книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

13,5 в) обратный ток резко возрастает, наступает пробой. Пробой не связан с какими-нибудь необратимыми явлениями в веществе полупроводника, он является следствием лавинного размножения числа неосновных носителей тока, при котором обратный ток через переход резко возрастает. Это свойство кремниевых диодов

ним по величине температурного коэффициента напряжения (приблизительно 0,07% па 1° С).

Особенно заманчиво использование низковольтных кремние­ вых стабилитронов, так как применение в этом случае газо­ разрядных стабилизаторов нецелесообразно из-за низкого к. п. д.

§ 3. Полупроводниковые триоды

Полупроводниковыми (кристаллическими) триодами или тран­ зисторами (т. е. кристаллическими усилителями) называют трех­ электродные полупроводниковые приборы, которые предназна­ чены для усиления и генерирования электрических сигналов.

61

В этом они имеют сходство с трехэлектродиымн электронными лампами. Однако физическая сущность процессов, происходящих в полупроводниковых и вакуумных триодах, совершенно раз­ лична. В электронных лампах носителями тока являются элек­ троны, свободно передвигающиеся в вакууме под действием электростатических полей анода и сетки. В полупроводниковых триодах носители тока — электроны и дырки, передвигающиеся внутри вещества, непрерывно взаимодействующие с кристалличе­ ской решеткой полупроводника. Поэтому скорость передвижения носителей тока в полупроводниковом триоде намного меньше, чем в вакуумном, а параметры значительно отличаются.

Полупроводниковый триод представляет собой полупроводнико­ вый кристалл, имеющий три области проводимости, чередующиеся по характеру, т. е. если средняя область имеет электронную (га) проводимость, то обе крайние имеют дырочную (р) проводимость и наоборот. Следовательно, полупроводниковый триод имеет два электронно-дырочных перехода и представляет собой как бы два полупроводниковых диода, соединенных последовательно. При этом средняя область обязательно должна иметь малую толщину. Необходимость этого условия станет ясной из дальнейшего. В зависимости от порядка чередования областей неодинаковой

Как и полупроводниковые диоды, полупроводниковые триоды делятся на плоскостные и точечные. В первых электронно-дыроч­ ные переходы образуются путем введения разных примесей в раз­ личные области кристалла, а во вторых — контактированием кри­ сталла с двумя металлическими остриями. Принцип действия обоих приборов приблизительно одинаков. Для изготовления полу­ проводниковых триодов в настоящее время применяются герма­ ний и кремний.

Рассмотрим процессы, происходящие в полупроводниковом триоде при его работе. На рис. 38, а условно показан плоскост­ ной р — га — р-трнод. Левая и правая части его имеют дырочную

(р) проводимость (носители зарядов — дырки— условно пока­ заны в виде светлых кружков), а средняя часть электронную (га) проводимость (свободные электропы показаны в виде темных кружков). Каждая из трех частей триода имеет электрод, пред­ назначенный для включения во внешнюю цепь. Когда напряжение к электродам триода не подведено и в кристалле отсутствует электрическое поле (рис. 38, а), носители тока во всех областях участвуют в беспорядочном тепловом движении. Обмена зарядов на электронно-дырочных переходах в массовых масштабах не происходит. Рассмотрим, что произойдет, когда между средним и левым электродами будет подключен источник небольшого напряжения (рис. 38, б). Поскольку минус источника подключен

1 Большинство ПТ. выпускаемых в СССР, относится к ПТ типа р— п—р.

62

ксреднему электроду, т. е. к области с «-проводимостью, а плюс

кобласти с /з-проводимостью, то очевидно, что источник напряже­ ния включен в прямом, проводящем направлении. Носители тока начнут перемещаться в сторону левого электронно-дырочного перехода, где начнется обмен зарядами, т. е. через переход пойдет электрический ток. На рис. 38, б большой белой стрелкой пока­ зано направление электрического поля внутри кристалла. Малень­ кие стрелки у носителей тока показывают преимущественные на­

правления их движения: дырки движутся в направлении дей­ ствия поля, а электроны — в противоположном направлении. Электроны проходят переход справа налево и двигаются в левой области кристалла до тех пор, пока но будут нейтрализованы

дырками. Дырки проходят переход слева направо и входят в среднюю область кристалла, имеющую «-проводимость. При работе триода дырки из левой области переходят в среднюю с электронной проводимостью. Количество электронов, т. е. сила тока через переход, зависит от э. д. с. источника напряжения Ei, действующего в цепи, и сопротивления этой цепи lh.

Теперь подключим источник э. д. с. Ег к средней п правой частям кристалла, как показано на рис. 38, в, т. е. в запирающем, обратном направлении правого р — «-перехода. Возьмем вели­ чину Ег значительно больше Ei, но такую, которая не превосходит допустимого обратного напряжения для перехода. В этом случае носители тока перемещаются от перехода в стороны электродов и ток через переход не течет. Не будет тока и в цепи источника э. д. с. Е 2 через сопротивление Вг. Если в средней области наряду с электронами появятся носители тока другого знака— дырки,

63

(рис. 38, г). Между средним электродом триода, который назы­ вается базой или основанием, и левым электродом, называемым эмиттером, включены низковольтный источник напряжения Еэ (не более 1—2 в), входное сопротивление Лвх и напряжение, подлежащее усилению UBX- Между базой и правым электродом, называемым коллектором, включены источник напряжения Ек в несколько десятков вольт и выходное, или нагрузочное, сопро­ тивление Лвых. Поскольку напряжение Еэ включено в проводя­ щем направлении левого п — р-перехода, постольку дырки из кол­ лектора будут переходить в базу, как об этом говорилось при рас­ смотрении схемы рис. 38, б. Источник напряжения Ек включен в непроводящем направлении правого р — «-перехода, и основ­ ные носители тока базы и коллектора уходят от перехода как в схеме рис. 38, в. В данном случае в базовой области, кроме основных носителей тока — электронов, будут находиться неоснов­ ные носители тока — дырки, которые перешли в базу из коллек­ тора. Эти дырки, попав в сферу действия электрического поля, наведенного источником напряжения Ек, проходят через правый переход в коллектор и далее нейтрализуются электронами элек­ трода. Почти все дырки, поступающие из эмиттера в базу, про­ ходят дальше в коллектор и определяют ток, протекающий по сопротивлению ЛВых. Лишь некоторое число дырок (несколько процентов) при прохождении через базу вступает во взаимодей­ ствие с электронами, что приводит к их взаимной нейтрализации. Это явление снижает эффективность действия ПТ, поэтому базо­ вую область делают как можно тоньше.

По всем внешним цепям ПТ проходят только электроны. Это и показано условно‘на рис. 38. К электроду коллектора подходят электроны, нейтрализующие дырки, которые переходят из базовой области в область коллектора. От электрода эмиттера уходят избыточные электроны, отдаваемые атомами полупроводника при

тока эмиттера. Коллектор забирает из базовой области неоснов­ ные носители тока, которые передал в нее эмиттер. Этим и объяс­ няется название электродов полупроводникового триода: эмит­ тер — пспускатель, коллектор — собиратель. Назначение эмит­ тера аналогично назначению катода вакуумного триода, работа коллектора аналогична работе анода. Действие базы полупро­ водникового триода в какой-то степени аналогично действию сетки электронной лампы, так как напряжение база — эмиттер упра­ вляет током коллектора.

64

Между токами эмиттера, коллектора и базы имеется вполне определенное соотношение:

/э = -Л; -f- /б-

Как говорилось выше, ток базы /о составляет незначительную часть / э. Ток эмиттера / э можно измепять, увеличивая или умень­ шая напряжение, приложенное между эмиттером и базой (т. е.

Еаи С/вх), и сопротивление входной цепи R BX. Ток коллектора

во много раз больше сопротивления R BX, то изменение падения СГли/1'.:

напряжения на этом сопротивлении будет во много раз больше, чем изменение UBX, т. е. в схеме будет усиливаться напряжение. Одновременно будет усиливаться и мощность, поскольку мощ­ ность, выделяемая в цепи, прямо пропорциональна сопротивле­ нию ее и при равных токах в цепях (/э и / к примерно равны между собой) отношение мощностей равно отношению сопроти­ влений.

Выше рассматривались процессы, происходящие в полупро­ водниковом триоде типа р — п — р. В триоде типа п — р — /г, т. е., когда база имеет дырочную проводимость, а эмиттер и кол­ лектор — электронную, все процессы происходят аналогично с той лишь разницей, что эмиттер посылает в базовую область не дырки, а электроны. В связи с этим полярность подключения источников напряжения изменяется. На рис. 39, а приведены схемы включения полупроводниковых триодов (ПТ), а на рис. 39, б схема с условным обозначением ПТ типа р — п — р. Так как применяются ПТ обоих типов, то часто в схемахполярностьисточников питания не указывается, ее нужно выбирать в зависимости

Находим величины напряжений коллектора Un, соответствуюпц е

Основным рабочим параметром ПТ является а (альфа) — коэф­ фициент усиления но току в схеме с общей базой при сопротивлении нагрузки, равной нулю. Схемой с общей базой (заземленной) называется приведенная основная схема включения ПТ (рнс. 39). Кроме нее, имеются еще две схемы включения ПТ. В зависимости от того, какой электрод оказывается общим, различают схемы с общим (заземленным) эмиттером и общим коллектором. Схемы

меньше его. Следовательно, величина а будет несколько меньше единицы. У современных плоскостных ПТ величина а составляет 0,9-0,98.

К прочим основным рабочим параметрам полупроводниковых триодов относятся коэффициенты усиления по напряжению и мощности, а также величина входного сопротивления. Эти пара­ метры зависят от схемы включения ПТ и рассмотрены в следую­ щей главе.

Кроме того, электрические свойства ПТ характеризуются максимальными режимами, которые нельзя превышать ни при каких условиях работы ПТ. Эти режимы определяются макси­

По своей конструкции и размерам полупроводниковые триоды очень сходны с германиевыми диодами. На рис. 41 показана кон­ струкция полупроводниковых триодов точечного н плоскостного типов. Преимуществом точечных транзисторов является меньшая собственная емкость и большая подвижность носителей тока, что позволяет их использовать на более высоких частотах (до 50 мгц). Плоскостные триоды характеризуются высокой механиче­ ской прочностью, устойчивостью параметров и возможностью получить большую выходную мощность.

По сравнению с электронными усилительными лампами полу­ проводниковые триоды имеют ряд преимуществ. Главное из них — высокая экономичность. Они не требуют, как электронные лампы, расхода электроэнергии на накал катода, источники пита­ ния могут иметь сравнительно низкое напряжение, коэффициент полезного действия ПТ примерно вдвое выше, чем у электронных ламп. Габаритные размеры и вес ПТ в десятки раз меньше, чем

значительно лучше трподных. Успешно ведутся работы но со­ зданию так называемых нолевых триодов. Так называется пло­ скостной триод, сила тока в котором изменяется под влиянием электрического поля специального управляющего электрода. Входное сопротивление такого ПТ значительно выше, чем у обыч­ ных полупроводниковых триодов, п может достигать величины, равной 1 мгом. Частотная характеристика полевого триода по­ зволяет применять его на частотах до 1 0 0 мгц.

В главе III рассматриваются различные случаи использова­ ния полупроводниковых триодов для усиления электрических сигналов.

§ 4. Фотосопротивления и вентильные фотоэлементы

Среди полупроводниковых приборов, нашедших применение в схемах автоматики, значительное место принадлежит полупро­ водниковым фотосопротивлениям и фотоэлементам с запирающим слоем — вентильным.

В главе I были описаны фотоэлементы с внешним фото­ эффектом — вакуумные и газонаполненные. В этих приборах фотоны сообщают атомам вещества дополнительную энергию, заставляющую электроны покидать поверхность катода. В полу­ проводниковых фоточувствительных приборах возникает явле­ ние внутреннего фотоэффекта, т. е. фотоны возбуждают атомы вещества, при этом электроны не покидают поверхность его, но в то же время некоторые из них разрывают связь с атомами и ста­ новятся свободными. В результате внутреннего фотоэффекта резко повышается электропроводность, как в фотосопротивлениях, или возникает разность потенциалов между областями, разделен­ ными запирающим слоем, как в вентильных фотоэлементах.

Фотосопротивления. Фотосопротивления (ФС) — это полупро­ водниковые приборы, которые уменьшают свое электрическое сопротивление под воздействием света. В отлпчпе от фотоэлемен­ тов с внешним фотоэффектом фотосопротивлсння проводят ток одинаково в обоих направлениях. Почти все полупроводники под воздействием света в той пли иной море увеличивают электро­ проводность, но для изготовления фотосопротивленнй применяют те из них, в которых явление фотоэффекта особенно сильно: селен (Se), германий (Ge), кремний (Si), сернистый таллий (TbS), сернистый свинец (PS), сернистый висмут (Bi2Sa), сернистый кад­ мий (CdS) н некоторые другие. Особенно широко применяются сернистосвпнцовые и сернистокадмневые фотосопротивленпя, па­ раметры которых будут рассмотрены дальше.

Конструктивно ФС чаще всего представляют собой пластинку из изоляционного материала (подложка), на которой укреплены два металлических электрода, имеющие форму гребней и располо­ женные так, что зубцы одного гребня входят в промежутки между зубцами второго. Сверху подложка с электродами покрывается слоем светочувствительного полупроводника. ФС заделывается

69

и пластмассовый корпус, имеющий два контактных штырька н отверстие для прохода света. Светочувствительный слой сверху покрыт прозрачным лаком. Внешне ФС большей частью оформлены в виде штепсельных вилок, предназначенных для включения в стан­ дартную ламповую панель.

ФС включается последовательно с источником напряжения н прибором или схемой, отмечающими изменение силы тока в цепи при изменении освещенности ФС. Характерная особенность ФС— протекание в его цепи тока даже при полном отсутствии света, так называемого темнового тока, что подтверждает наличие в полупро­ воднике носителей тока в нормальных условиях, без воздействия света. Темновое сопротивление ФС обычно составляет 0,1 —10 мгом. При освещении сопротивление ФС уменьшается во много раз в зависимости от силы света и типа фотосопротивлення.

Фототок ФС зависит от освещенности и от величины напряже­ ния, подаваемого на него. Поэтому при определении чувстви­ тельности в мка/лм обязательно учитывается падение напряжения на ФС, при котором измеряется чувствительность. Часто для характеристики чувствительности ФС употребляют термин «удельная чувствитетьность» — ток, проходящий в цепи ФС прп световом потоке в 1 лм и падении напряжения на ФС в 1 в. Единица удельной чувствительности мка/лмв.

По своей чувствительности фотосопротивлення в сотни и тысячи раз превосходят все остальные фотоэлементы. Например, удельная чувствительность сернистокадмиевых сопротивлений типа ФС-К1 составляет 3000 мка/лмв, а чувствительность при предельном рабочем напряжении 40,0 в — 1,2 а/лм. Не следует, разумеется, думать, что в цепи ФС можно получить ток, измеряе­ мый амперами. Выпускаемые промышлеппостью ФС допускают рассеивание мощности приблизительно 0,3 вт, поэтому при на­ пряжении 400 в максимальный допустимый ток через ФС менее

1 ма.

Световые характеристики всех фотосопротивлений имеют не­ линейный характер (рис. 42): чувствительность ФС падает с воз­ растанием освещенности. Вольтамперпые характеристики, отра­ жающие зависимость фототока от напряжения при неизменной ве­ личине светового потока, у большей части ФС имеют линейный характер (рис. 43).

Спектральные характеристики фотосопротивлепий зависят от материала и технологии изготовления ФС. На рнс. 44 приведены примерные спектральные характеристики некоторых ФС. Серпистосвинцовые ФС чувствительны ко всем лучам видимой части спектра и к инфракрасным лучам, максимум чувствительности их лежит в инфракрасной области. Сернистокадмиевые ФС из поликрпсталлического сернистого кадмия (типов ФС-К1 и ФС-К2) чувствительны только к видимым лучам; ФС, изготовляемые из монокристаллов сернистого кадмия (типов ФС-Ml и ФС-М2), имеют высокоселектпвную спектральную характеристику с мак­ симумом при X — 0,505 мкн.

70