Полупроводниковые приборы и вакуумная электроника: физические принципы и конструктивные особенности
Электронными приборами называют устройства, в которых используются потоки электронов для управления электрическими сигналами, преобразования энергии, усиления, генерации, выпрямления и других функций. Все такие приборы можно условно разделить на две большие группы:
Работа вакуумных приборов основана на термоэлектронной эмиссии, то есть вырыве электронов с поверхности нагретого катода. Электроны, попадая в вакуум, могут быть ускорены и направлены электростатическим полем к аноду.
Основные элементы электронной лампы:
Простейшая электронная лампа — вакуумный диод — состоит из катода и анода. Принцип работы основан на том, что ток течёт только в одном направлении: от катода к аноду. При обратном напряжении анод не может эмитировать электроны, и ток отсутствует.
Характеристики вакуумного диода:
Триод имеет дополнительный элемент — сетку, расположенную между катодом и анодом. Малые изменения напряжения на сетке существенно влияют на ток анода, что делает возможным усиление сигнала.
Дальнейшее развитие:
Полупроводниковые приборы основаны на свойствах полупроводниковых материалов (главным образом, кремния и германия), в которых носители заряда могут быть как электроны, так и дырки. Примесная проводимость и контактные явления позволяют создавать переходы с различными свойствами.
P-n переход формируется при соединении двух областей одного кристалла с различным типом проводимости: p-область (с дырочной проводимостью) и n-область (с электронной проводимостью).
При контакте возникает обеднённая область, где носители рекомбинируют. Возникает внутреннее электрическое поле, препятствующее дальнейшему диффузионному проникновению носителей.
Прямое смещение уменьшает потенциальный барьер и позволяет току течь. Обратное смещение увеличивает барьер, и ток практически не течёт.
Полупроводниковый диод — это кристалл с p-n переходом. Он пропускает ток в одном направлении (при прямом смещении) и блокирует в обратном.
Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, содержащий два p-n перехода: npn или pnp. Он состоит из трёх областей:
Ток базы мал, но управляет гораздо большим током коллектора. Это даёт эффект усиления тока. Биполярный транзистор работает в активном, насыщенном или отсечённом режимах.
Полевой транзистор (MOSFET, JFET) управляется не током, а напряжением, подаваемым на управляющий электрод (затвор). Существует два основных типа:
Полевые транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением и низким током управления.
Работает в области обратного пробоя, поддерживает постоянное напряжение на нагрузке. Используется для стабилизации напряжения.
Диод с переменной ёмкостью, управляемой напряжением. Применяется в схемах настройки частоты (радиоприёмники, генераторы).
При прямом смещении электроны и дырки рекомбинируют с испусканием фотона. Энергия фотона определяется шириной запрещённой зоны.
Работает в режиме обратного смещения. Свет вызывает генерацию электронно-дырочных пар, увеличивая ток.
Использует фотоэлектрический эффект для преобразования световой энергии в электрическую. При освещении на p-n переходе возникает ЭДС.
Современные электронные приборы реализуются в виде интегральных схем (ИС) — комплексов полупроводниковых компонентов, изготовленных на одном кристалле кремния.
Преимущества ИС:
Примеры ИС:
Электронные приборы, от вакуумных ламп до интегральных схем, лежат в основе современной электроники и автоматики. Их разработка, оптимизация и миниатюризация привели к революции в технических науках, информации, связи и управлении.