Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с. Принцип работы электронно-лучевой трубки и ее применение

Студент должен знать : структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

Студент должен уметь : определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.

Краткая теория Структура осциллографа

Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10 -12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.

Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.

Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.

В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.

Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.

Рис. 1. Рис. 2.

Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор

В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.

Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.

Устройство и работа электронно-лучевой трубки

Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.

ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10 -7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.

Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.

Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).

Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).

Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.

Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.

§ 137. Электронно-лучевая трубка. Осциллограф

Для наблюдения, записи, измерений и контроля различных изменяющихся процессов в устройствах автоматики, телемеханики и других областях техники применяют осциллографы (рис. 198). Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка - электровакуумный прибор, в наиболее простом виде предназначенный для преобразования электрических сигналов в световые.

Рассмотрим, как отклоняется электрон и электронный луч в электрическом поле электронно-лучевой трубки осциллографа.
Если электрон поместить между двумя параллельными пластинами (рис. 199, а), имеющими разноименные электрические заряды, то под действием электрического поля, возникающего между пластинами, электрон отклонится, так как он заряжен отрицательно. Он отталкивается от пластины А , имеющей отрицательный заряд, и притягивается к пластине Б , имеющей положительный электрический заряд. Движение электрона будет направлено вдоль линий поля.

Когда в поле между пластинами попадает движущийся со скоростью V электрон (рис. 199, б), то на него действуют не только силы поля F , но и сила F 1 , направленная по его движению. В результате действия этих сил электрон отклонится от своего прямолинейного пути и будет перемещаться по линии ОК . - по диагонали.
Если между пластинами пропустить узкий пучок движущихся электронов - электронный луч (рис. 199, в), он под действием электрического поля отклонится. Угол отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов, из которых состоит луч, и величины напряжения, создающего электрическое поле между пластинами.
Каждая электронно-лучевая трубка (рис. 200) представляет собой баллон, из которого выкачан воздух. Коническая часть внутренней поверхности баллона покрыта графитом и называется аквадагом . Внутри баллона 3 помещается электронный прожектор 8 - электронная пушка, отклоняющие пластины 4 и 6 , и экран 5 . Электронный прожектор трубки состоит из подогревного катода, который излучает электроны, и системы электродов, образующих электронный луч. Этот луч, испускаемый катодом трубки, перемещается с большой скоростью к экрану и по существу является электрическим током, направленным в сторону, обратную движению электронов.

Катод представляет собой никелевый цилиндр, торец которого покрыт слоем оксида. Цилиндр надет на тонкостенную керамиковую трубку, а внутри нее для подогрева катода помещается нить из вольфрама, выполненная в виде спирали.
Катод расположен внутри управляющего электрода 7 , имеющего форму стаканчика. В дне стаканчика сделано небольшое отверстие, через которое проходят электроны, вылетающие из катода; это отверстие называется диафрагмой . На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение (порядка нескольких десятков вольт) по отношению к катоду. Оно создает электрическое поле, действующее на электроны, вылетающие с катода так, что они собираются в узкий луч, направленный в сторону экрана трубки. Точка пересечения траекторий полета электронов называется первым фокусом трубки . Увеличивая отрицательное напряжение на управляющем электроде, можно часть электронов отклонить настолько, что они не пройдут через отверстие и таким образом количестно электронов, попадающих на экран, уменьшится. Изменяя напряжение управляющего электрода, можно регулировать количество электронов в нем. Это позволяет изменять яркость светящегося пятна на экране электроннолучевой трубки, который покрыт специальным составом, обладающим способностью светиться под воздействием электронного луча, попадающего на него.
В состав электронной пушки также входят создающие ускоряющее поле два анода: первый - фокусирующий 1 и второй - управляющий 2 . Каждый из анодов представляет собой цилиндр с диафрагмой, которая служит для ограничения поперечного сечения электронного луча.
Аноды располагаются вдоль оси трубки на некотором расстоянии один от другого. На первый анод подается положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт, а второй анод, соединенный с аквадагом трубки, имеет положительный потенциал, в несколько раз больший потенциала первого анода.
Электроны, вылетающие из отверстия управляющего электрода, попадая в электрическое поле первого анода, приобретают большую скорость. Пролетая внутри первого анода, пучок электронов под действием сил электрического поля сжимается и образует тонкий электронный луч. Далее электроны пролетают через второй анод, приобретают еще большую скорость (несколько тысяч километров в секунду), летят через диафрагму к экрану. На последнем под действием ударов электронов образуется светящееся пятно диаметром менее одного миллиметра. В этом пятне расположен второй фокус электронно-лучевой трубки.
Для отклонения электронного луча в двух плоскостях электронно-лучевая трубка снабжена двумя парами пластин 6 и 4 , расположенных в разных плоскостях перпендикулярно одна другой.
Первая пара пластин 6 , которая находится ближе в электронной пушке, служит для отклонения луча в вертикальном направлении; эти пластины называются вертикально отклоняющими . Вторая пара пластин 4 , расположенная ближе к экрану трубки, служит для отклонения луча в горизонтальном направлении; эти пластины называются горизонтально отклоняющими .
Рассмотрим принцип действия отклоняющих пластин (рис. 201).

Отклоняющие пластины В 2 и Г 2 подключены к движкам потенциометров П в и П г. К концам потенциометров подается постоянное напряжение. Отклоняющие пластины В 1 и Г 1 как и средние точки потенциометров, заземлены, и их потенциалы равны нулю.
Когда движки потенциометров стоят в среднем положении, потенциал на всех пластинах равен нулю, и электронный луч создает светящееся пятно в центре экрана - точку О . При перемещении движка потенциометра П г влево на пластину Г 2 подается отрицательное напряжение и поэтому электронный луч, отталкиваясь от этой пластины, отклонится и светящаяся точка на экране сместится в направлении точки А .
При перемещении движка потенциометра П г вправо потенциал пластины Г 2 будет увеличиваться и электронный луч, а следовательно, и светящаяся точка на экране сместятся по горизонтали к точке Б . Таким образом, при непрерывном изменении потенциала на пластине Г 2 электронный луч прочертит на экране горизонтальную линию АБ .
Аналогично при изменении потенциометром П в напряжения на вертикально отклоняющих пластинах луч будет отклоняться по вертикали и прочертит на экране вертикальную линию ВГ . При одновременном изменении напряжения на обеих парах отклоняющих пластин можно переместить электронный луч в любом направлении.
Экран электронно-лучевой трубки покрыт специальным составом - люминофором, способным светиться под действием ударов быстро летящих электронов. Таким образом, когда сфокусированный луч попадает в ту или иную точку экрана, то она начинает светиться.
Для покрытия экранов электронно-лучевых трубок используют люминофоры в виде окиси цинка, бериллиевого цинка, смеси сернокислого цинка с сернокислым кадмием и др. Эти материалы обладают свойством продолжать некоторое время свое свечение после прекращения ударов электронов. Это значит, что они обладают послесвечением .
Известно, что глаз человека, получив зрительное впечатление, может удержать его примерно 1/16 секунды. В электронно-лучевой трубке луч по экрану может перемещаться настолько быстро, что ряд последовательных светящихся точек на экране воспринимаются глазом в виде сплошной светящейся линии.
Напряжение, подлежащее изучению (рассмотрению) с помощью осциллографа, подается на вертикально отклоняющие пластины трубки. На горизонтально отклоняющие пластины подают пилообразное напряжение, график которого приведен на рис. 202, а.

Это напряжение дает электронный генератор пилообразных импульсов, который смонтирован внутри осциллографа. Под действием пилообразного напряжения электронный луч перемещается горизонтально по экрану. За время t 1 - t 8 луч перемещается по экрану слева направо, а за время t 9 - t 10 быстро возвращается в исходное положение, затем вновь движется слева направо и т. д.
Выясним, как можно увидеть на экране электронно-лучевой трубки осциллографа форму кривой мгновенных значений напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины. Допустим, что к горизонтально отклоняющим трубкам подано пилообразное напряжение с амплитудой 60 в и с периодом изменения в 1/50 сек .
На рис. 202, б показан один период синусоидального напряжения, форму кривой которого мы хотим увидеть, а в круге (рис. 202, в) показано результирующее перемещение электронного луча на экране трубки осциллографа.
Напряжения в одни и те же мгновения имеют на верхних двух графиках одинаковые обозначения.
В момент времени t 1 пилообразное напряжение (U г), отклоняющее электронный луч по горизонтали, равно 60 в , а напряжение на вертикальных пластинах U в равно нулю и на экране светится точка O 1 . В момент времени t 2 напряжение U г = - 50 в , а напряжение U в = 45 в . За время, равное t 2 - t 1 , электронный луч переместится в положение O 2 по линии O 1 - O 2 . В момент времени t 3 напряжение U г = 35 в , а напряжение U в = 84,6 в . За время t 3 - t 2 луч переместится в точку O 3 по линии O 2 - O 3 и т. д.
Процесс воздействия электрических полей, создаваемых обеими парами отклоняющих пластин, на электронный луч будет продолжаться, и луч будет отклоняться далее по линии O 3 - O 4 - o 6 и т. д.
За время t 10 - t 9 электронный луч быстро отклонится влево (произойдет обратный ход луча), а затем процесс будет повторяться: Исследуемое напряжение изменяется периодически, поэтому электронный луч будет многократно перемещаться по одному и тому же пути, в результате чего будет видна довольно яркая линия, по форме совпадающая с формой кривой напряжения, поданного на вертикально отклоняющие пластины трубки.
Так как период (и частота) напряжений пилообразных импульсов развертки и исследуемого напряжения равны, то синусоида на экране будет неподвижна. Если частота этих напряжений разная и не кратная друг другу, то изображение будет перемещаться вдоль экрана трубки.
При подключении к обеим парам отклоняющих пластин двух синусоидальных напряжений одинаковых амплитуд и частот, но сдвинутых по фазе на 90°, на экране трубки будет видна окружность. Таким образом, с помощью осциллографа можно наблюдать и исследовать различные процессы, происходящие в электрических цепях. Кроме генератора пилообразных импульсов, осциллограф имеет усилители для усиления напряжения, подаваемого на пластины вертикального отклонения луча, и пилообразного напряжения, подаваемого на пластины горизонтального отклонения.

Электростатическим управлением

Рассмотрим устройство ЭЛТ с электростатическим управлением (рис.2.12.):

Рис 2.12. Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.

В состав простейшей электронной пушки входят: катод, управляющий электрод, первый и второй аноды.

Катод предназначен для создания потока электронов. Обычно в ЭЛТ применяется оксидный подогревный катод, изготовленный в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится подогреватель. Активный слой наносится на дно цилиндра. Таким образом, катод имеет плоскую излучающую поверхность и электроны излу­чаются узким лучом в направлении экрана. Вывод катода обычно присоединяется внутри баллона к одному из концов нити накала.

Управляющий электрод , или модулятор, предназначен для ре­гулировки яркости светящегося пятна на экране. Выполнен уп­равляющий электрод в виде никелевого цилиндра, окружающего катод. В цилиндре выполнено отверстие (диафраг­ма), сквозь которое проходят электроны, излучаемые катодом.

На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение относительно катода. Изменяя это напряжение, можно регулировать величину тока луча и, следовательно, изменять яркость светящегося пятна на экране трубки.

Первый анод представляет собой цилиндр с двумя или тремя диафрагмами.

Влияние управляющего электрода и первого анода на ток луча аналогично влиянию управляющей сетки и анода на анодный ток в электронных лампах.

Второй анод выполнен также в виде цилиндра, но несколько большего диаметра, чем первый. Этот анод обычно имеет одну диафрагму.

К первому аноду подводится напряжение порядка 300-1000В (относительно катода). На второй анод подается более высокое напряжение (1000-16000 В ).

Рассмотрим принцип работы трубки. Накаленный катод излу­чает электроны. Под действием электрического поля, имеющегося между первым анодом и катодом, электроны получают ускорение и пролетают через диафрагмы в первом аноде. Из первого анода электроны выходят в виде узкого расходящегося луча.

Электри­ческое поле между первым и вторым анодами называется фокуси­рующим. Оно изменяет траекторию электронов так, что при вы­ходе из второго анода электроны двигаются, приближаясь к оси трубки. В пространстве между вторым анодом и экраном элект­роны движутся по инерции за счет энергии, приобретенной в ускоряющих полях электронной пушки.

Изменением потенциала первого анода можно регулировать напряженность фокусирующего поля таким образом, чтобы траек­тории всех электронов пересекались на экране. При падении электронов на экраних кинетическая энергия частично превращается в световую, за счет чего на экране по­лучается светящаяся точка (пятно).

Падающие на экран электроны выбивают из материала экрана вторичные электроны, которые улавливаются проводящим графито­вым слоем (аквадагом ), нанесенным на внутреннюю поверхность баллона. Кроме того, аквадаг играет роль электростатичес­кого экрана и предохраняет электронный поток трубки от воз­действия внешних электрических полей, так как он соединен со вторым анодом трубки и вместе с ним заземлен.

Диафрагмы внутри анодов способствуют сужению луча элек­тронов, так как они перехватывают электроны, сильно откло­нившиеся от оси трубки.

Две пары отклоняющих пластин при подаче на них управляющих (модулирующих) напряжений обеспечивают возникновение между соответствующими пластинами Х-Х и У-У разности потенциалов, управляющих перемещением сфокусированного электронного луча в нужную точку экрана для получения требуемого изображения. При воздействии на этот поток двух модулирующих напряжений одновременно можно добиться отклонения электронного луча в любую точку рабочей поверхности экрана.

Вывод: достоинством ЭЛТ с электростатическим управлением яв­ляется то, что в них затраты мощности на управление лучом невелики, схема управления отклонением электронного луча значительно проще, чем в ЭЛТ с магнитным управлением. Величина откло­нения луча в трубках данного типа практически не зависит от частоты отклоняющего напряжения.

В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Катод изготовляют оксидным, с косвенным нака­лом, в виде цилиндра с подогревателем. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в до­нышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предва­рительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. Другие элек­троды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются перегородки с отвер­стиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают зна­чительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с по­мощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благода­ря диафрагмам. Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока элек­тронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.

ЭЛТ С электростатическим управлением.

Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча. Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин рисунок ниже. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования, подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении. Если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса.

1- экран ЭЛТ, 2-катод, 3- модулятор, 4-первый анод, 5- второй анод, П - отклоняющие пластины.

ЭЛТ с электромагнитным управлением

В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.

Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначе­ны только для ускорения электронного потока. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.

Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокуси­рующая катушка создает магнитное поле. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0, следовательно, сила Лорен­ца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счет силы Лоренца траек­тория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изме­нять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных по­лей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара - катушки вертикального отклонения, и другая - катушки таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут вза­имно перпендикулярны. Катушки имеют сложную форму и располагаются на горловине трубки.

При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой, а также позволяет изготавливать экраны больших размеров.

Кинескопы.

Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электро­статическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствитель­ности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кине­скопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подается положительное напря­жение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного уско­рения электронного потока.

Схематическое устройство кинескопа для черно-белого телевидения: 1- нить подогревателя катода; 2- катод; 3- управляющий электрод; 4- ускоряющий электрод; 5- первый анод; 6- второй анод; 7- проводящее покрытие (аквадаг); 8 и 9- катушки вертикального и горизонтального отклонения луча; 10- электронный луч; 11- экран; 12- вывод второго анода.

Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трехслойный:

1 слой - наружный слой - стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные тре­бования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений.

2 слой - это люминофор.

3 слой - это тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка выполняет две функции:

Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.

Основная функция состоит в защите люминофора от тяжелых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.

Цветные кинескопы.

Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трех цветов - красного, синего и зеленого. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цвет­ного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки лю­минофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение восприни­мается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.

Мозаика (триады) экрана цветного кинескопа с теневой маской: R- красные, G- зеленые, B- синие люминофорные «точки».

Электропроводность полупроводников

Собственная проводимость полупроводников.

Собственным полупроводником называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой на валентной орбите которого находится четыре электрона. В полупроводниковых приборах чаще всего используются кремний Si и германий Ge .

Ниже показана электронная оболочка атома кремния. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки, называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов в таких процессах не участвуют.

Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть представлена следую­щим образом.

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой . В химически чистом полупро­воднике концентрация электронов n равна концентрации дырок p .

Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.

Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направле­ния движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носи­телем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

Примесная проводимость проводников.

Так как у химически чистых полупроводников проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанав­ливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счет которой n > p , называется донорной примесью. Полупроводник, у которого n > p , называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n -типа.

В полупроводнике n -типа электроны называются основными носителями заряда, а дыр­ки - неосновными носителями заряда.

При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалент­ную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восста­новленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

Примесь, при которой p > n , называется акцепторной примесью.

Полупроводник, у которого p > n , называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа . В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электро­ны - неосновными носителями заряда.

Образование электронно-дырочного перехода.

Ввиду неравномерной концен­трации на границе раздела р и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет ко­торого электроны из n -области переходят в р-область , а на их месте остаются некомпенси­рованные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицатель­ных ионов акцепторной примеси. Ширина р- n перехода - десятые доли микрона. На грани­це раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозя­щим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряженности электрического поля - на границе разде­ла.

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграм­мой. Разность потенциалов на р- n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером . Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р- n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Прямое и обратное включение р- n перехода.

Приложим внешнее напряжение плюсом к р -области. Внешнее электрическое поле направле­но навстречу внутреннему полю р- n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэто­му через р- n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носи­телями заряда.

Такое включение р- n перехода называется прямым, и ток через р- n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении р- n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область , а плюсом на n -область , то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности кото­рого совпадают с внутренним полем р- n перехода. В результате это приведет к увеличению по­тенциального барьера и ширины р- n перехода. Основные носители заряда не смогут преодо­леть р- n переход, и считается, что р- n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - яв­ляются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через р- n переход, образуя очень маленький ток, который называется обрат­ным током . Такое включение р- n перехода также называется обратным.

Свойства р- n перехода. Вольтамперная характеристика р- n перехода

К основным свойствам р- n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

Температурные свойства р- n перехода;

Частотные свойства р- n перехода;

Пробой р- n перехода.

Свойство односторонней проводимости р- n перехода рассмотрим на вольтамперной характеристике.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через р- n переход тока от величины приложенного напряжения I = f (U ) – рис.29.

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током мож­но пренебречь и считать, что р- n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство р- n перехода показывает, как изменяется работа р- n перехода при из­менении температуры. На р- n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носи­телей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства р- n перехода показывают, как работает р- n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства р- n перехода определяются двумя видами емкости перехода.

Первый вид емкости - это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью. Второй тип емкости - это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носи­телей заряда через р- n переход при прямом включении.

Если на р- n переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление р- n пере­хода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ем­костное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением р- n перехода при пря­мом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и р- n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина емкости р- n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р- n перехода мало.

Пробой р- n перехода .

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении назы­вается электрическим пробоем р- n перехода.

Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р- n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряже­ние не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р- n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р- n перехода. Тепловой пробой необратим.

Полупроводниковые диоды

Полупроводни­ковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержа­щее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:

К С -156 А

После отклоняющей системы электроны попадают на экран ЭЛТ. Экран представляет тонкий слой люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность торцевой части баллона и способного интенсивно светиться при бомбардировке электронами.

В ряде случаев поверх слоя люминофора наносится проводящий тонкий слой алюминия. Свойства экрана определяются его

характеристиками и параметрами. К основным параметрам экранов относятся: первый и второй критические потенциалы экрана , яркость свечения , световая отдача , длительность послесвечения.

Потенциал экрана. При бомбардировке экрана потоком электронов с его поверхности возникает вторичная электронная эмиссия. Для отвода вторичных электронов стенки баллона трубки вблизи экрана покрываются проводящим графитовым слоем, который соединяется со вторым анодом. Если этого не делать, то вторичные электроны, возвращаясь на экран, вместе с первичными будут понижать его потенциал. В этом случае в пространстве между экраном и вторым анодом создается тормозящее электрическое поле, которое будет отражать электроны луча. Таким образом, для устранения тормозящего поля от поверхности непроводящего экрана необходимо отводить электрический заряд, переносимый электронным лучом. Практически единственным путем компенсации заряда является использование вторичной эмиссии. При падении электронов на экран их кинетическая энергия преобразуется в энергию свечения экрана, идет на его нагрев и вызывает вторичную эмиссию. Величина коэффициента вторичной эмиссии о определяет потенциал экрана. Коэффициент вторичной эмиссии электронов а = / в // л (/„ - ток вторичных электронов, / л - ток луча, или ток первичных электронов) с поверхности экрана в широком диапазоне изменения энергии первичных электронов превышает единицу (рис. 12.8, о < 1 на участке О А кривой при V < С/ кр1 и при 15 > С/ кр2).

При и < (У кр1 число уходящих-от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал и л2 = Г/ крР соответствующий точке А на рис. 12.8, называется первым критическим потенциалом.

При С/ а2 = £/ кр1 потенциал экрана близок к нулю.

Если энергия пучка становится больше е£/ кр1 , то о > 1 и экран начинает заряжаться поло-

Рис. 12.8

жительно относительно последнего анода прожектора. Процесс продолжается до тех пор, пока потенциал экрана не станет приблизительно равным потенциалу второго анода. Это означает, что число уходящих с экрана электронов равно числу падающих. В диапазоне изменения энергии пучка от е£/ кр1 до С/ кр2 с > 1 и потенциал экрана достаточно близок к потенциалу анода прожектора. При и &2 > Н кр2 коэффициент вторичной эмиссии а < 1. Потенциал экрана вновь снижается, и у экрана начинает формироваться тормозящее для электронов луча поле. Потенциал и кр2 (соответствует точке В на рис. 12.8) называют вторым критическим потенциалом или предельным потенциалом.

При энергиях электронного луча выше е11 кр2 яркость свечения экрана не увеличивается. Для различных экранов Г/ кр1 = = 300...500 В, и кр2 = 5...40 кВ.

При необходимости получения больших яркостей потенциал экрана с помощью проводящего покрытия принудительно поддерживают равным потенциалу последнего электрода прожектора. Проводящее покрытие электрически соединено с этим электродом.

Светоотдача. Это параметр, который определяет отношение силы света J cв, излучаемого люминофором нормально поверхности экрана, к мощности электронного луча Р эл, падающего на экран:

Светоотдача ц определяет КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию видимого излучения, часть идет на нагревание экрана, вторичную эмиссию электронов и на излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Светоотдачу измеряют в канделах на ватт: для различных экранов она изменяется в пределах 0,1... 15 кд/Вт. При малых скоростях электронов свечение возникает в поверхностном слое и часть света поглощается люминофором. С увеличением энергии электронов светоотдача возрастает. Однако при очень больших скоростях многие электроны пробивают слой люминофора, не производя возбуждения, и происходит снижение светоотдачи.

Яркость свечения. Это параметр, который определяется силой света, излучаемого в направлении наблюдателя одним квадратным метром равномерно светящейся поверхности. Яркость измеряют в кд/м 2 . Она зависит от свойств люминофора (характеризуется коэффициентом А), плотности тока электронного луча у, разности потенциалов между катодом и экраном II и минимального потенциала экрана 11 0 , при котором еще наблюдается люминесценция экрана. Яркость свечения подчиняется закону

Значения показателя степени п у потенциала £/ 0 для разных люминофоров изменяются в пределах соответственно 1...2,5 и

30...300 В. На практике линейный характер зависимости яркости от плотности тока у сохраняется примерно до 100 мкА/см 2 . При больших плотностях тока люминофор начинает нагреваться и выгорать. Основной способ повышения яркости - увеличение и.

Разрешающая способность. Этот важный параметр определяется как свойство ЭЛТ воспроизводить детали изображения. Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящихся точек или линий (строк), приходящихся соответственно на 1 см 2 поверхности или на 1 см высоты экрана, либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Следовательно, для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать диаметр луча, т. е. требуется хорошо сфокусированный тонкий луч диаметром в десятые доли мм. Разрешающая способность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение. В этом случае реализуется наилучшая фокусировка. Разрешающая способность также зависит от качества люминофора (крупные зерна люминофора рассеивают свет) и наличия ореолов, возникающих из-за полного внутреннего отражения в стеклянной части экрана.

Длительность послесвечения. Время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1% от максимального значения, называется временем послесвечения экрана. Все экраны разделяются на экраны с очень коротким (менее 10 5 с), коротким (10“ 5 ...10“ 2 с), средним (10 2 ...10 1 с), длительным (10 Ч.Лб с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Трубки с коротким и очень коротким послесвечением широко применяются при осциллографировании, а со средним послесвечением - в телевидении. В радиолокационных индикаторах обычно используются трубки с длительным послесвечением.

В радиолокационных трубках часто применяют длительно светящиеся экраны, имеющие двухслойное покрытие. Первый слой люминофора - с коротким послесвечением синего цвета - возбуждается электронным лучом, а второй - с желтым цветом свечения и длительным послесвечением - возбуждается светом первого слоя. В таких экранах удается получить послесвечение до нескольких минут.

Типы экранов. Очень большое значение имеет цвет свечения люминофора. В осциллографической технике при визуальном наблюдении экрана используются ЭЛТ с зеленым свечением, наименее утомительным для глаза. Таким цветом свечения обладает ортосиликат цинка, активированный марганцем (вилле- мит). Для фотографирования предпочтительны экраны с синим цветом свечения, свойственным вольфрамату кальция. В приемных телевизионных трубках с черно-белым изображением стараются получить белый цвет, для чего применяются люминофоры из двух компонентов: синего и желтого.

Для изготовления покрытий экранов широко применяют также следующие люминофоры: сульфиды цинка и кадмия, силикаты цинка и магния, окислы и оксисульфиды редкоземельных элементов. Люминофоры на основе редкоземельных элементов обладают целым рядом достоинств: они более стойки к различным воздействиям, чем сульфидные, достаточно эффективны, имеют более узкую спектральную полосу излучения, что особенно важно в производстве цветных кинескопов, где необходима высокая чистота цвета и т. д. В качестве примера можно привести сравнительно широко используемый люминофор на основе окисла иттрия, активированного европием У 2 0 3: Ей. Этот люминофор имеет узкую полосу излучения в красной области спектра. Хорошими характеристиками обладает также люминофор, состоящий из оксисульфида иттрия с примесью европия У 2 0 3 8: Ей, который имеет максимум интенсивности излучения в красно-оранжевой области видимого участка спектра и лучшую химическую стойкость, чем У 2 0 3: Еи-люминофор.

Алюминий химически инертен при взаимодействии с люминофорами экранов, легко наносится на поверхность испарением в вакууме и хорошо отражает свет. К недостаткам алюминированных экранов можно отнести то, что алюминиевая пленка поглощает и рассеивает электроны с энергией меньше 6 кэВ, поэтому в этих случаях светоотдача резко падает. Например, светоотдача алюминированного экрана при энергии электронов в 10 кэВ примерно на 60% больше, чем при 5 кэВ. Экраны трубок имеют прямоугольную или круглую форму.