Промышленная электроника [Сергей Павлович Миклашевский] (pdf) читать онлайн

с 77. Миклашевский

ПРОМЫШЛЕННАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА

с . п . М и к л а ш евск и й

ПРОМЫШЛЕННАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
Допущено Министерством
высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов вузов,
обучающихся по специальности
^Электрификация и автоматизация горных работ*

и зд ател ьств о

«н

е д р

Москва, 1973

а

»

Миклашевский С. П. Промышленная электроника.
М ., «Недра», 1973, 344 с.
В книге описаны элементы, узлы и схемы
промышленной электроники. В качестве элементов
схем промышленной электроники рассмотрены элек­
тровакуумные и газоразрядные приборы, полупровод­
никовые приборы без электронно-дырочных перехо­
дов, полупроводниковые приборы с одним или не­
сколькими электронно-дырочными переходами, фото­
электронные приборы, линейные элементы радио­
электронных цепей; изложены вопросы микромини­
атюризации радиоэлектронной аппаратуры; рассмот­
рены основные логические элементы и электронные
реле. Описаны ламповые и транзисторные усилители,
ламповые генераторы, мультивибраторы, триггеры,
выпрямители, стабилизаторы напряжения и тока,
преобразователи и электронные измерительные при­
боры.
Книга составлена в соответствии с учебной про­
граммой курса «Промышленная электроника» и пред­
назначена в качестве учебного пособия для студентов
электротехнической специальности горнометаллурги­
ческих вузов и может быть использована студентами
других специальностей.
Таблиц 37, иллюстраций 175.

0373—555
043(01)— 73~

@ Ивдательство «НЕДРА», 1973

ВВЕДЕНИЕ
Промышленной электроникой называют раздел технической электроники,
изучающий разработку и промышленное применение электровакуумных, газо­
разрядных и полупроводниковых электронных приборов и устройств.
Электроника — область науки и техники, охватьшающая изучение и при­
менение электронных и ионных процессов, протекающих в вакууме, газах, ,жид­
костях, твердых телах, в плазме и на границах перечисленных сред.
В электронике имеется два основных научно-технических направления:
1. Физическая электроника, предметом которой являются теоретические
и экспериментальные исследования электронных и ионных процессов и явлений,
принципы построения электронных и ионных приборов, устройств и уста­
новок, принципы получения, пр.еобразования и передачи электрической энер­
гии с помощью электронных приборов и устройств, изучение механизма
воздействия потоков электронов, ионов, квантов и электромагнитных полей
на вещество.
2. Техническая (прикладная) электроника, предметом которой является
теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых
приборов, устройств, систем и установок в различных областях человеческой
деятельности — в науке, искусстве, промышленности, связи, медицине, сель­
ском хозяйстве, строительстве, транспорте и т. д.
По способу взаимосвязи электронных и ионных процессов, приборов и уст­
ройств с технологическим процессом в промышленности различают три области
промышленной электроники:
1. Информационная промышленная электроника, охватывающая вопросы
сбора, передачи, хранения и переработки информации для управления произ­
водственными нроцессами.
Сбор информации осуществляется электронными датчиками и преобразова­
телями неэлектрических величин в электрические сигналы.
Передача информации осуществляется различными каналами связи.
Хранение информации осуществляется в элементах памяти (запоминающих
устройствах).
Переработка информации и выдача управляющих команд осуществляется
■комплексом современных электронных вычислительных устройств и машин.
Сюда относятся электронные вторичные приборы контроля технологических
процессов, электронные регулирующие устройства— оптимизаторы, функци­
ональные блоки — вычислительные машины непрерывного действия (аналого­
вые), моделирующие машины, электронные цифровые вычислительные машины
и т. п.
2. Энергетическая промышленная электроника, занимающаяся вопросами
непосредственного превращения тепловой, ядерной, световой энергии в электри­
ческую, минуя промежуточное получение механической энергии, и вопросами
преобразования с помощью электронных приборов электрической энергии одного
вида в электрическую энергию другого вида.
К приборам и устройствам энергетической промышленной электроники
следует отнести магнитогидроэлектрические, термоэлектрические, термоэлек­
тронные, плазменные генераторы, ядерные генераторы (на основе деления или
реакции синтеза), фотоэлектронные генераторы, выпрямители, стабилизаторы,
инверторы, преобразователи частоты и т. п.

3.
Технологическая промышленная электроника, рассматривающая
просы электронно-ионной технологии, т. е. неносредственные воздействия
на вещество потоками электронов, ионов, нейтронов, фотонов или электрома­
гнитных полей для осуществления или ускорения тех или иных технологических
процессов.
К технологической промышленной электронике относится электротермия,
электролиз, газовая электрохимия, электросварка электронным лучом в вакууме,
размерная электрообработка металлов,
некоторые методы
электропечати,
электросепарация и электрообогащение полезных ископаемых и т. д.
С в я з ь п р о м ы ш л е н н о й э л е к т р о н и к и со с м е ж н ы м и
н а у к а м и . Изучению промышленной электроники предшествует изучение
курсов высшей математики, физики (разделы электричество, оптика, меха­
ника, физика твердого тела) и теоретических основ электротехники. Парал­
лельно с курсом промышленной электроники изучается курс «Электрические
измерения электрических и неэлектрических величин», так как ироектировашш
и построение систем информационной промышленной электроники невозможно
€ез знания устройства и параметров датчиков, преобразующих неэлектрические
величины в электрические сигналы.
Курс промышленной электроники является базовым для последующего изу­
чения курсов: «Электрические аппараты и приборы автоматики»,
«Теория
автоматического управления», «Основы электропривода», «Вычислительная
техника», «Передача и преобразование информации», «Автоматизация и авто­
матизированные системы управления», «Специальные вопросы электрификации
и автоматизации».
Промышленная электроника совместно с вычислительной техникой, автома­
тикой и телеавтоматикой позволяет в ближайшие годы реализовать и внедрить
в народное хозяйство автоматизирова1Н1ые системы управления отдельными
отраслями иромышле!шости и народным хозяйством в целом.
Применение промышленной
электроники
в гор­
н о й п р о м ы ш л е н н о с т и . Информационная промышленная электроника,
к сожалению, в настоящее время мало внедрена в горной промышленности. Од­
нако многие научно-исследовательские и проектные организации занимаются
вопросами проектирования и внедрения в горную промышленность устройств
информационной промышленной электроники.
Так, Институтом горного дела им. А . А . Скочинского совместно с Институ­
том проблем управления АН СССР и Дненропетровским заводом шахтной авто­
матики разработана бесконтактная телемеханическая аппаратура Т К У -2 диспет­
черского контроля и управления для шахт. Эта аппаратура позволяет вести
непрерывный контроль за ходом производственных процессов, за режимом ра­
боты шахтных механизмов с одновременной автоматической регистрацией
их работы, вести учет количестве1шых показателей но добыче угля отдельными
участками и шахтой в целом, контролировать содержание метана в шахтной
атмосфере, температуру и запыле1пюсть воздуха в подземных выработках и т. п.
Энергетическая промышленная электроника представлена в горной промьпнленности значительно шире. Так, тяговые подстанции электровозной откатки
работают на ртутных вентилях или па тиристорах. В зарядных устройствах
HiaxTHbix аккумуляторных применяют полупроводниковые вент1гли или тири­
сторы, все шире внедряются в горнодобывающую промышленность системы
электропривода, использующие системы энергетической промышленной элек­
троники, — управляемый статический преобразователь — двигатель постоян­
ного тока, системы электропривода перемепного тока с частотным регулирова­
нием, системы следящего электропривода с фазочувствительными усилителями
и т. п.
Технологическая промышлмтая электроника найдет широкое применение
в шахте будущего, начиная от широкого внедрения систем электрообогащения
полезных ископаемых и кончая прогрессивными методами разрушения горных
пород с помощью лазеров и мазеров.

в

Глава 1
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
§ 1-1. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Электроны — элементарные материальные частицы, являющиеся
носителями отрицательного электрического заряда.
Связанными называют электроны, входящие в состав электрон­
ных оболочек атомов вещества.
Полусвободными условимся называть электроны, перемещающи­
еся внутри твердого или жидкого вещества, не входящие в состав
электронных оболочек атомов. Иногда такие электроны называют
свободными.
Свободными называют электроны, не входящие в состав элек­
тронных оболочек атомов, перемещающиеся в газовой среде или
в глубоком вакууме.
Электронной эмиссией называют процесс выделения свободных
электронов с поверхности твердого или жидкого вещества.
Катодом электровакуумного или газоразрядного (ионного) при­
бора называют электрод, основным назначением которого является
эмиссия электронов.
В твердом веществе при температуре 0° К энергия электронов
не может быть равна нулю, так как все связанные электроны атомов
вещества, находясь на самых низких возможных для данного веще­
ства энергетических уровнях, продолжают вращаться по соответ­
ствующим орбитам вокруг ядер атомов.
Наибольшая возможная энергия электронов при 0° К

соответствует, как известно, энергии уровня Ферми,^
где h — постоянная Планка;
п — количество полусвободных электронов в 1 см® металла;
гпд — масса электрона.
1 Уровнем Ферми называют энергетический уровень, вероятность нахожде­
ния электронов на котором равна Va-

Энергия Wi составляет около 1 эв для щелочноземельных метал­
лов и достигает 10 эв для вольфрама и платины.
Однако этой энергии недостаточно для выхода электронов с по­
верхности вещества, т. е. для электронной эмиссии.
С повышением температуры или при каком-либо внешнем энерге­
тическом воздействии энергия полусвободных электронов может
быть увеличена до величины Wa, достаточной для выхода электронов.
Как известно, металлы характеризуются отсутствием запрещенной
зоны между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому при
комнатной температуре валентные электроны частично уходят в зону
проводимости, а в узлах кристаллической решетки находятся поло­
жительные ионы атомов. Заряды полусвободных электронов, находя­
щихся в зоне проводимости, внутри металла нейтрализуют положи­
тельные заряды ионов, но у поверхности металла появляются силы
поверхностного притяжения, препятствующие выходу полусвобод­
ных электронов в вакуум. Для преодоления этих сил и для выхода
за пределы катода полусвободный электрон должен получить извне
дополнительную энергию
• W o ^ W a -W i,
(1-2)
называемую работой выхода электрона.
Потенциал работы выхода
фо = - ^ ,

(1-3)

где q — заряд электрона.
Для вольфрама
= 4,6 эв, для бария Wg = 2,58 эв, для цезия
Wg = 1,87 эв.
В зависимости от вида внешнего воздействия, необходимого для
освобождения электронов, различают пять видов электронной эмис­
сии: термоэлектронная, фотоэлектронная, электростатическая, вто­
ричная и эмиссия, возникающая в результате воздействия на поверх­
ность катода тяжелых частиц.
Термоэлектронная эмиссия возникает при нагревании катода
и вызвана увеличением энергии полусвободных электронов нод
действием фононов тепловой энергии.
Ток термоэлектронной эмиссии определяется количеством элек­
тронов, вылетающих с поверхности термокатода в единицу времени,
и может быть найден аналитически но формуле Ричардсона
I,r= ^ S ^ A T 4 ^ ,
где S„ — площадь излучающей поверхности катода, см^;
л
“
А — эмиссионная постоянная, — ^,рдд2 >
различных ме­
таллов Л = 55 ^ 330;
Т — абсолютная температура но шкале Кельвина;

j = . 5 ^ = 2100 Ч- 52 400 — температурный
эквивалент
рак
боты выхода;
— постоянная Больцмана;
0
основание натурального логарифма.
Зависимость тока эмиссии от температуры для вольфрамового
катода показана на рис. 1-1. Как видно из графика, для вольфрамо­
вых термокатодов следует выбирать температуру 2400—2600° К ,
так как при температурах ниже 2400° К ток эмиссии становится
ничтожно малым, а при температурах свыше 2600° К резко сокра­
щается срок службы катода.
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) — явление испу­
скания фотокатодом электронов под действием лучистой энергии —
была открыта в 1887 г. Г. Герцем и иссле­
дована в 1888 г. А. Г. Столетовым.
Первый
закон
фотоэффекта
(закон
А. Г. Столетова):
г-ф= iiTO,
(1-5)
где 1ф — ток фотоэлектронной эмиссии;
К — интегральная чувствительность фо­
тоэлемента;
Ф — световой поток, лм.
Энергия фотона
W c = h\,
(1-6)

РИО. 1 -1 . Э и и с си о в н а я х а ­
р а к тер и сти к а в о л ь ф р а м о в о го
те р м о к а т о д а

где V — частота электромагнитного (свето­
вого) излучения.
Фотоэлектронная эмиссия возможна лишь в том случае, когда
энергия фотона И^ф > W^.
Второй закон фотоэффекта установлен в 1905 г. А. Эйнштейном:
W, = ^ ^ h v - W o

(1-7)

Из закона следует, что кинетическая энергия электрона, освобожден­
ного с поверхности фотокатода, зависит только от частоты светового
потока V и работы выхода Wg и не зависит от интенсивности светового
излучения.
Следовательно, для каждого материала фотокатода суш,ествует
граничная (пороговая) частота
' ’гр =

Wo

(1-8 )

при которой начинается фотоэлектронная эмиссия. Из соотношения
(1-8) следует, что чем больше работа выхода электронов W^, тем
выше граничная (пороговая) частота v^p, при которой начинается
фотоэлектронная эмиссия.
Для лития, натрия, калия, цезия, рубидия граничная частота
находится в видимой части спектра; для металлов с большей работой

выхода (вольфрам, платина) граничная частота находится выше
видимого участка спектра, в области ультрафиолетовых излучений.
Следовательно, в качестве фотокатодов следует применять мате­
риалы с возможно меньшей работой выхода. Наибольшее распростра­
нение
получили
кислородно-цезиевый
и
сурьмяно-цезиевый
фотокатоды.
Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия возникает в ре­
зультате воздействия на поверхность катода сильного электрического
поля при условии, что напряженность электрического поля Е доста­
точна, чтобы обеспечить неравенство
>W o.

(1-9)

где F = qE — сила, действуюш;ая на электрон в электрическом
поле;
е — диэлектрическая постоянная.
Ток электростатической эмиссии
£2
/; = 5 C i^ e

^ ,

(1-10)

где S — площадь электростатического катода, см*;
Cl, С2 — константы электростатической эмиссии;
а/в;
Са =

= 6,83 •10’ 1/в ‘/. см;

Е — напряженность электрического поля у катода;
Wf\
(Pq ==— - — потенциал работы выхода;
е — основание натурального логарифма.
Расчеты показывают, что ток электростатической эмиссии ста­
новится значительным при Е
10® в/м.
Формула (1-10) по своей структуре сходна с уравнением Ричард­
сона (1-4), поэтому характер зависимости /^ = / (Е) тот же, что
для термоэлектронной эмиссии.
Электростатическая эмиссия находит применение в газоразряд­
ных приборах с жидким ртутным катодом.
Вторичная электронная эмиссия появляется в результате воз­
действия на поверхность эмиттера или динода (катода, являющегося
источником вторичной электронной эмиссии) летящих с большой
скоростью первичных электронов, получивших достаточное ускоре­
ние электрическим полем.
Коэффициент вторичной электронной эмиссии
а= ^

(1-11)

показывает, во сколько раз ток вторичной эмиссии
больше тока
вызванного первичными электронами, бомбардирующими поверх­
ность эмиттера.
Коэффициент вторичной электронной эмиссии зависит от мате­
риала эмиттера, угла падения первичных электронов, от концентра­
ции полусвободных электронов в эмиттере и от энергии первичных
электронов. Кривая о = / (И^), показанная на рис. 1-2, имеет макси­
мум при W = 700 эв. С увеличением энергии первичных электронов
увеличивается глубина их проникновения в эмиттер, поэтому выход
вторичных электронов затруднен. Наиболее благоприятными углами
падения первичных электронов, отсчитанных от нормали к поверх­
ности эмиттера, являются углы 60—70°, так как при этом условии
глубина проникновения первичных электронов в эмиттер остается
неизменной, и путь вторичных электронов из глубины эмиттера к по­
верхности уменьшается. Полупровод­
никовые эмиттеры (диноды) имеют ji2
значительно больший коэффициент
вторичной
электронной
эмиссии
{а
12) по сравнению с металлическими, так как концентрация полу­
свободных электронов в полупро- ^
— m fW Ts
воднике меньше, чем в металле,
Р и с.
1 -2 . Х а р а к т е р и ст и к а в т о р и ч н о и
и вторичные электроны- на пути
эл ек тр о п н о й эм и сси и
К поверхности динода

испытывают

меньше столкновений с полусвободными электронами, чем в метал­
лическом эмиттере.
Практически вторичная электронная эмиссия применяется в фото­
электронных умножителях для усиления слабых первичных фото­
токов.
Для получения большого коэффициента вторичной электронной
эмиссии применяют медно-серно-цезиевые, кислородно-магниевые
или сурьмяно-цезиевые эмиттеры (диноды).
Эмиссия в результате воздействия тяжелых частиц (эмиссия
под ударами тяжелых частиц) возникает в результате бомбардировки
поверхности катода заряженными или электрически нейтральными
частицами, обладающими большей по сравнению с электронами
массой. Чаще всего такими тяжелыми частицами являются положи­
тельные ионы газа.
,
Ударяясь о поверхность катода и отдавая свою кинетическую
энергию полусвободным электронам, положительный заряд нейтра­
лизуется зарядом одного из полусвободных электронов. Поэтому
для получения электронной эмиссии под ударами тяжелых частиц
нужно, чтобы положительный ион обладал энергией, достаточной
для выхода из катодй по крайней мере двух электронов, т. е. энергия
частицы W
При высоких напряженностях электрического поля вблизи катода
энергия положительных ионов может не только вызвать эмиссию,

но и разрушить катод, распыляя атомы катода в окружающее про­
странство. Поэтому максимально допустимая кинетическая энергия
тяжелых частиц не должна превышать 60 эв (см. § 3-4).
Практическое применение эмиссия под ударами тяжелых частиц
находит в газоразрядных приборах с холодным катодом, — в при­
борах темного и тлеюш,его разрядов.
§ 1-2. ТИПЫ И ПАРАМЕТРЫ ТЕРхМОКАТОДОВ

Термокатод является основным источником свободных электронов
для большинства электровакуумных приборов и для ионных при­
боров несамостоятельного дугового разряда.
По способу нагревания термокатода электрическим током раз­
личают термокатоды прямого пакала, нагреваемые проходяш,им через
них электрическим током, и термокатоды косвенного накала, или
подогревные катоды, не связанные электрически с подогревателем,
по которому проходит ток.
По виду материала и по технологии изготовления термокатоды
делятся на три группы.
1. Катоды из чистых металлов или сплавов. Наиболее типичным
представителем этой группы катодов является вольфрамовый катод
прямого накала.
Вольфрам имеет температуру плавления 3380° С, в вакууме может
в течение длительного времени работать при температуре 2200—
2400° С, отличается высокой механической прочностью, ковкостью,
легко поддается волочению. Для изготовления термокатодов при­
меняют вольфрамовую проволоку диаметром от 0,01 до 2 мм или
вольфрамовую ленту.
Вольфрамовые термокатоды применяют для мощных генераторных
ламп, для высоковольтных кенотронов и для специальных электро­
метрических ламп.
2. Активированные или пленочные термокатоды.
Вольфрам имеет сравнительно высокий потенциал работы выхода
электронов
= 4,52 эв), поэтому он работает при сравнительно
высокой температуре (2200—2400° С) и требует большой затраты
мощности на нагревание. Для повышения экономичности катодов,
т. е. для увеличения эмиссионной способности и уменьшения удель­
ного расхода мощности на подогрев были разработаны несколько
разновидностей активированных термокатодов с уменьшенной рабо­
той выхода электронов. Наибольшее распространение получили
карбидированные термокатоды, представляющие собою вольфрамо­
вую нить (керн) с примесью до 2 % тория, на поверхности которой
специальной термообработкой в атмосфере углерода образуется
слой карбида вольфрама, а на поверхности карбида вольфрама
образуется тончайший слой тория, имеющего работу выхода 2,63 эв.
Карбидированные катоды работают при температуре 1650—
1700° С, их применяют для генераторных ламп средней и большой
мощности.

г
3. Полупроводниковые {оксидные) термокатоды. Как правило,
это чаще всего термокатоды косвенного накала, применяемые для
приемно-усилительных ламп, электронно-лучевых приборов, им­
пульсных генераторных ламп. Устройство оксидного термокатода
косвенного накала показано на рис. 1-3.
На никелевый цилиндрик 1, являюш,ийся основанием (керном),
наносится слой углекислых солей бария и стронция, которые в про­
цессе термообработки разлагаются на окислы ВаО и SrO с выделе­
нием углекислого газа СО 2- Образующаяся в результате оксид­
ная пленка 2 толщиной 20—100 мкм является по­
ристым термокатодом, в процессе активации кото­
рого происходит частичное восстановление бария
из окисла. Благодаря малой работе выхода элек­
тронов (1,1 эв) рабочая температура оксидных
катодов не превышает 900° С.
Нагревание термокатода осуществляется воль­
фрамовым подогревателем 3, по которому проходит
ток накала.
Вольфрамовый подогреватель изолирован от
керна йатода алундом — слоем жароупорной изо­
ляции 4. Крепление подогревателя, катода и
, остальных электродов электровакуумного при­
бора и соединение их с внешней цепью осуще­
ствляется через молибденовые выводы ^ 5, про­
ходящие через
гребенку
из молибденового
стекла 6, имеющего такой же коэффициент
объемного расширения, как и молибден, чтобы
вакуум прибора не нарушился при изменениях
температуры.
Р и с . 1*3. О ксидны й
к о све н ­
Для сравнительной оценки различных термо­ те р м но ко аг от о днакала
катодов пользуются
следующими основными
параметрами.
Рабочая температура
определяет все остальные параметры
термокатода. Чем выше температура эмиттирующей поверхности
термокатода, тем больше его эмиссионная способность, но в то же
время тем меньше его долговечность и экономичность. Поскольку
контролировать рабочую температуру катода в процессе его экс­
плуатации затруднительно, для каждого термокатода задаются
номинальным напряжением накала Uf, при котором обеспечивается
рабочая температура катода. Для приемно-усилительных ламп
применяют стандартизованные напряжения накала 1; 2; 3,15; 4;
5; 6,3; 12 в и для генераторных ламп от 1,35 до 115 в, а ток на­
кала If — соответственно от 0,03 до 2 а для приемно-усилительных
ламп и до 2300 а и выше для генераторных ламп.
Удельная [эмиссия
характеризуется
током
эмиссии
с 1 см^ поверхности термокатода при номинальной рабочей
температуре катода Т,Рай (т. е. при номинальном напряжении
накала).

Фо
7 , , = ^ = у 1Г=абе“
(1-12)
“и
где 6'и — площадь катода, см^.
Для вольфрамовых термокатодов
= 0,1 ^ 1 , 5 а/см^; для
карбидированных 1^„ = 0,7 -н 1,5 а/см^; для оксидных / _ = 0,2 Ч^ 0,5 а/см 2.
Эффективность катода
^ = -^ .

ма/вт,

(1-13)

тр,е Pf = U flf — шощпостъ, затрачиваемая на нагревание катода.
Эффективность катода показывает, какой ток эмиссии соответ­
ствует одному ватту мощности, расходуемой на нагревание катода,
т. е. характеризует его экономичность.
Эффективность вольфрамовых катодов 2—10 ма/вт; карбидиро­
ванных катодов 55—65 ма/вт.
Эффективность оксидных катодов составляет 60—100 ма/вт для
катодов прямого накала и 50—70 ма/вт для катодов косвенного
канала.
Долговечность катода В (срок службы) — параметр, характери­
зующий время работы катода в условиях нормальной эксплуатации.
Для активированных и оксидных катодов критерием долговеч­
ности является уменьшение тока эмиссии на 20%. Причиной умень­
шения эмиссии является дезактивация катода, т. е. постепенное
разрушение активного слоя его поверхности.
Для вольфрамовых катодов критерием долговечности является
уменьшение диаметра катода на 5— 10%, так как местное уменьшение
диаметра вследствие частичного испарения материала катода при­
ведет к увеличению сопротивления катода и в конечном итоге к раз­
рыву (перегоранию) вольфрамовой нити.
Долговечность катодов электронных ламп широкого применения
составляет 500— 1000 ч, а для специальных ламп повышенной долго­
вечности она достигает 10 ООО ч и больше. Следует отметить, что
эксплуатация ламп при повышении на 5— 10% папрян-i а

2X65

^35
2X90
375

72
1,5

300
15

17

ь

—

>&
d

ш

к
•

со

о

ю

о
о

>.Я

vf

ю

со
о

ю
ю
со

S н

о

V/

с

в о

S

ю

o'
о

0/ВИ ‘g

3

« S л " а «>
н
—S тgаоLQ S Ф Г> я
S
CS

§ о

со
о
Г
С
о
ь
35
с

X ю

0-

5 S

03

1|

5"

со

я
о
о

я

а
в
я

ш
X
сс

я

ф

ф

у

о

_

3

я

ф

о
»q

S я й >5
я о я
я о >»

ф н

со

S

я

23 S§
Й о к

а 3

11

о о
>>

а

CQ

&
о

§

с

с
ю

и
ю

с
со

с
со

с
со

см

Пентоды являются наиболее совершенными электронными лам­
пами. Основные разновидности пентодов: серии Ж — для усиления
напряжения сигналов высокой частоты; серии П — для усиления
мощности сигналов звуковой частоты; серии К — (пентоды «Варимю») для усиления сигналов высокой частоты в схемах с автома­
тическим регулированием усиления (АРУ); генераторные пентоды;
серии Г, ГК, ГУ — для генерирования электрических колебаний
высокой частоты; широкополосные пентоды — для усиления сигна­
лов в пределах полосы частот от О—50 гц до 6—10 Мгц.
Параметры некоторых тетродов и пентодов даны в табл. 1-3.
§ 1-9. ГЕНЕРАТОРНЫЕ ДАМПЫ

Генераторные лампы по принципу действия не отличаются от
усилительных. Для генерирования электрических колебаний при­
меняют триоды, тетроды и пентоды, но по конструктивному испол­
нению и по мощности они существенно отличаются от обычных
приемно-усилительных ламп.
По мощности, рассеиваемой анодом, различают генераторные
лампы малой мощности (до 25 вт), генераторные лампы средней
мощности (до 1 квт) и мощные генераторные лампы, рассеивающие
на аноде свыше 1 квт.
По частотному диапазону различают низкочастотные генератор­
ные лампы, работающие на частотах до 20 кгц (модуляторные лампы),
длинноволновые и коротковолновые лампы, работающие на частотах
до 25 Мгц, ультракоротковолновые лампы для частот до 600 Мгц,
лампы дециметровых и сантиметровых волн для частот свыше
600 Мгц.
Особенностью генераторных ламп является их работа с сеточными
токами, вследствие чего на управляющей сетке генераторной лампы
рассеивается довольно значительная мощность. По способу охла­
ждения различают генераторные лампы с естественным воздушным
охлаждением, с принудительным воздушным или с принудительным
водяным охлаждением.
В последнем случае анод лампы снабжается водяной рубашкой
и охлаждается проточной водой. По сравнению с приемно-усили­
тельными генераторные лампы имеют более «правые» характеристики,
потому что сетка генераторной лампы больше удалена от катода
и имеет более редкий шаг навивки.
Анодное напряжение мощных генераторных ламп достигает
12 ООО в. Ток эмиссии превышает 50 а, мощность, расходуемая
в цепи катода, достигает 22 квт.

Глава 2
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
§ 2-1. ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА

Электронно-лучевыми называют электровакуумные приборы,
особенностью которых является наличие узкого направленного
пучка электронов, называемого электронным лучом.
Чтобы компенсировать силы взаимного отталкивания электронов
и сформировать из них электронный луч, нужны фокусирующие
устройства, которые подобно оптическим линзам, фокусирующим
световой луч, фокусировали бы электронный луч. Такие устройства
называют электронными линзами.
Систему электродов, формирующую электронный луч, называют
электронным прожектором.
Различают электростатические электронные линзы, в которых
электронный луч формируется электрическим полем, и электро­
магнитные электронные линзы, в которых электронный луч форми­
руется магнитным полем.
В равномерном электрическом поле на электроны одновременно
действуют силы поля и силы взаимного отталкивания. В результате
электроны будут двигаться расходящимся пучком, как в рассеива­
ющей линзе.
Если же группа электронов, движущихся веерообразно со ско­
ростью Уц попадет в неравномерное электрическое поле, то силы F e ,
направленные по касательным к линиям электрического поля или
по нормалям к эквипотенциальным линиям, заставят электроны
двигаться сходящимся пучком как бы после прохождения собира­
тельной линзы.
На рис. 2-1, а показаны эквипотенциальные линии электриче­
ского поля между катодом К , модулятором М , фокусирующим
анодом А i l l ускоряющим анодом А^. Пунктиром показан формиру­
ющийся электронный луч. На рис. 2-1, б показан световой аналог
электростатических линз — двояковыпуклые и двояковогнутые
оптические линзы. Преобладание собирательного действия электрон­
ных линз над рассеивающим достигается специальной формой элек­
тродов — модулятора и анодов, при которой искривление силовых
линий на собирательных участках получается большим, чем на

рассеивающих. Регулировкой напряжения на фокусирующем аноде
добиваются фокусировки электронного луча.
Принцип электромагнитной фокусировки (рис. 2-1, в) заклю­
чается в том, что по оси электронного луча, движущегося под дей­
ствием ускоряющего электрического поля, находится коаксиальное
магнитное поле, создаваемое фокусирующей катушкой Ф, обтека­
емой постоянным током. Свободные электроны, вылетая из области
пространственного заряда у катода через отверстие модулятора М
и через отверстие анода А ,
образуют
расходящийся
пучок, на который дей­
ствует магнитное поле Н ,
заставляющее электроны
двигаться по спиральным,
сходящимся орбитам; ре­
гулируя величину тока
в фокусирующей катушке,
можно подобрать напря­
женность магнитного по­
ля Н так, что электронный
луч будет сфокусирован
на экране электронно-лу­
чевой трубки. Благодаря
большому диаметру фоку­
сирующей катушки, элек­
тромагнитная система фо­
кусировки позволяет полу­
чить меньший диаметр
электронного луча при
большем, по сравнению
с системой электрической
Р и с . 2 -1 . Ф о к у си р у ю щ ее эл ектр и ческое п ол е (а ),
фокусировки, токе в луче.
с в е т о в о й анал ог эл е к т р оста т и ч еск и х л ин з (б) и элек­
т р ом а гн и тн а я линяа (в)
Однако система магнитной
фокусировки не обеспечи­
вает одинаково хорошую фокусировку в центре экрана, а на перифе­
рии — при больших углах отклонения луча. Практически магнит­
ную систему фокусировки применяют только при сравнительно
малых углах отклонения луча, а следовательно при малых размерах
экрана.

§ 2-2. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ

Основными элементами электронно-лучевой трубки с электро­
статической системой управления лучом являются: электронный
прожектор, формирующий электронный луч, две пары взаимно пер­
пендикулярных отклоняющих пластин, в электрическом поле кото32

рых электронный луч изменяет направление, и люминофор, на кото­
ром энергия падающих электронов преобразуется в световую энер­
гию. Катод косвенного накала 1 (рис. 2-2, а) излучает свободные
электроны, образующие вблизи катода область объемного простран­
ственного заряда. Катод окружен модулятором 2, представляющим
собой металлический цилиндр без дна, с отверстием в центре крышки,
через которое свободные электроны выходят из области простран­
ственного заряда и движутся по направлению к ускоряющему элек­
троду и анодам. Роль модулятора аналогична роли управляющей
сетки в электронной лампе. На модулятор подают отрицательное
по отношению к катоду напряжение, изменяя которое от О до минус
60—125 в, можно регулировать интенсивность электронного луча,

ЗпгЬЬ
_

Яр/^ость

D—0

Фолус

-t-

Р и с . 2 -2 . Э лек тр он н о-л у чев ая тр у бк а с эл е к т р о ста т и ч е ск о й с и с т е м о й уп равл ен ия лучом (а )
и сх ем а вк л ю ч ен и я эл е к т р о ста т и ч е ск о й си ст е м ы ф о к уси р овк и (б)

а следовательно, и яркость свечения люминофора. Запирающим
называют отрицательное напряжение на модуляторе, при котором
прекращается выход электронов в направлении люминофора.
Ускоряющий электрод 3 в виде металлического диска с отверстием
в центре служит для предварительного формирования электронного
луча, на него подается положительное напряжение, под действием
которого свободные электроны вылетают из области пространствен­
ного заряда у катода через отверстие в крышке модулятора по напра­
влению к люминофору.
Незначительная часть электронов попадает на ускоряющий
электрод и возвращается на катод через источник питания. Боль­
шинство электронов проходят через отверстие ускоряющего элек­
трода по направлению к фокусирующему аноду 4, представляющему
собой металлический цилиндр с перегородками и отверстиями,
образующими диафрагму. На фокусирующий анод подают регулиру­
емое положительное напряжение 50—350 в, которое создает в элек­
тронном прожекторе неравномерное электрическое поле, обеспечи­
вающее электростатическую фокусировку электронного луча. Не­
значительная часть электронов попадает на фокусиру1^щий анод,
основная же часть электронов, образующих электронный луч, про­
ходит через отверстия диафрагмы фокусирующего анода к ускоря­
ющему аноду 5, выполненному в виде металлического диска с отвер­

стием. На ускоряющий анод подается высокое положительное напря­
жение (1—20 КВ в зависимости от типа и назначения трубки), под
действием которого электроны разгоняются до высоких скоростей
(20 000—80 ООО км/сек) и затем пролетают через отверстие ускоря­
ющего анода, являющееся выходным отверстием электронного про­
жектора, и по инерции летят между двумя парами отклоняющих
пластин б и 7 на люминофор 8. Незначительная часть электронов
попадает на ускоряющий анод и возвращается на катод через источ­
ник питания.
Схема включения электронного прожектора показана на
рис. 2-2. При хорошей фокусировке электронного луча диаметр
светового пятна на экране трубки не превышает 0,8 мм.
Все электроды электронного прожектора расположены соосно,
поэтому при отсутствии напряжений на отклоняющих пластинах,
электронный луч движется по продольной оси трубки и вызывает
световое пятно в центре экрана. Фокусировка луча по минимуму
диаметра светящегося пятна осуществляется регулировкой напря­
жения на фокусирующем аноде. Яркость свечения регулируется
напряжением на модуляторе. В некоторых трубках для упрощения
конструкции не ставится ускоряющий электрод. В этом случае
регулировка яркости пятна приводит к нарушению фокусировки
и требует новой регулировки напряжения на фокусирующем аноде.
Люминофорами называют вещества, обладающие способностью
светиться под действием электронной бомбардировки. Кинетическая
энергия падающих на люминофор электронов возбуждает атомы
вещества люминофора. Возвращаясь в невозбужденное состояние,
атомы вещества возвращают энергию, полученную от электронов,
в виде фотонов света. Цвет свечения зависит от химического состава
люминофора.
Процесс свечения люминофоров является инерционным, т. е.
свечение начинается с некоторым запаздыванием — порядка 10'® сек
после возбуждения атомов электронами и продолжается после пре­
кращения электронной бомбардировки поверхности люминофора.
Временем послесвечения называется промежуток времени от момента
прекращения электронной бомбардировки люминофора до момента,
когда яркость свечения уменьшается до 1 % от яркости свечения
под действием электронной бомбардировки неизменной интенсив­
ности.
По времени послесвечения люминофоры делятся на три группы:
с коротким послесвечением — до 0,01 сек, со средним послесвече­
нием — от 0,01 до 0,1 сек и с длительным послесвечением — от 0,1
до 10—20 сек.
В электронно-лучевых трубках, предназначенных для визуаль­
ного наблюдения, применяют люминофор с зеленым цветом свечения
экрана — силикат цинка, активированный медью. В электронно­
лучевых трубках, предназначенных для фотографической регистра­
ции, применяют люминофор из вольфрамита кальция, дающий голу­
бой цвет с-вечения экрана.

Потенциал люминофора должен оставаться неизменным, поэтому
материал люминофора подбирают с коэффициентом вторичной элек­
тронной эмиссии ст = 1. Вторичные электроны уходят на аквадаг 9,
представляющий собой коллоидный раствор графита на жидком
стекле, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной колбы 10
и соединенный с ускоряющим анодом.
Основным параметром, характеризующим действие отклоня­
ющей системы, является чувствительность трубки:
^ в = 7^ , м м / в ,
« ! '

l

о « я
с? со>0 <

g
2

g

g

g

^

i

l

t

1

^ g 2
Й

И

g

a

g

r §

g

л

л
^

ё
Н

®
н

Ф
Я «

^
о
Н

b
1

i § « « |
° w о H о
p, о fO я Й

It4i

|

я
0

'

S

н
o

J

|

,

o

2
o

^
5

'

5

|

|

&

"

Э
^

т
-

5

к

я
^

R
С

Щ

Г

т
Н

С

ю
М

к
О

P

С

д
М

к
С

3
-

^

С

М

к
R
4
О ^ О

iTi

дс о .
к

^

R
05
ю

иялись отклоняющей системой и с течением времени разрушали
центральную часть люминофора. В течение ряда лет для устранения
ионного пятна применяли электронные прон^екторы с ионной ло­
вушкой.
В кинескопах последних моделей, в том числе и в кинескопе
59ЛК2Б вместо ионной ловушки люминофор покрывается со стороны
электронного прожектора защитным слоем алюминия, толщина кото­
рого выбрана так, чтобы электроны свободно проходили через за­
щитный слой, а ионы и световые волны задерживались бы этим
слоем. Слой алюминия отражает излучаемый люминофором внутрь
трубки свет в сторону экрана, благодаря чему повышается яркость
изображения.
Для приема цветного телевидения применяют кинескопы с тремя
электронными прожекторами и соответственно с тремя мозаичными
люминофорами, имеющими красный, синий и зеленый цвет свечения
(40ЛК2Ц, 40ЛК4Ц, 59ЛКЗЦ).
Основные параметры некоторых электронно-лучевых трубок
и кинескопов даны в табл. 2- 1.
§ 2-4. ПЕРЕДАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Передающие электронно-лучевые трубки преобразуют оптиче­
ские изображения (световые сигналы) в электрические телевизион­
ные сигналы. В настоящее время существует много разновидностей

передающих трубок; иконоскопы, супериконоскопы, ортиконы,
суперортиконы, вндиконы и другие.
Простейшей по конструкции передающей трубкой является
иконоскоп, показанный на рис. 2-6. Электронный прожектор 1 фор­
мирует электронный луч 2 , который с помощью отклоняющих катуП1ек 3 , питаемых пилообразными токами от генераторов строчной
и кадровой разверток, последовательно обегает зерна светочувстви­
тельной мозаики 4, являющиеся элементарными фотокатодами и изо40

лированные слюдяной пластинкой 5 от сигнальной пластинки 6,
по отношению к которой каждое зерно мозаики является обкладкой
миниатюрного конденсатора.
Если мозаика освещена через линзовую насадку 8 спроектиро­
ванным на нее изображением 9, то на ней образуется потенциальный
рельеф, так как с каждого зерна мозаики происходит фотоэлектрон­
ная эмиссия, при этом потенциал зерен определяется количеством
эмиттированных ими электронов, которое зависит от их освещен­
ности.
Свободные электроны, эмиттированные светочувствительной
мозаикой, под действием электрического поля источника э. д. с.
уходят на коллектор 7, представляющий собой проводящее покрытие
на внутренних стенках иконоскопа, и через источник питания
уходят на сигнальную пластинку 6. Электронный луч, обегая зерна
мозаики, разряжает элементарные конденсаторы. На нагрузочном
резисторе
появляются падения напряжения, пропорциональные
токам разряда конденсаторов, которые в свою очередь пропорци­
ональны освещенности зерен мозаики.
Эти падения напряжения и являются сигналом изображения,
или видеосигналом, который через разделительный конденсатор Ср
подается на вход предварительного усилителя телевизионного пере­
датчика.
Недостатком иконоскопов является малая чувствительность: для
получения удовлетворительного видеосигнала нужна освещенность
передаваемого объекта не менее 200 лк, поэтому в настоящее время
иконоскопы почти не применяются.
Более чувствительным является иконоскоп с переносом изобра­
жения, или супериконоскоп (рис. 2-6 , б).
Изображение проектируется с помощью оптической линзы (не по­
казанной на рисунке) на тонкий слой полупроводникового фото­
катода 9, работающего «на просвет». Излучаемые фотокатодом элек­
троны ускоряются электрическим полем коллектора 7 и напра­
вляютсямагнитным полем катушки переноса 8 параллельным пучком
на полупроводниковую мишень 4, являющуюся эмиттером вторичных
электронов с коэффициентом вторичной электронной эмиссии от =
= 4 ^ 10. Вторичные электроны уходят на коллектор 7 и через
источник питания цепи коллектора Е^ попадают на сигнальную
пластину 6, отделенную от мишени слюдяным диэлектриком 5. В ре­
зультате на мишени образуется потенциальный рельеф более глу­
бокий, чем в иконоскопе. Электронный луч 2, формируемый элек­
тронным прожектором 1 и управляемый отклоняющими катушками 3,
обегает мишень построчно или чересстрочно в соответствии с законом
развертки изображения и разряжает элементарные конденсаторы,
состоящие из участков мишени и сигнальной пластины. Токи раз­
ряда конденсаторов и являются видеосигналом, выделяемым на
нагрузочном резисторе. Чувствительность супериконоскопа в 4—
10 раз выше чувствительности иконоскопа, т. е. супериконоскоп
может работать при освещенности 20—50 лк.

Недостатком супериконоскопа является искажение изображения
при переносе его с фотокатода на мишень. Тем не менее супериконо­
скопы применяют для передающих телевизионных камер.
Передающая электронно-лучевая трубка типа суперортикон
(рис. 2-7, а) или ортикон с переносом изображения использует внеш­
ний фотоэффект и вторичную электронную эмиссию.

6*1500

-г^о

3 ‘t

5

6

IfWieSijiiflliiiniiliii / (
\ /
/tin ш " ' т / /
у
—
,•
■
1
1
;
^ 1
[ |к
ч ..
т
11

Ъ
■10-30

1

г-хсящие
импулбСЬ!

Ш
I—

'

10

0
*300
Р и с . 2 -7 . С уп ер ор тп к он (а ) п ^в и д и к он (б)

Передаваемое изображение проецируется оптической системой
на полупрозрачный фотокатод 1 , на котором образуется потенциаль­
ный рельеф. Электроны, излучаемые фотокатодом, переносятся
ускоряющими электродами 2 ж 6 ж магнитным полем фокусирующей
катушки 4 на двустороннюю мишень 5, представляющую собой
стеклянную пластину толщиной около 5 мкм, называемую накопи­
тельной пластиной. Ускоряющие электроды создают электрическое
42

поле, в котором электроны, эмиттированные фотокатодом раз­
гоняются до. энергии 500 эв и выбивают с поверхности мишени,
имеющей коэффициент вторичной электронной эмиссии сг < 1, вто­
ричные электроны, которые уходят на заряженную положительно
металлическую сетку 3 с потенциалом + 1 в.
В результате на мишени образуется зеркальный потенциальный
рельеф.
Проводимость мишени выбирается так, чтобы положительный
заряд элемента мишени, пропорциональный освеш;енности соответствуюш,его элемента изображения, оказался на противоположной
от фотокатода стороне без заметного растекания. Электронный
луч 7, отклоненный системой развертки 8, состояш;ей из отклоняЮ Ш .И Х катушек, питаемых пилообразными токами строчной и кадро­
вой разверток, считывает спроецированное на мишень изображение.
Тормозяш,ий электрод 9, расположенный перед мишенью, предотвра­
щает возникновение вторичной электронной эмиссии под действием
считывающего луча. Количество электронов, поглощенных мишенью
из луча, пропорционально потенциалу соответствующего элемента
мишени. Отраженные мишенью электроны попадают на анод 10
системы формирования луча и па систему динодов (эмиттеров) 1 1 ,
усиливающих обратный ток за счет вторичной электронной эмиссии.
Усиленный электронным умножителем ток попадает на собирающий
кольцевой анод 12 и на нагрузочный резистор /?„, на котором выде­
ляется видеосигнал. Корректирующие катушки 13 позволяют сме­
щать электронный луч в вертикальной и горизонтальной плоскостях,
благодаря чему просматриваются участки изображения, находя­
щиеся за пределами растра, без перемещения в пространстве трубки
суперортикона.
Особенности суперортикона: потенциальный рельеф образуется
на полупрозрачном фотокатоде 1 , работающем «на просвет», и пере­
носится магнитным полем катушки 4 на диэлектрическую (стеклян­
ную) мишень, на обратной стороне которой вследствие электроста­
тической индукции также образуется потенциальный рельеф.
Вторичные электроны, выбиваемые с поверхности мишени (а < 1),
уходят на сетку, имеющую невысокий положительный потенциал
(+ 1 в), в результате чего со стороны фотокатода вторичные элек­
троны не образуют у мишени пространственный заряд. Электронный
луч, считывающий изображение, движется по обратной стороне
мишени, благодаря этому ось электронного луча оказалось возмож­
ным совместить с осью изображения и устранить трапецеидальные
искажения, неизбежные в иконоскопе и супериконоскопе.
Считывание изображения происходит «медленными» электронами,
так как электронный луч, попадая в тормозящие поля анодов 9 и 6,
падает на мишень со скоростью, близкой к нулю, а «обратные»,
т. е. отраженные от мишени электроны, плотность потока которых
обратно пропорциональна освещенности, являются модулирован­
ными по яркости и после усиления в умножителе дают на нагрузоч­
ном резисторе сигнал изображения. Чувствительность суперортикона '

^О
О

О

о
см
со

VJH

s«

II

III
II
•I- -I- j ; I -I- -IО Ю2

Lo to

м1

7 IT

II

|л

ЮЮо о
CM

1ё§
о к

со со Ю

I

I

I

I

о

' ГН

I

о IlO Ю LC о о

I

О

i| s
Ь КS

-&в

11 о О о О
о
о о о
со 05 о
I
со

O r -,
о X о
00 ^ о
I
со

§ § S § S o
T T i T ^ ^
со
о: Ci
C'j о гс со о о

о о о о о о

со со со со со со
cq со' о со со о

5 'f-

S |

gs
§а
Иё
ОЙ

со ^ со со со 00
^
см ^ с - см

со со ^ со со

5
^ а

к
§ D
3

о о
о к

а

о о
о s£

КВ
Ид
§ S.W § S.H
Й о ° в о о

C
Wо. 5 о. Сиа
ф ф S ф Ф S
Д

н

«

1=1

в

«

о и ю о о н
П >9
о 5

^ со со S g м

а&

gSSgSh^

о. *
S'S

настолько велика, что он нор­
мально работает при освещенности
1—2 лк.
Суперортикон является основным
типом передающих трубок для сту­
дийных телевизионных передач.
Для установок промышленного
телевидения наибольшее распростра­
нение получили передающие трубки
типа видикон (рис. 2-7, б), работа­
ющие по принципу внутреннего
фотоэффекта. Изображение проеци­
руется через оптическую систему и
полупрозрачную для света сигналь­
ную пластину 1 на фоторезистор 2 ,
электрическое сопротивление кото­
рого пропорционально его освещен­
ности. В цепи сигнальной пластины
находится нагрузочный резистор Л„,
падение напряжения на котором и
является сигналом изображения.
Электронный луч 1 1 формируется
электронным прожектором, состоя­
щим из катода косвенного накала 9,
модулятора 8, первого анода 7 и
второго анода 6. Электромагнитная
фокусировка луча осуществляется
фокусирующей катушкой 4, располо­
женной вдоль всей трубки видикона. Электромагнитная развертка
луча осуществляется двумя парами
отклоняющих катушек 5. Корректи­
рую цие и центрирующие катушки 10
нозьоляют смещать растр в двух
взаимно перпендикулярных напра­
влениях, благодаря чему появляется
возможность смещать в некоторых
пределах изображение по вертикали
и по горизонтали, не меняя при
этом положение видикона в про­
странстве (растр занимает пример­
ное ^/з полезной площади фоторе­
зистора). Тормозящий электрод 3
в виде металлической сетки снижает
скорость электронов в луче, чтобы
исключить
появление
вторичной
электронной эмиссии с фоторези­
стора, питаемого напряжением С/фр.

в результате количество электронов, проходящих через фото­
резистор, становится пропорциональным освещенности соответству­
ющего элемента фоторезистора, на котором в данный момент времени
находится электронный луч, а избыточные электроны «отражаются»
от фоторезистора и уходят на второй анод 6.
Видиконы отличаются очень малыми размерами (длина 120 мм,
диаметр 30 мм), высокой чувствительностью и хорошей линейностью
зависимости уровня видеосигнала от освещенности.
Недостатками видиконов являются некоторая инерционность
и насыщение при большой освещенности фоторезистора.
Основные параметры некоторых передающих телевизионных тру­
бок приведены в табл. 2-2.
§ 2-5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Электронными переключателями называют электронно-лучевые
приборы, предназначенные для переключения электрических цепей
с помощью электронного луча.

а
+ 100ВК

,\

Трохоида

Анод

^

X

X

IX

/ ...................s400

X

X

х /X

Y V "
-ч/ Эк.6ипотвни,иа,м
505

„

,,

Л

Г

^

и

ОЬ

УП,

Рельс

Р и с. 2 -8 . Т р о х о т р о н ы :
а — я ч ей к а ; б — к о л ь ц е в о й т р о х о т р о н

Электронные переключатели, управляемые одновременным воз­
действием на поток электронов взаимно перпендикулярных электри­
ческого и магнитного полей, называют трохотронами.
Принцип действия трохотрона поясняется рис. 2-8, а. Катод К ,
расположенный по нормали к плоскости рисунка, излучает свобод­
ные электроны. Магнитное поле Я перпендикулярно плоскости
рисунка, электрическое поле Е направлено от пластинчатого анода

к пластинчатому рельсу. Взаимно перпендикулярные магнитное
и электрическое поля заставляют свободные электроны, излучаемые
катодом, двигаться по трохоиде вдоль эквипотенциальной линии.
Для управления положением эквипотенциальной линии служит
вспомогательный электрод — лопатка Л, расположенная посредине
между анодом и рельсом. Если потенциал лопатки равен половине
анодного напряжения (в нашем примере 50 в), то эквипотенциаль
проходит посредине между рельсом и анодом, и электронный поток
попадает на лопатку. Если потенциал лопатки повысится, например,
до 70 в, то эквипотенциаль опустится вниз, и электроны пройдут
ниже лопатки, замкнув цепь нижней приемной камеры П^. Если
потенциал лопатки уменьшится до + 3 0 в, то эквипотенциальная
линия, соответствующая + 5 0 в пройдет выше лопатки, и поток
электронов замкнет цепь верхней приемной камеры П^. Следова­
тельно, изменяя напряжение на лопатке, можно направить поток
электронов, движущихся по трохоиде в камеру
или в камеру П
Устройство
трохотрона
с
десятью
камерами
показано
на рис. 2-8, б. Каждый рельс и каждый анод используются с обеих
сторон, поэтому трохотрон на 10 переключающих ячеек имеет 5 ано­
дов, 5 рельсов и 10 лопаток. На общий вывод у пяти анодов подается
-\-Ea- Все рельсы имеют нулевой потенциал, каждая лопатка —
отдельный вывод. Электроды
и
каждой камеры также имеют
отдельные выводы. При этих условиях трохотрон допускает в любой
из десяти переключающих^камер заданное положение переключа­
теля
или П^.
§ 2-6. ЗАПОМИНАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Запоминающими называют электронно-лучевые трубки, пред­
назначенные для записи, хранения и считывания, информации. Дли­
тельность хранения информации в зависимости от типа запомина­
ющей трубки составляет от 10 сек до нескольких суток. В качестве
примера рассмотрим запоминающую трубку ЛН-104 типа графекон.
Схематическое изображение графекона показано на рис. 2-9, а.
Электронный луч 1 создается электронным прожектором записи,
электронный луч 2 включается на время считывания информации.
Элементом памяти служит мишень 3, состоящая из изолированных
друг от друга и от сигнальной пластины 4 частиц фтористого кальция,
обладающих большим коэффициентом вторичной эмиссии.
На коллектор 5 подается положительное напряжение 200 в,
под действием которого вторичные электроны, выбиваемые с эле­
ментарных участков мишени, уходят через коллектор и источник
э. д. с. на сигнальную пластину. Длительность хранения записанной
информации определяется качеством изоляции элементов мишени
между собой и по отношению к сигнальной пластине. Для записи
информации подается напряжение развертки на отклоняющие ка­
тушки записывающего электронного прожектора и в заданные про­
межутки времени электронный луч этого прожектора записывает
46

информацию, т. е. заряжает положительно (благодаря вторичной
электронной эмиссии при коэффициенте вторичной эмиссии а < ; 1)
ряд элементов мишени. Для считывания информации отпирается
электронный луч 2 считывающего электронного прожектора, в цепь
которого включен нагрузочный резистор

Р и о. 2 -9 . Гр а ф екон :
а — сх ем а т и ч еск ое и з об р а ж ен и е; б — х а р а к т ер и ст и к а а ■
ной эм и сси и

(U ) втор и ч-

Анод сетчатой конструкции 6 позволяет изменять скорость пер­
вичных электронов, от которой зависит коэффициент вторичной
электронной эмиссии сг.
Таблица

2-3

Основные параметры запоминающих трубок
I

О
М а р ки ­
р овк а
трубки

А
о.
g

Кд

Тип трубки
о

h(*

о я'
“

§

§1 -я
§
g
S
о

&
S
S
о

еГ

к

1 "
Я i
и
' I1
БЗ

g
&
1 ".
5 «в
й О.
g g
В X

S|
ь

VО
&

i
gn
й|яi i g

ill

s
3
Н
p
о
w

s

I s
wS

К
ЛН-102

fT
ti
ЛН-104

Прпемно-передающая трубка
без видимого
изображения для
преобразования
электрических
сигналов в
электрические
Электронно-лучевая трубка
с двусторонней
мишенью — графе­
кон

6,3

0,53

0,4

- 1 0 000 -1 0 0 0 - 9 . 5 ч - - 5 0

6,3

0,53

0,4

— и ООО -1 2 0 0

-2 0 0

20

60

Зависимость а от напряжения на сетчатом аноде показана на
рис. 2-9, б. Запись информации ведется при а
1, что приводит
к резкому изменению потенциала тех участков мишени, на которые
падает записывающий электронный луч.
Информацию считывают при напряжении, соответствующем а =
= 1, поэтому потенциал мишени почти не меняется, т. е. возможно
многократное считывание информации. Для стирания записанной
информации включают считывающий электронный прожектор при
закороченном нагрузочном резисторе i?„ и увеличенной мощности
электронного луча.
В результате потенциал заряженных положительно элементов
мишени снижается благодаря электронам, приходящим на мишень
с электронным лучом.
Основные
параметры
некоторых запоминающих
трубок
даны в табл. 2-3.
§ 2-7. МАРКИРОВКА

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫ Х

ПРИБОРОВ

В настоящее время в Советском Союзе принята маркировка
электровакуумных приборов, состоящая из четырех или пяти чере­
дующихся
буквенных
и
цифровых элементов,
например:
6Н32П, 6Ж31П-И и т. д. По этому принципу построена маркировка
всех приемно-усилительных ламп. Несколько отличается от них
принцип маркировки генераторных ламп и электронно-лучевых
трубок.
Первый элемент маркировки приемно-усилительных ламп —
цифра, показывающая округленно напряжение накала Uf. Так,
в маркировке двойного диода 6Х2П цифра 6 означает, что напряже­
ние накала Uf = 6 , 3 в.
Генераторные лампы имеют первый элемент маркировки буквен­
ный, состоящий из одной, двух или трех букв, означающих:
Г — генераторная;
ГИ — генераторная импульсная;
ГК —
»
коротковолновая;
ГМ —
»
модуляторная;
ГС —
»
СВЧ (свыше 600 Мгц);
ГУ —
»
ультракоротковолновая;
ГМИ —
»
модуляторная, импульсная.

Электронно-лучевые трубки (осциллографические и кинескопы)
имеют цифровой первый элемент обозначения, указывающий диаметр
или диагональ экрана в см.
Передающие трубки имеют первый элемент из двух букв ЛИ,
что означает: лучевая, иконоскоп. Запоминающие трубки — ЛН.
Электронные переключатели — ЛП.
Второй элемент обозначения приемно-усилительных ламп бук­
венный, обозначающий условно тип лампы:
А — частотопреобразовательные лампы;
Б — диод-пентоды;

в — пентоды со вторичной эмиссией;
Г — диод-триоды, двойные диод-триоды;
Д — диоды;
Е — электронно-световые индикаторы;
Ж — пентоды высокой частоты и широкополосные пентоды;
И — триод-гептоды для преобразования частоты;
К — пентоды высокой частоты с переменной крутизной характеристики;
Н — двойные триоды;
П — лучевые тетроды и пентоды для усиления мощности;
С — триоды;
Ф — триод-пентоды;
X — двойные диоды;
Ц — кенотроны;
Э — тетроды.

Генераторные лампы второго элемента обозначения не имеют. Элек­
тронно-лучевые трубки имеют буквенный второй элемент из двух
букв:
ЛО — осциллографические электронно-лучевые трубки с электростатической
системой отклонения луча;
ЛМ — осциллографические электрорно-лучевые трубки с электромагнитной
системой отклонения луча (индикаторные трубки);
Л К — кинескопы.

Третий элемент маркировки всех электровакуумных приборов —
цифровой, обозначающий номер конструктивной разработки прибо­
ров данного типа.
Четвертый элемент маркировки приемно-усилительных ламп —
буква, обозначающая:
Р — сверхминиатюрная лампа с диаметром баллона до 4 мм;
А — сверхминиатюрная лампа с диаметром баллона до 6 мм;
Б — то же, до 10 мм;
Д — лампа с дисковыми вводами (впаями);
Ж — лампа стеклянная типа желудь;
К — лампа в керамической оболочке;
П — миниатюрная лампа пальчиковой серии;
Л — лампа с замком в ключе цоколя;
С — лампа в стеклянном баллоне
без буквы — металлические лампы.

Четвертый элемент генераторных ламп — буква, обозначающая
способ принудительного охлаждения: А — водяное, Б — воздушное.
Электронно-лучевые трубки имеют буквенный четвертый элемент,
обозначающий цвет свечения экрана: А — синий, Б — белый, И —
зеленый, М — голубой, П — красный, С — оранжевый, Т — желто­
вато-зеленый, Ц — цветной (красный, зеленый, синий).
Для ламп повышенной надежности после четвертого элемента
через дефис вводится пятый буквенный элемент, обозначающий:
В
Е
К
И

—
—
—
—

повышенная механическая прочность;
повышенная долговечность;
вибростойкая;
для работы в импульсном режиме.

4

З аказ 274

Глава 3
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ (ИОННЫЕ) ПРИБОРЫ
§ 3-1, ИОНИЗАЦИЯ ГАЗА СВОБОДНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ

В отличие от электровакуумных приборов, в которых движение
свободных электронов происходит в глубоком вакууме, порядка
10"’ мм рт. ст., и свободные электроны на пути от катода к аноду
практически не сталкиваются с атомами газа, в газоразрядных при­
борах баллон заполняется инертным газом или парами ртути при
давлении от 10"® мм рт. ст. до 760 мм и выше.
Свободные электроны, двигаясь под действием электрического
поля от катода к аноду, сталкиваются с атомами газа. В результате
этих столкновений происходит возбуждение и ионизация атомов
газа, существенно изменяющие процесс прохождения тока через
промежуток катод — анод газоразрядного прибора.
В зависимости от скорости свободных электронов различают
четыре вида столкновений их с атомами газа.
1. Упругое соударение. При малой скорости v электрона, сталки­
вающегося с атомами газа, энергетическое состояние атома не ме­
няется, скорость электрона не меняется по величине, а изме­
няется только по направлению (рис. 3-1, а). Упругое соударение
возможно лишь в том случае, когда кинетическая энергия электрона
W=

с,

недостаточна для перевода атома газа в возбужденное

состояние.
2. Возбуждение атома (рис. 3-1,
энергия электрона

6) происходит в том

случае, когда

больше одного кванта. В результате

столкновения электрон отдает один квант кинетической энергии
атому, изменяет направление движения и продолжает двигаться
в новом направлении со скоростью v <
Под действием кванта
энергии происходит возбуждение атома газа, т. е. один из его валент­
ных электронов переходит на новую, более удаленную от ядра атома
орбиту. В состоянии возбуждения атом находится в среднем Ю’ ®—
10- 1® сек, после чего он излучает фотон световой энергии и возвра­
щается в нейтральное состояние, т. е. возбужденный электрон воз­
вращается на первоначальную орбиту.
50

3.
Ступенчатая ионизация происходит, если электрон, движуп^ийся со скоростью
сталкивается с возбужденным атомом
{рис. 3-1, в) и переводит его в метастабильное состояние, т. е. в такое
состояние, в котором атом получил не меньше двух квантов энергии.
В метастабильном состоянии атом может находиться до 10"* сек.
Если за этот промежуток времени произойдет новое столкновение
со свободным электроном, движущимся со скоростью Vi, то может
произойти ионизация атома, т. е- электрон, находящийся на наи­
более удаленной от ядра
Поем столкновения
атома орбите, потеряет связь “ Д о ст ол кн ов ени я
с атомом и станет свободным
электроном; атом газа, ли­
шившийся одного из электро­
нов, превращается в поло­
жительный ион.
В состоянии ионизации
атом будет находиться до тех
пор, пока в район его элек­
тронной оболочки не попадет
движущийся с малой ско­
Y
Положительный
ростью свободный электрон,
который будет захвачен на
орбиту силой внутриатомного
притяжения.
Произойдет
процесс рекомбинации, т. е.
Положительный
процесс воссоединения сво­
ион г е т р
бодного электрона с положи­
тельным ионом, сопровожда­
ющийся выделением световой Р и с . 3 -1 . В и д ы ст о л к н о в е н и й с в о б о д н ы х эл ек тр о­
н о в с а то м а м и га за ;
энергии.
у п р у г о е с о у д а р е н и е с в о б о д н о г о эл е к т р о н а
4.
Ударная
ионизацияас —а том
ом г а за ; б — в о з б у ж д е н и е а том а ; в — с т у ­
(рис.
3-1, г) происходит п ен ч а та я и он и за ц и я ; г — уд а р н а я и он и за ц и я
в случае столкновения атома
газа со свободным электроном движущимся со скоростью 1»2

Q

и

имеющим

кинетическую

энергию

W, =

(в

несколько

квантов), достаточную для ионизации атома, т. е. для освобождения
одного из связанных электронов, входящих в электронную оболочку
атома.
Скорость электронов зависит от разности потенциалов U и свя­
зана с нею соотношением
V = 593 Y и, км/сек.
Следовательно, скорость электронов определяется напряжением,
приложенным между электродами газоразрядного прибора или, точ­
нее, разностью потенциалов, преодолеваемой электроном между
двумя столкновениями с атомами газа. В связи с этим можно говорить"о напряжении возбуждения
и напряжении ионизации

понимая под f/возб напряжение, при котором электроны разгоняются
до скорости
необходимой для возбуждения атомов газа. Под
напряжением ионизации понимают такое напряжение ?7„ob
котором электроны разгоняются до скорости V2, необходимой для
ударной ионизации атомов газа.
Величина напряжения возбуждения и напряжения ионизации
зависит от физических свойств газовой среды и постоянна для каж­
дого газа.
В табл. 3-1 приведены значения f/возб и
для применяемых
в газоразрядных приборах инертных газов и для паров ртути и ука­
зан цвет свечения газа.
Т а б л и ц а 3-1
Напряженпе возбуждения п напряжение поннзацнп
инертных газов и паров ртути
Газ

возб>
в

^И0Н1

Гелий
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон
Пары ртутп

19,77
16.58
11,57
9,98
8,39
4.9

24.5
21.5
15,7
14,9
12,1
10,4

в

Ц в е т св еч ен и я

Фиолетово-желтый
Оранжево-красный
Сиреневый
Белый
Фиолетовый
Голубовато-зеленый

Положительные ионы газа, двигаясь по направлению силовых
линий, создают в газоразрядном приборе ионный ток. Однако из-за
большой массы ионов дрля ионного тока незначительна и в приборах
дугового разряда не превышает 0,25% от электронного тока. Тем
не менее наличие положительных ионов суш;ественно влияет на про­
водимость разрядного промежутка между катодом и анодом газо­
разрядного прибора.
Нейтрализуя отрицательные заряды электронов, положительные
ионы увеличивают проводимость разрядного промежутка. В резуль­
тате в газоразрядных приборах дугового разряда удается получить
токи в десятки, сотпи и даже тысячи ампер при падении напряжения
в разрядном промежутке, не превышаюш;ем 10—30 в. В этом заклю­
чается основное преимущество газоразрядных приборов перед элек­
тровакуумными.
§ 3-2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Для возникновения и сохранения электрического разряда необ­
ходимы: электрическое поле, разгоняющее свободные электроны
до скоростей, достаточных для ионизации атомов газа, и источник
электронной эмиссии, поддерживающий необходимую концентра­
цию свободных электронов в разрядном промежутке.
52

в связи с этим различают самостоятельный разряд, для возник­
новения и поддержания которого не требуется внешних источников
эмиссии (ионизации), и несамостоятельный разряд, для возникно­
вения и поддержания которого кроме электрического поля достаточ­
ной напряженности нужен внешний источник эмиссии — термокатод^
фотокатод, ионизируюш,ее излучение, космическая радиация, радио­
активный фон земли и т. п.
По плотности тока на единицу поверхности катода газоразряд­
ного прибора, по величине падения напряжения в приборе
и по характеру свечения газа различают:
1. Темный или тихий несамостоятельный разряд, характеризуюш,ийся очень малой плотностью тока (0 ,1— 100 мка/см^.) и отсут­
ствием видимого свечения газа в разрядном промежутке между
анодом и холодным катодом.
2. Коронный разряд, возникаюш,ий при повышенном давлении
газа (от 100 мм рт. ст. и выше) и являющийся разновидностью само­
стоятельного разряда. При коронном разряде появляется неравно­
мерное видимое свечение разрядного промежутка, наноминаюш,ее
по форме корону. Падение напряжения в разрядном промежутке
мало зависит от величины тока и достигает нескольких сотен или
тысяч вольт, плотность тока не превышает 1 ма/см^.
3. Нормальный тлеющий самостоятельный разряд, имеющий
плотность тока до 10 ма/см^, падение напряжения 60—200 в, светя­
щуюся часть катода неравномерного свечения разрядного про­
межутка и малую зависимость падения напряжения от величины
тока.
4. Аномальный тлеющий разряд (самостоятельный), обладающий
плотностью тока до 100 ма/см^, падением напряжения несколько
большим, чем при нормальном тлеющем разряде, заметно увеличива­
ющимся с ^увеличением плотности тока, равномерным свечением всей
поверхности катода, обращенной к аноду, и неравномерным свече­
нием разрядного промежутка.
5. Искровой разряд — электрический пробой разрядного про­
межутка.
6. Дуговой разряд (самостоятельный или несамостоятельный),
характеризующийся большой плотностью тока (до сотен а/см^),
малым падением напрян^ения (до 30 в) и большой яркостью свечения
разрядного промежутка.
На рис. 3-2, а показана схема включения простейшего двух­
электродного газоразрядного прибора с холодным катодом. Балла­
стный резистор jR,5 ограничивает величину анодного тока, который
при отсутствии
будет нарастать лавинообразно до опасных для
прибора пределов.
На рис. 3-2, б показана вольт-амперная характеристика С/д =
= / (/д) такого прибора.
Участок ОА характеристики соответствует несамостоятельному
темному разряду. Свободные электроны, необходимые для развития
разряда, получаются благодаря первичной ионизации атомов газа

под действием внешних источников энергии — космической ради­
ации и радиоактивного фона земли и благодаря эмиссии электронов
с поверхности катода, вызванной этими же внешними источниками
энергии.
Участок А В называют участком насыш,ения несамостоятельного
темного разряда; ток на этом участке характеристики не увеличи­
вался, так как все электроны, излучаемые катодом, достигают поверх­
ности анода.
Участок ВС называют участком лавинного размножения носи­
телей заряда, так как на этом участке увеличение тока вызвано
лавинным размножением носителей заряда в электрическом поле
большой напряженности и увеличением тока эмиссии с поверхности

lo W io W
Р и с. 3 -2 . Схема вк л ю ч ен и я н е о н о в о й лам пы (а ) п в о л ь т-а м п е р н а я х а р а к т ер и ст и к а
эл е к т р и ч е ск о го р азр яда
в
г а зо в о й
ср ед е (б)

катода вследствие бомбардировки поверхности катода положитель­
ными ионами. На участке ВС разряд переходит из несамостоятель­
ного в самостоятельный темный разряд.
Участок CD называют переходным между самостоятельным тем­
ным и самостоятельным тлеюш,им разрядами.
Участок D E характеристики называют участком нормального
тлеюш;его разряда. Этот разряд является самостоятельным, так как
источником электронной эмиссии является катод, излучающий
свободные электроны в результате бомбардировки его поверхности
положительными ионами, при этом даже в случае исчезновения пер­
вичных факторов — космической радиации и, радиоактивного фона
земли тлеющий разряд будет сохраняться.
Нормальный тлеющий разряд характеризуется постоянством
плотности катодного тока. С увеличением тока
увеличивается
участок поверхности катода, излучающий свободные электроны. Его
можно наблюдать по свечению, которым сопровождается эмиссия
электронов. В точке D характеристики светится лишь незначитель­
ная часть поверхности катода, а в точке Е свечение, а следовательно,
и эмиссия под ударами положительных ионов, происходит со всей
поверхности катода, обращенной к аноду.
Участок EF характеристики является участком аномального
тлеющего разряда. Увеличение плотности тока возможно только при

увеличении энергии положительных ионов, бомбардирующих катод,
а для увеличения энергии ионов требуется увеличение напряжен­
ности поля, поэтому участок EF аномального тлеющего разряда хара­
ктеризуется сильным увеличением падения напряжения при уве­
личении тока через прибор.
Участок FG является переходным между аномальным тлеющим
и дуговым разрядом. Количество положительных ионов, находя­
щихся вблизи катода, резко возрастает, напряженность электри­
ческого поля у катода настолько увеличивается, что начинается
электростатическая эмиссия с катода. На этом же участке проис­
ходит сильный разогрев катода и начинается термоэлектронная
эмиссия. В то же время проводимость разрядного промежутка между
катодом и анодом резко увеличивается, так как в нем образуется
электронно-ионная плазма, состоящая из нейтральных атомов газа
и находящихся в приблизительно равной концентрации свободных
электронов и положительных ионов. Поэтому в режиме дугового
разряда (участок GH) падение напряжения между электродами
уменьшается до 10—30 в.
В режиме самостоятельного дугового разряда катод может рас­
плавиться, поэтому величину сопротивления балластного рези­
стора
выбирают так, чтобы прибор работал в режиме нормаль­
ного или аномального тлеющего разряда. Однако, применяя спе­
циальный катод, можно получить устойчивый дуговой разряд. Так,
в приборах с холодным ртутным (экситроны, игнитроны) катодом
легко возникает самостоятельный дуговой разряд, а в приборах
с термокатодом получается несамостоятельный дуговой разряд (газо­
троны, тиратроны).
§ 3-3. ПРИБОРЫ ТЕМНОГО РАЗРЯДА

К приборам темного разряда относятся газонаполненные фото­
элементы и счетчики радиоактивных излучений. Все они относятся
к классу приборов несамостоятельного темного разряда.
Газонаполненный фотоэлемент, показанный на рис. 3-3, а, имеет
кислородно-цезиевый фотокатод 1 , нанесенный на внутреннюю по­
верхность стеклянного баллона, заполненного аргоном или другим
инертным газом при давлении до 0,01 мм рт. ст. При более высоком
давлении газа несамостоятельный темный разряд может перейти
в самостоятельный.
Анод выполнен в виде металлического кольца 2, расположенного
в центральной части баллона. На анод фотоэлемента через нагрузоч­
ный резистор подается постоянное напряжение 250—300 в.
При освещении фотоэлемента с его катода начинается фотоэлек­
тронная эмиссия (внешний фотоэффект). Свободные электроны
ионизируют атомы газа, положительные ионы газа движутся по на­
правлению к катоду и, ударяясь о поверхность катода, вызывают
дополнительную эмиссию электронов, в результате чего выходной
ток газонаполненного фотоэлемента оказывается в 5—10 раз больше

выходного тока однотипного вакуумного фотоэлемента. Поскольку
разряд продолжает оставаться несамостоятельным, величина фото­
тока пропорциональна световому потоку.
в

Р и с. 3 -3 . Г а зон а п о.ш еи н ы й ф отоэл ем ен т:
а — у с т р о й с т в о ; б — у с л о в н о е обоан ач ен и е; в — с в е ю в ы е
ха р а к т ер и ст и к и

На рис. 3-3, б показаны световые характеристики /ф = /'(Ф )
электровакуумного 1 и ионного 2 фотоэлементов.
Недостатком газонаполненного фотоэлемента является его инер­
ционность, приводящая к снижению амплитуды фототока на 10—15%

;W

Реж им
насыщения

i

I
\
I

_Режим
' га зо1ао
^ 'усиления

Р и с. 3 -4 . И он и за ц и он н а я камера (а ) п ее ха р а к тер и сти к а (б)

при частоте пульсаций светового потока 10 кгц. Газонаполненные
фотоэлементы целесообразно применять в фотореле, предназначенных
для контроля запыленности шахтной атмосферы.
Ионизационной камерой (рис. 3-4, а) пазывают прибор несамо­
стоятельного темного разряда, реагируюш,ий на ионизирующие
излучения. Прибор состоит из газонаполненной камеры 1 с электро­
дами 2 и 3, один из которых изолирован от корпуса изолятором 4.
К ионизирующим излучениям относят рентгеновские лучи, воз­
никающие при торможении быстрых электронов некоторыми метал56

лами; 7-лучи, представляющие собой кванты электрической энергии,
возникающие при радиоактивном распаде; р-лучи, являющиеся
электромагнитными колебаниями, вызванные электронами, вылета­
ющими из ядер радиоактивных веществ; и а-лучи, представляющиесобой электромагнитные колебания, вызванные нотоками^ядер гелия.
Под действием ионизирующего излучения в камере 1 ^происходит
ионизация атомов газа. Напряжение питания U и сопротивление
нагрузочного резистора
выбирают так, чтобы обеспечивался
режим насыщения, при котором ток во внешней цепи составляет
10“^2—10"® а в зависимости от интенсивности излучения (рис.' 3-4, б).
Как видно из вольтамнерных харак- „
теристик / , I I и I I I, построенных для
трех интенсивностей ионизирующего
излучения, рабочие точки Р,
'о. Р^
перемещаются в сторону больших токов
с увеличением ' интенсивности излу­
чения.
Поскольку токи эти очень малы, на
выходе ионизационной камеры ставят
электронный усилитель 5 (см. рис. 3-4, а)
и гальванометр 6. Ионизационные ка­
меры обычно работают в режиме сред­
него тока, т. е. ток гальванометра Iq
пропорционален средней инте^1Сивности
ионизирующего излучения за опреде­
ленный промежуток времени. Однако
возможна и работа камеры в импульс­
и с. 3 -5 . П р о п ор ц и он а л ь н ы й сч е т ­
ном режиме, когда интенсивность ра­ Рчик
(а ) и н а гр у зо ч н ы е п р я м ы е н а
в ол ь т-а н п е р н о й ха р а ктери сти ке
диоактивных излучений оценивается по
амплитуде и количеству импульсов
тока, вызванных отдельными ионизирующими частицами или груп­
пами частиц.
В горнодобывающей промышленности ионизационные камеры
используют на обогатительных фабриках для измерения плотности
жидкостей (по поглощению радиоактивного излучения), для контроля
уровня суспензии и т. п.
'
Недостатком ионизационных камер является их сравнительно
малая чувствительность.
Более высокой чувствительностью обладают пропорциональные
счетчики (рис. 3-5, а), выполненные в виде стеклянного баллона,
в котором находятся катод К , являющийся металлическим цилин­
дром, расположенным внутри трубки или напыленным на ее внутрен­
нюю поверхность, и стержневой анод А. Пропорциональный счетчик
работает в режиме газового усиления (рис. 3-5, б, прямая Т) в области
характеристики, в которой начинается лавинное размножение носи­
телей заряда, но разряд еще не переходит в самостоятельный, т. е.
сохраняется пропорциональность менаду величиной тока и интенсив­
ностью ионизирующего излучения.

Счетчик Гейгера-Мюллера конструктивно почти не отличается
от пропорционального счетчика, только на его электроды подается
более высокое напряжение, при котором (рис. 3-5, б, прямая 2)
после первичной ионизации возникает самостоятельный темный
разряд (точка перегиба 4 характеристики 5 на рис. 3-5, 6). Для того
чтобы сохранить пропорциональность между током и интенсив­
ностью ионизирующего излучения, в счетчиках Гейгера-Мюллера
осуществляется гашение самостоятельного разряда. Для этого в бал­
лон счетчика, заполненный неоном или аргоном (давление
100 мм рт. ст.), вводят гасящую примесь — пары метилового спирта
или пары галогенов. Тяжелые молекулы примесей поглощают фотоны
световой энергии и ускоряют процесс деионизации.
В результате каждая ионизирующая частица вызывает появление
одного импульса тока, по величине значительно превосходящего
ток в пропорциональном счетчике. Поскольку пропорциональные
счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера работают обычно в импульс­
ном режиме, то на выходе усилителя импульсов ставится электрон­
ный счетчик, с помощью которого подсчитывается количество импуль­
сов тока в единицу времени, что позволяет с высокой точностью
измерять интенсивность радиоактивных излучений.
Основные параметры некоторых приборов темного разряда све­
дены в табл. 3-2.
Таблица
Основные параметры приборов темного разряда

3-2

я
М арки­
р овк а
прибора

ЦГ-1

цг-3
ЦГ-4
СТС-6
САТ-3
МС-4

Т и п п р и б ор а

Фотоэлемент газонапол­
ненный
кпслородносеребряно-цезневый
То же
»

Счетчик
Гейгера-Мюл­
лера для р- и Y-излучений
Пропорциональный
счетчик
Счетчик Гейгера-Мюллера для у-нзлучений

к
■&
« -

Д^
р «в
^ К

и'
g
t^C T m a x -

стабилитронов коронного разряда применяют водород при давлении
«выше 150 мм рт. ст.
Напряжение горения коронного разряда 400—30 ООО в. Ток
стабилизации / / max не превышает одного миллиампера. При увели­
чении тока коронный разряд переходит в тлеюш;иЁ.
Параметры
некоторых
газовых
стабилитронов
приведены
в табл. 3-3.
Таблица

3-3

Основные параметры газовых стабилитронов

с

Тип
•стабилитрона

А
S
N

S
N
Ь

СГ1П II
СГ13П
СГ2П
СГ2С

175

143

155

150
105

104
70

112
81

СГ18С
СГ301С-1

1500
430

950
380

1050
400

СГ304С
СГ309К

N

Н аполнение

П рим ечани е

KBdireH эинэИвц

to

a ‘elfOHB иинэжкйгген ийц

s

n

о

C
O

о

Ю

s

о

H
s
.
e
H

o o
Ю05

0

CO TH

i

I

Юо

CSJЮ

s s

H.
g

a

e
o
e

ВНИ

S5
1
8
О

о
о

letl

I

-KdfiBd оа он ч 1ГЭ1 ияохоДГоц я ох

о

со
I

I

ИЕГИ НИННЛИЖВе м о х Ц1ЧНЬ0ХЭЭ

3

ф

ф

►
аМ ф
4 0 0
С
бм Р
З

сб

о Ф
и о

я
»

я

ю
о
к
о
н

&

н
g
о•
е

о
я
л
ч

&8
§
и —о
Е
Н

о Н

о
е

0
ф

.о
g
g

ф
W

§® ёР
н

Д —8 в зажигание не произойдет. При уменьшении отрицатель­
ного напряжения на сетке угол запаздывания
будет уменьшаться
и время прохождения тока (в долях положительного полупериода t/J
увеличивается. Следовательно, регулировочная характеристика при
регулировании постоянным сеточным смещением Ug (рис. 3-14, в)
будет круто обрываться при Ug = —8 в. Иными словами, угол
регулирования (угол запаздывания а^) может изменяться от О до я/2
и анодный ток (среднее значение) соответственно от
До
1а тах/2я. При амплитудном способе регулирования на сетку подают
переменное напряжение, сдвинутое но фазе относительно U^ на
угол примерно 2я/3 (рис. 3-15, а).
При изменении амплитуды напряжения на сетке можно изменять
угол запаздывания зажигания от О до 2я/3. Следовательно, регули­
рование получается более глубоким, чем при управлении постоянным
напряжением; минимальное среднее значение тока меньше макси­
мального примерно в 4 раза.
При фазовом регулировании, показанном на рис. 3-15, б, ам­
плитуда C/gmax остается неизменной, изменяется только его фаза
по сравнению с фазой анодного напряжения. При этом способе
управления угол запаздывания может изменяться от О до я, а среднее
значение анодного тока соответственно от /отах =
шах^^ ДО
При импульсном методе управления на сетку тиратрона подают
постоянное напряжение смещения Ug
достаточное для запирания
тиратрона при Uamax^ а отпирание осуществляют кратковременными
импульсами положительной полярности (рис. 3-15, в).
В зависимости от времени подачи положительных импульсов
напряжения U^x угол запаздывания аз можно регулировать от О
до я и, следовательно, величину среднего значения анодного тока
от /тах/Л до 0.
Недостатком тиратронов является сравнительно большое время
деионизации газа, ограничивающее частоту переменного анодного

со

и
ч
VO

«2

к
ф
о
О
со

ф
о
о
со

ц
S
ю

И
•S
’ -н

В

И
63

LO

о

ed
О
СМ

00

го
о;

W
О

о
О
о

LO
I

1

ю
о

ю
j
1
W
О

2
о
о
о
ю

о
о
со

0
SL,
ь
5
я*
ь

ю

со
о

1-

н
1

о

LO

о
со
о

со

со

S
еа
о

о

а

3
а

со

о л

и ч
е
эд г
ф
к
о ю сс
о
S
X
4)
к

«
33
а

о

Н
а
сз н

ф
Й
о

о
о «

а

С1н

<

О
п

и

ф
с^
К

О
п
н

С1н

Н

о

ь

о
о
со

LO

LO

о

о

:Ч о cd
н
а С
о ч
д: S я

:а
S
5

=н °
3 2
Ё- ~

о
«X

и

S S

55 сз
ft

С а

О) X
ц
о м«

о

10

S

с

о к
н
н

о- ф
iS о
о
н

Рч

со
о

о
о
со

ю

о

о

о
И
о
U

10

о

см

со
см

о

со

со

а
о
о

о
о
LO

ю

см

о
о

о■г

О
о
о
vr

L.O
СМ
>-ч
L-.

Ю
-ц—1
ю
O']
Н

1-0

С\1
С
—

напряжения в пределах 1000—3000 гц. Поэтому для иыпульсиых
тиратронов применяют водородное наполнение, которое позволяет
увеличить предельную частоту до 30 кгц и выше.
Маркировка тиратронов аналогична маркировке газотронов. ТР1
и ТГ1 означают тиратроны соответственно с ртутным и газовым
наполнением.
Основные параметры тиратронов приведены в табл. 3-9.
§ 3-6. ПРИБОРЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА
(ЭКСИТРОНЫ II ИГНИТРОНЫ)

в приборах самостоятельного дугового разряда первичнымисточ­
ником ионизации является искровой разряд, возникающий при раз­
рыве в атмосфере паров ртути
электрической цепи, проходя­
щей через ртутный столбик,
2; —
как это схематически пока­
зано на рис. 3-16, а или элек­
тростатическая эмиссия, возни­
кающая в изоляционной мик­
ропленке 3 под воздействием
электрического ноля высокой
напряженности (рис. 3-16, б).
Приборы первого типа, в ко­
Р и с . 3 -1 6 . С истем а за ж и ган и я д у ги :
о — в э к си т р о и е ; б — в и гн и тр он е
торых первичным источником
ионизации является искровой
разряд при разрыве электрической цепи, называют экситронами;
приборы второго типа, у которых первичным источником ионизации
является электрическое поле высокой напряженности, называют
игнитронами.
Возникающий в момент зажигания дуговой разряд при наличии
достаточного по величине положительного напряжения па аноде
становится самостоятельным, т. е. продолжается сколь угодно долго,
так как в пространстве между анодом и катодом (рис. 3-17, а) обра­
зуется столб дуги i , в котором, как и в приборах несамостоятелыюго
дугового разряда, образуется электронно-ионная плазма. Источни­
ком электростатической эмиссии является светящееся катодное
нятпо 3, в пределах которого напряженность электрического ноля
достигает 10®в/м, так как у основания столба дуги образуется мощ­
ное ионное облачко 2 , на котором накапливается достаточное коли­
чество положительных зарядов. Катодное пятно нагревается при­
мерно до
200° С,
ртуть начинает интенсивно
испаряться,
в результате ионное облачко и катодное пятно непрерывно пере­
мещаются по поверхности ртути. Плотность тока, обеспечиваемого
электростатической эмиссией с катодного пятна, достигает 10^—
10®а/см^, поэтому ртутные вентили являются наиболее мощными
ионными приборами и могут работать при С^обр. доп = ЮО кн
и более и при анодных токах до 1000 а и более. Однако для сохране­

ния катодного пятна нужна минимальная плотность тока, обеспечи­
вающая между ионным облачком и катодным пятном напряженность
электрического поля 10®в/м, необходимую для возникновения элек­
тростатической эмиссии. Опыт показывает, что при анодном токе
менее 3—5 а напряженность электрического поля становится недо­
статочной, катодное пятно исчезает, и дуговой разряд прекращается.
Для поддержания дугового разряда вне зависимости от величины
анодного тока в экситронах применяют один или несколько вспомо­
гательных анодов А В, называемых анодами возбуждения. В цепи
анодов возбуждения поддерживают непрерывный ток не менее 5 а,
который и обеспечивает сохранение катодного пятна как источника

6

4
г/j

Va
ш
■m
zoo
100

- i o -hQ L' ^0 дО

Р и с . 3 -1 7 . О д н оа н од н ы й р т у т н ы й вен ти л ь (а ) и п у ск о ­
в а я х а р а к тер и сти к а р т у т н о г о в ен ти л я — эк си т р он а (б)

электростатической эмиссии независимо от наличия или отсутствия
тока в цепи главного анода А. Сетка С, окружающая главный анод
(графитовый или стальной), позволяет управлять зажиганием дуги
в цени главного анода аналогично тому, как это делается в тиратро­
нах. Защитный экран Э предохраняет анод А от попадания на него
с восходящим потоком ртутных паров — капель ртути, которые
могут привести к появлению обратных зажиганий.
Испаряющаяся с поверхности катода ртуть конденсируется на
стенках прибора и снова стекает на катод.
Давление паров ртути изменяется в пределах 15 •10“ ^ -г-т- 150-10“ ^ мн/см^ (1—10 мм рт. ст.). Характеристики зажигания
экситрона с сеточным управлением показаны на рис. 3-17, б, из
которых видно, что при C/g = —120 в экситрон надежно заперт,
а при Ug = -}-40 в экситрон отпирается при самых малых положи­
тельных анодных напряжениях. Наличие пусковой области объяс­
няется изменением давления паров ртути от температуры.
Устройство игнитрона показано на рис. 3-18. Ртутный катод 1
находится в запаянной трубе 5 из нержавеющей стали. Игнитор 2
изготовлен из карбида бора или из карборунда, т. е. из полупровод­
никового материала, не смачиваемого ртутью. Вывод игнитора вы­

полнен через стеклянный изолятор 6. Коническая часть игнитора
погружена в ртуть на 3—5 мм, но благодаря свойству несмачиваемости между игнитором и ртутью образуется изоляционная микро­
пленка толщиной около микрона. Графитовый анод 3 выведен через
стеклянный изолятор 6 на верхнюю крышку игнитрона. Игнитрон
снабжен рубашкой водяного охлажде­
ния 4, по спиральным каналам которой
проходит вода.
Для зажигания дуги на игнитор подают
импульсы положительной полярности при
напряжении до 200 в и токе до 30 а.
Эти импульсы вызывают электростати­
ческую эмиссию из области изоляцион­
ной микропленки между игнитором и
ртутным катодом.
Если на аноде при этом действует
положительное напряжение, то в игнитроне
развивается дуговой разряд; на поверх­
ности катода появляется катодное пятно,
которое исчезает в конце положительного
полупериода анодного напряжения. По­
этому в игнитронах для сохранения ^ода
Р и с . 3 -1 8 . И гн и тр он
дугового разряда нужно ежепериодно по­
давать на игнитор ноджигаюш,ие им­
пульсы. Изменяя фазу поджигаюш,их импульсов, можно регули­
ровать угол запаздывания анодного тока, а следовательно, и ве­
личину среднего значения анодного тока.
Таблица

3-10

Основные параметры экситронов и игнитронов
О

Т и п эк си т р о н а и л и
и гн и тр он а

Ч и сл о
а н одов

РМ-200 (экситрон)
РМ-500ВС (экситрон)
РВМ-250/2 (экситрон)

3
6
1

И ВС-500/2 (игнитрон)

1

АП Н В -500Х6 (ппштрон)

1

ИВС-200/15 ( и г и н т р о п )
111-200/1,5 (игнитрон)

1
1

В ы пр я м лен н ы й т о к J q ,

а

200
500
250
(в комплекте 1500)
415
(в комплекте 2500)
500
(в комплекте 3000)
200
200

В
*«
а
л
п
к =
Од

о.

О хлаж ден ие

§ '§
gb
о
gs
о я
1500
1500
,2300

Воздушное

2000

Воздушное

2500

Водяное

15 000
1500

Воздушное
Водяное

Водяное

Для увеличения четкости фиксации угла зажигания в некоторых
игнитронах между анодом и катодом ставят сетку управления. Игни­
троны находят применение в схемах регулируемого электропривода
переменного тока, в схемах инверторов и регулируемых выпрями­
телей II в электросварочных устройствах.
Экситроны и игнитроны в установках, работающих при напря­
жении до 5 кв, постепенно заменяются нолупроводниковымп упра­
вляемыми вентилями — тиристорами, обладающими большей на­
дежностью II более высоким к. п. д. И лишь при высоких напряже­
ниях, превышающих 5 кв, ртутные вентили пока еще превосходят
тиристоры по большинству технико-экономических показателей.
Основные параметры некоторых экситронов и игнитронов
приведены в табл. 3-10.

Глава 4
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
БЕЗ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ
§ 4-1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводниками называют твердые вещества, удельное сопро­
тивление которых при комнатной температуре составляет от 10'®
до 10^“ ом •см.
Диэлектрики имеют удельное сопротивление свыше 10^^ ом-см,
металлы от 1,6 -10'® до 10“* ом-см.
Но величина удельного сопротивления не является основным
отличительным признаком полупроводников.
Основными признаками, отличающими полупроводники от метал­
лов, являются: сильное влияние примесей на электропроводность,
сильная зависимость электропроводности от температуры, от воз­
действия различных электромагнитных излучений, от действия меха­
нических сил.
Наибольшее применение в полупроводниковой технике находят
германий, кремний, селен, арсенид галлия, закись меди, окись
цпнка, сульфиды кадмия и цинка, карбид кремния.
Кристаллическая решетка четырехвалентных полупроводнико­
вых материалов — германия и кремния образуется из элементарных
тетраэдров, в вершинах и в центре которых находятся атомы
(рис. 4-1, а). Все атомы, обозначенные на рисунке цифрами 4, удер­
живаются в узлах кристал.лической решетки благодаря ковалентным
связям между валентными электронами атомов. Эти связи показаны
1га рисунке двойными линиями, а валентные электроны показаны
черными кружочками.
Атом, расположенный в центре тетраэдра, находится на одина­
ковых расстояниях от атомов, находящихся в вершинах тетраэдра,
а каждый атом, находящийся в вершине одного тетраэдра, является
центральным для другого тетраэдра.
При изучении свойств полупроводников воспользуемся плоско­
стным изображением тетраэдрической кристаллической решетки,
сохраняя одинаковые расстояния между атомами и по-прежнему
обозначая ковалентные связи двумя лнниями, связывающими атомы
(рис. 4-1, б). При температуре 0° К все валентные электроны хими­

чески чистого кристалла германия или кремния находятся в кова­
лентных связях, поэтому электропроводность такого кристалла
равна нулю.
С повышением температуры под действием фононов тепловой
энергии часть ковалентных связей нарушается, как это показано
на рис. 4-2. Появляются полусвободные электроны, не связанные
с атомами, и незанятые места в валентной зоне, показанные незачерненными кружочками и называемые дырками. Поскольку отсут­
ствие электрона на валентной орбите соответствует положительному
результируюш;ему заряду атома, на рис. 4-2 заряженные положи­
тельно атомы отмечены знаком плюс.
Под действием внешнего электрического поля полусвободные
электроны будут перемеш,аться навстречу силовым линиям, создавая

Р и о.

4 -1 .

Т етр а эд р и ч еск а я к р и ста л л и ч еска я р еш етка
п л о ск о ст н о е и з о б р а ж е п в е

крем н и я и ее

ток электронной электропроводности г„, а дырки будут заполняться
валентными электронами соседних атомов, благодаря чему положи­
тельные заряды будут скачкообразно перемеш,аться но направлению
силовых линий электрического поля, создавая ток дырочной электро­
проводности ip.
Процесс возникновения в полупроводнике подвижных носителей
заряда — электронов и дырок под действием фононов тепловой
энергии называют термогенерацией носителей зарядов. Возникшие
в полупроводнике носители зарядов совершают в течение некоторого
времени тепловое движение (или направленное движение под дей­
ствием внешнего электрического поля), а затем, потеряв избыток
энергии, полусвободный электрон рекомбинирует с одной из дырок,
входя в ковалентную связь. Количество полусвободных электронов
и дырок в 1 см® объема полупроводника при неизменной температуре
определяется термодинамическим равновесием между процессами
термогенерации и рекомбинации носителей зарядов и называется
равновесной концентрацией носителей заряда. Равновесную концен­
трацию электронов обозначают через Иц, равновесную концентрацию
дырок через р^.
Электропроводность, вызванная в полупроводнике термогенерацией носителей зарядов, называется собственной электропровод­
ностью.

Рассмотрим собственную электропроводность полупроводника
с точки зрения зонной теории.
На рис. 4-3, а, б показаны соотвётственно модель атома кремния
и распределение электронов по энергиям. Минимальной энергией
обладают два электрона, заполняющих внутреннюю электронную
оболочку атома. Согласно принципу запрета (принципу Паули),
никакие два электрона атома не могут иметь одинаковых значений
четырех квантовых чисел. Главное квантовое число п определяет
большую ось эллиптической орбиты электрона, орбитальное кванто­
вое число I — малую ось эллиптической орбиты, орбитальное маг­
нитное квантовое число
— ориентацию эллиптической орбиты
в пространстве и спиновое магнитное квантовое число
— вращение
Ды^ки
Полус5о5одные
^
электроны
проводи-

f^ocmu

ш п р е щ е н н а л зона
Г ^ Валентная зона
\3апреш,енная зона

^^-^^аполнпннйл
^она
^Запрещенная зона
Заполненная зона

Р и с . 4 -2 . Т ер м оген ер а ц и я в о с и т е л е й
варяда

Р и с . 4 -3 . М од ел ь

а то м а к р е и н в я
ск и е з о н ы (б)

(а )

и энергетиче­

электрона вокруг собственной оси. Следовательно, па одной орбите
могут находиться не более двух электронов, имеющих противо­
положные спины. Энергетические состояния этих двух электронов
показаны на нижнем уровне энергетической диаграммы (см.
рис. 4-3, б).
Выпге следует запрещенная энергетическая зона, энергии которой
являются запрещенными для данного атома. Над этой запрещенной
зоной находится заполненная энергетическая зона, соответствующая
энергиям восьми электронов, занимающих вторую электронную
оболочку атома. Далее следует еще одна запрещенная зона, над кото­
рой находится валентная зона.
Выше валентной зоны находится запрещенная зона, разграничи­
вающая валентную зону и зону проводимости. Как известно, металлы
не имеют запрещенной энергетической зоны между валентной зоной
и зоной проводимости (рис. 4-4, а), поэтому характер электропровод­
ности металлов существенно отличается от характера электропровод­
ности полупроводников и диэлектриков.
В металлах валентные электроны образуют электронный газ
и под действием внешнего электрического поля перемещаются на­
встречу силовым линиям, создавая ток проводимости. С понижением

температуры тепловое движение электронов, образующих электронИЫ11 газ, становится менее интенсивным, и электропроводность метал­
лов увеличивается.
У полупроводников между валентной зоной и зоной проводи­
мости находится запрещенная зона
(рис. 4-4, б), ширина
которой составляет от 0,15 эв (теллурид висмута) до 3,5 эв (карбид
кремния). У диэлектриков ширина запрещенной зоны между валент­
ной зоной п зоной проводимости составляет 5—10 эв и выше.
Для кристалла кремния характер распределения электронов
по энергиям остается таким же, как и для атома кремния, только
энергетические уровни электронов превращаются в энергетические
зоны.

а

б^vf

WI

'1
wl
w„

----

Р и с . 4 -4 . Э н ер гети ч ески е ди а гр ам м ы :
о — м етал ла; б — п о л у п р о в о д н и к а ; в — к р и ста л л а кр ем н и я

Ширина валентной зоны для кремния не зависит от количества
атомов в кристалле п составляет около 1 эв, а число энергетических
уровней в валентной зоне возрастает пропорционально количеству
атомов в кристалле, которое составляет около 10^^1/см®.
Поскольку электропроводность полупроводников определяется
поведением валентных электронов, рассмотрим процессы термогене­
рации и рекомбинации носителей зарядов на примере энергетической
диаграммы валентной зоны и зоны проводимости кристалла кремния
(рис. 4-4, в).
Вероятность заполнения энергетических уровней в зоне проводи­
мости при температуре Т° К определяется статистической функцией
Ферми-Дирака:
F n { W ) T = ^ - ^ -------- .
hT

(4-1)

Ч-1

где F „ { W ) j — вероятность (в долях единицы) нахождения электрона
па энергетическом уровне W t при температуре Т° К;
W — энергия уровня, на котором вычисляется вероятность
нахождения электрона;
Wp — энергия уровня Ферми, вероятность заполнения кото­
рого равна ^12,
к = 1,38 - 10“ 23 — постоянная Больцмана, дж/град;
Т — температура, 'К .

Вероятность того, что энергетический уровень в валентной зоне
не занят электроном, есть вероятность нахождения на этом уровне
дырки:
^ п 1 ^ р

^1

т. е.
= 1 — Fn, поэтому вероятность нахождения дырки на энер­
гетическом уровне в валентной зоне
Fp(W)j

(4-2)

Wp-W

+1

hT

Для полупроводника с собственной электропроводностью уро­
вень Ферми находится вблизи середины запрещенной зоны между
валентной зоной и зоной проводимости:
Wf

2

(4-3)

'4

%
\А/

v r r--5 °K

где тПр — эффективная масса электрона в зоне
1V
проводимости;
i 'l ^ Г
и
Шр — эффективная масса дырки в валент­
^
' 1
ной зоне.
Положение уровня Ферми и вероятностные
ероятностная
кривые, соответствующие статистике Ферми- Рфиунс .к ци4 -5я . Враспределения
эл ек тр он ов
Дирака для электронов н дырок, показаны
на рис. 4-5.
При Г = 0° К вероятность нахождения электронов в зоне про­
водимости
= О, как и вероятность нахождения дырок в валентной
зоне Fp = 0.
При Г > 0° К появляется некоторая вероятность нахои
N {W )F „{W )T d W .

(4-6)

где N (И^) — плотность разрешенных уровней в энергетической по­
лосе dW;
N {W )

(4-7)

где h = 6,62-10'®^ дж-сек — постоянная Планка.
Учитывая, что большинство электронов будут иметь энергию,
близкую к энергии дна зоны проводимости W^, после интегрирования
найдем, что концентрация электронов в чоне проводимости

щ -Nfi

,

(4 -8 )

где N,. — эффективная плотность состояний, приведенная к уровню
дна зоны проводимости;
2 (^ 2 я т ^ у /.
Цифра 2 перед скобкой учитывает возможность нахождения двух
электронов на каждом энергетическом уровне в соответствии с прин­
ципом Паули.
Пользуясь формулами (4-Ьу и (4-9) и принимая эффективную
массу электрона mjm^ = 0,33 для кремния и mJiriQ = 0,22 для
германия, можно подсчитать, что при температуре Т = 300° К
собственная концентрация электронов для кремния щ = 2-10^'’ 1/см®,
для германия щ = 2,5-10^® 1/см®.
В соответствии с этим удельное сопротивление германия при
комнатной температуре р^- = 5 0 ом-см на три с лишним порядка
меньше, чем удельное сопротивление кремния (2-10^ ом/см).
Формулы (4-8) и (4-9) подчеркивают сильную зависимость кон­
центрации электронов собственной проводимости тг,- от температуры
полупроводника и от ширины запреш,енной зоны. Еще большее
влияние на электропроводность полупроводников оказывают при­
меси, вводимые в очень небольших количествах порядка 10*’ —
10-®%.
§ 4-2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Электронная электропроводность
Если в кристалл химически чистого германия или кремния ввести
в качестве примеси некоторое количество атомов пятивалентного
вещества (мышьяк, фосфор, сурьма), то атомы пятивалентного веще84

ства, называемые донорами, займут места в узлах кристаллической
решетки (примесь замещения). Четыре валентных электрона каждого
атома-донора войдут в ковалентные связи с валентными электро­
нами соседних атомов основного вещества кристалла (рис. 4-6, а),
а пятый валентный электрон, для которого не хватило ковалентных
связей, окажется слабо связанным со своим атомом и под действием
фононов тепловой энергии уйдет в зону проводимости, которая
расположена в непосредственной близости от энергетического уровня
доноров (рис. 4-6, б) *.
В результате в узлах кристаллической решетки появятся не­
подвижные положительные ионы доноров, обозначенные на рис. 4-6, а
двойным кружком и цифрой пять с плюсом, а в зоне проводимости

=

-

=(УроЗень
\донора
Валентная
зона

Р и с. 4 -6 . П р и м есн ы й п ол уп р о во д н и к с эл ек тр он н ой п р о в о д и м о ст ь ю (а )
и е г о эн ер гети ч еск а я диаграм м а (б)

появятся полусвободные электроны. Поскольку энергия валентных
электронов атомов-доноров близка по величине к энергии зоны
проводимости, ионизация атомов-доноров начинается при очень
низких температурах: 25° К для германия и 80° К для кремния,
а при 213° К (—60° С) все атомы примеси оказываются ионизирован­
ными, поэтому проводимость примесных полупроводников стано­
вится высокой при относительно низких температурах. Примесные
полупроводники, у которых проводимость обусловлена наличием
атомов-доноров, отдающих валентные электроны в зону проводи­
мости, называют электронными, или полупроводниками типа п
(от слова negative — отрицательный), а проводимость таких полу­
проводников называют электронной электропроводностью. При тем­
пературах, близких к комнатной, в полупроводнике типа п проис­
ходит, как и в полупроводнике с собственной электропроводностью,
термогенерация электронов и дырок и рекомбинация, т. е. кроме
основных носителей зарядов — электронов, возникших в процессе
ионизации атомов-доноров, появляются электроны и дырки собствен­
ной электропроводности. Дырки в полупроводнике типа п называют
* Благодаря сравнптельпо малой концентрации примесей энергетический
уровень валентных электронов-доноров не расщепляется на энергетические зоны,

неосновными носителями зарядов, так как количество их всегда
остается значительно меньше количества электронов.
Уровень Фермн Wj.’n в полупроводниках с электронной электро­
проводностью расположен выше середины запреш,енной зоны, т. е.
смещен в сторону энергетического уровня доноров, который нахо­
дится вблизи зоны проводимости.
Полупроводник должен удовлетворять условию электрпческой
нейтральности, когда количество положительных зарядов в объеме
полупроводника равно количеству отрицательных зарядов;
т. е. количество полусвободных электронов в зоне проводимости,
являющихся носителями отрицательного заряда, должно быть равно
сумме пеподви!кных положительных зарядов ионизированных допо­
ров
и подвижных положительных зарядов-дырок р.
При повышении температуры германия до 335° К, а кремния
до 395° К процесс термогеперации настолько усиливается, что нера­
венство « > р делается слабо выраженным, и полупроводник с элек­
тронной электропроводностью становится полупроводником с соб­
ственной электропроводностью.
Дырочная электропроводность
Если в кристаллическую решетку четырехвалентного веще­
ства — германия или кремния — ввести в качестве акцепторной
(принимающей) примеси некоторое количество атомов трехвалентного
о

Отрицательный
W
VK

прододимости

Уродень

-

*

»
акцептова.
» \ Вал ен т ная

)

Рис.

4 -7 .

Н р п м есп ы й

п ол уп р овод н и к с д ы р о ч н о й
эн ер гети ч еск а я зон а (б )

зона

п р о в о д и м о ст ь ю

(а ) п е го

вещества — индия, сурьмы, алюминия или галлия, то атомы
акцептора расположатся в узлах кристаллической решетки
(рис. 4-7, а).
Все три валентных электрона каждого атома-акцептора войдут
в ковалентные связи с валентными электронами атомов основного
вещества, находящихся в соседних узлах кристаллической решетки.

Одна ковалентная связь останется незаполненной н на нее нод дей­
ствием фононов тепловой энергии перейдет один из валентных элек­
тронов от соседнего атома четырехвалентного вещества, так как
энергетический уровень акцепторов
лишь немного выше энергии
потолка
валентной
зоны
четырехвалентного
вещества
(рис. 4-7, б). В результате ионизации атомов акцепторов в валентной
зоне окажутся дырки, а в зоне акцепторов появятся неподвижные
отрицательные ионы, обозначенные на рис. 4-7, а тройкой с минусом
в двойном кружке. При температуре 213° К (—60° С) атомы акцеп­
торов полностью ионизируются и концентрация дырок в валентной
зоне становится равной концентрации акцепторов
P -N ,.
При дальнейшем повышении температуры начинаются процессы
термогенерации и рекомбинации носителей заряда, и в зоне проводи­
мости появляются полусвободные электроны. Полупроводник, у ко­
торого основными носителями зарядов являются дырки, появля­
ющиеся в результате ионизации атомов акцепторной примеси, назы­
вают дырочным, а электропроводность такого
полупроводника
называют дырочной. Уровень Ферми в дырочном полупроводник&
расположен ниже середины запрещенной зоны. В полупроводнике
с дырочной электропроводностью дырки являются основными, а элек­
троны неосновными носителями зарядов. В примесном полупровод­
нике произведение концентраций электронов и дырок при неизменной
температуре равно квадрату концентрации электронов собственной
проводимости:
np^nl
(4-11).
В диапазоне температур от —60 до -f 20° С концентрация элек­
тронов и дырок собственной электропроводпостп настолько мала,
что сохраняет силу неравенство р > и,- и равенство
P = N^ + Pi.
где Pi = п, — концентрации дырок и электронов собственной элек ■
тропроводности.
При температуре свыше + 6 0 ° С для германия и + 120° С для
кремния неравенство р > щ становится «слабым», полупроводник
с дырочной электропроводностью постепенно вырождается в полу­
проводник с собственной электропроводностью. При очень больших
концентрациях примесей
' > 10^® 1/см^ уровень Ферми пере­
мещается в зону акцепторов, и полупроводник становится

а
н
«
S
П

Трубчатые

о1 S
о S

а
а
а
Sg
в
що
к
ао
С
Ооо
Ом

12X 2
1 -2 0 0
20X 6
1 -2 0 0
44X 6 2 0 -1 0 0 0
80X 6 2 0 -1 0 0 0
—
34X20

»
>
Дисковый
из 1— Зшайб
Дисковый
ТОС-М
6X 2
5 - 6 ,5
Измери­
Т8Р
53
тельный
Дисковый 34X20 0 ,0 1 -5 ,0
МмТ-9
ТКП-300 С подогре­ 33X68
10
вом
вакуумный

*

к

кS
« &

3

g
О
О
rt

0
1
О.

n

Л
0>w.
Q.a

Л
Л
о^

si

S-0-S
H СЭв

li

- 7 0 — hl20
-7 0 -+ 1 2 0
0— 1-120
0 -1 2 0
- 4 0 — 1-60

- 2 , 4 -T-3,4
-2,43,4
- 4 , 5 ^ 6 ,0
- 4 , 5 H-6,0
- 2 , 4 ^ 3 ,4

0,4
0,4
0,8
0,9
—

85
115
85
115
—

0 -1 8 0
0 -1 2 0

-3 ,7
-1 ,7

0,05
0,015

40
2,6

7 0 -1 2 0
—

-2,43,4
—0,5

—
20

—
13,5
Ток по­
догрева
15 ма

||

•

к
со

К
1

§ 4-5. ВАРИСТОРЫ

Варисторами называют полупроводниковые резисторы, сопро­
тивление которых зависит от величины напря;кенности внешнего
электрического поля. Исходным материалом для изготовления варисторов
является
порошкообразный
карбид кремния, легированный фосфо­
ром и железом.
По роду связующего вещества и типу
термообработки различают тирит, име­
ющий глинистую связку, вилит со
связкой из жидкого стекла и тервит
со связкой из ультрафарфора.
Условное
обозначение варистора
(рис. 4-11, а) подчеркивает зависимость
сопротивления от приложенного напря­
жения. Вольт-амперные характеристики
варисторов симметричны (рис. 4-11,6)
и характеризуются наличием участка,
в пределах которого напряжение па
варисторе почти не зависит от тока.
Повышение температуры окружающей
обозн а ч ен и е
сведы вызывает уменьшение сопроти- в а р и сто р а (а ) и е г о вол ь т-а м п е р н а я
^
х а р а к т е р и ст и к а п р и д в у х вн ачения х
вления варистора.
тем п ер а ту р ы (6)

Нелинейность вольт-амперных характеристик варисторов вы­
звана термоэлектронной эмиссией с острых граней кристаллов кар­
бида кремния, микронагревом контактирующих точек между кри­
сталлами, частичным пробоем оксидных пленок на поверхности
зерен и наличием большого количества дефектов па поверхности
кристалла.
Преимуществом варисторов перед терморезисторами является
их быстродействие, так как рабочая температура варистора мало
отличается от температуры окружающей среды, а к тому же темпе­
ратурный коэффициент сопротивления варисторов значительно мень­
ше, чем у терморезисторов.
Уравнение вольт-амперной характеристики варистора
I^U Q aV v ^
■ПО

(4-24)

где

— начальное сопротивление варистора при
= 293° К ;
а — постоянная нелинейности, характеризующая данный тип
варистора.
Основными параметрами варисторов являются номинальное на­
пряжение С/„, номинальный ток
допустимая мощность, рассеи­
коэффициент нелинейности
ваемая варистором, Р^.
dl

ft

1

(4-25)

dU

где i?c — статическое сопротивление варистора;
dU
— динамическое сопротивление варистора.
Варисторы выпускаются па напряжение
= 5,6-7-1500 в. Номи­
нальные токи 2—1250 ма, мощность P„iax = 1— 150 вт, р = 2 ^ 5 .
Варисторы применяют в схемах защиты от атмосферных перенапря;кенпй линий связи, для стабилизации токов и напряжений,
для схем автоматического з’правления и регулирования, а также в схе­
мах преобразования частоты, модуляции, детектирования и в схеТ а б л и ц а 4-2
В ар п стор ы

Т ип
в а р и сто р а

И сп ол н ен и е

С Н М -1
С Н 1 -2 -1
С Н 1 -2 -2
С Ы 1 -3
И П С -5 0 -1 0

С терж н евое
Д и ск овое
»
М икром одульпое
Д и ск овое

в

5 6 0 -1 5 0 0
5 6 -2 7 0
1 5 — 100
5 ,6 -2 7
50

р
ма

10

2
3
5
10

maxt

в

ВТ

1 ,0
1 ,0
1 ,0
0 ,1
—

1 2 0 0 -2 0 0 0
1 8 0 -8 0 0
6 0 -2 3 0
—

—

К о эф ф и ­
ц иент
нелипеО н о ст и g
в е м енее

3 ,5 -4 ,5
3 ,5
3 ,0 — 3 ,5
2 ,0
5 ,0

мах получения функциональных зависимостей: возведения в стелень, перемножения, деления и т. п.
Паспортные данные некоторых варисторов даны в табл. 4-2.
§ 4-6. ПОЗИСТОРЫ

Позисторами
называют
полупроводниковые терморезисторы
с большим положительным температурным коэффициентом сопро­
тивления. Позисторы изготовляют на
основе титанита бария, легированного
специальными примесями, обеспечива­
J
ющими характер электропроводности типа
компенсированного
полупроводника.
Большая ширина запрещенной зоны при­
1Г/
водит к тому, что термогенерация носи­
телей начинает существенно увеличивать -0^
электропроводность позисторов при тем­
пературе + 150° С, а полная ионизация 10^
примесей происходит при температуре 10
около — 10-^50° С.
В результате температурная характе­
Р и с. 4 -1 2 . Т е м 11е 1)а ту 1ш а я х а ­
ристика Ьюзистора имеет сравнительно
р а к тер и сти ка
110 зисто|>а
Таблица

4-3

Позисторы
О

а
S
о
я
п
о
а
ь

1^
S
оа
•&
о
V
о
к
а
Н
н

1 в
Е
а
V
т
«
а

i s
Иа

§
п
о
а
и
с

5 /2 ,5

С Т 6 -1 А

Д и ск овое
с вы водам и
То же

С Т 6 -1 5

»

5 /2 ,5

C T G -2 1 5

Д п ск без
вы водов
Д п ск
с вы водам и
Т о ;к е

С Т 5 -1

С Т 6 -3 1 5
С Т 6 -4 8
С Т С -5 -1 5

С Т О -4 -1 3

i

5 /2 ,5

2 0 /1 ,5
2 /2
7 /5

П л а сти н а
30 X
без вы водов Х 2 0 Х
X I
Д п ск
7 /5
с вы и олам п

О Ок

О

'з ё
«и

X

S

5

Sо
S ^

I I
ас
О) о
с С)

о
CJ
К
S
о
о
Рп

150
4 0 400
100700
1 0 100
103—
10^
1 00 400
3 -2 0

0 ,5 40

а о
S н

О
СЗ
Р.

g
и
Б
о
VO

| 1
ёй

Ь
О
о

2

в
о
Z
к
IS
я .

О

о в:
ctS

о
о.
и

125 — 135

1 ,6

ЗЙОО

Ео

rt

СО
п
2 а

i f .
rt S и

5 а

Ш

i|

1 Р е”
С
20-

1
С

Г

s'

>.
П
О
X

| s i

-1 - 2 0

103

-М О

103

+ 4 0 ------Ь-155

90 - 12 0

1,1

+ 15

10^

+ 2 0 — 1-125

7 0 -1 0 0

0 ,8

аооо

+ 15

10^

0 — Ь 125

7 0 -9 5

1,3

3000

+ 15

10*

+ 10

—

^125

6 0 -9 0

0 ,2

зооо

+ 15

101

+ 20—

^^-125

7 0 -1 0 0

0 ,8

3000

+ 15

103

+ 2 0 — 1-125

7 0 -1 0 0

2 ,5

3000

+ 10

103

5 5 -9 5

0 ,8

3000

-10 0

0—

-+ 2 0 0

[-1 2 5

1*5

небольшой отрицательный^-температурный коэффициент сопроти­
вления при температурах до + 3 0 ° С (рис. 4-12),
а
затем,
после ионизации примесей вследствие уменьшения подвижности
носителей зарядов с повышением температуры сопротивление
позистора начинает заметно возрастать. Положительный темпера­
турный коэффициент сопротивления достигает десятков процентов
на 1° С. И только при высоких температурах, достигаюш;их + 1 5 0 ° С,,
начинает существенно сказываться механизм собственной электро­
проводности, и температурный коэффициент сопротивления снова
становится отрицательным.
Посколку нелинейность волт-амперных характеристик позистора
обусловлена не только температурой, но и напряженностью электри­
ческого поля, позистор обладает одновременно свойствами термо­
резистора и варистора.
Параметры некоторых типов позисторов приведены в табл. 4-3.
§ 4-7. ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, удель­
ное сопротивление которых уменьшается под воздействием электро­
магнитного излучения.
Переход валентных электронов в зону проводимости под действием
светового потока возможен в том случае, когда энергия фотонов
hy ^ ^ W ,

(4-26)

для полупроводника с собственной электропроводностью. Для при­
месных полупроводников энергия фотонов может быть значительно
ниже, так как ширина запреп1,енной зоны между уровнем доноров
и зоной проводимости по сравнению с зоной акцепторов и валент­
ной зоной значительно меньше ширины запрещенной зоны
между валентной зоной и зоной проводимости для основного мате­
риала фоторезистора.
Уравнение (4-26) позволяет определить граничную частоту v^p,
соответствующую возникновению внутреннего фотоэффекта, т. е.
явлению уменьшения сопротивления фоторезистора под действием
световой энергии.
При неизменной частоте светового излучения v и величине свето­
вого потока Ф установится динамическое равновесие, при котором
число генерируемых световым потоком носителей зарядов равно
числу рекомбинирующих зарядов.
Устройство фоторезистора показано на рис. 4-13, а. На диэлект­
рическую подложку 1 из стекла или керамики наносится слой фото­
резистора 2\ электроды 3 наносятся непосредственно на подложку
или на слой фоторезистора напылением в вакууме, химическим
осаждением или вжиганием. Фоторезистор укрепляется в пластмас­
совом корпусе 4, снабженном слюдяным или стеклянным окошком 5
и выводными штырьками 6.

в качестве исходного полупроводникового материала для фоторезисторов применяют сернистый свинец (фоторезисторы ФС-А),

Р и с. 4 -13 . Ф о т о р е зи ст о р ы :
а — у с т р о й с т в о ; б — вол ьт-а м п ер н ы е ха р а к тер и сти к и ;
—
сп ек т р а л ь н ы е ха р а к т ер и ст и к и ; г — ча стотн ы е хар а к тери сти к и ;
д — световы е ха р а к тер и сти к и

сернистый висмут (ФС-Б), сернистый кадмий (ФС-К) н селенистый
кадмий (ФС-Д).
Вольт-амперные характеристики, показанные на рис. (4г13, б),
для большинства фоторезисторов линейны. Характеристика 1 соот­
ветствует темповому току (Ф = 0), характеристики S и 5 — световым

о о

v f CD

sQ
c &

++

s lf?
« “■I

ss
I I

ХЯ ‘ иини
-эээва qxooHhiOM
ввиихоЛпоЦ'

о о
о о

w IS Й

VD

ec

++++
■1- -I- -I- -Iо о o o
C
DCDCOCD
M il
LO

потокам
и Фа, при этом
Фх •< Фз- По вольт-амперным
характеристикам можно naiiTH
темновое сопротивление фото­
резистора
=

Ю

^ со о
О О О

1

‘«I

Полная (максимальная) ин­
тегральная
чувствительность
=

о о о «
^
о о

мка/лм,
(4-28)

■«ГНЧ!-1 Ю

о о
о о

HIT ‘ Я

a
g
§
s.
0

a.Mir/BHK
‘qxooHqifQXHaxo
-яАь KBHqiTBdJ

S sis

1
еб
&<
%

о с
о с

«WвлI

ха
р

о

aa

соаэ S ^

-9ДНИ нБнчп:эИл

Bh

tt

-о о о о
о о о о
о о г-^ о

о
о

.§<
S
o*

3
я

о о о о
о о о о
см см см см

aii

s§«

1> о
см

о о см 00
^
^ o'

юf^CD
vf^V

CS

в >?
о

is

смс?

о о с5о

а
“S
£S

ю

см

см
XX
VJ4^

о

см

S'
^
о
о
с=5 =?

^

*&

§1
Sо

л

QJ ^

CD о

CNJ

а ^ ^ за оЛ о
ejgeege
к н
е а
к

(4-27)

где / „ — световой ток, соответ­
ствующий номиналь­
ному
напряжению
С/„ и номинальному
световому потоку Ф^;
I j — темновой ток, возни­
кающий
вследствие
термогенерации носи­
телей заряда;
/ф
— номинальный фототок.
Удельной интегральной чув­
ствительностью фоторезистора
называют
его интегральную
чувствительность, отнесенную
к одному вольту приложенного
напряжения:

Ко-

К
Un

/„ -/х
Olt/H

(4-29)

Спектральной характеристи­
кой фоторезистора (рис. 4-13, в)
называют зависимость относи­
тельной величины фототока от
длины волны светового излу­
чения.
Характеристики 1 ж 2 отно­
сятся к фоторезисторам на
основе
сернистого
кадмия
(ФС-К2 и ФС-К1), характери­
стика 3 снята для фоторезистора
ФС-Б2 из сернистого висмута,
характеристика 4 — для фото­
резистора ФС-Д1 из селенистого
кадмия и характеристика 5

с максимумом спектральной чувствительности в области инфракрас­
ных волп — для фоторезистора ФС-А из сернистого свинца.
Существенным недостатком фоторезисторов является их инер­
ционность, проявляющаяся в том, что частотные характеристики
/ ф / / ф „ а х = / (F) имеют резко
выраженный падающий характер
(рис. 4-13, г), что связано с значительным временем жизни избыточ­
ных носителей заряда.
Уменьшение чувствительности фоторезисторов с ростом частоты
F модуляции светового потока ограничивает применение фоторези­
сторов в переменных по амплитуде световых потоках. Так, на зву­
ковых частотах модуляции светового потока могут удовлетвори­
тельно работать только фоторезисторы ФС-А из сернистого свинца.
Световые характеристики фоторезистора /ф = / (Е) (рис. 4-13, д)
нелинейны, так как с увеличением освещенности Е, с одной стороны,
увеличивается число носителей заряда, вызывающее увеличение
электропроводности, а с другой стороны, усиливается процесс ре­
комбинации, снижающий электропроводность. Из световых харак­
теристик видно, что интегральная чувствительность фоторезисто­
ров уменьшается с ростом освещенности Е. Нелинейность световых
характеристик является одним из существенных недостатков фото­
резисторов. Основные параметры некоторых фоторезисторов при­
ведены в табл. 4-4.

Глава 5
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
С ОДНИМ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЬШ ПЕРЕХОДОМ
§ 5-1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД И ЕГО СВОЙСТВА

Электронно-дырочным переходом {п ~ р или р —п переходом)
называют объем полупроводника с пониженной концентрацией
носителей зарядов, разграничивающий область примесного полу­
проводника с электронной электропроводностью и область примес­
ного полупроводника с дырочной электропроводностью. Между
положительными ионами доноров и отрицательными ионами акцеп­
торов, находящимися в объеме п—р перехода, возникает внутрен­
нее электрическое поле (называемое иногда потенциальным барьером),
препятствующее движению через п—р переход основных носите­
лей заряда (рис. 5-1, а).
Если п—р переход не подвергается внешним воздействиям, то
области с электронной и дырочной электропроводностью, примыка­
ющие к п—р переходу, находятся в равновесном состоянии, т. е.
количество положительных зарядов доноров и дырок равно коли­
честву отрицательных зарядов полусвободных электронов. В этом
случае в силу электрической нейтральности движение носителей заря­
дов через п—р переход практически отсутствует. Заряды доноров в п ~ р
переходе уравновешены зарядами акцепторов. Если воздействовать
на п—р переход внешним электрическим полем, направленным на­
встречу внутреннему полю п—р перехода (рис. 5-1, б), то электри­
ческое поле п—р перехода будет ослаблено, потенциальный барьер
понизится и через п—р переход в обоих направлениях пойдут ос­
новные носители заряда, вызывая ток прямой электропроводности ![..
Стрелками на рис. 5-1, б показано направление движения но­
сителей зарядов. Нейтральность областей с дырочной и электрон­
ной электропроводностями при наличии внешнего поля нарушится;
в области р уменьшается концентрация дырок вследствие ухода ды­
рок в область п и повышается концентрация электронов вследствие
прихода их из области п. В результате в области с дырочной электро­
проводностью будут преобладать отрицательные заряды, а в обла­
сти с электронной электропроводностью будут преобладать дырки
и положительные ионы допоров.

©•

©*

©•

•
©
ше
9
©

©•
©•

•
©•

0

S

0©

о©

о©

0°

0°

о©
о
0

°0 °

о
©

о
©

0
©

0

0

0

о
©

0°

0°

0 °

0

•^
©

0°

в
©

©

в
©

•
©

©
•

©
•

0
0

о
©
•

Область злек!^ропро1сдности п

ОЬасгг)ь злектропроЗод-:
носл)и р

п-р переход

Внутреннее
электрическое
поле

©

©

©

^

©

Jo

©

©X) ©

©>® ^

©

©

©

©

©

0

0 i

0

0

0

0

0

0^0

0

0

0
■o
©о ©

»-»■

© ::!©
*:;rSo

©

9-«-0

©

(5-1)

где фт = kTlq — тепловой потенциал,
и — напряжение, приложенное к п—р переходу.
При Т = 300“ К ф ,= 25 мв.
Графическая интерпретация этого уравнения носит название
вольт-амперной характеристики п—р перехода (рис. 5-2, в).

a
©.
©
©
©
ф

©

•
•
•
•

©

©

©

©
©

в
•
•
•

©
©
©
©

•
•
•
•

©
©
©
©

•
•
•
•

Эмиттер

База

4

:©
*4
*©
•©.
•©.
•

ф1

!© ©:
о;
1© ©;
!®

е
©1
©
©

о
О

Iе ©
о

Е
I---------

Р и с. 5 -2 . Н е сщ ш е т р в ч н ы й
эл ек т р он н о-д ы р оч н ы й
п ер еход
(а ) ;
си м м етр и ч н ы й
п — р п ер еход j в н е р а в н о в е сн о м за к р ы том с о с т о я н и и (б) и в о л ь т-а м н е р н а я хар ак­
тер и сти к а п — р п ер еход а (в)

При положительном напряжении С/произведение / н е ‘‘’т быстро
_ _и_

возрастает, при отрицательном напряжении /д е ‘‘’т быстро умень­
шается до нуля, и ток через переход становится равным обратному
(тепловому) току /д .
Из вольт-амперной характеристики видно, что п—р переход
обладает свойством односторонней электропроводности, т. е. х о­
рошо проводит ток 1 р в прямом направлении и плохо проводит
ток / д
в обратном направлении.
§ 5-2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковым диодом называют электронно-дырочный пе­
реход, снабженный двумя неипжектируюш,ими (невыпрямляющими)
контактами для соединения с внешней цепью
Существует большое
количество различных полупроводниковых диодов, которые можно
классифицировать по исходному материалу, но технологии изго­
товления, по площади п—р перехода и по назначению. По исход­
ному материалу различают германиевые диоды, кремниевые диоды,
арсений-галлиевые диоды, селеновые и медно-закисные диоды и вен­
тили.
По технологии изготовления и площади п—р переходов разли­
чают точечные диоды, микронлоскостные диоды, плоскостные сплав­
ные и плоскостные диффузионные диоды и вентили.
Устройство точечного германиевого диода показано на рис. 5-3, а.
В стеклянном герметизированном для защиты от влаги корпусе
1 находится кристаллодержатель 2 с кристаллом германия 3, име­
ющим электронную электропроводность. На поверхности кристалла
находится заостренная вольфрамовая проволока 4 диаметром около
50 мкм. Кристаллодержатель и вольфрамовая проволока имеют
выводы 5 для соединения диода с внешней цепью.
Для получения п—р перехода диод подвергают формовке, за­
ключающейся в пропускании через кристалл кратковременных им­
пульсов тока, во времякоторых трехвалентные атомы вольфрама
проникают в кристалл германия и образуют под острием проволоки
область полупроводника с дырочной электропроводностью. В ре­
зультате образуется куполообразный электронно-дырочный переход.
Площадь п—р перехода в точечном диоде не превышает 40 мкм^.
Направление прямой электропроводности совпадает с направле­
нием тока от вольфрама (анод) к германию (катод).
Для изготовления сплавного плоскостного диода па пластинку
германия с электронной электропроводностью (рис. 5-3, б) наклады­
вают пластинку индия In и нагревают в вакууме до температуры
500° С. В результате вплавления индия в германий (правая часть
1 К п ол уп ровод н и к овы м диодам
им ею щ ие по тр и п — р п ер еход а.

и н огда

отн осят

ди н п стор ы

и

ти р и стор ы ,

w

рис. 5-3, б) появляется область кристалла германия с электропро­
водностью типа р, образующая с индием омический контакт, к ко­
торому припаивают никелевый вывод анода. На кристалл германия
с другой стороны напаян слой олова, дающий невыпрямляющий
(омический) контакт с германием. К слор олова припаивают вывод
катода.
Микроплоскостные диоды изготавливают так же, как и пло­
скостные, но площадь п—р перехода у них не превышает обычно
400 мкм^.

а
Вы ёод р области

'5е
Д о бплаВления

^—

— п-р пер ехоа

После бплаЬленил

Снят о т раЗлгнием

2

^

-© г -@ Г

-ё ^

^

гГ

-© Г (Й,

Р и с . 5 -3 . Т оч еч н ы й ( а ) , гер м а н и ев ы й сп л а вн ой (б ), гер м а н и ев ы й ди ф ф у зи о н н ы й (в) д п о д ы
и у сл ов н ое об озн а ч ен и е д и о д о в и вен ти л ей (г):
I — общее обозначение диодов; 2 — опорные и лавинные диоды; з — обращенные диоды;

4 — туннельные дподы; о — диод управляемый (тиристор диодный); в — диод с управлнющим
выводом из области п; 7 — фотодиоды; S — варикапы; 9 — лавинные диоды двусторонней
проводимости; 1 0 — динистор; 1 1 — тиристор

Для изготовления диффузионного диода пластинку германия
с электронной электропроводностью помещают в сосуд, насыщенный
парами индия при температуре около 900° С.
При этом атомы индия сравнительно глубоко проникают в кри­
сталл германия. После охлаждения вблизи граней кристалла обра­
зуется электронно-дырочный переход, а у поверхности кристалл
приобретает резко выраженную дырочную электропроводность.
Методом химического травления снимают р слой и р —п пере­
ход с боковых и нижней граней кристалла,’ после чего на верхнюю
и нижнюю грани наносят невыпрямляющие контакты (рис. 5-3, в).
Полученный диффузионным методом п—р переход называют плав­
ным, так как в нем отсутствует резкая граница между областями с
р- и ^-электропроводностью, как это имеет место у сплавных диодов.

По назначению различают следующие основные разновидности
диодов; высокочастотные детекторные диоды (до 150 Мгц); диоды
СВЧ (сверхвысоких частот до 50 ООО Мгц), импульсные диоды
для работы в импульсных схемах; силовые диоды и вентили, опор­
ные диоды, обращенные диоды; туннельные диоды, фотодиоды, пара­
метрические диоды (варикапы), лавинно-пролетные диоды, пере­
ключательные диоды, динисторы (кремниевые неуправляемые вен­
тили), тиристоры (кремниевые управляемые вентили).
Условные обозначения диодов первых четырех груши — общие,
для остальных диодов имеются особые обозначения, показанные
на рис. 5-3, г. Наиболее широко применяемые в промышленной
электронике диоды рассмотрим подробнее.
§ 5-3. СИЛОВЫЕ ДИОДЫ И ВЕНТИЛИ

Силовые диоды предназначены для работы в выпрямительных
устройствах при среднем токе через диод до 10 а, а силовые вентили
отличаются большей мощностью и работают при среднем токе через
вентиль от 10 а и выше. Это разделение чисто условное, принципиаль­
ной разницы между сило­
выми диодами и вентилями
нет.
В качестве исходного материада для силовых диодов
и вентилей применяют как
германий, так и кремний,
однако применение кремние­
вых диодов и вентилей пред­
почтительнее, так как крем­
ний может работать при
большей температуре, допу­
скает большую
плотность
Р и с. л-и. В ол ьт-а ш п ер п ы е х а р а к тер и сти к и гер м а­
тока
через
п—р
переход
и
н и евы х ( i — Д 7 Ж )
и крем ни евы х (2 — Д 209)
диодов
большее обратное напряже­
ние. Селеновые и меднозакисные вентили хотя и дешевле германиевых и кремниевых, но
имеют низкие эксплуатационные качества и вытесняются в про­
мышленных выпрямительных установках германиевыми и кремние­
выми диодами и вентилями.
Как правило, в качестве силовых применяют плоскостные диоды,
изготовленные по сплавной или диффузионной технологии.
Вольт-амперные характеристики германиевого (7) и кремниевого
{2) вентилей одинаковой мощности показаны на рис. 5-4.
Германиевый диод имеет почти в два раза меньшее прямое па­
дение напряжения (0,2—0,5 в против 0,7— 1,0 в у кремниевых),
но обратный ток
у германиевых диодов примерно на порядок
больше, чем у кремниевых. Основными параметрами для силовых
диодов и вентилей являются:

Ж

f'
-jfe;,
'5^'
4*-

4-:
:) ,
'i
'
V..
\
'I,

1. Номинальный прямой ток 1 р — /q h o m - П о д номинальным
прямым током понимают среднее значение тока за период
при условии, что к вентилю приложено синусоидальное напряженне.
2. Максимально допустимый прямой ток /^ та х .
3. Падение напряжения на вентиле АС/р- при прохождении через
него номинального т о к а /о ном4. Допустимое обратное напряжение С/дшах5. Обратный ток /д при f/д т а х И температуре -|-20°С.
в отличие от идеального п—р перехода, имеющего /д = const
при обратных напряжениях f/д > ф^, обратный ток реальных
полупроводниковых диодов начинает заметно увеличиваться при
обратных напряжениях ? 7 д > £ /д т а х - Это объясняется наличием
пробоя тг—р перехода.
Различают четыре вида пробоя п—р перехода: электрический
(пробой Зенера), лавинный, тепловой и поверхностный.
Электрический пробой возникает в результате непосредственного
воздействия сильного электрического поля {Е ^ Q • 10’ в/см) на
кристаллическую решетку полупроводника в области электроннодырочного перехода. Электрическое поле разрушает ковалентные
связи, в результате появляются носители зарядов — полусвободные электроны и дырки, вызываюш;ие увеличение обратного тока
через п—р переход.
Лавинный пробой появляется в результате столкновений носителей заряда с атомами кристаллической решетки в области п—р
перехода, приводяш,их к разрыву ковалентных связей. Процесс
ионизации атомов носит при этом лавинообразный характер. Электроны, освободившиеся от ковалентных связей, разгоняются до высоких скоростей в электрическое поле п—р перехода, сталкиваются с нейтральными атомами основного вещества полупроводника
и вызывают новые акты ионизации. Лавинный пробой характерен
для сравнительно широких переходов, например, в кремниевых
диодах./ Германиевые диоды имеют узкий п—р переход и для них
характерен электрический пробой. В некоторых п—р переходах
возможно одновременное существование электрического и лавин­
ного пробоев.
Тепловой пробой возникает в процессе кумулятивного разогрева
п—р перехода при прохождении через него обратного тока. Нагрев
п—р перехода приводит к усилению термогенерации носителей
заряда и к новому возрастанию обратного тока.
Поверхностный пробой вызывается дефектами кристаллической
решетки в районе выхода п—р перехода на поверхность кристалла.
Механизм поверхностного пробоя может быть электрическим или
туннельным. Для уменьшения вероятности возникновения поверх­
ностного пробоя применяют защитные покрытия с высокой ди­
электрической проницаемостью.
Следует иметь в виду, что тепловой пробой является необрати­
мым, т. е. приводит к разрушению п—р перехода.

Остальные виды пробоя являются обратимыми, т. о. при умень­
шении напряженности электрического поля обратный ток умень­
шается, а свойство односторонней проводимости диода не нарушается.
Допустимым обратным напряжением диода называют такое на­
пряжение Unjaax^ при котором не возникает необратимый тенловой
пробой п—р перехода.
Величина допустимого обратного напряжения Unmax Для сило­
вых диодов определяется по началу заметного увеличения обрат­
ного тока с ростом обратного напряжения. Чем выше концентрация
носителей заряда в эмиттерпой и базовой областях диода, тем больше
напряженность электрического ноля в п—р переходе и тем меньше
допустимое обратное напряжение С/дшах- Следовательно, для уве­
личения С/дтах нужно И З Г О Т О В И Т Ь ДИОДЫ С малой концентрацией
примесей, т. е. с малой удельной проводимостью. Для получения
больших прямых токов в диодах с большим и r шах приходится
увеличивать площадь п—р перехода. Кремниевые диоды и вентили
имеют более высокие t/дтах (до 800—1500 в) но сравнению с гер­
маниевыми (до 500—600 в) и более высокую допустимую темпера­
туру окружаюш,ей среды (120—150° С против 60—70° С у герма­
ниевых).
Основные параметры некоторых типов силовых диодов и венти­
лей приведены в табл. 5-1.
Таблица
Основные параметры силовых диодов и вентилей

Т и п диода

К р а т к а я х а р а к т ер и ст и к а

в

I

а

X
л
Е

fe

л

Д7Ж
Д305
ВГ-50
В К-200
ВКД В-350
ВГВ-1000
К Д-203Д

Германиевый
диод
малой 0,3
мощности
Германиевый дпод
средней 0,35
мощности,
радиатор
0 150 мм
Вентиль германиевый с воз­ 0,35
душным охлаждением
Вентиль кремниевый с воз­
---душным охлаждением
Мощный вентиль кремниевый 0 , 4 с воздушным охлаждением 0,7
(3 л/мин)
Мощный германиевый с воз­
душным
охлаждением
(4 л/мин)'
Диод кремниевый сплавной
0 ,4 0,7

уя,
Е
«
Ь в

5-1

S

«

0,3

1,0

400

0,3

10

20

'5 0

1,5

50

100

15150

5

200

—

До

—

700
350

До
700

1000
10

15-100
30

1000

^ 0 ,4

§ 5-4. КРЕМНИЕВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ (ОПОРНЫЕ ДИОДЫ)

Опорными называют кремниевые диоды, предназначенные для
работы в режиме лавинного или электрического пробоя п—р пере­
хода с целью стабилизации напряжения в цепи постоянного тока.

Изменяя концентрацию примесей по обе стороны от п—р пере­
хода, можно изменять напряжение, при котором наступает лавин­
ный или электрический пробой п—р перехода в пределах от 3,5
до 200 в. Мощность, рассеиваемая п—р переходом, зависит от раз­
меров диода и составляет от 0,25 до 50 вт.
Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона по­
казана на рис. 5-5, а, а схема параметрического стабилизатора на­
пряжения с кремниевым стабилитроном — на рис. 5-5, б. Как
видно из характеристики, в области лавинного пробоя при токах:

-0^

0

'и
+ 0-

Р и с. 5 -5 . В ол ьт-а м п ер н а я ха р а к тер и сти к а о п о р и о г о д и о д а (а ) и схем а е го
вкл ю ч ен и я (б)

от Iz
до Iz
абратная ветвь характеристики идет почти парал­
лельно оси ординат, и напряжение
почти не меняется.
Напряжение стабилизации
(5-2>
где / „ — ток нагрузки.
Избыточное напряжение падает на балластном резисторе i?g.
Рабочая точка Р на характеристике определяется как точка
пересечения прямой, проведенной из точки на оси абсцисс, соответ­
ствующей напряжению
в точку на оси ординат, соответству­
ющую току
Т

Д max

^ВХ

•

При увеличении входного напряжения на
линия нагрузки
сместится влево вниз, рабочая точка Р' также сместится вниз, вы­
ходное напряжение увеличится на
в соответствии с соотноше­
нием
и , +

А С /, =

С /з х +

А С /з , -

(/з +

М г +

/и ) R c .

Качество стабилизации напряжения оценивается по коэффи­
циенту стабилизации
Т' _________________________

показывающему, во сколько раз относительное изменение входного
напряжения больше относительного изменения выходного напря­
жения.
Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:
напряжение стабилизации
минимальный ток стабилизации
Л min> максимальный ток стабилизации /гшах! дифференциальное
сопротивление
тивление
ности р =

^
(в рабочей точке Р), статическое сопроai2
-j4- (в рабочей точке Р)\ коэффициент нелиней‘г
температурный коэффициент напряжения стабили­

зации
> 10 в и отрицателен при
< ; 6 в.
При Uz = 6-^10 в TKUz близок к нулю.
Исследования показывают, что положительному TKUz соот­
ветствует лавинный пробой
перехода, а отрицательному TKUz —
электрический пробой. Действительно, для уменьшения Uz при­
ходится повышать концентрацию примесей, и в результате оказы­
вается, что при C/z ^ 10 в пробой носит лавинный характер. При
Uz = 10-Нб в пробой становится как лавинным, так и электриче­
ским, а при i/z < 6 в пробой становится электрическим и знак
TKUz меняется на обратных!, при этом концентрация примесей
повышается до 5 • 10^® 1/см®.
Кремниевые стабилитроны при Uz = 6-^8 в имеют настолько
малый TKUz, что могут работать без дополнительной термокомпен­
сации.
При других величинах напряжений для стабилизации Uz при
изменении температуры применяют специальные схемы термоком-

[Гпенсации (см. гл. 12). Кремниевые стабилитроны широко применяют
в схемах стабилизаторов напряжения для питания радиоэлектрон­
ной аппаратуры.
Основные параметры некоторых типов кремниевых стабилитро­
нов приведены в табл. 5-2.
Таблица

5-2

Основные параметры опорных диодов

Т ип

К раткая
характери­
ст и к а

Uz^ в

N
П рим ечани е

r z , ом

ма

ы
3 -3 3

0,07

8 - 9 ,5

3 -2 9

0,08

Д810

9 -1 0 ,5

3 -2 6

0,03

Д811

1 0 -1 2

3 -2 3

0,095

Д813

1 1 ,5 -1 4

3 -2 0

0,095

Прецезпон- 9,6 ± 5 %
иый
источник
образцового
напряжения

3 -2 0

0,005

Д809

КС196Г
•V -

Для стабплизацип
напряжения
То же

7 -8 ,5

Д808

1 2 -5
при /г =
= 1 н- 33 ма
1 8 -8
при /г =
= 1 ^ 2 9 ма
2 5 -9
при 7z =
= 1 -ь25 ма
3 0 -1 2
при /г =
= 1 23 ма
3 5 -1 4
при /г =
= 1 ч- 20 ма
18

0,28

^min —

0,28

w = + i o o '’ c

0,28

^max= + 1 0 0 ° С

0,28

^max = + 1 0 0 ° С

0,28

«m a x

0,2

55° С

= + 100° С

fmin —
?m a x

60° С
= + 6 0 °C

§ 5-5. ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ

Увеличивая концентрацию доноров и акцепторов до 10^® 1/см®,,
можно получить электронно-дырочный переход, у которого дно
(„) зоны проводимости области с электронной электропровод­
ностью будет в равновесном' состоянии находиться на одном уровне
с потолком Wv (р) валентной зоны области с дырочной электропровод­
ностью (рис. 5-6, а). При отсутствии внешнего ноля зоны не пере­
крываются, но при наличии обратного смещения появляется пере­
крытие валентной зоны области с дырочной электропроводностью
Ж„(р) и зоны проводимости области с электронной электропровод­
ностью Wc (п), как это показано на рис. 5-6, б. Обратный ток /д при
малых напряжениях C/r становится очень большим, так как напря­
женность электрического поля в п—р переходе при малых обратных
напряжениях С/д sc 0 ,1-^0,2 в становится достаточной для возник­
новения электрического пробоя перехода, которым и следует
объяснить резкое возрастание тока при очень малых обратных

напряжениях С/д. При прямых смещениях перекрытие зон пре­
кращается рис. 5-6, в), и прямая ветвь обращенного диода прак­
тически не отличается от прямой ветви обычного диода. В резуль­
тате вольт-амнерная характеристика такого обращенного диода имеет
обратную нетвь, значительно более крутую, чем прямая (рис. 5-6, г).
По сравнению с обычными диодами такой обращенный диод будет
давять выпрямленный ток обратного направления. Действительно,
WС(р)
,

а

WШ
, )

-и 0,2 0,1

О,г о,ь 0,6

Рис. 5 -6 . п— р п ер еход о б р а щ е н н о г о дыода в р а вн овесн ом с о с т о я н и и ( а ) ,
см ещ ен н ы й в об р а тн ом направлении ( б ) , см ещ ен н ы й в п р я м ом нап ра­
влении (в) и вол ь т-а м п ер н а я х а р а к тер и сти к а о б р а щ е н н о г о д и о д а (г)

при малом переменном напряжении, амплитуда которого не превы­
шает 0,3—0,4 в, диод будет пропускать большой ток в обратном
направлении и малый ток в прямом направлении. Для того чтобы
подчеркнуть свойство обратной проводимости обращенного диода,
его условное обозначение (см. рис. 5-3, г) имеет стрелку, указыва­
ющую направление прямой проводимости и значок, характери­
зующий туннельный эффект или электрический пробой п—р пере­
хода.
Преимущество обращенных диодов состоит в том, что они рабо­
тают при очень малых напряжениях и имеют вольт-амперную ха­
рактеристику с очень высокой степенью нелинейности по сравнению
с характеристиками обычных точечных диодов. Это позволяет при­
менять обращенные диоды в качестве смесительных диодов в схе­
мах преобразования частоты и в низковольтных диодных матрицах
электронных цифровых вычислительных машин.

§ 5-6. ТУННЕЛЬНЫЕ ДНОДЫ

Туннельные диоды отличаются наличием на прямой ветви вольтамперной характеристики падающего участка (рис. 5-7, а), причи­
ной возникновения которого является туннельный эффект — эффект
прохождения основных носителей зарядов через туннели в п—р
переходе без преодоления
потенциального барьера. Обратная
ветвь вольт-амперной характеристики туннельного диода «прижата»

?

>■

©

©«

е

ё

©
о

©.

0

©

о
0

Туннель

©

tv.С(р)
Перекрытие
зон

о

о

о©

о
©

п-р переход

Щр)
1АС
о(п)
W,v{n)

Р и с. 5 -7 . B o.ibT -ам пер н ая х а р а к тер и сти к а ту н н ел ь н о го ди ода (а ) и Сго
71— р п ер еход в р а в н ов есн ом со с т о я н и и (б)

к оси ординат ближе, чем у обращенного диода, так как концентрация
доноров и акцепторов доведена у туннельных диодов до 6 • 10^“ 1/см®.
При такой высокой концентрации и малой ширине п—р перехода
(около 100 А) напряженность поля в п—р переходе достигает (6-г-f-7) • 10’ в/м и электрически!! пробой п—р перехода становится
возможным даже при некотором положительном напряжении Up.
В то же время благодаря малому расстоянию между ионами доно­
ров и акцепторов, которое становится значительно меньше расстоя­
ния между соседними ионами доноров или акцепторов (рис. 5-7, б),
электрическое поле в п—р переходе становится неравномерным,
его напряженность максимальна на участках перехода донор —
акцептор и уменьшается в пространстве между узлами кристалли­
ческой решетки, где образуются туннели, в которых напряженность
электрического поля близка к пулю.

Полупроводник при столь высокой концентрации npHMeceii,
когда зона проводимости (см. рис. 5-7, б справа) перекрывается
с валентной зоной соседней области, при отсутствии внешней э. д. с.
становится вырожденным полупроводником или полуметаллом. Но­
сители зарядов могут через туннели свободно проходить из области
с дырочной электропроводностью в область с электронной электро­
проводностью и обратно. Однако в равновесном состоянии при
отсутствии внешней э. д. с. эти токи друг друга уравновешивают
и по обе стороны от п—р перехода сохраняется условие электриче­
ской нейтральности.
С появлением малых прямых напряжений Up < Upi (участок
0—1 характеристики на рис. 5-7, а) под действием внешнего элект­
рического поля основные носители зарядов устремляются через тун­
нели в п—р переходе и создают сравнительно большой ток прямой
проводимости, так как через туннели происходит дрейф основных
носителей заряда. Этот ток принято называть туннельным током.
В точке 1 характеристики происходит насыш;ение туннелей носи­
телями зарядов — электронами и дырками, и дальнейшее увеличе­
ние прямого напряжения
Up < Up^) приводит к уменьше­
нию прямого тока, т. е. к появлению падаюш,его участка 1 —2 па
вольт-амперной характеристике.
Причин уменьшения тока две: во-первых, очень высокая концент­
рация носителей зарядов — электронов и дырок в туннелях при­
водит к резкому возрастанию количества актов рекомбинации,
связанных с потерей носителей заряда и уменьшением результируюш.его тока через переход; во-вторых, после насыш,ения туннелей
часть носителей заряда вытесняется из туннелей в поле п—р пере­
хода, направленное навстречу внешнему нолю и имеющему высокую
напряженность. Носители зарядов меняют направление движения
и, сталкиваясь с нейтральными атомами решетки, вызывают лавин­
ное размножение носителей в области п—р перехода. Лавинный
ток нанравлен навстречу туннельному, поэтому результируюш;ий
ток па участке характеристики 1—2 уменьшается. Носители заряда,
вытесненные из туннелей в поле п—р перехода, дрейфуют в нем
в направлении, противоположном направлению дрейфа носителей
того же знака в туннелях, а выходя за пределы поля п—р перехода,
продолжают двигаться в том же направлении из-за сил диффузии,
так как количество носителей зарядов, вытесненных из туннелей,
продолжает увеличиваться. По мере увеличения прямого напря­
жения на участке 2 —3 характеристики, когда Up^

(6 -1 5 )

г д е й с — сопротивление в п;ени коллектора;
R e — сопротивление в цепи эмиттера.
Динамическая характеристика на входных характеристиках
транзистора строится переносом линии нагрузки на входные ха­
рактеристики по точкам (точки 2', 8', 4', 5' на-рис. 6-6, а). Если
входных характеристик мало и на них трудно даже по методу интер­
поляции найти необходимые напряжения Uce (между двумя вход­
ными характеристиками), то динамическую характеристику часто
строят, пользуясь одной входной характеристикой, соответству­
ющей Uce = —5 в. Поскольку реальная характеристика транзи­
стора, как правило, достаточно сильно отличается от типовых ха­
рактеристик транзистора, приводимых в справочнике, точность
графоаналитических расчетов от такого допущения существенно
не пострадает.
§ 6-4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ

В зависимости от выбранных значений питающих напряжений,
сопротивления нагрузки и от амплитуды и формы сигналов, пода­
ваемых на вход транзистора, различают следующие основные ре­
жимы работы транзисторов.
1.
Активный, или усилительный, режим характеризуется работой
транзистора на участке 2—8 линии нагрузки (см. рис. 6-6, б).
Если рабочая точка перемещается но всему участку 2—8 линии

нагрузки, то говорят, что транзистор работает в режиме большого
'сигнала, если рабочая точка перемещается в пределах маленького
(по сравнению с Uq^) участка линии нагрузки, то говорят, что тран­
зистор работает в режиме лталого сигнала. В активном режиме эмиттерный п—р переход открыт, коллекторный п—р переход закрыт.
' ■ 2. Режим отсечки соответствует работе транзистора на участке i —
2 линии нагрузки (см. рнс. 6-6, 6) при входном токе, равном нулю,
•или ' отрицательном. Режим отсечки соответствует закрытому со­
стоянию транзистора, т. е. малому значению выходного тока. В ре­
жиме отсечки оба п—р перехода закрыты.
’ 3. Режим насыщения соответствует току базы / д ^
sat- Сте­
пень насыщения характеризуется коэффициентом насыщения
(6-16)
^Bsai
В режиме насыщения оба п—р перехода транзистора открыты.
В выходной цепи транзистора проходит большой ток I q sat, величина
которого практически не меняется при изменении входного тока
>
I в sal-

4.
Инверсный режим соответствует обратному включению тран­
зистора, когда эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход
открыт. Инверсный режим называют иногда микрорежимом, так
как транзистор в этом режиме может удовлетворительно работать
при малых питающих напряжениях и очень малых сигналах.
Итак, подводим некоторые итоги сказанному.
Транзисторные усилители гармонических сигналов работают
в активном режиме. Предварительные каскады усиления работают
в режиме малого сигнала, выходные каскады усилителей работают
в режиме большого сигнала.
Транзисторные ключевые схемы (транзисторные ключи) работают
в режимах отсечки и насыщения, переход из одного режима в другой
происходит скачкообразно.
Инверсный режим применяется в некоторых схемах микроэлек­
троники и отличается высокой экономичностью.
6-5. ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ И И Х ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кроме физических параметров г^, Гс, г^, /igib»
и Сдд, описан­
ных в § 6-1 и 6-2, и малосигнальпых гибридных параметров й ц ,
h i 2,
упомянутых в § 6-2, существуют еще параметры боль­
шого сигнала и предельные параметры транзисторов.
Рассмотрим способ определения гибридных малосигнальных па­
раметров по входным и выходным характеристикам транзистора,
формулы пересчета малосигнальных параметров в физические и дру­
гие малосигнальные параметры и затем рассмотрим параметры боль­
шого сигнала и предельные параметры.
Как упоминалось выше, непосредственное измерение физиче­
ских параметров невозможно, поэтому для определения параметров

транзистора снимают его входные и выходные характеристики для
схемы ОЭ. С помощью характеристического треугольника аЬс, по­
казанного на входных характеристиках рис. 6-7, а, можно найти
входное сопротивление для схемы с общим эмиттером
ди B E
dl.

t/CE=const

be

(6-17)

И коэффициент обратной связи по напряжению
h,

ди,
'BE
dU

СЕ

/ д -co n s t

^СЕ

^^CEi

(6-18)

б'

Р и с. 6*7. Определение в х о д н ы х ги б р н д н ы х п а ра м етров
н о вх од н ы м ха р а к тер и сти к а м (а ) и определение в ы х о д н ы х
ги б р и д н ы х п а ра м етров п о в ы х од н ы м ха р а ктери сти ка м (б)
т р а н зи ст о р а

По выходным характеристикам и треугольнику а'Ъ'с' и отрезку Ъ'Ъ"
((рис. 6-7, б) можно найти коэффициент передачи базового тока
djc
h ie = dl.

Ъ'Ъ"

C7(j£-const

(6-19)

и выходную проводимость транзистора
dir
dUС Е

b'c'
I jt j-c o n s t

a' с'

(6-2 0 )

С помощью найденных графоаналитическим путем гибридных
параметров можно найти коэффициент передачи эмиттерного тока
/г„216'

1+ Il2

( 6 . 21 )

и другие малосигнальпые и физические параметры транзистора.
Расчетные формулы для вычисления параметров даны в табл. 6-1.
Параметры большого сигнала определяют не в дифференциальной,
а в интегральной форме.

Формулы для вычисления параметров
Парамет­
ры для
схемы ОЭ

h n e

h

Физические
параметры

’’в

‘' ’’е

(1~ *

Параметры для схемы ОБ

21е)

Лпл

)

+

h u b

пЛа
1-f

Tq (1

'■в + ' ' c

^21е)

е

fl
' *21 С

/iaie)

(1-Ь^*21е)

” 216

'•с

+

=

1,

Л.ой
'" с (*

Параметры для схемы ОН

"12^

, , ,
1
h a ll

''в

’’с

_

Г
-U r”
^С + ^В

^

^ 2 1 с = 1 "Ь ^*21^

h^ib —

Так, статический коэффициент передачи базового тока
h^iE '

^с~^сво
^в + ^сво

(6 -2 2 )

Статический коэффициент передачи тока эмиттера
^21В =

(6-23)

Параметры большого сигнала указаны в справочниках по тран­
зисторам. Кроме перечисленных параметров малого и большого
сигналов важными являются предельные и предельно допустимые
параметры транзистора, к которым относятся:
1. Максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллекто­
ром Р с тях- Эта мощность определяется допустимым нагревом кол­
лекторного перехода. В справочниках указывают Рстах Для тран­
зистора с охлаждающим радиатором н без него.
2. Максимальный ток коллектора Iq max- Превышение этого тока
приводит к недопустимому уменьшению коэффициентов передачи
тока и других параметров транзистора.
3. Допустимые напряжения U c e m a x и f^CB max, при которых (в схе­
мах ОЭ и ОБ соответственно) начинается электрический или лавин­
ный пробой коллекторного п—р перехода.
4. Граничная частота усиления fh2ib’ па которой коэффициент
передачи эмиттерного тока h^ib уменьшается в [ 2 раз (па 3 дб)
по сравнению со значением, измеренным па звуковых частотах.

О)
G

S

Й

+

от
+

+

LO
О

ю
о

LO
о
о

LO
00
+

ю
со
+

ю
г^
+

о

LO
о
о

ю
о

s
+
UO

+

?

о

О
О
Ю«М О
ю

я
ю

ОО
ОО

aiS

LO

о

о
со
1
о
со

о
со

ч

ьо
со

о
со

о
г1
ю

о00

S
см

о

о

о
со

со

ь

о
со
о
C^l

ю

о
vr
о
см

1ё

о
см

LO

о
*