Электронно-дырочный переход. Свойства большинства элементов электронных схем основаны на том, что в их составе имеются электронно-дырочные переходы (p–n-переходы)

Свойства большинства элементов электронных схем основаны на том, что в их составе имеются электронно-дырочные переходы (p–n-переходы). Электронно-дырочный переход образуется в том месте, где в составе базового полупроводника (например, кремния) соприкасаются области с донорной и акцепторной примесями. Физические процессы в p–n-переходе поясняет рис. 2.1.

Рис.2.1

Движение электрических зарядов через p–n-переход при отсутствии внешнего электрического поля носит характер диффузии электронов и дырок навстречу друг другу и их рекомбинацию: электроны проникают в p-область и заполняют дырки, дырки диффундируют в n-область и компенсируют электроны. Приграничная зона лишается значительной части подвижных зарядов и потому называется обедненной. Удельное сопротивление полупроводника в пределах обедненной зоны из-за уменьшения концентрации подвижных зарядов больше, чем в объемах полупроводников, удаленных от перехода. Поэтому обедненную зону представляют, как сопротивление и одновременно как емкость, включенные параллельно. Применительно к емкости обедненный зарядами слой считается «диэлектрической прокладкой», а удаленные от перехода участки полупроводника с большой концентрацией подвижных зарядов – «металлическими обкладками». Если допустить, что границы обедненной зоны – резкие, то можно ввести параметр «ширина обедненной зоны» d: чем шире зона, т. е. чем больше значение d, тем больше сопротивление и меньше емкость p–n-перехода.

С обеих сторон границы областей с разными примесями образуются противоположные по знаку пространственные заряды (рис. 2.1., б). Распределение плотности зарядов демонстрирует рис. 2.1., в. Пространственные заряды создают электрическое поле напряженностью Е, которое противодействует дальнейшей взаимной диффузии электронов и дырок. Это поле называют диффузионным Е_диф (так как причиной его возникновения является взаимная диффузия электронов и дырок) или барьерным. Второе название поля связано с тем, что на участке между пространственными зарядами формируется разность потенциалов ∆φ = Е_диф∙ d (потенциальный барьер), что поясняет рис. 2.1, г. Емкость обедненной зоны также часто называют барьерной С_бар, а сопротивление этого участка полупроводника – сопротивлением p–n-перехода R_пер.

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение (или, что то же самое – внешнее электрическое поле) напряженностью Е_внеш, то результат будет зависеть прежде всего от того, будут ли внутреннее диффузионное и внешнее поля сонаправлены или противоположны по направлению, а также от значения Е_внеш. Если «плюс» внешнего поля приложить к p-области полупроводника, а «минус» - к n-области, то это стимулирует движение электронов и дырок через переход, диффузионное поле будет в значительной степени ослаблено внешним, потенциальный барьер понизится. Обедненная зона сузится, ее сопротивление станет малым. Барьерную емкость, значение которой увеличится, можно не учитывать, так как малое R_пер ее зашунтирует. Такое включение электронно-дырочного перехода называется прямым, а переход – открытым (отпертым).

При противоположном включении внешнего электрического поля электроны и дырки «отойдут» от границы вглубь своих областей, ширина обедненной зоны расширится, сопротивление перехода увеличится. Включение электронно-дырочного перехода, при котором Е_внеш складывается с Е_диф, называется обратным, а переход – закрытым (запертым).

Полностью закрыть p–n-переход (т. е. добиться полного прекращения электрического тока через него) нельзя из-за того, что для тока неосновных носителей полярность внешнего электрического поля, препятствующая движению основных носителей заряда, наоборот, является стимулирующей. Принципиальная невозможность запереть электронно-дырочный переход является главным недостатком полупроводниковых элементов.

Полупроводниковый диод

Диод – электронный элемент с двумя электродами. Полупроводниковые диоды являются первыми элементами электроники с использованием полупроводников, первые образцы подобных диодов появились на рубеже 20-х и 30-х годов предыдущего столетия.

Внутренняя структура полупроводникового диода представляет собой электронно-дырочный переход. Области полупроводника подключены к электродам, один из которых носит название «анод», а другой – «катод». В электрических схемах анод обозначают треугольником, а катод – черточкой, перпендикулярной к подводящим проводам (рис. 2.2. ). В электронике полупроводниковые диоды применяются чаще всего как элементы с односторон-

Рис. 2.2.

ней проводимостью. Реже используют нелинейную зависимость их сопротивления от приложенного между анодом и катодом напряжения.

Особые случаи представляют собой стабилитроны и варикапы – с точки зрения физических процессов эти элементы относятся к диодам (и даже в справочной литературе размещаются вместе с остальными диодами). С другой стороны, стабилитроны и варикапы в схемах обозначают иначе, нежели собственно диоды.

На рис. 2.3,а изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода – зависимость протекающего через диод тока от приложенного напряжения.

Рис.2.3

При приложении к аноду положительного напряжения U_ак относительно катода электронно-дырочный переход внутри диода включен в прямом направлении, и через него течет ток основных носителей I_а . В этом случае о диоде говорят, что он открыт.

Соотношение тока и напряжения для открытого диода приблизительно описывает формула I_а = k∙ (U_ак)^3/2. Значение коэффициента k позволяет учитывать особенности диодов различных типов и марок. Иногда зависимость тока от напряжения аппроксимируют логарифмической формулой (см. п.п. 6.8 – 6.9). При применении обеих аппроксимаций очевидно, что сопротивление открытого диода R_д = ∆U_ак/∆I_а непостоянно. График зависимости R_д от приложенного к диоду напряжения приведен на рис. 2.3,б.

При приложении к аноду отрицательного напряжения по отношению к катоду электронно-дырочный переход внутри диода закрывается, а включение диода называют обратным. Через полупроводниковый диод течет ток неосновных носителей («обратный» ток I_о). Сопротивление диода значительно, но не бесконечно из-за наличия этого тока. При очень больших запирающих напряжениях U_пр возможен пробой диода – электроны форсируют электронно-дырочный переход, сильно разгоняясь при получении энергии от электрического поля, приобретают большую кинетическую энергию. Если эта энергия оказывается достаточной, чтобы при столкновении электрона с атомами кристаллической решетки полупроводника выбить с орбит дополнительные электроны, то возникает лавина свободных электронов и ток через переход резко увеличивается. В обычном диоде увеличение тока ведет к разогреву полупроводникового материала, его оплавлению – диод гибнет.

Однако существуют диоды, для которых пробой – рабочее состояние. Такие диоды называют стабилитронами. Стабилитрон включают в схему так, чтобы он практически никогда не был открыт. На рис. 2.4 изображена схема защиты от перенапряжения на основе стабилитрона. Защищаемый объект обозначен как «нагрузка» R_н. Стабилитрон VD включен параллельно ему, а последовательно с нагрузкой и стабилитроном включено «гасящее» сопротивление R_г.

Рис.2.4

Схема обеспечивает непревышение на нагрузке напряжения пробоя стабилитрона U_пр. Если входное напряжение U_вх меньше этого значения, то стабилитрон закрыт, пробоя нет, через него течет маленький ток и на гасящем сопротивлении почти не падает напряжение. Это значит, что напряжение на нагрузке равно входному. При U_вх > U_пр в стабилитроне возникает обратимый пробой, напряжение на нем, а значит и на нагрузке становиться равным U_пр, мощный ток пробоя I_прсоздает на гасящем сопротивлении падение напряжения, равное ∆U_г = R_г∙I_пр = U_вх −U_пр.

Третий вид полупроводниковых диодов – варикапы. Название элемента восходит к латинскому «вариативный» – изменчивый и к немецкому названию емкости «Die Kapazität». «Прозрачный намек» на функцию элемента содержится и в его условном обозначении в схемах – гибриде диода и конденсатора.

Рис.2.5.

Варикап – это переменная емкость, значение которой управляется приложенным к элементу напряжением. Варикап, как диод и стабилитрон, содержит в своем составе электронно-дырочный переход, при этом изменяющаяся емкость элемента есть не что иное, как барьерная емкость этого перехода. Разумеется, сопротивление перехода при этом должно быть значительным, дабы не шунтировать емкость – поэтому при использовании варикапов следует подавать на анод элемента отрицательное напряжение относительно катода. Емкости варикапов невелики, достигают десятков пикофарад. Зависимость емкости варикапа от модуля приложенного к нему напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (ВФХ). Пример ВФХ приведен на рис. 2.5.

Как правило, ВФХ удается достаточно точно описать гиперболической зависимостью.

Биполярный транзистор

Транзистор – электронный элемент с тремя электродами. Наличие именно трех электродов должно было стимулировать закрепление иного названия – полупроводниковый триод. Такое название действительно существовало (сокращенно – ППТ), однако затем уступило современному термину. Слово «транзистор» объединяет два класса элементов с очень различающимися физическими принципами, свойствами, историей разработки и даже терминологией.

Первый из рассматриваемых класс транзисторов – биполярные. Все биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры с двумя электронно-дырочными переходами. Крайние слои имеют одинаковую проводимость, средний слой – противоположную. Таким образом, возможно два варианта чередования слоев и, соответственно, два типа биполярных транзисторов - n–p–n-типа и p–n–p-типа. Применение обоих типов транзисторов на практике различается только полярностью питающих напряжений.

Все три слоя полупроводника в транзисторе имеют выводы. Один из крайних слоев – тот, который является источником зарядов, образующих электрический ток, называется эмиттером. Средний слой носит название «база», а второй крайний слой – «коллектор» (по смыслу – «собиратель» зарядов). Работа транзистора зависит от того, электроны или дырки являются основными носителями заряда, а также от распределения потенциалов эмиттера φ_э, базы φ_б и коллектора φ_к.

В качестве примера будем рассматривать n–p–n-транзистор: в этом случае как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности (относительно эмиттера) и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включения транзисторов p–n–p-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n–р–n-транзисторов.

Рассмотрим три варианта распределения потенциалов электродов:

1). φ_э < φ_б < φ_к

При таком распределении потенциалов электроны из эмиттера под действием положительного потенциала базы проходят через открытый переход эмиттер-база (образуя ток эмиттера I_э, частично рекомбинируют в базе с дырками. Однако большинство электронов проходит сквозь базу и устремляется в коллектор, потенциал которого еще более положительный. Переход база-коллектор для электронов коллектора закрыт, но этот факт не препятствует электронам из эмиттера. База обычно имеет малую толщину, дырок в ней немного и возможности рекомбинации сильно ограничены. Подток дырок к зоне рекомбинации, а значит и базовый ток I_б невелик – основная часть I_э превращается в коллекторный ток I_к.

Меняя потенциал базы, можно регулировать интенсивность процесса прохождения электронов через переход эмиттер-база, а значит и значение I_к. Таким образом, транзистор представляет собой управляемый напряжением между базой и эмиттером источник тока. Описанный режим носит название линейного и используется в усилителях (см. гл. 5).

2). φ_э > φ_б < φ_к

При таком распределении потенциалов электродов закрыты оба электронно-дырочных перехода транзистора и ток через него практически не течет. Исключение составляет небольшой ток неосновных носителей, в данном случае дырок: для этих положительно заряженных частиц минус на базе является не тормозящим фактором, а стимулирующим их движение. Транзистор практически не управляем, представляет собой большое сопротивление. Описанный режим называется режимом отсечки и используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов и ряде других электронных схем.

3). φ_э < φ_б > φ_к

В этом случае в транзисторе открыты оба электронно-дырочных перехода, через него течет максимально возможный ток. Транзистор неуправляем и представляет собой малое сопротивление. Описанный режим называется режимом насыщения и вместе с режимом отсечки используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов.

Линейный режим занимает среднее положение между режимами отсечки и насыщения. Когда перед транзисторной электронной схемой ставят задачу воспроизведения формы многоуровнего сигнала (например, его усиление), то выход за пределы линейной зоны недопустим. Напротив, при формировании двухуровневых сигналов (например, прямоугольных импульсов) необходимо как можно быстрее перевести транзистор из отсечки в насыщение и обратно.

Более подробному рассмотрению принципа действия и свойств биполярных транзисторов посвящена глава 5 «Транзисторные усилители», а также п.п. 10.4, 10.5, 10.7, 10.9 и 10.10, посвященные транзисторным генераторам прямоугольных и пилообразных импульсов.

Полевой транзистор.

Полевые (другое название – канальные) транзисторы существенно отличаются от биполярных по своему принципу действия. У двух из трех модификаций этих элементов отсутствует электронно-дырочный переход. Электроды полевых транзисторов имеют названия исток, затвор и сток, исток и сток соединяет канал, по которому течет электрический ток. Затвор своим электрическим полем, как правило, без гальванической связи с каналом воздействует на сечение (ширину) канала и тем самым на значение тока в нем.

Несмотря на существенное различие в физике процессов допустима аналогия электродов полевого и биполярного транзисторов. Так, исток является аналогом эмиттера, сток – коллектора. Управляющий электрод – затвор является аналогом базы.

Принцип действия полевых транзисторов поясняет рис. 2.6.

Рис.2.6

Допустим, что исток и сток изготовлены из n-полупроводника: для того, чтобы между этими электродами потек ток (очевидно, что он будет представлять собой передвижение электронов), необходимо на сток подать «плюс» относительно истока. Однако это не единственное условие, которое требуется выполнить – для прохождения электронов требуется создать канал из того же n-полупроводника. Интенсивность тока по каналу практически линейно зависит от его сечения, поэтому регулировать значение тока можно, меняя ширину канала.

Сечением канала управляют напряжением, подаваемым на затвор. Как правило, между затвором и каналом размещают слой диэлектрика (часто – окисла). Поскольку сам электрод «затвор» представляет собой слой металлизации, то в транзисторе образуется чередование слоев Металл – Диэлектрик- Полупроводник (МДП-структура). Если диэлектриком является окисел, то такую структуру называют МОП-структурой. По аббревиатуре слоистой структуры данную группу полевых транзисторов называют МОП-транзисторами.

Наличие слоя диэлектрика между затвором и каналом исключает гальваническую связь между управляющим электродом и объектом управления, характерную для биполярных транзисторов (где база не имеет гальванической развязки с эмиттером и коллектором). Управление током через канал со стороны затвора осуществляется электрическим полем. Ток затвора практически равен нулю, а входное сопротивление (между затвором и истоком) полевого транзистора составляет огромную величину. По этим параметрам полевые транзисторы существенно превосходят биполярные.

Канал конструктивно может быть сформирован по-разному. Если в структуре полевого транзистора он изготовлен в качестве слоя (транзистор со встроенным каналом), то при нулевом напряжении на затворе ток между истоком и стоком течет (см. вольт-амперную характеристику полевого транзистора, рис. 2.7, график 2). Такие полевые транзисторы называются транзисторами со встроенным каналом.

Рис.2.7.

Однако в некоторых модификациях транзисторов при нулевом напряжении на затворе канала нет, а между истоком и стоком находится зона чистого полупроводника. Чтобы в этой зоне создать (индуцировать) канал, надо «отогнать» нежелательные носители заряда вглубь ее. Например, если по каналу должны двигаться электроны, необходимо удалить из него дырки – для этого надо подать на затвор положительный потенциал. Транзисторы, в которых используется указанный механизм, называются транзисторами с индуцированным каналом (вольт-амперную характеристику транзистора с индуцированным каналом см. на рис. 2.7, график 3)

Как видно из рассмотрения, в полевых транзисторах электронно-дырочный переход не используется. Однако это верно только для МОП-транзисторов. Для регулировки сечения канала можно соединить затвор с каналом запертым p–n–переходом. При изменении напряжения затвора степень закрытия этого перехода, а значит ширина его обедненной зоны будет меняться. Конструктивно транзисторы рассматриваемого типа изготавливают так, чтобы обедненная зона «вторгалась» в канал – тогда при ее расширении канал сужается и наоборот. Полевые транзисторы с электронно-дырочным переходом имеют относительно меньшее входное сопротивление, чем МОП-транзисторы, что является их очевидным недостатком. Вольт-амперная характеристику транзистора с приведена на рис. 2.7, график 1).

Тиристоры и динисторы

Тиристоры и динисторы относятся к группе четырехслойных полупроводниковых элементов со структурой p-n-p-n или n-p-n-p.Таким образом, в каждом из элементов имеется по три электронно-дырочных перехода. Наружные выводы в тиристорах присоединены к трем слоям полупроводника – крайним и одному внутреннему, в динисторах наружных выводов только два и подача сигнала на внутренние слои невозможна. Электроды, соединенные с крайними полупроводниковыми слоями у тиристора и динистора имеют те же названия, что и у диода – анод и катод. Электрод, соединенный с одним из внутренних слоев тиристора, называется управляющим электродом (УЭ): если УЭ присоединен к внутреннему слою, примыкающему к аноду, говорят, что тиристор «имеет управление по аноду», а если к слою, соседнему с катодом – «управление по катоду».

На рис. 2.8 приведены условные обозначения тиристоров и динистора в принципиальных электрических схемах. В отличие от транзисторов, ток через которые можно плавно регулировать напряжением, подаваемым на базу или затвор (в линейном режиме), тиристор и динистор являются переключающими элементами с двумя состояниями – открытым и закрытым. При этом физические процессы при открывании закрытого тиристора (динистора) и закрывании открытого коренным образом отличаются.

Рис.2.8

Допустим, что на четырехслойную полупроводниковую структуру подали небольшое напряжение так, что «плюс» приложен к аноду (представляющему собой p-слой), а «минус» - к катоду (к n-слою). Очевидно, что для обоих крайних электронно-дырочных переходов такое распределение потенциалов стимулирует их открывание, а вот средний переход останется закрытым. Чтобы через динистор или тиристор потек ток анод-катод, надо открыть все три перехода, однако это случается только при достижении внешним напряжением некоторого уровня, именуемого напряжением включения U_вкл.

Рис 2.9

Физические процессы, приводящие к открыванию среднего p-n-перехода, заключаются в следующем: через открытый переход, примыкающий к аноду, в направлении среднего слоя диффундируют дырки, которых отталкивает приложенный к аноду «плюс». Дальше среднего слоя, примыкающего к аноду, дыркам не пройти, пока средний переход закрыт – поэтому идет их накопление. Процессы, происходящие вблизи катода, аналогичны «с точностью до наоборот» рассмотренным процессам вблизи анода – они приводят к накоплению электронов в среднем слое, примыкающем к катоду. В результате накопления заряженных частиц по обе стороны перехода образуется диффузионное электрическое поле, компенсирующее внешнее и средний электронно-дырочный переход открывается. Теперь, когда все три перехода открыты, сопротивление тиристора или динистора становится малым, а ток через них – значительным. Тиристор, у которого имеется УЭ, можно открыть, не дожидаясь накопления зарядов вокруг среднего p-n-перехода. Для этого надо подать на внутренний слой короткий импульс такой полярности, чтобы переход открылся – «помочь» диффузионному электрическому полю. При закрывании тиристора или динистора необходимо снизить напряжение между анодом и катодом: «выключение» обоих элементов не сопровождается скачкообразными процессами, свойственными для их «включения». Вольт-амперные характеристики тиристора и динистора приведены на рис. 2.9. Два различных полупроводниковых элемента имеют, таким образом, одинаковые ВАХ. Отличие заключается в том, что U_вкл у динистора не зависит от внешнего воздействия, а у тиристора может быть снижено подачей импульса требуемой полярности на управляющий электрод. Уменьшение U_вкл тиристора при подаче импульса на УЭ называется «спрямлением» ВАХ, в действительности становящейся менее изогнутой на этапе открывания элемента.

Тиристоры и динисторы, как правило, используются для переключения довольно больших токов. В справочной литературе по электронике тиристоры и динисторы часто размещают в одних томах с диодами, стабилитронами и варикапами.

Фотоэлектронные элементы

В настоящее время фотоэлектронные элементы изготавливают в основном из полупроводников, в приповерхностном слое которых под действием лучистой энергии возникает внутренний фотоэффект – изменяется удельное сопротивление полупроводника за счет высвобождения электронов в некоторых атомах. При этом электроны не выходят из объема полупроводника, но становятся подвижными. В определенных пределах существует практически линейная зависимость между световым потоком Ф и током I через полупроводник, таким образом простейший фотоэлектрический элемент – фоторезистор аналогичен термистору (см. п. 2.9), однако вместо зависимости сопротивления R от тепловой энергии имеет место зависимость R от лучистой энергии. Условное обозначение фоторезистора см. рис. 2.10,а.

а)	б)
Рис. 2.10.

Главной характеристикой фоторезистора является удельная интегральная чувствительность S = I / (ФU), где U – напряжение, приложенное к фоторезистору.

Фоторезисторы обладают двумя недостатками. Во-первых, даже при абсолютной темноте (при Ф = 0) через полупроводник течет ток, называемый темновым I_т. В отличие от него ток, обусловленный лучистой энергией I называют фототоком. Во-вторых, фоторезистор инерционен, особенно при выключении освещения или его ослаблении: процесс возвращения электронов в атомы, т. е. их рекомбинации требует времени.

Наряду с фоторезисторами в электронике применяют полупроводниковые фотодиоды (Рис. 2.10, б). Внутри фотодиода, как и внутри обычного диода находится электронно-дырочный переход. В отсутствие лучистой энергии переход заперт, но, как известно из п. 2.2, через запертый переход течет небольшой ток неосновных носителей. В отсутствие освещения он невелик, но при появлении лучистой энергии резко возрастает и тогда можно считать фотодиод открытым. В отличие от фоторезисторов, используемых для плавной регулировки тока, фотодиоды применяют в схемах с дискретным изменением сопротивления («открыт-закрыт»).

В электронике применяют и многопереходные светочувствительные приборы – фототранзисторы и даже фототиристоры.

Светоиспускающие элементы

Рис. 2.11

Светоиспускающие полупроводниковые диоды (светодиоды) в известном смысле являются «антиподами» фотодиодам: при протекании через них электрического тока (электронного и дырочного) происходит рекомбинация этих движущихся навстречу друг другу частиц, в результате чего оба носителя заряда теряют свою кинетическую энергия. Высвобождается энергия в первую очередь в форме квантов (т. е. светового или инфракрасного излучения). Кванты светового излучения называют фотонами, а кванты инфракрасного «теплового» излучения – фононами. Поскольку светодиоды чаще всего применяют как индикаторы, то полезным «выходом» светодиода является доля фотонов в общем количестве испущенных частиц. Условное обозначение светодиодов в электронных схемах приведено на рис. 2.11.

В светодиодах применяют различные полупроводниковые материалы – чаще других арсенид галлия GaAs и карбид кремния SiC; от применяемого материала, а также от приложенного к светодиоду напряжения зависит цвет излучения светодиода.

Светодиоды объединяют вместе с фотодиодами в единые элементы, называемые оптронами или оптопарами. Применение оптронов позволяет организовать в электронных схемах гальваническую развязку между цепями - например, между цепью управляющего сигнала и управляемой (коммутируемой) цепью.

Терморезисторы

Терморезисторами называют элементы, сопротивление которых зависит от температуры. Существуют различные модификации этих элементов, однако большинство терморезисторов составляют термисторы - терморезисторы прямого подогрева, сопротивление которых зависит от значения протекающего через них электрического тока. Термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов. Конструктивно они представляют собой объемные тела с однородным составом. Условное обозначение терморезисторов приведено на рис 2.12, а.

а)	б)
Рис. 2.12

Зависимость сопротивления термистора от температуры - температурная характеристика (ТХ) приведена на рис. 2.12, б. Уменьшение сопротивления с увеличением температуры – общее свойство полупроводниковых материалов: подвод тепловой энергии к атомам полупроводника приводит к высвобождению электронов с наружных орбит. Свободные электроны под действием приложенного внешнего напряжения двигаются к положительному полюсу и образуют электрический ток. При малых токах нагрев термистора слабый, сопротивление – большое, поэтому напряжение на термисторе значительное. С возрастанием тока нагрев увеличивается, сопротивление понижается, поэтому снижается и напряжение.

Кроме термисторов к терморезисторам относятся болометры, реагирующие на энергию электромагнитных волн сверхвысоких частот; терморезисторы косвенного подогрева, имеющие форму втулок, надеваемых на источники теплового излучения; позисторы, изготавливаемые из особой группы полупроводников – цирконатов и титанатов бария и свинца, у которых за счет доменной структуры материала имеет место увеличение сопротивления при возрастании температуры.

Варисторы

Варистор – нелинейное полупроводниковое сопротивление (НПС), управляемое приложенным к этому элементу напряжением. Варисторы не имеют электронно-дырочных переходов и выполняются, как правило из порошкообразного карбида кремния SiC. Оба компонента относятся к четвертой группе таблицы Д.И. Менделеева, поэтому карбид кремния, несмотря на наличие двух составляющих относится к чистым полупроводникам. Применяются и другие полупроводниковые материалы, в том числе разработанный в 70-е годы прошлого столетия в ЛЭТИ материал «лэтин».

Рис. 2.13

Условное обозначение варистора приведено на рис. 2.13. На рис. 2.14, а приведена вольт-амперная характеристика варистора, а на рис. 2.14, б – зависимость сопротивления варистора от приложенного напряжения. Характеристики инвариантны к полярности приложенного к варистору напряжения.

Рис. 2.14

Несмотря на кажущуюся простоту устройства варистора его свойства обусловлены довольно сложными физическими процессами. Пористость карбида кремния приводит к тому, что в толще материала имеются острые зубцы материала, внутренние поверхности покрыты тонкой пленкой окисла, контакты отдельных кристаллов имеют небольшую площадь, а потому – большое сопротивление. При повышении напряжения, приложенного к варистору, на остриях возникает автоэлектронная эмиссия, происходят пробой оксидных пленок и микронагрев контактных площадок кристаллов. Все три механизма обуславливают понижение сопротивления элемента.

Электронные лампы

Этот параграф содержит историческую справку о том, на какой элементной базе развивалась электроника до тех мор, пока не удалось создать совершенные полупроводниковые приборы. В 1904 году Флеминг изготовил первый диод. По своей вольт-амперной характеристике этот элемент ничем не отличался от полупроводникового диода, описанного в п. 2.3. Однако по своему устройству диод Флеминга свершено не похож на свой более поздний аналог – он представлял собой полый сосуд, из которого был откачан воздух, а внутрь сосуда введены два электрода. Один из электродов – катод являлся источником электронов, вылетавших в вакуум благодаря термоэмиссии (катод подогревался так называемой нитью накала). Попав в вакуум, электроны либо устремлялись к другому электроду – аноду (если на нем был положительный потенциал относительно катода), либо скапливались вблизи катода в случае «отрицательного анода». Скопление электронов – пространственный заряд препятствовал дальнейшей эмиссии и процесс стабилизировался.

Вакуумный диод (позднее стали говорить «электровакуумный») называли также термином «кенотрон». Так по наличию вакуума этот элемент имел много общего с осветительными лампами накаливания, то его и родственные ему иные радиодетали получили групповое название «радиолампы». Главными недостатками радиоламп были: необходимость подогрева катода (на это уходила значительная энергия); высокие напряжения между электродами (сотни вольт – единицы киловольт), что делало настройку схем небезопасной и, наконец, большие габариты ламп.

В 1907 г. Ли де Форест ввел между катодом и анодом третий электрод. Этот электрод конструктивно был выполнен в форме сетки, и поэтому получил именно это название (по-английски greed, по-немецки – gitter; именно по первой букве слова «сетка» в этих языках потенциал сетки стали обозначать, как U_g). Сама лампа получила название триод – она являлась аналогом будущего транзистора, причем первые транзисторы в СССР называли полупроводниковыми триодами, сокращенно – ППТ. Изобретение Ли де Фореста произвело революцию в электронике – меняя напряжение U_g, можно было изменять ток между анодом и катодом (примерно так током через транзистор управляют напряжение на базе или на затворе). В дальнейшем в радиолампах появились вторая, третья и даже пятая сетки), а общее количество электродов достигло семи. Соответственно, лампа с двумя сетками называлась тетродом, с тремя – пентодом и т.д. Получили свою маркировку и сетки. К сожалению, при переходе к полупроводниковым элементам схемы, основанные на многосеточных лампах не получили своих полупроводниковых аналогов и остались в истории электроники.

Кроме вакуумных радиоламп были разработаны и газонаполненные (газоразрядные). В большинстве из них использовался тлеющий разряд, что роднит их с газосветными трубками. Наибольшее распространение получил аналог полупроводникового тиристора – тиратрон. Собственно говоря, слово «тира», обозначающее «поджиг» перешло к тиристору от своего газоразрядного аналога, хотя в тиристоре никакого горения нет.

Следует отметить, что радиолампы и транзисторы сосуществовали несколько десятилетий. Изготовители радиоламп минимизировали их размеры, даже размещали лампы внутри так называемых «микромодулей» - первых микросхем, снижали напряжения на электродах, сумели обойтись без подогрева катода. Но полупроводниковые элементы все же оказались совершеннее. И все-таки замена радиоламп на транзисторы (особенно на биполярные) сопровождалась не только положительными эффектами: подавая отрицательное напряжение на сетку, можно было добиться нулевого тока через вакуумный триод, да и ток сетки становился нулевым. А вот через транзистор при любом запирающем напряжении на базе течет ток неосновных носителей. Впрочем, этот недостаток свойственен только биполярным транзисторам, полевые обладают достоинствами и радиоламп, и полупроводников.

Лампы не исчезли полностью из электроники – на основе формирования пучков электронов в вакууме действуют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Вместо анода-собирателя электронов у трубок анод представляет собой кольцо с большим положительным потенциалом. Электроны под действием этого потенциала сильно разгоняются и в силу инерции пролетают мимо анода, попадают в экран и вызывают его свечение. В эксплуатации до сих пор находятся телевизоры и мониторы компьютеров на основе ЭЛТ, а среди осциллографов приборы с указанным принципом формирования изображения пока превалируют.

Вместе с тем постепенно уходят в историю и транзисторы, выполненные в форме отдельных элементов – на смену им пришли интегральные микросхемы (ИМС). Однако понимания принципа действия современных электронных схем ни основе ИМС невозможно добиться без знания физики процессов в простейших полупроводниковых элементах – диодах, транзисторах и т.д., поэтому в пособии схемам на их базе уделено определенное внимание.

ФИЛЬТРЫ

Фильтры – это электронные схемы, назначением которых является избирательность: коэффициент передачи К_U фильтров зависит от частоты f (под коэффициентом передачи подразумевают отношение амплитуды выходного сигнала U_вых к амплитуде входного U_вх). Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) схемы. Основной характеристикой фильтра является граничная частота f_гр– такая, при которой К_U = 0,7 от своего максимального значения. По форме АЧХ фильтры подразделяют на четыре вида (рис. 3.1): а – фильтр низких (нижних) частот (ФНЧ); б – фильтр высоких (верхних) частот (ФВЧ); в – полосовой фильтр (ПФ); г – режекторный фильтр (РФ). Кроме того, существуют так называемые гребенчатые фильтры, которые имеют несколько полос пропускания, разделенных полосами, в пределах которых сигнал не проходит через схему.

Используют и другой классификационный признак, в соответствии с которым фильтры относят к электрическим (пассивным – состоящим только из элементов R, C, L, и активным – содержащим активные элементы, например, операционные усилители) и неэлектрическим.

В данной главе рассмотрены только пассивные и неэлектрические фильтры, так как для объяснения принципа действия активных фильтров тре-

Рис. 3.1

буется предварительное изучение операционных усилителей, с активными фильтрами можно познакомиться в гл. 5 настоящего пособия.