"Конспект на тему: Электровакуумные приборы"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Специальность: 25.02.03 Техническая эксплуатация     электрифицированных и пилотажно-навигационных  

комплексов

Дисциплина: Электронная техника (М4)                                      

Преподаватель: Демянчук И.В.                                                         

                                                                  РАЗДЕЛ 1.                                                  

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Конспект лекций составлен на основе образовательной программы по

изучению электронной техники как модульного предмета в цикле обучения

по специальности 25.02.03 Техническая эксплуатация    электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов

 .

Предназначен только для учебных целей.

Тема №1. Виды и характеристики электровакуумных приборов.

Электровакуумными (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы). Действие приборов основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о высоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на 

-                     электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, 

-                     ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах).  - проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся

лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин.

Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными,частотно - преобразовательными,детекторными, измерительнымии др.

Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпускаются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные токи – электрические импульсы.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысокочастотные.

                                                       

                                                      Рисунок 1. Внешний вид электровакуумных приборов.                                                                                                             

           

В вакуумных электронных приборах анод — электрод,         который притягивает к себе летящие электроны,

испущенные катодом

В вакуумных электронных приборах катод — электрод, который является источником свободных электронов  

                                                              Рисунок 2. Составные части элементарного ЭВП.

Основные ионные приборы – это тиратроны (на слайде)

Тиратро́н — ионный (газоразрядный) прибор для  управления электрическим током с помощью напряжений,

поданных на его электроды. (рис.3)

Стабилитрон. (рис.4)

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения лампы со знаковой индикацией, ионные       разрядникии др. Помимо простых преобразователей           

электроэнергии, в группу электро-вакуумных приборов входят и целые системы.         

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы,  к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные       трубки),передающие телевизионные трубки, осциллографические (на рис.5) Осциллографическая  электронно-лучевая трубка предназначена для         отображения на люминесцентном экране электрических сигналов.         

                                                                       Рисунок 3. Внешний вид тиратрона.       

Рисунок 4. Внешний вид стабилитрона.

          Рисунок 5. Внешний вид осцилографической электронно     -лучевой      трубки        .

Тема №2. Проводники, диэлектрики и полупроводники. Собственная проводимость и способы образования примесных проводимостей полупроводников. Образование и свойства «р-п» перехода.

По способности проводить электрический ток вещества можно разделить на -проводники

-полупроводники

-диэлектрики

Эта способность обусловлена особенностью строения веществ.

В проводниках присутствуют свободные носители заряда - это часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром, которые могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. Такие электроны называются свободными. К проводникам относятся такие вещества, как медь, алюминий.

Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является их способность поляризоваться в электрическом поле. Строение диэлектриков характеризуется наличием незначительного количества свободных электронов и молекул, вытянутых

по форме (полярные диполи). Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.

К диэлектрикам относятся воздух, азот, элегаз, лаки, слюда, керамика, полэтилен.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - германий Ge и кремний Si.

Чистые полупроводники обладают удельным сопротивлением в пределах 10-5 — 108 Ом * м. Для снижения высокого удельного сопротивления в чистые полупроводники вводят примеси - проводят легирование, такие полупроводники называются легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III (бор В) и V (мышьяк As) групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся чистые полупроводники (т.е полупроводники без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника). 

Проводимость таких чистых полупроводников называется собственной.

В примесных полупроводниках электрические свойства определяются примесями, вводимыми искусственно в очень малых количествах. Например, введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью.

Давайте сначала разберем что такое электро-дырочный переход или p-n переход.

Это контакт двух полупроводников одного вида с разным типом проводимости.

Поверхность, по которой контактируют p- и n-слои, называется металлургической границей. 

p–n-переход обладает выпрямляющими, или вентильными, свойствами. 

Когда к полупроводнику n-типа приложено отрицательное напряжение, а к полупроводнику p-типа – положительное, такое включение называется прямым. Соответственно, когда к полупроводнику n-типа приложено положительное напряжение, а к полупроводнику p-типа – отрицательное, такое включение называется обратным. Обычно употребляют термины «прямое и обратное напряжение», «прямой и обратный ток». 

Выпрямительные свойства p–n-перехода позволяют использовать его в качестве полупроводникового диода. На рисунке 6, а - условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, а на рис. 6, б – структура полупроводникового диода.   Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области п,  –  катодом.

Рисунок 6. р-п переход. Основные графические обозначения.

Рассмотрим механизм образование р-п перехода.                            

Переход создаётся не простым соприкосновением       полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в

одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.        

                                                                Рисунок 7. Механизм образования и действия p                                                                                             – n перехода.

          а – основные и неосновные носители в областях полупроводника.                          б – образование p – n перехода.

                           в – направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.                                                                                                                   

г –  p–n переход под действием внешнего обратного напряжения.

1 – электроны; 2 – дырки; 3 – граница раздела; 4 – неподвижные ионы.

См. рис.7  А.

Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок.  Б.

Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти ( диффундировать ) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Кто может сказать, как можно назвать этот процесс?  В.

Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – является диффузионным током. 

Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n   области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. 

Б

Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.

Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый  p – n переход. 

Между  p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося  p – n  перехода действует электрическое поле Е, созданное двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок – наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. 

Электроны  p – области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p – n перехода и переносятся в  n область. То же происходит с дырками n – области.

В.

Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными -  током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны.  Г.

Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n – области, а минусом к p – области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля  p – n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из  n – области и дырки из p – области увлекаются от p – n перехода к внешним контактам, в результате чего p – n переход расширяется. 

Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. 

Зависимость тока от напряжения и есть ВАХ которая и показана на доске. 

Как можно убедиться, что реальная  характеристика отличается от идеальной, так как большую роль на характеристику оказывает температура и сам материал пластин.

(см. рис.8)

Рисунок 8. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.