясните, каким процессам соответствуют ее участки.
3.	Назовите виды электрического разряда в газе, происходящего в зависимости
от величины протекающего через прибор тока.
Глава 4.2.
ПРИБОРЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
4.2.1. Неоновые лампы
Неоновая лампа — это газоразрядный прибор тлеющего раз-
ряда. Она представляет собой стеклянный баллон, наполненный
после откачки воздуха неоном, который при разряде дает красно-
оранжевое свечение. Внутри баллона помещены два электрода,
которые в зависимости от назначения лампы могут иметь раз-
личную форму. При одинаковой конструкции обоих электродов
Рис. 4.2. Неоновые лампы: а — устройство; б — услов-
ное графическое обозначение при одинаковых (/) и
разных (2) электродах; в — схема включения
процессы при разряде не зависят от направления тока. Это по-
зволяет использовать лампу в цепях переменного тока; например,
в качестве сигнальной при включении устройства в сеть или ин-
дикатора перегрузки на выходе усилителя. Если лампа рассчита-
на на применение в цепях постоянного тока, то электроды имеют
разную конструкцию и различное назначение, один служит ка-
тодом, а второй — анодом. Такая лампа может служить стабили-
затором или индикатором выпрямленного напряжения. На
рис. 4.2 показаны внешний вид неоновых ламп, их условные гра-
фические обозначения и схема включения.
Принцип действия неоновых ламп основан на процессах, про-
исходящих 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 отрица-
тельным 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
199
г
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-ам-
перной характеристике (рис. 4.3). При увеличении напряжения
питания £а напряжение на лампе Ua быстро растет при очень
малом токе. При (Л = (Лр возникает нормальный тлеющий раз-
ряд в соответствии с выбранным балластным сопротивлением.
В этот момент миллиамперметр показывает появление тока в
цепи, а напряжение на лампе падает; на части поверхности ка-
тода появляется светящееся пятно. С дальнейшим увеличением
Еа ток /а растет, а напряжение Ua = Un остается постоянным.
Когда разряд переходит в аномальный, рост тока сопровождает-
ся 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 лам-
пах, которые применяют для стабилизации или ограничения на-
пряжения, а аномальный — в лампах для индикации включения
в сеть или перегрузки аппаратуры, в цифровых и знаковых инди-
каторах и индикаторных панелях, а также в газоразрядных ис-
точниках света.
В звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок в качест-
ве 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.
200
4.2.2. 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 кото-
рого помещены анод и несколько катодов; выводы этих электро-
дов подведены к штырькам цоколя. Баллон наполнен инертным
газом. Анод выполнен в виде одной или двух электрически соеди-
ненных решеток из тонкой проволоки, а катоды — в виде цифр,
букв или других знаков из нихромовой проволоки.
Рис. 4.4. Десятикатодный циф-
ровой индикатор тлеющего раз-
ряда: а — устройство; б — ус-
ловное 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-измеритель-
ной и вычислительной технике, а также в автоматике. Наиболь-
шее 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 про-
волоки, в виде цифр 0, 1,2, 3...9, расположенных горизонтально
на расстоянии 1 мм друг от друга. Перед ними и в середине меж-
ду ними находятся две тонкие сетки, соединенные между собой и
выполняющие роль анода. На анод подается постоянное напря-
жение со знаком «плюс», а на один из катодов — «минус». На-
пряжение возникновения разряда составляет 170—210 В; напря-
жение при тлеющем разряде—105—160 В; ток разряда — 2—
4 мА. Обычно цифровые индикаторы наполняют неоном.
Несколько цифровых индикаторов, смонтированных на пане-
ли, могут высветить любое число: два — двухзначное, три —
201
трехзначное и т. д. Соответственно, определенное число буквен-
ных индикаторов дает светящуюся надпись на табло, отобра-
жающем требуемую информацию.
Рис. 4.5. Индикаторная точечно-растровая панель
тлеющего 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 при-
менен точечно-растровый принцип получения изображения.
Индикаторная панель представляет собой прибор в герметич-
ном корпусе с прозрачной передней стенкой, наполненном инерт-
ным газом. Основными элементами панели являются три плас-
тины: с анодами, с катодами и изолирующая. В пазы первой
стеклянной пластины горизонтально уложены проволочные ано-
ды— до 100 штук — с шагом между ними 1 мм (рис. 4.5, а).
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 тлею-
щий разряд, а в соответствующем отверстии видна яркая светя-
щаяся точка. Выбор необходимых электродов, на которые пода-
ется напряжение для получения заданного светящегося изобра-
жения, осуществляет электронный блок в соответствии с задан-
ной программой.
Контрольные вопросы
1.	Объясните процессы, происходящие при тлеющем разряде в газе.
2.	Нарисуйте схему включения неоновой лампы и объясните назначение бал-
ластного сопротивления.
3.	Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику неоновой лампы;
назовите области применения неоновых ламп.
4.	Какие приборы называют знаковыми индикаторами и какое устройство они
имеют?
5.	Что представляют собой индикаторные панели?
Раздел 5.
ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Глам 5.1.
МИНИАТЮРИЗАЦИЯ И МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
5.1.1. Общие сведения
Электронная аппаратура содержит большое количество функ-
циональных блоков и узлов, построенных на элементах —электро-
радиодеталях. Элементы — это полупроводниковые приборы, элек-
тронные лампы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктив-
ности, трансформаторы и пр. С развитием радиоэлектроники эти
элементы совершенствовались: снижались их габариты и масса,
увеличивались долговечность и надежность, повышались мощ-
ность и эффективность. На первом этапе развития элементную
базу радиоэлектронной аппаратуры составляли электровакуум-
ные приборы; затем их постепенно вытеснили полупроводни-
ковые 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 компьютер-
ной 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 бло-
ки различных устройств, что сокращает время их разработки и
производства, снижает стоимость аппаратуры и повышает ее
надежность.
Модуль представляет собой конструктивно законченную функ-
циональную часть схемы, а серия модулей различного назна-
чения должна иметь единое конструктивное исполнение, чтобы
из них легко собиралось все устройство.
Дальнейшее уменьшение размеров и веса электронной аппа-
ратуры привело к микроминиатюризации ее элементов. Это по-
требовало разработки и применения новой технологии изготовле-
203
ния микроэлементов схем, новых конструкций, объединяющих эти
микроэлементы в микромодули, а также новых методов кон-
струирования электронных устройств на микромодулях.
5.1.2. Микромодули
Микромодуль — это миниатюрный модуль, представляющий
собой законченный функциональный и конструктивный блок ра-
диоэлектронной аппаратуры (усилитель, генератор и т. д.) или
набор элементов. Он появился на первом этапе микроминиатю-
ризации электронных устройств. Микромодуль собирается из
микроэлементов, которые представляют собой микроминиатюр-
Рис. 5.1. Конструкция этажерочного модуля: а — мик-
роплата; б — принцип сборки; в — микроэлементы;
г — готовый модуль;
R — резистор; С — конденсатор, L — катушка индук-
тивности, Д — диод, Т — транзистор
ные радиодетали, укрепленные каждая на микроплате опреде-
ленной формы. Наиболее удобная конструкция микромодуля —
этажерочная (рис. 5.1). В ней набор микроплат с микроэле-
ментами располагается в виде этажерки, в которой эти микро-
платы соединяются между собой жесткими проводниками, прохо-
дящими через пазы по боковым сторонам плат.
Микроплата служит для размещения на ней как специальных
навесных микроэлементов, так и печатных элементов и соедини-
тельных 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
204
из специального изоляционного материала, обладающего боль-
шой механической прочностью при малой толщине. Для правиль-
ного 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 поме-
щают в алюминиевый экран, а торец, в котором располага-
ются выводы, заливают застывающим эпоксидным компаундом.
Это создает механическую прочность, герметизацию от воздей-
ствий 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, универсаль-
ные микроэлементы, позволяли монтировать аппаратуру из мик-
ромодулей на печатных платах, создавали возможность авто-
матизации их производства.
Однако основной их недостаток — сборка из дискретных
радиодеталей — привел к тому, что с усложнением и дальней-
шим 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, свя-
занных с изготовлением огромного количества очень малых де-
талей, необходимостью их испытания, упаковки, транспортиров-
ки, вторичного испытания и соединения в схеме устройства. На-
дежность аппаратуры при этом снижается, а необходимость
резервирования узлов делает ее еще более громоздкой и повыша-
ет стоимость.
Решение этих проблем привело к новому перспективному
этапу развития элементной базы электроники — к микроэлек-
тронике.
205
Контрольные вопросы
1. Чем вызвана необходимость миниатюризации и микроминиатюризации элек-
тронных изделий?
2. Что представляют собой модули и мцкромодули?
Глава 5.2.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
5.2.1 Основные понятия микроэлектроники
Микроэлектроника представляет собой современное нап-
равление электроники, которое охватывает проблемы, связанные
с исследованием, разработкой, изготовлением и применением
микроэлектронных устройств, т. е. электронных изделий с высо-
кой степенью микроминиатюризации.
Главная особенность микроэлектроники — отказ от примене-
ния дискретных электрорадиодеталей. Вместо отдельных диодов,
транзисторов, резисторов и др. в микроэлектронике используется
принцип интеграции, т. е. объединения всех элементов и соеди-
няющих их проводников в едином групповом технологическом
процессе изготовления функциональных узлов и устройств микро-
электронной 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 мак-
симально 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 обеспе-
чивается также за счет герметизации элементов и их межсоеди-
нений, уменьшения количества соединений, автоматизации про-
цесса изготовления и снижения вероятности отказа отдельных
элементов.
206
Уменьшение габаритов и массы микроэлектронной аппаратуры
достигается за счет малых размеров микросхем, элементы которых
в кристалле измеряются долями микрометра. При этом они рабо-
тают в облегченном режиме при низких напряжениях питания
и потребляют небольшую энергию, что повышает экономичность
аппаратуры и ее надежность.
Основные направления микроэлектроники: интегральные мик-
росхемы, функциональная микроэлектроника и конструктивно-
вспомогательные изделия в микроминиатюрном исполнении.
Важным разделом функциональной микроэлектроники стала оп-
тоэлектроника.
Т А R Т	т Д R Т	Т А R Т	Т А R Т
т А R т	т А « т	Т Д R Т	Т А R Т
Т Д R Т	Т А R Т	Т А R Т	тд R Т
Т А R Т	т А R Т	тд R Т	Г д R Т
имс
т д
R Т
б
а
Рис. 5.2. Иллюстрация группового метода изготовления полупро-
водниковых интегральных микросхем: а—полупроводниковая
пластина с элементами большого числа ИМС; б — отдельный
кристалл ИМС после разрезания пластины; в — электрическая
схема соединения элементов ИМС; г — ИМС в корпусе с при-
соединенными внешними выводами и снятой крышкой
Развитие микроэлектроники базируется на новейших дости-
жениях ряда наук и технических направлений. В частности,
физики, химии, математики, биологии, радиотехники, металлур-
гии, приборостроения, машиностроения и других.
Групповой метод изготовления полупроводниковых интег-
ральных микросхем, позволяющий снизить их стоимость, зак-
лючается в том, что на небольшой пластине полупроводника
(диаметром до 40 мм) одновременно формируется несколько
сотен микросхем; множество таких пластин одновременно обра-
батывается (рис. 5.2).
Пластину разрезают на части, в каждой из которых получает-
ся микросхема в виде кристалла, содержащего комплекс элемен-
тов 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-
207
вать готовый полупроводниковый прибор (транзистор, диод) или
микросхему без внешних выводов и корпуса.
Интегральная микросхема содержит элементы и компонен-
ты.
Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, ко-
торая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэле-
мента, 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 электрорадио-
элемента, но эта часть перед монтажом является самостоятель-
ным комплектующим изделием в специальной упаковке и может
быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в из-
готовляемую 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 ин-
теграции.
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 интег-
рации k вычисляется как десятичный логарифм от уровня интег-
рации /V, округленный до ближайшего большего целого числа:
k = 1g/V.
Например, ИМС первой степени интеграции содержит до
10 элементов и компонентов включительно, второй степени —
от И 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 10 (k^. 1) ИМС называют простой;
при N от 11 до 100 — средней; при /V от 101 до 10000 —
большой интегральной схемой (БИС); при N> 10000 (fc>4) —
сверхбольшой (СБИС).
Иногда в качестве критерия сложности и микроминиатюри-
зации ИМС применяют термин «плотность упаковки». Плот-
ностью упаковки называют количество элементов, обычно тран-
зисторов, на единицу объема или площади кристалла. В насто-
ящее время она может превышать 104 элементов/мм2.
Элементы любых электронных схем делят на активные
и пассивные.
Активным элементом называют элемент, обладающий свой-
ством преобразования электрической энергии — выпрямления,
208
усиления, генерирования, управления. К ним относятся, напри-
мер, диоды, транзисторы и т. д.
Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности.
5.2.2. Классификация интегральных микросхем
Интегральные микросхемы можно классифицировать по раз-
ным 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 совме-
щенными.
Полупроводниковая интегральная микросхема — это ИМС,
все активные и пассивные элементы которой и межэлементные
соединения выполнены в объеме и на поверхности монокрис-
талла полупроводника в общем технологическом процессе. Крис-
талл полупроводника, в котором формируются элементы, назы-
вают активной подложкой.
В полупроводниковых ИМС в качестве исходного материала
используют кристалл кремния. Выбор кремния обусловлен тем,
что он допускает более высокую рабочую температуру и мощ-
ность рассеяния, чем германий, а также имеет большую, чем гер-
маний, ширину запрещенной зоны и позволяет получить больший
диапазон сопротивлений при создании на его основе резисторов
микросхемы.
Изготовление полупроводниковой микросхемы в конечном сче-
те сводится к образованию системы электронно-дырочных пере-
ходов в кристалле кремния; при этом формируются
локальные области кристалла, эквивалентные электрорадиодета-
лям 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 до-
лями квадратного миллиметра.
Готовый кристалл с созданными элементами и межсоеди-
нениями представляет собой монолитную структуру, которая пос-
ле присоединения к ней внешних выводов и герметизации может
быть использована в качестве блока электронной аппаратуры.
Пленочной интегральной микросхемой называют ИМС, все эле-
менты и межэлементные соединения которой выполнены только
в виде пленок различных материалов, нанесенных на общее
8—*1663
209
основание. По технологии изготовления различают тонкопленоч-
ные и толстопленочные ИМС. Интегральные микросхемы с тол-
щиной 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 толь-
ко пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, высокочас-
тотные катушки индуктивности — и их соединения. Это вызвано
большими затруднениями, имеющимися в настоящее время в об-
ласти создания пленочных транзисторов и диодов с достаточно
стабильными и устойчивыми характеристиками. Ведутся исследо-
вания по созданию пленочных активных элементов, удовлетворя-
ющих 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 осуществля-
ется 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: резис-
тивные и проводящие — для получения резисторов, соединитель-
ных 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 при-
менения.
Гибридная интегральная микросхема представляет собой
ИМС, в составе которой имеются пленочные пассивные элементы,
выполненные на диэлектрической подложке, и навесные микро-
миниатюрные активные компоненты, изготовленные как дискрет-
ные транзисторы и диоды (обычно в бескорпусном исполнении)
и вмонтированные в подложку. В составе гибридных микросхем
могут быть не только простые навесные компоненты (транзисто-
ры 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 совме-
щенными.
Совмещенная интегральная микросхема — это ИМС, в кото-
рой активные элементы выполнены в кристалле полупроводника,
а пассивные элементы и межсоединения — в виде пленок. При
этом используются два способа сочетания технологии полупро-
210
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 ре-
зисторы, 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 — тонкопле-
ночные; 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'
электрической подложке, а активные элементы и основные соеди-
нения 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
8
211
герметизация), и бескорпусные— покрытые эпоксидным защит-
ным лаком. Интегральные микросхемы в различном конструк-
тивном исполнении показаны на рис. 5.3, а расположение выво-
дов — на рис. 5.4.
По характеру функционального назначения интегральные
микросхемы делят на аналоговые, цифровые и комбини-
рованные — аналого-цифровые.
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для генериро-
вания и усиления гармонических сигналов, а также для детек-
тирования, модулирования и т. д.
Цифровые (логические) ИМС используют для цифровой об-
работки информации, т. е. электрических сигналов, соответствую-
щих двоичному или другому цифровому коду, в вычислительной
технике, цифровых измерительных приборах, устройствах авто-
матики.
По выполняемой функции все микросхемы подразделяют на
подгруппы; например, усилители, генераторы, фильтры, детекто-
ры, логические элементы ЭВМ и др. Каждую подгруппу делят
на виды; например, усилители низкой частоты, усилители высо-
кой частоты, усилители постоянного тока и т. д.
Классификация по физическому принципу работы зависит
от типа создаваемых в микросхеме основных и наиболее слож-
ных элементов — транзисторов. На их структуре базируется фор-
мирование и других элементов. В полупроводниковых интег-
ральных микросхемах применяют как биполярные транзисторы,
так и полевые МДП-транзисторы.
В гибридных интегральных микросхемах в качестве навесных
компонентов применяют биполярные бескорпусные транзисторы.
Контрольные вопросы
1.	Чем занимается микроэлектроника?
2.	Что представляет собой интегральная микросхема?
3.	Что называют элементом и компонентом интегральной микросхемы?
4.	Что показывает степень интеграции микросхемы?
5.	Назовите виды интегральных микросхем и объясните, что представляет собой
каждый из этих видов.
Глава 5.3.
ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
5.3.1. Элементы полупроводниковых интегральных микросхем
Полупроводниковые интегральные микросхемы содержат ак-
тивные и пассивные элементы, формируемые в кристалле крем-
ния в едином технологическом процессе. Эти элементы должны
быть изолированы друг от друга и соединены согласно электри-
212
ческой схеме. По типу основного активного элемента — тран-
зистора — полупроводниковые ИМС делят на биполярные и
МДП-микросхемы. Соответственно, отличается и технология из-
готовления микросхем на базе структур биполярных и МДП-
транзисторов. Рассмотрим кратко, как формируются активные
и пассивные элементы в этих двух разновидностях полупровод-
никовых 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 струк-
турой п-р-п, электрические характеристики которой лучше, чем
у структуры р-п-р; но для реализации некоторых электрических
схем требуются транзисторы с противоположным типом электро-
проводности, так что используют и транзисторы типа р-п-р. Тран-
зисторы типа п-р-п характеризуются большим быстродействием
и возможностью получения большего коэффициента передачи
тока а, так как подвижность электронов в несколько раз пре-
вышает подвижность дырок.
Для изготовления элементов на основе транзисторной струк-
туры используется планарная технология. При такой технологии
элементы имеют плоскую структуру: их р-п переходы и кон-
тактные площадки выходят на одну плоскость полупроводни-
ковой пластины — подложки, на поверхности и в объеме которой
создаются элементы.
Разновидности планарной технологии — планарно-диффузи-
онная и планарно-эпитаксиальная технология.
При планарно-диффузионной технологии для создания слоев
полупроводника n-типа и p-типа примеси вводятся методом диф-
фузии — перемещения частиц при их тепловом движении в нап-
равлении, 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 крис-
талл. Одновременно с эпитаксиальным наращиванием полупро-
водниковых слоев в них вводят требуемые примеси, получая
области n-типа и р-типа.
Для формирования биполярных транзисторов п-р-п типа ос-
новой служит монокристаллическая, т. е. имеющая правильную
кристаллическую решетку, пластина кремния p-типа толщиной не
более 50 мкм. Она служит подложкой. При планарно-диффузи-
онной технологии (рис. 5.5) на поверхности этой подложки путем
различных технологических процессов создают пленку двуокиси
кремния БЮг, которая является защитной и изоляционной (/).
213
Затем вытравливают в этой пленке отверстия по количеству
создаваемых транзисторов (2). В полученные окна методом диф-
фузии вводят примеси, образующие слои д-типа. Они изолирова-
ны друг от друга и от подложки р-п переходами, смещенными
в обратном направлении. Эти островки д-типа образуют коллек-
торы 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 тех-
нологии изготовления ИМС
Подло ж на р - типа
Подложка p-типа р Подложна
kwXXXXXWWXXXXXXX
базы p-типа. Затем таким же образом вводят примеси, создаю-
щие вторую область л-типа— эмиттеры транзисторов (4). На
полученные локальные структуры п-р-п напыляют металлизиро-
ванные контакты и соединительные дорожки. На поверхности
между контактами создается пленка SiCV
При планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 5.6) для по-
лучения 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 крем-
ния 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 эпитак-
сиальном слое остаются островки, образующие коллекторы тран-
зисторов д-типа (3).
Далее эти островки подвергают обработке, как при планарно-
диффузионной технологии. Поскольку полученные таким спосо-
бом транзисторы (4) со стороны коллектора д-типа окружены
со всех сторон областями полупроводника p-типа, образуется
р-д переход, который изолирует транзисторы друг от друга, а
также от других элементов схемы при подаче на него обратного
напряжения.
При создании д-р-д-структур для транзисторов одновременно
214
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 диэ-
лектриками. При использовании структуры полевых транзисторов
наибольшее распространение получили транзисторы с изолиро-
ванным затвором (рис. 5.7). Для этого в интегральных микросхе-
Окна
Рис. 5.6. Последовательность формирования биполярных тран-
зисторов типа п-р-п при планарно-эпитаксиальной технологии
изготовления ИМС
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 SiCh — 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 ин-
тегральных микросхем на МДП-транзисторах обеспечивает более
215
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 сокра-
щается примерно в три раза по сравнению с изготовлением
микросхем на основе биполярных транзисторов.
Диоды. В полупроводниковых ИМС диоды формируют одно-
временно с биполярными транзисторами, на основе тех же слоев
и р-п переходов. Получать диоды на основе транзисторных струк-
тур 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 пере-
ход, 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 при-
меси 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 температур-
ный коэффициент сопротивления — зависят от материала,
формы и способа формирования резистора.
Полупроводниковые резисторы — это резисторы, изготовлен-
ные в полупроводниковом материале методами полупроводнико-
вой 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 неста-
бильности и большой занимаемой площади.
Диффузионные резисторы получают одновременно с формиро-
ванием других элементов при изготовлении транзисторной струк-
туры п-р-п методами планарной технологии с локальной диф-
фузией примесей в разные слои в островках подложки.
Обычно используют базовый или эмиттерный диффузионный
слой транзисторной структуры. Толщина такого резистора —
216
порядка 3 мкм, что гораздо меньше его длины и ширины. На
рис. 5.8 представлены структуры диффузионных резисторов на ос-
нове базового и эмиттерного слоев планарно-эпитаксиального
биполярного транзистора. Наиболее распространены резисторы,
сформированные на основе базового слоя (рис. 5.8, а). В ост-
ровке эпитаксиального слоя, предназначенном для формирования
резистора, эмиттерный слой не создается. Базовый слой исполь-
зуется 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 ба-
зового слоя путем металлизации алюминием делают вывод-
ные контакты 1 и 2. Поскольку базовый слой имеет значительно
меньшую концентрацию основных носителей заряда, чем эмит-
терный, то на его основе формируют высокоомные резисторы.
Изоляция резисторов от других элементов микросхемы осущест-
вляется минимум двумя встречно-включенными р-п переходами,
т. е. системой, запертой при любой полярности приложенного
напряжения.
Величина сопротивления диффузионного резистора определя-
ется 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 резис-
тор формируют в виде прямоугольной полоски или — для увели-
чения длины — в виде змейки.
Для получения низкоомных резисторов используют эмиттер-
ный слой п -типа (рис. 5.8, б), сопротивление которого значи-
тельно меньше, чем базового, из-за высокой концентрации ос-
новных носителей заряда. Диффузионные резисторы имеют со-
противление от 50 Ом до 300 кОм с разбросом ±(104-20)%;
максимальная мощность рассеяния — до 0,1 Вт.
217
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 сопротив-
лением является сопротивление канала транзистора между ис-
током и стоком, зависящее от режима работы, заданного
напряжением на затворе.
Конденсаторы. Пассивный элемент ИМС, реализующий функ-
цию конденсатора, не нашел широкого применения в современ-
ной микроэлектронике в связи с трудностями получения больших
с
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 барь-
ерной 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 необходи-
мо соблюдать полярность подключения обратного напряжения к
используемому р-п переходу. Удельная емкость конденсатора, по-
строенного 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 пе-
реходов, следует отнести: небольшую величину удельной емкости;
сравнительно большую площадь обкладок, значительно превы-
218
шающую площадь транзистора; зависимость емкости от напря-
жения и наличие паразитных емкостей из-за изолирующих р-п
переходов, а также необходимость соблюдения полярности при
включении. Эти недостатки ограничивают применение конденса-
торов в ИМС.
МДП-конденсаторы имеют структуру металл — окисел — по-
лупроводник. В качестве нижней обкладки в них используют
полупроводниковый слой n-типа; диэлектриком служит слой дву-
окиси кремния SiC>2 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.
5.3.2. Элементы и компоненты гибридных
интегральных 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 10Х 12 и 10Х 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 пов-
торяющейся для увеличения номинального сопротивления (рис.
5.10, а). Эти полоски заканчиваются контактными площадками,
имеющими высокую проводимость. Материалами для изготовле-
ния тонкопленочных резисторов могут быть металлы, сплавы,
полупроводники и смеси металлов с керамикой, называемые кер-
метами. Например, для изготовления резисторов используют
хром, тантал, нихром, нитрид тантала и др. Контактные пло-
щадки напыляют из золота, меди, тантала, алюминия с под-
слоем нихрома, меди с подслоем нихрома.
219
Тонкие пленки получают методом термического или катодного
напыления в вакууме, а также методом электролитического
осаждения металлов из электролитов под действием электри-
ческого тока и другими способами. Номинальные значения сопро-
тивлений 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 пас-
сивные элементы ИМС: а — ре-
зисторы прямоугольной и П-об-
разной формы; б — конденсатор;
в — индуктивные элементы в ви-
де круглой и прямоугольной
спиралей; 1 — резистивная плен-
ка; 2 — контактные площадки;
3 — подложка; 4, 6 — нижняя и
верхняя обкладки; 5 — диэлек-
трик; 7 — подложка; 8 — изоля-
ционная пленка; 9 — токопрово-
дящая пленка
Пленочные конденсаторы. В гибридных ИМС пленочные кон-
денсаторы изготовляют обычно вакуумным напылением трех сло-
ев: двух проводящих обкладок и разделяющей их пленки диэ-
лектрика (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 SiO2, окись алюминия
AI2O3, окись тантала Та2<Х 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.
220
Пленочные индуктивные элементы. В гибридных ИМС индук-
тивности 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 специаль-
ную маску (трафарет). Поскольку размеры изготовленной пле-
ночной индуктивной катушки должны быть очень малы в соот-
ветствии 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 сердечни-
ком из порошкового железа или ферритов.
Навесные компоненты гибридных ИМС. В качестве навесных
дискретных компонентов гибридных ИМС используют полупро-
водниковые микроминиатюрные приборы — диоды и транзисторы.
Они могут быть заключены в миниатюрный корпус, но чаще ис-
пользуются бескорпусные приборы, имеющие значительно мень-
шие размеры и массу. В бескорпусных приборах кристалл полу-
проводника герметически защищается от воздействия внешней
среды специальными покрытиями: лаком, эмалью, смолой, ком-
паундом и др. Бескорпусные дискретные полупроводниковые
приборы изготовляют отдельно от микросхемы. Для защиты
от механических повреждений при испытаниях и транспорти-
ровке их помещают в специальный пластмассовый корпус, а пе-
ред монтажом в микросхему корпус снимают.
Чаще всего в качестве активных навесных компонентов ис-
пользуют биполярные транзисторы п-р-п типа КТ307, КТ319,
КТ324 и другие, а также полевые МДП-транзисторы, например
КП201. В качестве навесных компонентов применяют также бес-
корпусные полупроводниковые микросхемы.
Кроме активных компонентов иногда применяют и пассивные
навесные компоненты. В частности, конденсаторы с емкостью бо-
лее 2000 пФ.
Дискретные активные компоненты гибридных ИМС позволяют
создавать аппаратуру более мощную, чем аппаратура на прлу-
проводниковых ИМС, а также применять транзисторы разных ти-
пов — 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 мик-
росхемы осуществляется с помощью пленочных проводников и
контактных площадок.
Хорошими токопроводящими материалами являются золото,
медь, алюминий, никель, а для улучшения их сцепления с под-
221
F
ложкой или межслойной изоляцией элементов сначала напы-
ляют подслой хрома или нихрома, а на него — токопроводя-
щие полоски и контактные площадки.
Внешние выводы навесных компонентов соединяют с контакт-
ными площадками пассивной микросхемы различными методами
пайки или сварки, используя ультразвук, импульсный косвен-
ный нагрев, микропаяльник, луч лазера.
Межслойная изоляция проводников друг от друга в местах
их пересечения осуществляется тонкой пленкой диэлектрика,
чаще всего моноокиси кремния.
Контрольные вопросы
1-	Как формируются биполярные и МДП-транзисторы при изготовлении полу-
проводниковых ИМС?
2.	Как осуществляется формирование диодов, резисторов и конденсаторов в
ИМС на базе биполярных транзисторов?
3.	Как формируются пленочные резисторы, конденсаторы и индуктивные
элементы?
4.	Что представляют собой навесные компоненты гибридных ИМС?
ГЛАВА 5.4.
ВИДЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
5.4.1.	Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы
Аналоговые (линейные) ИМС предназначены для преобразо-
вания и обработки непрерывно и плавно изменяющихся сигналов.
Обычно они имеют линейные характеристики, поэтому получил
распространение термин «линейная микросхема». Они применя-
ются в качестве усилителей и генераторов гармонических (сину-
соидальных) сигналов, а также детекторов, фильтров, модулято-
ров, коммутаторов и других устройств.
Аналоговые ИМС получают все более широкое применение
благодаря усовершенствованию технологии и возможности соз-
дания транзисторных структур в интегральном исполнении с вы-
соким 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 технологи-
ческом процессе.
Наиболее распространенный тип аналоговых ИМС — интег-
ральные усилители. Они подразделяются на многоцелевые (с од-
ним входом) и многоцелевые дифференциальные усилители (с
двумя входами и двумя или одним выходом). Разновидностью
дифференциальных усилителей являются операционные усилите-
ли, имеющие два входа и один выход.
Многоцелевые усилители с одним входом и одним выходом
222
предназначены для усиления гармонических сигналов в широком
диапазоне частот. К ним относятся усилители низких, промежу-
точных и высоких частот, видеоусилители и широкополосные
усилители. Они находят применение в практике приемной и пере-
дающей радиоаппаратуры, телевидения и видеотехники.
Дифференциальные усилители имеют два симметричных от-
носительно общей точки (корпуса) входа. Они усиливают раз-
ность двух сигналов, подаваемых на входы, и могут быть исполь-
зованы в цепях как постоянного, так и переменного тока.
а	б
в
Рис. 5.11. Условные графические обозначения операцион-
ных усилителей (а, б) и логических элементов (е)
Операционные усилители — это многокаскадные усилители с
дифференциальными входами (два входа) и одним общим выхо-
дом. Они отличаются очень большим коээфициентом усиления,
большим входным и очень малым выходным сопротивлением.
Название «операционный» связано с их первоначальным приме-
нением 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 изго-
товляют на основе биполярных или МДП-транзисторов, которые
имеют более высокое входное сопротивление и меньший шум, чем
223

биполярные; поэтому их целесообразно применять на входе опе-
рационных усилителей. На выходе обычно используют эмиттер-
ный повторитель. Основные параметры аналоговых схем следую-
щие: 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 ин-
тегральном исполнении выпускаются серией К142, содержащей
маломощные выпрямители и стабилизаторы напряжения.
Цифровые (логические) ИМС предназначены для преобразо-
вания и обработки дискретных сигналов. Их используют как
электронные ключи с двумя устойчивыми состояниями. В одном
состоянии на их входе (выходе) действует низкий уровень нап-
ряжения; при переводе на двоичный цифровой код это соответст-
вует логическому нулю (0). В другом состоянии действует
высокий уровень напряжения, что соответствует логической еди-
нице (1). Частный случай цифровой ИМС — логическая мик-
росхема. Положительной логикой называют действие элементов,
срабатывающих при положительном импульсе входного сигна-
ла — при изменении его с 0 на 1, а отрицательной — при измене-
нии входного сигнала с 1 на 0. Цифровые ИМС применяют в узлах
и блоках электронных вычислительных машин, в устройствах дис-
кретной автоматики и измерительной техники.
Статическими параметрами цифровых ИМС называют пара-
метры, характеризующие состояние включенной микросхемы:
напряжение источника питания; входное и выходное напряжения,
соответствующие логическому нулю (0) или логической единице
(1); допустимое количество входов ИМС, называемое коэффи-
циентом объединения по входу; количество одновременно под-
ключенных нагрузок — коэффициент разветвления по выходу,
средняя потребляемая мощность; помехоустойчивость.
Динамические параметры характеризуют ИМС в режиме пе-
реключения: время перехода из состояния, соответствующего 0,
в состояние, соответствующее 1, или наоборот; время задержки
распространения сигнала и другие. Цифровые ИМС по функцио-
нальному назначению делят на подгруппы: логические ИМС,
триггеры, элементы арифметических устройств и т. д.
Логическая микросхема как базовый элемент цифрового уст-
ройства реализует определенную логическую (переключа-
тельную) функцию. Сигнал на входе или нескольких входах
может иметь значения, равные либо логической единице, что со-
ответствует наличию импульса, либо логическому нулю при от-
сутствии импульса. Эти входные сигналы вызывают появление
224
на выходе микросхемы выходных сигналов, которые тоже могут
принимать только значения логической 1 или 0.
Ключи в логических ИМС могут быть построены на различ-
ных 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. 5.11,0 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 осу-
ществляет 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 элемен-
тов; 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 полупро-
водниковых ИМС и в зависимости от используемых полупро-
водниковых элементов подразделяют на резисторно-транзистор-
ную логику РТЛ, диодно-транзисторную логику ДТЛ, транзистор-
но-транзисторную логику ТТЛ, транзисторную логику на пере-
ключателях тока ПТТЛ и логику на МДП-транзисторах
МДПТЛ. Например, микросхема РТЛ имеет во входных цепях
резисторы, а в выходных — транзисторы; ДТЛ на входе содер-
жит 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.
5.4.2.	Большие интегральные схемы и микропроцессоры
Создание больших интегральных схем (БИС) характеризует
новый этап в развитии микроэлектроники. Это явилось след-
225
ствием непрерывного совершенствования технологических про-
цессов 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, вы-
полняющие функции блоков и целых радиоэлектронных уст-
ройств. Они предназначаются для определенных типов ап-
паратуры и не являются устройствами широкого применения.
При изготовлении БИС на полупроводниковой пластине
одновременно создается большое количество микросхем, но, в от-
личие от процесса изготовления ИМС, пластина не разрезается
на отдельные кристаллы, а готовые ИМС путем создания спе-
циальных 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 ап-
паратуры при снижении ее стоимости. Это достигается за счет
уменьшения числа соединений в аппаратуре, поскольку БИС
заменяет ряд отдельных ИМС; уменьшения объема монтажно-
сборочных работ, а также сокращения числа технологических
операций. Создание БИС повышает быстродействие узлов аппа-
ратуры и ее помехозащищенность.
БИС, как и ИМС, подразделяют на цифровые и аналого-
вые, а по конструкционно-технологическому признаку — на полу-
проводниковые и гибридные. В гибридных БИС в качестве на-
весных компонентов используют бескорпусные ИМС средней сте-
пени интеграции. Широкое распространение получили БИС в
вычислительной аппаратуре, которая производит миллионы опе-
раций 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 однокристаль-
ных микропроцессоров, процессорных секций и микро-ЭВМ. Мик-
ропроцессоры и микропроцессорные системы применяют также
для расширения возможностей телефонных и телеграфных аппа-
226
ратов. Например, телефонный аппарат, построенный на базе
микропроцессора, позволяет: осуществить кнопочный набор но-
мера с преобразованием сигнала в импульсы дискового набора;
осуществить автоматическое повторение последнего набранного
номера; закодировать ряд номеров в запоминающем устройстве
микропроцессора с последующим автоматическим набором лю-
бого из них путем нажатия соответствующей коду кнопки
и т. п.
С помощью микропроцессоров можно осуществить преобразо-
вание звуковых сигналов в цифровой код и обратно для пере-
дачи по линии связи только цифровой информации. БИС с высо-
кой степенью интеграции позволяют создавать микроэлектронные
устройства для широкого применения не только в технике, но и в
быту: карманные калькуляторы, наручные часы, микро-ЭВМ.
5.4.3.	Система обозначений интегральных микросхем
Для разработки и создания сложной электронной аппарату-
ры, электронной базой которой являются интегральные микро-
схемы, требуются не отдельные ИМС различного назначения, а
их полный набор. Поэтому электронная промышленность выпус-
кает серии интегральных микросхем, т. е. совокупность микро-
схем, 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 микро-
схем в зависимости от области применения и назначения.
Система буквенно-цифровых обозначений ИМС состоит из четырех эле-
ментов, 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 керами-
ческие. 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. На-
пример, первая буква Г — генераторы, Д — детекторы, К — коммутаторы и клю-
чи, Л — логические элементы, X — многофункциональные микросхемы, М — мо-
дуляторы, Н — наборы элементов, П — преобразователи, Е — вторичные источ-
ники питания, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры и т. д.
Примеры буквенного обозначения вида (вторая буква):
227
для усилителей высокой частоты — буква В, низкой частоты — Н. про-
межуточной 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, кон-
денсаторов — 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, источ-
ник 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 разра-
ботки 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 эле-
мента в данной серии 1.
До введения действующего в настоящее время ГОСТ интегральным микро-
схемам присваивались старые буквенно-цифровые условные обозначения типов,
некоторые из которых сохранились до сих пор. Старые обозначения отли-
чаются 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 обоз-
начения подгрупп и видов. Например, операционный усилитель К14ОУД1 обоз-
начался 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 уси-
лителях большой мощности интегральные микросхемы еще не
нашли применения; их используют для предварительного усиле-
ния сигнала, а также в качестве контрольных усилителей в
аппаратных кинотеатров.
Контрольные вопросы
1.	Какие ИМС называют аналоговыми и для чего их применяют?
2.	Какие ИМС называют цифровыми (логическими) и i.iv они находят при-
менение?
3.	Что представляют собой БИС и микропроцессоры и где их используют?
4.	Объясните систему обозначения ИМС.
228
Глава 5.5.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
5.5.1.	Общие сведения о функциональной микроэлектронике
Одним из современных направлений микроэлектроники наря-
ду с интегральными микросхемами является функциональная
микроэлектроника. В интегральной микроэлектронике проектиро-
вание, разработка и изготовление микросхем осуществляются на
основе электрических схем. При этом в одном кристалле форми-
руются 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 осно-
ве преобразования энергии с использованием различных физи-
ческих явлений в твердом теле, например фотоэлектрических,
электронно-оптических, выделения тепла при прохождении элек-
трического тока и, наоборот, возникновения э. д. с. при нагреве.
Поэтому при создании функциональных микросхем не воспроиз-
водят 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 реали-
зации с помощью электрорадиоэлементов выполняет ту же фун-
кцию выпрямителя. Рассматриваемый функциональный блок
состоит из трех областей: 1 — область, обладающая активным
сопротивлением и выделяющая тепло при прохождении через
нее электрического тока любого рода; 2 — область, являющаяся
электрическим изолятором, но проводящая тепло; 3 — термо-
электрическая область, которая под воздействием теплового
потока вырабатывает э. д. с. постоянного тока. К области 1 под-
водится переменное напряжение, и под действием электрического
тока выделяется тепло. Тепловой поток проходит из области 1
через теплопроводящую область 2 в термоэлектрическую об-
ласть <?, которая при этом генерирует постоянный ток.
Другим примером является пьезоэлектрический кристалл, ге-
нерирующий колебания подобно резонансному контуру, содержа-
щему катушку индуктивности, конденсатор и резистор.
По сравнению с электрической схемой количество элемен-
тов или компонентов в функциональной микросхеме гораздо
229
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 пе-
ременного тока (а) и аналогичная по функции элек-
трическая схема (б)
входными или выходными величинами являются тепло, электро-
магнитное излучение, механическое смещение и т. п. В качестве
материала, на базе которого создаются функциональные микро-
схемы, могут использоваться как полупроводники, так и сверх-
проводники, диэлектрики, фотопроводящие материалы и другие.
5.5.2.	Направления функциональной микроэлектроники
Оптоэлектроника основана на использовании различных оп-
тических явлений, т. е. свойств твердых тел, вызванных световым
потоком. Световой поток электрически нейтрален, не создает
электрических контактов и гальванических связей, обладает од-
носторонней 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, ско-
рость которых значительно превышает звуковую. В акустоэлек-
тронике используются механические резонансные эффекты, пьезо-
электрический эффект и др. Акустоэлектроника занимается пре-
образованием электрических сигналов в акустические и акусти-
ческих в электрические.
Прибор, основанный на электромеханическом резонансе, на-
зывают резонистором. Он представляет собой полевой тран-
зистор с затвором, часть которого нависает над каналом. Сигнал
подается на электрод, расположенный на изоляторе под нависаю-
230
щим концом затвора, а на затвор подается постоянное смеще-
ние. 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 из-
менении размеров образца материала под действием электри-
ческого поля, основана работа кварцевых генераторов и филь-
тров, а также ультразвуковых линий задержки. Пьезоэлектри-
ческие преобразователи возбуждают с помощью электрических
сигналов акустические волны и осуществляют обратное преобра-
зование акустических волн в электрический сигнал.
Магнитоэлектроника основана на использовании свойств сла-
бых ферромагнетиков и магнитных полупроводников, которые
имеют малую намагниченность насыщения и позволяют управ-
лять движением намагниченных микроминиатюрных областей в
трех измерениях. Используется для хранения, обработки и
перемещения больших объемов информации, причем для хране-
ния информации не требуется питания, а при ее перемеще-
нии 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 крис-
таллов при высокой чувствительности к внешним воздействиям,
что используют для управления и преобразования потоков ин-
формации 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 организ-
мах для создания сверхсложных систем обработки информации,
подобных по своим функциональным возможностям человечес-
кому 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 направ-
ление, 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 ди-
электрической пленки благодаря очень малой ее толщине и опре-
деляют проводящие свойства диэлектрической пленки. Если меж-
ду двумя пленочными металлическими электродами с разными
231
значениями работы выхода расположить тонкую пленку диэлек-
трика 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 транзисто-
ров, характеристики которых аналогичны соответствующим
характеристикам электровакуумных диодов и триодов.
Хемотроника (ионика) изучает физико-химические и электро-
химические процессы, протекающие в жидкостях. В электрохими-
ческих приборах жидкость служит электролитом, используются
ионные процессы. На основе электрохимических явлений созданы
приборы, выполняющие функции выпрямителей, усилителей и ря-
да других преобразователей сигнала, а также управляемые со-
противления 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 сдела-
ны два вывода. Между этими выводами электрод имеет опре-
деленное 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 — ано-
дом, происходит электролиз, в результате которого медь из элек-
тролита осаждается на резистивном электроде, уменьшая его
сопротивление, а управляющий электрод частично растворяется
в электролите. Если изменить полярность управляющего напря-
жения, то слой меди на резистивном электроде (аноде) начнет
растворяться, а на управляющем (катоде) осаждаться. В резуль-
тате этого сечение резистивного электрода уменьшится, а его
сопротивление возрастет. После прекращения подачи управляю-
щего 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 ка-
честве низковольтного источника питания в микроэлектронной
аппаратуре, а также в качестве запоминающего устройства.
Функциональные микросхемы могут быть основаны и на дру-
гих явлениях и физических процессах в твердом теле.
232
5.5.3.	Основные сведения об оптоэлектронике
Одной из важных самостоятельных областей функциональ-
ной микроэлектроники является оптоэлектроника. В оптоэлек-
тронных устройствах осуществляется преобразование электри-
ческих сигналов в оптические и наоборот; световой луч при этом
выполняет такие же функции управления, преобразования и
связи, как электрический сигнал в электрических цепях. Преиму-
щества 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 ней-
тральны, не взаимодействуют друг с другом, не смешиваются и
не рассеиваются. При этом исключаются паразитные связи меж-
ду выходом и входом, легко согласовать высокоомные и низко-
омные цепи, а также высокочастотные и низкочастотные, высоко-
вольтные и низковольтные цепи, получить идеальную изоляцию.
Недостатком оптических систем является то, что оптический
сигнал нельзя использовать для непосредственного преобразова-
ния его в механическую энергию, чтобы привести в движение
реле, двигатели и другие механизмы. Для осуществления раз-
личных функций в оптоэлектронике обычно объединяют опти-
ческие 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 электролюми-
несценцию, т. е. излучение света под действием электрического
тока, и фотоэлектрические свойства элементов, преобразующих
световую энергию в электрическую. Это применяется в микро-
электронике для создания функциональных оптоэлектронных
микросхем, которые по сравнению с интегральными микро-
схемами 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 эле-
менты памяти ЭВМ; преобразователи оптических сигналов —
твердотельные электронно-оптические и электроннолучевые при-
боры, например усилители света и изображения, передающие и
воспроизводящие экраны; устройства отображения информа-
ции — цифровые табло, индикаторные экраны и др.
233
Главным структурным элементом или компонентом оптоэлек-
троники является оптрон, основу которого составляет оптронная
пара — фотоизлучатель и фотоприемник. Фотоизлучателем в
принципе может быть любой управляемый источник света, свето-
вой поток или яркость которого однозначно зависит от электри-
ческого сигнала, поступающего на его вход. Фотоизлучатели
должны удовлетворять требованиям миниатюрности, малой по-
требляемой мощности, высокой эффективности и надежности,
долговечности, механической прочности и технологичности. Наи-
большее распространение в качестве фотоизлучателей в оптронах
нашли светодиоды, относящиеся к электролюминесцентным
источникам света. В качестве фотоприемников используют полу-
проводниковые приборы, преобразующие световое излучение в
электрические сигналы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзис-
торы и фототиристоры.
При подборе фотоизлучателя и фотоприемника в оптрон-
ную пару необходимо согласовать их спектральные характерис-
тики.
Между фотоизлучателем и фотоприемником должна быть
среда, которая играет роль световода. К материалу световода
предъявляются определенные требования: он должен быть про-
зрачен 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. Мате-
риалы с большим коэффициентом преломления называют иммер-
сионными. В качестве световодов большое распространение по-
лучили иммерсионные стекла — свинцовые и селеновые, а также
волоконная оптика — тонкие нити стекла или пластмассы (во-
локна). Светопроводящие волокна покрывают светоизолирую-
щими материалами и соединяют в многожильные световые кабе-
ли, проводящие свет подобно тому, как многожильные метал-
лические кабели проводят электрический ток. С помощью воло-
конной 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.
234
5.5.4.	Оптроны
Оптроном называют оптоэлектронный полупроводниковый
прибор, содержащий источник и приемник светового излучения,
которые объединены конструктивно и имеют оптическую (фотон-
ную) 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;
1 — фотоизлучатель; 2 — фотоприемник, 3 — световод, 4—
усилитель электрического сигнала
В зависимости от вида внутренней, а следовательно, и внеш-
них 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, а) на
вход подается электрический сигнал; под действием этого сиг-
нала 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 входно-
го тока светодиода вызывает изменение яркости его свечения
или светового потока, а это в свою очередь вызывает измене-
ние тока и напряжения на выходе фотоприемника, т. е. появляет-
ся электрический сигнал на выходе. В этом случае в оптроне
происходит преобразование вида: электрический сигнал — опти-
ческий сигнал — электрический сигнал. Такой оптрон может слу-
жить для усиления электрических сигналов. Поскольку внут-
ренней электрической связи в нем нет, получается идеальная
гальваническая развязка выходной и входной цепей и одно-
сторонняя направленность сигнала.
К параметрам оптрона с внутренней фотонной связью отно-
235
F"
сятся максимально допустимый входной ток, максимально допус-
тимое 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, б) осуществляет преобразование вида: оп-
тический 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 фотоприем-
ника, а следовательно, и во входной цепи фотоизлучателя.
Световой поток фотоизлучателя, например светодиода, изме-
няется с изменением проходящего через него тока. Между
фотоприемником и фотоизлучателем обычно включается усили-
тель электрических сигналов, для того чтобы через источник
света проходил больший ток. Это увеличивает яркость свечения.
Рассмотренный тип оптрона может служить усилителем опти-
ческих сигналов и преобразователем частоты этих сигналов;
например, сигналов инфракрасного или рентгеновского излуче-
ния — в сигналы видимого спектра.
Оптрон может быть изготовлен из дискретных элементов —
бескорпусных светодиода и фотодиода, помещенных в общий
герметичный металлический корпус. Такой оптрон внутри зали-
вают специальным стеклом, служащим световодом; корпус имеет
четыре наружных вывода — два входных и два выходных. Струк-
тура такого оптрона показана на рис. 5.14, а. Условное графи-
ческое обозначение оптронов с фотонными связями при исполь-
зовании разных типов фотоприемников показано на рис. 5.14,6.
В микроэлектронике оптроны изготовляют в едином техно-
логическом процессе методом интегральной технологии одновре-
менно 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 оптичес-
кого диапазона: на прозрачную подложку методами микроэлект-
236
роники (вакуумного напыления или эпитаксиального наращива-
ния) 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 l-j-З 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 микроэлек-
тронного оптрона; 7 — фотоизлучатель; 8 — светодиод; 9 — фото-
приемник; 10 — омические контакты для выводов
разветвляющимися микроволноводами. Этим занимается инте-
гральная оптика.
Мы рассмотрели простейшие оптроны, в которых источником
света является светодиод, а фотоприемником служит фотодиод.
Такой диодный оптрон имеет большое сопротивление между це-
пями 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 оказывает-
ся разомкнутой, а при наличии светового потока, в открытом
состоянии, сопротивление уменьшается в миллионы раз (до
102—104Ом). Быстродействие диодного оптрона позволяет про-
изводить 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 мень-
ше: максимальная частота переключений до 1(г Гц.
237
В тиристорных оптронах в качестве фотоприемника исполь-
зуют 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 бес-
контактных регулировок используют резисторные оптроны, в ко-
торых фотоприемником служит фоторезистор. Их быстродействие
невелико, но более широк диапазон величин входных сигналов
и меньше темновой ток.
Более сложные оптроны могут содержать помимо фото-
излучателя 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, АОДЮ1 —диодный
оптрон светодиод — фотодиод на основе арсенида галлия, малой
мощности, порядковый номер 01.
Контрольные вопросы
1.	Назовите основные направления функциональной микроэлектроники.
2.	Какие функции выполняют оптоэлектронные устройства и в чем их пре-
имущества перед электронными устройствами?
3.	Что представляет собой оптронная пара?
4.	Какие бывают типы оптронов в зависимости от вида внутренней и внешних
связей оптронной пары? Нарисуйте их структурные суемы.
238
ЛИТЕРАТУРА
Вайсбурд Ф. И., Панаев Г. А., Савельев Б. Н. Электронные при-
боры 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.: Выс-
шая школа, 1983.
Жеребцов И. П. Основы электроники.М.: Энергоатомиздат, 1985.
Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа,
1982.
Криштафович А. К. Промышленная электроника. М.: Высшая
школа, 1984.
Криштафович А. К., Трифонок В. В. Основы промышленной элект-
роники. М.: Высшая школа, 1985.
Овечкин Ю. А. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа,
1979.
Сапаров В. Е., Максимов Н. А. Система стандартов в электро-
связи и радиоэлектронике. М.: Радио и связь, 1985.
Харченко В. М. Основы электроники. М.: Энергоиздат, 1982.
Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и ин-
тегральным 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