И.П. Жеребцов - Основы электроники, страница 4

Ряд требований предъявляется к электрическим свойствам элементов РЭА. Они должны работать в нужном диапазоне частот и обладать необходиь мым быстродействием. Поэтому бывают указаны рабочие частоты или предельная частота. Как правило, желательно, чтобы электронные элементы потребляли минимальную энергию от источников питания |это особенно важно для переносной РЭА) и потери энергии в самих элементах также были минимальными.. Элементы должны обладать электрической прочностью, которая характеризуется предельным напряжением, предельным током и предельной мощностью, выделяющейся в данном элементе. Всегда желательны минимальные размеры и масса элементов, так как их число в современной сложной РЭА сильно увеличилось. Важнейшим направлением развития электроники стала миниатюризация и микроминиатюризация элементов. Однако здесь возникают трудности: чем меньше размеры элемента, тем меньше у него предельная мощность.

Очень важна технологичность элементов РЭА, возможность механизации и автоматизации их изготовления, так как нельзя вручную с нух:ной точностью изготовить огромное число элементов. Большую роль в этом направлении играет унификация элементов, которая проводится не только в нашей стране, но и более широко в рамках СЭВ. Стоимость элементов РЭА является важным экономическим фактором, но при этом следует иметь в виду, что высококачественные элементы, как правило; имеют высокую стоимость, так как их производство обходится недешево. В.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий электроника опиралась почти исключительно на электронные и ионные электровакуумные приборы.

Однако в последнее время почти во всех областях современной электроники основными приборами стали полупроводниковые. Поэтому в данной книге в первую очередь рассматриваются именно эти приборы, а затем уже электровакуумные. Техника полупроводниковых приборов стала большой и очень важной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое число различных типов полупроводниковых приборов. На всем протяжении развития радиотехники широко применялись кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые диоды для токов высокой частоты. Для выпрямления переменного тока электрической |! сети использовались купроксные и селе- новые полупроводниковые выпрямители. Однако принцип действия полупроводниковых выпрямителей и кристаллических детекторов долгое время не был ясен.

По сравнению с электронными лампамн полупроводниковые приборы имеют существенные достоинства. Перечислим основные: малая масса и малые размеры; отсутствие затрат энергии на накал; более высокая надежность и срок службы (десятки тысяч часов и более); большая механическая прочность (стойкость к вибрации, ударам и другим видам механических нагрузок); более высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны; возможность работы при низких питающих напряжениях; возможность использования в микроэлектронной аппаратуре; более низкая стоимость. Вместе с тем полупроводниковые приборы обладают некоторыми недостатками: параметры и характеристики отдельных экземпляров данного типа приборов имеют значительный разброс; свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры; свойства и параметры некоторых приборов с течением времени ухудшаются (старение); собственные шумы иногда больше, нежели у электронных ламп; многие типы транзисторов непригодны для работы на высоких частотах; входное сопротивление у многих транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп; полезная мощность транзисторов пока еще ниже, чем у электровакуумных приборов; работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием ионизирующего излучения.

Широким фронтом ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов, по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в ты- 12 сячи ампер, транзисторы для частот в сотни и более мегагерц, а также новые типы полупроводниковых приборов для частот в тысячи мегагерц. Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применяются электровакуумные приборы, за исключением некоторой аппаратуры СВЧ. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных вычислительных машинах и во многих других устройствах.

Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. Минимальная мощность для пи~анна электронной лампы составляет 0,1 Вт, а для транзистора она может быть 1 мкВт, т. е. в 100 000 раз меньше. В полупроводниковых интегральных микросхемах на пластинке кремния размером в несколько квадратных миллиметров размещаются сотни и даже тысячи транзисторов. На основе подобных микросхем построены электронно- вычислительные машины, содержащие миллионы элементов.

На транзисторах работают миниатюрные радиоприемники н передатчики. Для их питания достаточно даже одного элемента от карманного фонаря. Специально для аппаратуры с полупроводниковыми приборами сконструированы малогабаритные радиодетали, благодаря которым удалось создать аппаратуру весьма малых размеров. Например, имеются приемно-передаюШие радиостанции, смонтированные в микротелефонной трубке, причем для их питания используется звуковая энергия голоса человека, говорящего в микрофон. Сверхминиатюрный радиопередатчик с транзистором, находящийся вместе со специальными приборами в капсуле, заглатываемой больным, передает сигналы о состоянии желудочно-кишечного тракта.

В.5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ и можно считать массу электрона постоянной. Движение электрона в ускоряющем поле. На рис. В.2 изображено в виде силовых линий (линий напряженности) Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом во всех электронных приборах. Будем полагать, что электроны движутся в вакууме, т.

е. без столкновений с другими частицами. Такое движение совершается в электронных лампах. В газоразрядных и полупроводниковых приборах движение сложнее, так как происходит столкновение электронов с ионами и другими частицами газа или твердого вещества. Необходимо прежде всего рассмотреть движение электрона в однородном и постоянном во времени электрическом поле. Законы движения одного электрона в однородном электрическом поле с известным приближением можно применить к движению его в электронном потоке, если пренебречь взаимным отталкиванием электронов. Электрическое поле в большинстве случаев неоднородно и весьма сложно по своей структуре. Изучение движения электронов в неоднородных электрических полях представляет большие трудности и относится к области электроники, называемой электронной оптикой.

Если неоднородность поля незначительна, то можно приближенно считать, что электроны движутся по законам, выведенным для однородного поля. Этн законы позволяют рассмотреть с качественной стороны движение электронов и в полях со значительной неоднородностью. Напомним, что электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, абсолютное значение которого е = 1,6.

10 " Кл. )у)асса неподвижного электрона т = =.9,1. 10 Яв г. С возрастанием скорости масса электрона увеличивается. Теоретически при скорости с = 3.10 м/с она должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает О,1 с рис. В.2. двиткение электрона в ускоряю- яцем электрическом поле однородное электрическое поле между двумя электродами, например катодом и анодом диода.

Если разность потенциалов между электродами 11, а расстояние между ними Ы, то напряженность поля Е= У,Ы. (В.2) Для однородного поля величина Е является постоянной. Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода К, вылетает электрон с кинетической энергией Ио и начальной скоростью во, направленной вдоль силовых линий поля. Поле ускоряет движение электрона. Иначе говоря, электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называют угкорлющиль Напряженность поля численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд. Поэтому сила, действующая на электрон, Е = — еЕ.

(В.З) Знак «минус» поставлен потому, что сила Е направлена в сторону„ противоположную вектору Е. Иногда этот знак не ставят. Под действием постоянной силы Е электрон получает ускорение а = Е/т. Двигаясь прямолинейно, электрон приобретает наибольшую скорость и и кинетическую энергию И' в конце своего 13 пути, т.е, при ударе об электрод, к которому он летит. Таким образом, в ускоряющем поле кинетическая энергия электрона увеличивается за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона И'- 1то равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов 1/; И'- Ио = то'/2 — тоог/2 = е У (В 4) Если начальная скорость электрона равна нулю, то И'= ишг/2 = е(/, (В.5) т.

е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Формула (В.5) с некоторым приближением может применяться и в том случае, когда начальная скорость о, много меньше конечной скорости о, так как при этом вн,г/2 ~ тог/2 Если условно принять заряд электрона за единицу количества электричества, то при (/ = 1 В энергия электрона принимается за единицу энергии, которую назвали электрон-вольтом (зВ). В большинстве случаев удобно выражать энергию электронов в электрон-вольтах, а не в джоулях. Из формулы (В.5) определяется конечная скорость электрона о= 2 — (/.

(В.6) Подставляя сюда значения е и т, можно получить удобное выражение для скорости в метрах или километрах в секунду: о 6. 10' 1/(/ или о ж 600)/К (В.7) Таким образом, скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности потенциалов.

Начальную энергию электрона удобно выражать в электрон-вольтах, имея в виду равенство И'о = е(/о, (В.8) 14 т.е. считая, что эта энергия создана ускоряющим полем с разностью потенциалов ()о. Скорости электронов даже при небольшой разности потенциалов значительны.

При 1/ = 1 В скорость равна 600 км/с, а при (/ = 100  — уже 6000 км/с. Найдем время г пролета электрона между электродами, определив его с помощью средней скорости: г= г/о,. (В.9) Средняя скорость равноускоренного движения равна полусумме началы1ой и конечной скоростей: о р = (оо + о)/2. Если оо ~ о, то о, о/2 и г 2г(/о. (В.11) Подставляя сюда значения конечной скорости, получим время пролета в секундах: — — = 0,33 . 10 гг(ф У; (В.12) 2г( 6 10'(/3 здесь расстояние И выражено в метрах, а если выразить его в миллиметрах, то г = 0,33 10-.'(/)/Ъ.