Снятие характеристик электронных приборов и устройств. Электронные и ионные приборы

Глава тринадцатая. Двухэлектродные лампы и их применение для выпрямления переменного тока

13-1. Классификация и применение электронных приборов

Электроника изучает принцип действия, устройство и применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов.

Электронными называются приборы, в которых явление тока связано с движением только электронов при наличии в приборах высокого вакуума, исключающего возможность столкновения электронов с атомами газа. К этой группе приборов относятся, например, двух- и трехэлектродные лампы, некоторые фотоэлементы, электроннолучевые трубки и др.

Электронные приборы применяются в выпрямителях, усилителях, генераторах, приемных устройствах высокой частоты, а также в автоматике, телемеханике, измерительной и вычислительной технике.

Ионными называются приборы, в которых явление тока обусловлено движением электронов и ионов, полученных при ионизации газа или паров ртути электронами. К ним относятся газотроны, тиратроны, ртутные вентили и др.

Ионные приборы отличаются от электронных значительной инерционностью процессов, обусловленных огромной массой иона по сравнению с массой электрона, поэтому ионные приборы применяются в установках с частотой, не превышающей несколько килогерц - в выпрямителях средней и большой мощности в схемах автоматического управления механизмами и др.

Полупроводниковыми называются приборы, в которых ток создается в твердом теле движением электронов и «дырок», и используются свойства полупроводников.

В последние годы резко возросло применение полупроводниковых приборов вследствие ряда преимуществ их перед электронными и ионными приборами. Главные из них: малый расход энергии, малые размеры, масса и стоимость, значительная механическая прочность, большой срок службы и простота эксплуатации. В ряде областей радиотехники, энергетики, автоматики, телемеханики и вычислительной техники полупроводниковые приборы с успехом заменяют электронные и ионные приборы.

1. Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов

Электронные приборы – это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твёрдом теле, жидкости, вакууме , газе или плазме. Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.

Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.

Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно технологическим признакам, роду рабочей среды и т. д.

В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.

По виду рабочей среды различают следующие классы приборов: полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные, хемотронные (рабочая среда – жидкость). В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.

По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.

2. Режимы и параметры электронных приборов

Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы.

Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами.

Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом. Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т. д. Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим. Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора(например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.

3. Электропроводность материалов.

Применяемые в электронике полупроводники имеют монокристаллическую решётку. Каждый атом кристаллической решётки за счёт ковалентных связей прочно удерживается в узлах кристаллической решётки. В идеальной решётке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако небольшие энергетические воздействия могут привести к отрыву некоторых электронов от своих атомов, делая их способными перемещаться по кристаллической решётке. Такие электроны называются электронами проводимости. Энергетические состояния электронов проводимости образуют зону значений (уровней) энергии, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов образуют валентную зону. Между максимальным уровнем энергии валентной зоны W в и минимальным уровнем зоны проводимости W c лежит запрещённая зона. Ширина запрещённой зоны в W c определяет минимальную энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т. е. энергию ионизации атома полупроводника. Ширина запрещённой зоны для большинства полупроводников составляет 0,1 – 3 эВ.

4. Понятие электрохимического потенциала (уровня Ферми).

Вероятность нахождения свободного электрна в энергитическом состоянии W опредяляется функцией

Полупроводники с донорной примесью называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны. В случае полупроводника с акцепторной примесью электроны являются неосновными носителями заряда, дырки – основными носителями, а полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным, или полупроводником p-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны.

5.Собственная проводимость.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

1. Особенности полупроводников

дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Э лектронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд. В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

6. Примесная электропроводность полупроводниковых материалов.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь nпримеси > nполупроводник Мышьяк в германий nприм. =5; nп/прово-к=4

Каждый атом примеси вносит свободный электрон

Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны Не основные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь nпримеси < n полупроводник

Индий в германий nприм. =3; nп/прово-к=4 Каждый атом примеси захватывает электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.

7. Электрические переходы в полупроводниковых приборах

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твёрдого тела с различными типами или значениями проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n - и p-типа, называемый электронно-дырочным переходом, или p-n - переходом. Используются также переходы между областями с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости (n+-n; p+-p). Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси.

Широкое применение получили переходы металл-полупроводник. Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы).

Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах. Физические процессы в переходах лежат в основе действия большинства полупроводниковых приборов.

Широко применяются несимметричные p-n-переходы, в которых концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в другой

области – базе. В симметричных p-n-переходах концентрация акцепторов в p-области равна концентрации доноров в n-области.

8-9 Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

Контактная разность потенциалов.

Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе. Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области, а концентрация дырок в p-области больше, чем в n-области. Вследствие этого заряды будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, что приведёт к появлению диффузионного тока электронов и дырок.

На границе p - и n-областей создаётся слой, обеднённый подвижными носителями. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный заряд положительных ионов, а в дырочной области – нескомпенсированный заряд отрицательных ионов примесей. Таким образом, электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный – отрицательно.

Между областями полупроводника с различными типами электропроводности возникает электрическое поле напряжённостью Е. Образовавшийся двойной слой электрических зарядов называется запирающим, он обеднён основными носителями и имеет вследствие этого низкую электропроводность.

Вектор напряженности поля направлен так, что он препятствует диффузионному движению основных носителей и ускоряет неосновные носители. Этому полю соответствует контактная разность потенциалов ϕ k, связанная с взаимной диффузией носителей. За пределами p-n-перехода полупроводниковые области остаются нейтральными. Движение неосновных носителей образует дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. Итак, в условиях равновесия встречные дрейфовый и диффузионный токи должны быть равны, т. е.

Тогда выражение для контактной разности потенциалов ϕ k в p-n-переходе

10. Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, равновесное состояние нарушится, и в цепи будет протекать ток. Различают прямое и обратное включения p-n-перехода.

10.Прямое включение . Пусть внешнее напряжение приложено плюсом к p-области, а минусом – к n-области. При этом оно противоположно по знаку контактной разности потенциалов. Так как концентрация подвижных носителей в p-n-переходе значительно ниже, чем в p - и n-областях, сопротивление p-n-перехода значительно выше сопротивления p - и n-областей. Можно считать, что приложенное напряжение полностью падает на переходе. Основные носители будут двигаться к контакту, сокращая дефицит носителей в p-n-переходе и уменьшать сопротивление и толщину p-n-перехода. Поток основных носителей через контакт увеличится. Ток, протекающий через переход, в данном случае называется прямым, а напряжение, приложенное к переходу – прямым напряжением. Диффузия дырок через переход приводит к увеличению концентрации дырок за переходом. Возникающий при этом градиент концентрации дырок обусловливает диффузионное проникновение их в глубь n-области, где они являются неосновными носителями. Это явление называется инжекцией (впрыскиванием). Инжекция дырок не нарушает электрической нейтральности в n-области, т. к. она сопровождается поступлением из внешней цепи такого же количества электронов.

11.Обратное включение .

Если внешнее напряжение приложено плюсом к n-области, а минусом к – p-области, то оно совпадает по знаку с контактной разностью потенциалов В этом случае напряжение на переходе возрастает, и высота потенциального барьера становится выше, чем при отсутствии напряжения.

Направление результирующего тока противоположно направлению прямого тока, поэтому он называется обратным током, а напряжение, вызывающее обратный ток, называется обратным напряжением. Поле в переходе является ускоряющим лишь для неосновных носителей. Под действием этого поля концентрация неосновных носителей на границе перехода снижается и появляется градиент концентрации носителей заряда. Это явление называется экстракцией носителей.

Так как число неосновных носителей мало, ток экстракции через переход намного меньше прямого тока. Он практически не зависит от приложенного напряжения и является током насыщения.

Таким образом, p-n-переход обладает несимметричной проводимостью: проводимость в прямом направлении значительно превышает проводимость p-n-перехода в обратном направлении, что нашло широкое применение при изготовлении полупроводниковых приборов.

12. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения.

https://pandia.ru/text/78/661/images/image016_9.jpg" width="714" height="480 src=">

13. Свойства p-n-перехода

При больших отрицательных напряжениях в р-n -переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем р-n -перехода. Пробой перехода возникает при достаточно сильном электрическом поле, когда неосновные носителя зарядов ускоряются настолько, что ионизируют атомы полупроводника. При ионизации создаются электроны и дырки, которые, разгоняясь, снова ионизируют атомы и т. д., в результате чего диффузионный ток через переход резко возрастает, а на вольт-амперной характеристике р-n -перехода в области больших отрицательных напряжений наблюдается скачок обратного тока. Следует отметить, что после пробоя переход выходит из строя только тогда, когда происходят необратимые изменения его структуры в случае чрезмерного перегрева, который наблюдается при тепловом пробое. Если же мощность, выделяющаяся на р-n - переходе, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя. Такой пробой называют электрическим (восстанавливаемым).
276" align="left">

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. В качестве структурных элементов диодов используют также p-i-, n-i-переходы, переходы металл-полупроводник, p+-p-, p+-n-переходы, гетеропереходы. Изготовляются также диоды с p‑i‑n‑, p+-p-n - и n+-n-p-структурами. Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды. Полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Основным элементом полупроводникового диода является р-n -переход, поэтому вольт-амперная характеристика реального диода близка к вольт-амперной характеристике р-n -перехода, приведенной на рисунке 3.3, г. Параметры и режим работы диода определяются его вольтамперной характеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока I от приложенного напряжения U . Типовая вольтамперная характеристика прибора показана на рисунке.

504" height="390 " align="center">

Рис. 2. Графические обозначения полупроводниковых диодов.

1 – общее обозначение (выпрямительный, импульсный, высокочастотный диод); 2 – стабилитрон; 3 – двуханодный стабилитрон; 4 – туннельный диод; 5 – обращенный диод; 6 – варикап; 7 – светодиод; 8 – фотодиод

17. Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования переменного тока с частотой от 50 до 20000 Гц в пульсирующий ток одного направления и широко используются в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. В качестве полупроводникового материала для таких диодов используют кремний, реже германий и арсенид галлия. Принцип работы выпрямительных диодов основан на вентильном свойстве p-n-перехода. Делятся на диоды малой, средней и большой мощности. Диоды малой мощности предназначены для выпрямления токов до 300 мА, средней и большой мощности – для выпрямления токов соответственно от 300 мА до 10 А и от 10 до 1000 А. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи; возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших значениях обратных напряжений. Преимущество германиевых диодов – малое падение напряжения 0,3¼0,6 В при протекании прямого тока (по сравнению с 0,8¼1,2 В у кремниевых).

В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Барьерная емкость перехода из-за большой площади велика и ее значение достигает десятков пикофарад. Германиевые диоды могут быть использованы при температурах не более 70¼80 °С, кремниевые – до 120¼150 °С, арсенид-галлиевые – до 150 °С.

Максимальное обратное напряжение маломощных низкочастотных выпрямительных диодов лежит в пределах от нескольких десятков до 1200 В. На более высокие напряжения промышленностью выпускаются выпрямительные столбы, использующие последовательное соединение диодов. Обратные токи не превышают 300 мкА для германиевых диодов и 10 мкА для кремниевых.

Мощные (силовые) диоды различаются по частотным свойствам и работают на частотах в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц и изготавливаются преимущественно из кремния.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. Поэтому в установках с диодами средней и большой мощности используются охладители – радиаторы с воздушным и жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора. При этом охлаждение может быть естественным (за счет конвекции воздуха) или принудительным (с использованием обдува корпуса прибора и радиатора с помощью вентилятора). При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость (вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости).

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

максимально допустимый прямой ток Iпр макс;

прямое падение напряжения на диоде Uпр (при Iпр макс);

максимально допустимое обратное напряжение Uобр макс;

обратный ток при заданном обратном напряжении Iобр (при Uобр макс);

диапазон рабочих температур окружающей среды;

коэффициент выпрямления Кв;

предельная частота выпрямления, соответствующая уменьшению коэффициента выпрямления в 2 раза.

18. Стабилитроны

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Принцип работы стабилитронов основан на использовании электрического вида пробоя p-n-перехода при обратном смещении.

На обратной ветви ВАХ имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величины обратного тока (участок с электрическим пробоем p-n-перехода). В качестве стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. ВАХ стабилитрона изображена на рис. 5. Величина обратного напряжения, при котором начинает развиваться электрический пробой, в значительной степени зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примеси.

При напряжении менее 6 В в p-n-переходе диода преобладает туннельный пробой. В диапазоне от 6 до 12 В наблюдаются оба вида электрического пробоя – туннельный и лавинный, а выше 12 В преобладает лавинный пробой. С изменением температуры напряжение стабилизации Uст изменяется. Низковольтные и высоковольтные стабилитроны имеют противоположные изменения напряжения стабилизации при увеличении температуры. При туннельном пробое с ростом температуры Uст уменьшается, а при лавинном – возрастает. Для напряжений от 6 до 12 В влияние температуры незначительно, т. к. в переходе существуют оба вида пробоя.

Основными параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации;

минимальный Icт мин и максимальный Icт макс токи стабилитрона;

температурный коэффициент напряжения стабилизации

;

Полупроводниковые диоды, применяемые для стабилизации напряжений менее 1 В с использованием прямой ветви ВАХ, называют стабисторами.

19. Варикапы

В варикапах используется зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Они делятся на подстроечные, или варикапы, и умножительные, или варакторы. Варикапы используются для изменения резонансной частоты колебательных систем. Варакторы применяются для умножения частоты.

Основными специальными параметрами варикапов являются:

номинальная емкость Св, измеренная при заданном обратном напряжении Uобр;

коэффициент перекрытия по емкости https://pandia.ru/text/78/661/images/image028_13.gif" width="79" height="52"> – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь;

температурный коэффициент емкости – отношение относительного изменения емкости к вызывавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

Кроме рассмотренных диодов выпускаются туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, успешно работающие в диапазоне сверхвысоких частот (0,3…300 ГГц), а также фото - и излучательные диоды, используемые в фотоэлектрических и оптоэлектронных приборах и в качестве светоиндикаторных устройств.

20. Импульсные диоды

Предназначены для работы в цифровых и других устройствах импульсной техники. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую длительность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30¼40 мВт).

На работу импульсных диодов влияют эффекты накопления и рассасывания носителей заряда. При воздействии на диод коротких по времени импульсов начинает сказываться инерционность процессов рассасывания носителей и перезаряда его емкости. Время установления сопротивления прямовключенного p-n-перехода диода tуст определяется инжекцией носителей заряда, их диффузионным перемещением в глубь базы, которое уменьшает объемное сопротивление базы диода до своего стационарного состояния. После окончания прямоугольного импульса при обратном включении p-n-перехода первоначально резко увеличивается величина обратного тока вследствие интенсивного рассасывания неравновесных носителей с последующим его экспоненциальным уменьшением до стационарного значения теплового тока I0.Время восстановления обратного сопротивления перехода tвос до своего нормального значения определяется по формуле

,где vдр и vрек – скорости дрейфа и рекомбинации носителей в структуре, определяющие скорость рассасывания носителей, W – протяженность структуры диода между его выводами. Скорость дрейфа носителей зависит от напряженности поля, сравнительно невелика и имеет свой предел vнас. Для уменьшения tвос необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличить скорость рекомбинации неосновных носителей, что достигается технологией изготовления импульсных диодов: введением в исходный материал нейтральных примесей, чаще всего золота (Au), для создания так называемых "ловушек" – центров рекомбинации. Параметры импульсных диодов те же, что и у высокочастотных диодов. Кроме того, к ним добавляются специфические параметры:

ü общая емкость диода Сд (десятые доли¼единицы пикофарад);

ü максимальное импульсное прямое напряжение Uпр макс и;

o максимально допустимый импульсный ток Iпр макс и;

ü время установления прямого напряжения tуст – интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного прямого напряжения (доли наносекунд¼доли микросекунд);

ü время обратного восстановления диода tвос – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд ¼доли микросекунд).

Для уменьшения tвос применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

ДНЗ – используется для формирования коротких прямоугольных импульсов. Это достигается за счет неравномерного легироания области диода. Для изготовления таких диодов применяются меза - и эпитаксиальная технология.

21. Диоды с накоплением заряда (ДНЗ).

В ДНЗ база изготовляется неравномерно легированной по длине. У таких диодов концентрация примеси в базе при приближению к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей базы – электронов, если база имеет проводимость n-типа. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n-перехода, оставляя в глубине базы избыточный положительный заряд атомов донор-

ной примеси, а вблизи перехода избыточный заряд электронов. Между этими зарядами возникает электрическое поле, направленное в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при прямом включении диода, концентрируются (накапливаются) в базе у границы перехода. При переключении диода с прямого на обратное направление эти дырки под действием поля внутри перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается.

Для изготовления таких диодов применяются меза - и эпитаксиальная технология.

22. Диоды с барьером Шотки.

время обратного восстановления диода tвос – время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения (доли наносекунд …доли микросекунд). Для уменьшения tвос применяют специальные разновидности импульсных диодов: диоды с барьером Шотки (ДБШ), диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В ДБШ переход выполнен на основе выпрямляющего контакта металл-полупроводник, в котором работа выхода из металла больше, чем работа выхода из полупроводника. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезаряда барьерной емкости. Конструктивно ДБШ выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Инерционность ДБШ в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.

23 Туннельные и обращённые диоды

Принцип работы туннельного диода (TД) основан на явлении туннельного эффекта в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Это приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением при прямом напряжении. Известно, что частица, имеющая энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера, может пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется свободный энергетический уровень, который она занимала перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. Чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота, тем больше вероятность туннельного перехода. Туннельный переход совершается без затраты энергии. Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 2.26, а.

2.17. Параметры туннельных диодов

Пиковый ток I п (от сотен микроампер – до сотен миллиампер).

Напряжение пика U п – прямое напряжение, соответствующее току п I.

Ток впадины I в, соответствующий напряжению U в.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току в I. Напряжение раствора U p – прямое напряжение, соответствующее типовому току на второй восходящей ветви ВАХ, определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения.

24. Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды , изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р - и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода представлена на рис. 2.28.

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви обычного выпрямительного диода, а обратная ветвь аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, т. к. при обратных напряжениях происходит туннельный переход электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области и при малых обратных напряжениях (десятки милливольт) обратные токи оказываются большими. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление в них соответствует обратному включению, а запирающее – прямому включению. Благодаря этому их можно использовать в детекторах и смесителях на СВЧ в качестве переключателей.

Вот ты на радостях идешь к чайнику с мыслью хлопнуть кружку чая с баранкой в честь только что собранного устройства, но оно вдруг перестало работать. При этом видимых причин нет: конденсаторы целы, транзисторы вроде бы не дымятся, диоды тоже. Но при этом устройство не работает. Как быть? Можно воспользоваться вот таким простым алгоритмом поиска неисправности:

Монтажные "сопли"

"Сопли" -- это небольшие капли припоя, которые создают короткое замыкание между двумя разными дорожками на печатной плате. Во время домашней сборки такие неприятные капли припоя приводят к тому, что устройство либо просто не запускается, либо работает неправильно, либо, что хуже всего, после включения тут же сгорают дорогие детали.

Чтобы не допускать таких неприятных последствий перед включением собранного прибора следует внимательно проверить печатную плату на наличие замыканий между дорожками.

Приборы для диагностики устройств

Минимальный набор приборов для наладки и ремонта радиолюбительских конструкций состоит из , мультиметра и . В некоторых случаях можно обойтись только мультиметром. Но для более удобной отладки устройств желательно все же иметь осциллограф .

Для простых устройств такого набора хватает за глаза. Что касается, к примеру, отладки различных усилителей, то для их правильной настройки желательно иметь ещё и генератор сигналов .

Правильное питание -- залог успеха

Прежде, чем делать какие-либо выводы и работоспособности деталей, входящих в твою радиолюбительскую конструкцию, следует проверить правильное ли питание подаётся. Иной раз окажется, что проблема была в неверном питании. Если начинать проверку устройства с его питания, то можно сэкономить много времени на отладке, если причина была в нём.

Проверка диодов

Если в схеме есть диоды, то их следует один за одним внимательно проверить. Если они внешне целые, то следует выпаять один вывод диода и проверить его с помощью мультиметра, включенного в режим измерения сопротивления. При этом если полярность клем мультиметра совпадает с полярностью выводов диода (+ клемма к аноду, а - клемма к катоду), то мультиметр покажет приблизительно 500-600 Ом, а в обратном включении (- клемма к аноду, а + клемма к катоду) не покажет вообще ничего, будто там обрыв. Если же мультиметр показывает что-либо другое, то скорее всего диод вышел из строя и негоден.

Проверка конденсаторов и резисторов

Сгоревшие резисторы видно сразу -- они чернеют. Поэтому найти сгоревший резистор достаточно легко. Что касается кондесаторов, то их проверка сложней. Во-первых, как и в случае с резисторами, надо првоести их осмотр. Если они внешне не вызывают подозрений, тогда ихследует выпаять и проверить с помощью LRC-метра. Обычно выходят из строя электролитические конденсаторы. При этом они раздуваются, когда сгорают. Другая причина их выхода из строя -- время. Поэтому в старых приборах часто заменяют все электролитические конденсаторы.

Проверка транзисторов

Транзисторы проверяются аналогично диодам. Сначала проводится внешний осмотр и если он не вызывает подозрений, то транзистор проверяется с помощью мультиметра. Только клемы мультиметра включаются поочерёдно между базой-коллектором, базой-эммитером и коллектором-эммитером. Кстати, у транзисторов бывает интересная неисправность. При проверке транзистор в норме, но когда включается в схему и на неё подается питание, то через некоторое время схема перестает работать. Оказывается, что транзистор нагрелся и в нагретом состоянии ведёт себя как поломанный. Такой транзистор следует заменить.

Вид статической характеристики обычно задается техническими требованиями.
Статические характеристики. а-входная. б-передаточная. в-выходная. / - на выходе О. 2 - на выходе 1..
Вид статической характеристики преобразования определяется схемой и конструкцией средства измерений.
Зависимости Q (U для синхронного двигателя при Р. Вид статических характеристик нагрузки определяется параметрами электроприемников и влиянием потерь в элементах распределительной сети, включая трансформаторы.
Вид статических характеристик усилителей с внешней и внутренней обратной связью практически одинаков.
Схемы высокочастотных кондуктометрических ячеек.| Эквивалентные электрические схемы емкостной измерительной ячейки. Вид статической характеристики высокочастотного кондуктометра определяется в основном зависимостью электрических свойств ячейки - ее активной и реактивной проводимости - от электропроводности раствора. Аналитическое исследование электрических свойств ячеек производится с помощью их эквивалентных схем, в которых распределенные параметры ячейки с - определенной степенью точности заменены сосредоточенными элементами цепи. Такой анализ позволяет, в ряде случаев, качественно оценить вид статических характеристик прибора с тем, чтобы выбрать геометрические параметры ячейки и частоту генератора, которые бы обеспечили измерение электропроводности в заданном диапазоне.
Вид статической характеристики высокочастотного кондуктометра определяется в основном зависимостью электрических свойств ячейки - ее активной и реактивной проводимости - от электропроводности раствора.
Структурная схема измерительного преобразователя. На вид статической характеристики влияют такие факторы, как механический гистерезис, ползучесть, силы трения, л и некоторые другие. Преобразование измеряемой величины х в выходную вели-у очень редко удается получить непосредственно преобра - оователем, состоящим из одного элемента. Чаще всего оно осу-ще Ьтвляется использованием определенной совокупности простейших элементов. Если считать, что каждый элемент, входящий в преобразователь, может быть также представлен в виде четырехполюсника, то преобразователь в целом изобразится как определенная комбинация таких четырехполюсников - элементов. Подобные комбинации могут иметь различную структуру, однако, как правило, это последовательное соединение четырехполюсников (ряс. Для такой схемы характерным является то, что выходная величина каждого k - ro четырехполюсника является одновременно входной величиной (& 1) - го. На входе цепочки четырехполюсников действует входная величина х, а на выходе - у.
Однако релейный вид статических характеристик таких усилителей часто отрицательно сказывается на качестве регулирования.
Рассмотрим вид статической характеристики линейной замкнутой системы комбинированного регулирования по управлению и нагрузке.

Анализ вида статических характеристик полупроводникового триода, показывает, что основным нелинейным параметром триода является его входное сопротивление. Сопротивление гк и коэффициент передачи а в активной области характеристик триода практически постоянны.
По виду статической характеристики: линейные (без начального сигнала у Sx и с начальным сигналом у у0 Sx), нелинейные (с растущей или падающей характеристикой), релейные.
По виду статических характеристик объекты делятся на стационарные и нестационарные.
По виду статической характеристики датчики можно разделить на линейные (без начального сигнала у S x и с начальным сигналом у Уо S x), нелинейные (с растущей или падающей характеристикой), релейные.
По виду статической характеристики вход - выход элементы автоматических систем делятся на элементы непрерывного и на элементы дискретного действия.
По виду статической характеристики реле делятся на две большие группы: нейтральные и поляризованные. В нейтральных реле направление перемещения якоря не меняется, а следовательно, и коммутируемые цепи не переключаются при изменении полярности входного сигнала. В поляризованных реле направление движения якоря изменяется и, следовательно, коммутируемые цепи переключаются на другие контакты при изменении полярности входного сигнала.
Во-вторых, вид статических характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Очевидно, что при любой схеме включения физические процессы, происходящие в транзисторе, не изменяются, но существенно меняются входные и выходные величины, а значит, и статические характеристики транзистора.
Схема для снятия статических характеристик электронной лампы с питанием анодных цепей от источника. Различают четыре вида статических характеристик: анодные, анод-но-сеточные, сеточно-анодные и сеточные.
Таким образом, вид кривых статических характеристик для большинства элементов аналогичен кривым зависимости интенсивности линий гелия от тока, с той лишь разницей, что они обнаруживают ток начала испарения.
В зависимости от вида статической характеристики различают аналоговые и релейные омические элементы.
Схема для исследования триода. Различают два основных вида статических характеристик триода: анодные характеристики, изображающие зависимость анодного тока триода от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке, и анодно-сеточные характеристики, изображающие зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. При снятии характеристик необходимо поддерживать постоянным напряжение накала.
Различают два основных вида статических характеристик триода: 1) анодные характеристики, представляющие собой зависимость анодного тока триода от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке, и 2) анодно-сеточные характеристики, представляющие собой зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. При снятии характеристик напряжение накала катода должно быть постоянным.
Графическую модель в виде статической характеристики нелинейного элемента определяют экспериментально путем приложения к элементу постоянного напряжения или тока, значения которого регулируют так, чтобы получить все точки характеристики.

Как показывают эксперименты, вид статических характеристик и коэффициенты усиления усилителей с внешней ОС и с самонасыщением достаточно близки.
Рассмотрим влияние смещения на вид статической характеристики реверсивного магнитного усилителя. На рис. 24.10 показано построение статической характеристики реверсивного магнитного усилителя при разных значениях смещения.
Для звена различают три вида статических характеристик.
Функция f зависит от вида статической характеристики управляемой проводимости.
Основным недостатком таких усилителей является релейный вид статической характеристики.
На рис. 30, б показан вид статических характеристик компрессора для случая рн const и трех значений рвс (pBct Рвсг Рве) - В положении золотника Я Ят компрессор работает на полную производительность Qi, Q2 или Q3 в зависимости от рвс. По мере выдвижения золотника (Я уменьшается) холодопроизводительность понижается приблизительно по линейному закону.
В измерительной практике в зависимости от вида статической характеристики преобразователя и рода работы этому определению придают более конкретный вид, в результате чего используют яесколько более узких и конкретных понятий чувствительности.
Статические характеристики усилителя сопло - заслонка с постоянными перепадами на дросселях. Здесь же рассмотрим влияние постоянного перепада на вид статической характеристики пневматического усилителя. Допустим, что имеется устройство, поддерживающее автоматически постоянный перепад давления Д / 7ПС на постоянном дросселе. Дрпс статическая характеристика рассматриваемого усилителя совпадает со статической характеристикой / обычного усилителя. Поэтому рабочий участок статической характеристики 2 имеет увеличенную крутизну.
Схемы и статические характеристики ПД. Закон преобразования перемещения в электрический сигнал (или вид статической характеристики ПД) определяется конструкцией датчика (профилем каркаса потенциометра), схемой подключения к источнику питания и нагрузке, а также режимом работы. В частном случае ПД реализует релейный закон преобразования перемещения в напряжение. Такой ПД называют релейным потенциометр ическим датчиком.
Положение поверхностей переключения зависит от свойств релейного элемента (вид статических характеристик, времена запаздывания при срабатывании и отпускании), от действующих сил (вид механических характеристик двигателя и закон изменения момента нагрузки) и от вида управляющей функции.
Сделаем некоторые допущения, которые принципиально не повлияют на вид статической характеристики. GTcTGT, т.е. количеством тепла, которое вносится с топливом. При постоянном расходе топлива этот член постоянен и мал по сравнению с членом GTXT.
Статическая характеристика двухпозиционного регулятора (а, изменение регулирующего воздействия х (б и переходный процесс у (в при возникновении в системе несимметричных автоколебаний.
Моменты срабатывания Пз-регулятора определяются свойствами линейной части АСР и видом статической характеристики регулятора.
В этом случае математическое описание объекта может быть представлено в виде статической характеристики, описывающей весь диапазон рабочих режимов, а также набора динамических характеристик, каждая из которых приближенно описывает динамические свойства режимов объекта, соответствующих некоторому числу статической характеристики.
На характер изменения / 2 f (Un) оказывает влияние вид статической характеристики нагрузки, особенно по реактивной мощности, так как регулирующий эффект реактивной мощности больше, чем активной.
Блок-схема САУ по температуре в зоне обработки и упругим перемещениям, вэзхикающим в системе СПИД. Ясно, что и в этом случае результирующая статическая характеристика определяется видом статических характеристик всех устройств.
Поэтому запросы потребителя энергии и замыслы конструктора машины, воплощенные в виде статической характеристики регулирования той или иной формы, должны сообразоваться с первоначальной стоимостью механизмов автоматического управления и с эксплу атационными расходами на содержание этих механизмов.
Сформулируем принципы построения систем управления для класса технологических объектов, отличительной особенностью которых является экстремальный вид статической характеристики. Класс таких объектов весьма широк и включает установки, работающие во многих важных отраслях народного хозяйства - химической, нефтехимической, металлургической и др. Оптимальное управление этими объектами может дать значительный экономический эффект.
Для анализа качества струйных логических элементов и согласования элементов в схемах обычно используются следующие три вида статических характеристик: характеристики переключения, выходные и входные.
Следовательно, отрезки, отсекаемые на оси 6, не зависят от k и определяются видом статической характеристики реле.
Динамические характеристики каскада с активно-реактивной нагрузкой для синусоидального входного сигнала. Нетрудно видеть, что вид динамических характеристик для активно-реактивной нагрузки зависит не только от характера сопротивления и вида статических характеристик усилительного элемента, но и от частоты, амплитуды и формы входного сигнала.
Точность распределения двигателей между шинами U и Uz (см. рис. 6 - 9) мало сказывается на виде статических характеристик, но влияет на критическое напряжение.

Электронно-лучевые трубки; их область действия и применение. Ионные (газоразрядные) приборы: их основные параметры.

Электронно-лучевые приборы (ЭЛП ) - класс вакуумных электронных приборов, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в форме одиночного луча или пучка лучей, которые управляются как по интенсивности (току), так и по положению в пространстве, и взаимодействуют с неподвижной пространственной мишенью (экраном) прибора. Основная сфера применения ЭЛП - преобразование оптической информации в электрические сигналы и обратное преобразование электрического сигнала в оптический - например, в видимое телевизионное изображение.

В класс электронно-лучевых приборов не включаются рентгеновские трубки, фотоэлементы, фотоумножители, газоразрядные приборы (декатроны) и приёмно-усилительные электронные лампы (лучевые тетроды, электровакуумные индикаторы, лампы со вторичной эмиссией и тому подобное) с лучевой формой токов.

Устройство

Электронно-лучевой прибор состоит, как минимум, из трёх основных частей:

· Электронный прожектор (пушка) формирует электронный луч (или пучок лучей, например, три луча в цветном кинескопе) и управляет его интенсивностью (током);

· Отклоняющая система управляет пространственным положением луча (отклонением его от оси прожектора);

· Мишень (экран) приёмного ЭЛП преобразует энергию луча в световой поток видимого изображения; мишень передающего или запоминающего ЭЛП накапливает пространственный потенциальный рельеф, считываемый сканирующим электронным лучом .

Классификация

Передающие электронно-лучевые приборы преобразуют оптическое изображение в электрический сигнал.

· Диссектор («трубка мгновенного действия») - исторически первый тип передающей трубки, использовавшийся для астрономических наблюдений, в устройствах промышленной автоматики и для сканирования документов;

· Иконоскоп - исторически первый тип передающей телевизионной трубки;

· Ортикон, суперортикон, видикон - основные типы передающих трубок, применявшихся в телевидении до перехода на твердотельные преобразователи;

· Специализированные приборы, например, моноскоп - трубка для преобразования в электрический сигнал неподвижного изображения (испытательной таблицы).

Приёмные электронно-лучевые приборы преобразуют электрический сигнал в оптическое (видимое) изображение:

· Осциллографическая трубка - ЭЛП с емкостным (осциллографическим) управлением положения луча, применяемые для визуализации формы электрических сигналов

· Кинескоп - приёмная трубка телевизионной системы с магнитной отклоняющей системой и строчной развёрткой изображения;

· Индикаторная электронно-лучевая трубка - приёмная трубка радиолокационной системы с магнитной отклоняющей системой и круговой развёрткой, а также разнообразные специализированные индикаторы, знакогенерирующие трубки и т. п.

· Знакогенерирующие (знакопечатающие) трубки (характрон, тайпотрон и их аналоги).

· Запоминающая трубка записывает информации на пространственную мишень, хранит её в течение заданного времени, и (в трубках со считыванием) воспроизводит или считывает её электронным лучом. Различные трубки этого подкласса использовались как для хранения, обработки и воспроизведения оптических изображений, так и как двоичные запоминающие устройства ранних компьютеров

Особенности ремонта электронных приборов

Характерной особенностью электронных приборов автомобилей является то, что все они рассчитаны на управление и коммутацию значительных мощностей. Поэтому они содержат мощные полупроводниковые элементы, устанавливаемые на теплоотводах, и маломощные, выполненные печатным способом. Эти особенности требуют соблюдения определенных правил при их ремонте.

Правила установки и крепления полупроводниковых приборов. Крепление полупроводниковых приборов не должно нарушать герметичность корпуса прибора. Особенно осторожно надо обращаться со стеклянными изоляторами выводов. Изгиб выводов должен производиться. так, чтобы не допускать их деформации и образования трещин в изоляторах. Выводы изгибают на расстоянии не менее 10 мм от корпуса, (если нет других указаний).

Мощные транзисторы и диоды крепят с использованием всех точек и средств крепления, предусмотренных ТУ (болты крепления, специальные фланцы). Запрещается изгибать жесткие выводы у мощных полупроводниковых приборов, так как это неизбежно приводит к появлению трещин в стеклянных изоляторах.

Необходимо предусмотреть надежный тепловой контакт корпуса полупроводникового прибора с. теплоот-водом, а также свободную конвекцию окружающего воздуха, не допускать механических резонансов в диапазоне частот, предусмотренных в ТУ на приборы.

Способы присоединения выводов полупроводниковых приборов в схеме. Большинство полупроводниковых приборов рассчитано на применение паяных соединений выводов с элементами схем.

Как правило, вывод паяют на расстоянии 10 мм от корпуса (если в ТУ не оговорено иное). Важно, чтобы при пайке осуществлялся постоянный теплоотвод между корпусом полупроводникового прибора и местом пайки. Обычно температура не должна превышать 260 °С (например, припой ПОС -40). Необходимо чтобы паяльник не перегревался, его температура поддерживалась на заданном уровне и могла контролироваться. Корпус паяльника должен быть заземлен. Время пайки должно быть минимальным. Необходимо также защищать корпус и изоляторы выводов полупроводниковых приборов от попадания на них паров и брызг паяльного флюса> ,

Установлено, что возможны повреждения полупроводниковых приборов при разрядах, вызванных алектро-лизациёй изолированных предметов (в том числе тела человека). Работая с аппаратурой, необходимо защищать полупроводниковые приборы от электрических разрядов, заземляя изолированные тела.

Выводы базы транзисторов необходимо присоединять в схему первыми.и отключать последними. Запрещается подавать напряжение на транзистор, база которого отключена.

Присоединение выводов полупроводниковых приборов методом точечной электросварки допускается лишь в случае, когда это допускается ТУ.

Контроль и замена полупроводниковых приборов в схеме. Опыт показывает, что большая часть повреждений полупроводниковых приборов происходит при их проверках, наладке и контроле схем.

Наконечники проводов измерительных приборов должны иметь конструкцию, исключающую возможность случайных замыканий цепей в схемах.

При настройке не следует подавать сигналы между выводами транзисторов и диодов от генераторов с малым внутренним сопротивлением, так как при этом че_-рез приборы могут протекать большие токи, превышающие предельно допустимые.

Недопустима проверка схем на полупроводниковых приборах малой мощности с помощью омметров или Других приборов, создающих токи в измерительной цени, так как при этом возможны повреждения транзитов и диодов, очень чувствительных к перегрузкам.

Транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы при ремонте заменяют только при выключенных источниках питания.

Необходимо фиксировать результаты проверок исправности и замеров параметров выключенных из схемы приборов.

Ремонт печатных плат. Платы печатного монтажа изготовляют из листового фольгирова’нного гетинакса или текстолита методом химического травления. Со стороны печатного монтажа плата покрывается теплоизоляционной маской по всей поверхности за исключением- мест, предназначенных для пайки схемы. На поверхности печатных плат не должно быть следов химических реактивов и других загрязнений, непротравленных участков меди на пробельных местах, сколов и вмятин, а также расслоения материала рснования в местах механической обработки. Печатные проводники на платах должны быть четкими, с ровными краями, без разрывов, отслоений и протравленных участков. Неровности по кромкам печатных проводников допустимы только в тех местах, где они не уменьшают допустимое расстояние между двумя соседними проводниками.

Перечисленные выше требования к печатным платам определяют условия, которые необходимо выполнять при ремонте схем и замене элементов.

Тем, кто не знаком с печатным монтажом, рекомендуется вышедшую из строя деталь печатной платы выкусывать так, чтобы в плате остались проводники длиной 10-15 мм, к которым и следует припаивать новую деталь. Тем же, кто имеет практические навыки работы с печатной платой, можно рекомендовать другой способ. Вышедшую из строя деталь следует выкусить из платы, остатки ее выпаять и удалить из отверстия платы со стороны печатного слоя. Новую деталь нужно установить на место старой, а ее концы откусить, загнуть и припаять.