Как найти емкость диода

Диоды. For dummies

Все диоды можно разделить на две большие группы: полупроводниковые и неполупроводниковые. Здесь я буду рассматривать только первую из них.

В основе полупроводникового диода лежит такая известная штука, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей о нем рассказывали на уроках физики в школе, а кому-то более подробно еще и в институте. Однако, на всякий случай приведу общий принцип его работы.

Два слова о зонной теории проводимости твердых тел

Прежде, чем начать разговор о p-n переходе, стоит обговорить некоторые теоретические моменты.

Считается, что электроны в атоме расположены на различном расстоянии от ядра. Соответственно, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее связь между ними и тем большую энергию надо приложить, чтобы отправить его «в свободное плаванье». Говорят, что электроны расположены на различных энергетических уровнях. Заполнение этих уровней электронами происходит снизу вверх и на каждом из них может находиться не больше строго определенного числа электронов (атом Бора). Таким образом, если уровень заполнен, то новый электрон не может на него попасть, пока для него не освободится место. Чтобы электрон мог перейти на уровень выше, ему нужно сообщить дополнительную энергию. А если электрон «падает» вниз, то излишек энергии освобождается в виде излучения. Электроны могут занимать в атоме только сторого определенные орбиты с определенными энергиями. Орбиты эти называются разрешенными. Соответственно, запрещенными называют те орбиты (зоны), в которых электрон находиться не может. Подробнее об этом можно почитать по ссылке на атом Бора выше, здесь же примем это как аксиому.

Самый верхний энергетический уровень называется валентным. У большинства веществ он заполнен только частично, поэтому электроны внешних подуровней других атомов всегда могут найти на нем себе место. И они действительно хаотично мигрируют от атома к атому, осуществляя таким образом связь между ними. Нижний слой, в котором могут перемещаться свободные электроны, называют зоной проводимости. Если валентная зона частично заполнена и электроны в ней могут перемещаться от атома к атому, то она совпадает с зоной проводимости. Такая картина наблюдается у проводников. У полупроводников валентная зона заполнена целиком, но разница энергий между валентным и проводящим уровнями у них мала. Поэтому электроны могут преодолевать ее просто за счет теплового движения. А у изоляторов эта разница велика, и чтобы получить пробой, нужно приложить значительную энергию.

Такова общая картина энергетического строения атома. Можно переходить непосредственно к p-n переходу.

p-n переход

Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа. Первые получают легированием четырехвалентного полупроводника (чаще всего кремния) пятивалентным полупроводником (например, мышьяком). Эту пятивалентную примесь называют донором. Ее атомы образуют четыре химических связи с атомами кремния, а пятый валентный электрон остается свободным и может выйти из валентной зоны в зону проводимости, если, например, незначительно повысить температуру вещества. Таким образом, в проводнике n-типа возникает избыток электронов.

Полупроводники p-типа тоже получаются путем легирования кремния, но уже трехвалентной примесью (например, бором). Эта примесь носит название акцептора. Он может образовывать только три из четырех возможных химических связей. А оставшуюся незаполненной валентную связь принято называть дыркой. Т.е. дырка — это не реальная частица, а абстракция, принятая для более удобного описания процессов, происходящих в полупроводнике. Ее заряд полагают положительным и равным заряду электрона. Итак, в полупроводнике p-типа у нас получается избыток положительных зарядов.

В полупроводниках обоих типов кроме основных носителей заряда (электроны для n-типа, дырки для p-типа) в наибольшом количестве присутствуют неосновные носители заряда: дырки для n-области и электроны для p-области.

Если расположить рядом p- и n-полупроводники, то на границе между ними возникнет диффузный ток. Произойдет это потому, что с одной стороны у нас чересчур много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных (дырок). Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника. А поскольку дырка — место отсутствия электрона, то возникнет ощущение, будто дырки перемещаются в противоположную сторону — к границе n-полупроводника. Попадая в p- и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к снижению количества подвижных носителей заряда. На этом фоне становятся ясно видны неподвижные положительно и отрицательно заряженные ионы на границах полупроводников (от которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны). В итоге получим две узкие заряженные области на границе веществ. Это и есть p-n переход, который также называют обедненным слоем из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда. Естественно, что здесь возникнет электрическое поле, направление которого препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Возникает потенциальный барьер, преодолеть который основные носители заряда смогут только обладая достаточной для этого энергией. А вот неосновным носителям возникшее электрическое поле наоборот помогает. Соответственно, через переход потечет ток, в противоположном диффузному направлении. Этот ток называют дрейфовым. При отсутствии внешнего воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга и перетекание зарядов прекращается.

Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (потенциальный барьер) являются важными характеристиками p-n перехода.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы его электрическое поле «поддерживало» диффузный ток, то произойдет снижение потенциального барьера и сужение обедненной области. Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение внешнего напряжения называют прямым смещением.

Но можно подключиться и наоборот, чтобы внешнее электрическое поле поддерживало дрейфовый ток. Однако, в этом случае ширина обедненной зоны увеличится, а потенциальный барьер возрастет. Переход «закроется». Такое подключение называют обратным смещением. Если величина приложенного напряжения превысит некоторое предельное значение, то произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны разгонятся до такой степени, что смогут проскочить через потенциальный барьер). Эта граничная величина называется напряжением пробоя.

Все, конец теории, пора перейти к ее практическому применению.

Диоды, наконец-то

Диод, по сути, одиночный p-n переход. Если он подключен с прямым смещением, то ток через него течет, а если с обратным — не течет (на самом деле, небольшой дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь). Этот принцип показан в условном обозначении диода: если ток направлен по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если наоборот — то он «натыкается» на вертикальную линию. Эта вертикальная линия на диодах-радиоэлементах обозначается широкой полосой у края.

Помню, когда я была глупой студенткой и впервые пришла работать в цех набивки печатных плат, то сначала ставила диоды как бог на душу положит. Только потом я узнала, что правильное расположение этого элемента играет весьма и весьма значительную роль. Но это так, лирическое отступление.

Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

Области применения диодов

1. Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
2. В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
   
   Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа.
3. Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа — стабилитрон.
   
   В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона.
4. В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
5. В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
   
   Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.
6. Для создания оптического излучения (светодиоды).
   
   При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.

Немного экзотики

Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов.

Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.

Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.

В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.

Диоды Шоттки отличаются от p-n собратьев низким падением напряжения при прямом включении и меньшей электрической емкостью перехода. Таким образом, повышается их рабочая частота и понижается уровень помех.

Заключение

Само собой, здесь рассмотрены далеко не все существующие виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить достаточно полное суждение об этих электронных компонетах.

Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах

▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.

Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.

По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.

Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?

А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.

Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).

Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:

Когда ток подается вот так:

Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.

В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.

Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.

В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.

А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.

▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?

Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:

Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.

Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.

▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.

Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.

Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.

То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.

А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.

▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности 😉 ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:

Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?

А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.

В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).

И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.

Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.

Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.

А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.

Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?

Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.

А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.

Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.

Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.

▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.

Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.

А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:

▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:

• Пониженное падение напряжения. Около 0.2 вольт, в отличии от типичных 0.7 вольт для простого диода.
• Очень низкое время обратного восстановления. Так как в нем в разы меньше скапливаются неосновные заряды, а значит диффузионная емкость очень мала.

Минусы тоже значительные.

• Самый главый минус в том, что у них намного ниже обратное напряжение чем у обычных pn диодов.
• Также есть повышенный обратный ток. Если диод запирается в обратку почти наглухо, то тут ниппель чутка сифонит и чем выше температура, тем больше. Может до единиц, а то и десяток миллиампер (!) доходить. Особенно на мощных диодах с прямыми токами в десятки ампер.
• А еще их обратный пробой не является обратимым. Пробило значит пробило. В помойку, без вариантов.

Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов 😉

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

Емкость диода на что влияет

Ольга Александровна Косарева

Шпаргалка по общей электротехники и электроники

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Фундамент для возникновения и развития электроники был заложен работами физиков в XVIII и XIX вв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе были осуществлены в XVIII в. в России академиками Ломоносовым и Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином. Важным событием явилось открытие электрической дуги академиком Петровым в 1802 г. Исследования процессов прохождения электрического тока в разреженных газах проводили в прошлом веке в Англии Крукс, Томсон, Тоунсенд, Астон, в Германии Гейслер, Гитторф, Плюккер и др. В 1873 г. Лодыгин изобрел первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания. Независимо от него несколько позже такую же лампу создал и усовершенствовал американский изобретатель Эдисон. Электрическая дуга впервые была применена для целей освещения Яблочковым в 1876 г. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект.

Термоэлектронная эмиссии была открыта в 1884 г. Эдисоном. В 1901 г. Ричардсон провел детальное исследование термоэлектронной эмиссии. Первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом была создана в 1897 г. Брауном (Германия). Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. английский ученый Флеминг применил двухэлектродную лампу с накаленным катодом для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Форест ввел в лампу управления сетку, т. е. создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для приема телевизионных изображений и в последующие годы осуществил экспериментальное подтверждение своих идей. В 1909-191 1 гг. в России Коваленков создал первые триоды для усиления дальней телефонной связи. Важное значение имело изобретение подогревного катода Чернышевым в 1921 г. В 1926 г. Хелл в США усовершенствовал лампы с экранирующей сеткой, а в 1930 г. он предложил пентод, ставший одной из наиболее распространенных ламп. В 1930 г. Кубецкий изобрел фотоэлектронные умножители, в конструкции которых значительный вклад внесли Векшин-ский и Тимофеев. Первое предложение о специальных передающих телевизионных трубках сделали независимо друг от друга в 1930–1931 гг. Константинов и Катаев. Подобные же трубки, названные иконоскопами, построил в США Зворыкин.

Изобретение таких трубок открыло новые широкие возможности для развития телевидения. Несколько позднее в 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили новые более чувствительные передающие трубки (супериконоскопы или суперэмитроны), позволившие вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Русский радиофизик Рожановский в 1932 г. предложил создать новые приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идеям Арсеньева и Хейль в 1939 г. построили первые такие приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 г. Коваленко изобрел более простой отражательный клистрон, который широко используется для генерирования колебаний СВЧ.

Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Данильцева, Хохлова и Гуревича, которые в 1938–1941 гг. сконструировали специальные триоды с плосковыми дисковыми электродами. По этому принципу в Германии были выпущены металлокерамические и в США ма-ячковые лампы.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

1) малый вес и малые размеры;

2) отсутствие затрат энергии на накал;

3) более высокая надежность в работе и большой срок службы (до десятка тысяч часов);

4) большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

5) различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

6) маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях;

7) принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания нового важного направления развития электроники – полупроводниковой микроэлектроники.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

1) параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс;

2) свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры;

3) наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение);

4) их собственные шумы в ряде случаев больше, нежели у электронных приборов;

5) большинство типов транзисторов непригодно для работы на частотах выше десятков мегагерц;

6) входное сопротивление у большинства транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп;

7) транзисторы пока еще не изготавливают для таких больших мощностей, как электровакуумные приборы;

работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных счетных машинах и др. Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры.

Ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо германия позволяет эксплуатировать приборы при температуре до 125″ С и выше. Созданы транзисторы для частот до сотен мегагерц и более, а также новые типы полупроводниковых приборов для сверхвысоких частот. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое количество полупроводниковых диодов и транзисторов различных типов.

3. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Взаимодействие электронов с электрическим полем является основным процессом в электровакуумных и полупроводниковых приборах.

Электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, у которого абсолютное значение e = 1,610 -19 Кл. Масса неподвижного электрона равна m = 9,110 -28 г. С возрастанием скорости движения масса электронов увеличивается. теоретически при скорости движения, равной с = 3·10 8 м/с, масса электрона должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной, равной т.

Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля равна: Е= U/d. Для однородного электрического поля величина Е является постоянной.

Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле действует на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему более высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется ускоряющим.

В ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W-W0 равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов U: W-W! = mv 2 /2 – mv 2 ₀/2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W₀ = mv 2 ₀/2 = 0 и W=mv 2 /2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности по’тенциалов.