Текст книги "Шпаргалка по общей электронике и электротехнике"

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;

8) 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^-19Кл. Масса неподвижного электрона равна m = 9,110^-28г. С возрастанием скорости движения масса электронов увеличивается. теоретически при скорости движения, равной с = 3·10⁸ 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! = mv²/2 – mv²₀/2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W₀ = mv²₀/2 = 0 и W=mv²/2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности по'тенциалов.

Пусть направление начальной скорости электрона v0 противоположно силе F, действующей на электрон со стороны поля, т. е. электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким потенциалом. Так как сила F направлена навстречу скорости v₀, то электрон тормозится и движется прямолинейно, равномерно замедленно. Поле в этом случае называется тормозящим. Следовательно, данное поле для одних электронов является ускоряющим, а для других – тормозящим в зависимости от направления начальной скорости электрона. В тормозящем поле электрон отдает энергию полю. В обратном направлении электрон движется без начальной скорости в ускоряющем поле, которое возвращает электрону энергию, потерянную им при замедленном движении.

Если электрон влетает с начальной скоростью v₀ под прямым углом к направлению силовых линий поля, то поле действует на электрон с силой F, определяемой по формуле f = eE и направленной в сторону более высокого потенциала. При отсутствии силы Рпотенци-ал совершил бы равномерное движение по инерции со скоростью v₀. А под действием силы F электрон должен равноускоренно двигаться в направлении, перпендикулярном v₀. Результирующее движение электрона происходит по параболе, причем электрон отклоняется в сторону положительного электрода. Если электрон не попадает на этот электрод и выйдет за пределы поля, то дальше он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Электрон движется по некоторой параболе, причем либо попадает на один из электродов, либо выходит за пределы поля.

Электрическое поле всегда изменяет в ту или другую сторону кинетическую энергию и скорость электрона. Таким образом, между электроном и электрическим полем всегда имеется энергетическое взаимодействие, т. е. обмен энергией. Если начальная скорость электрона направлена не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то электрическое поле еще и искривляет траекторию электрона.

4. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Для неоднородных электрических полей характерна разнообразная и часто сложная структура. Существует множество не похожих друг на друга неоднородных полей, в которых напряженность от точки к точке изменяется по различным законам, а силовые линии обычно представляют собой кривые той или иной формы. Наиболее простым является часто встречающееся в электровакуумных приборах радикальное неоднородное поле, образующееся между цилиндрическими электродами. Если начальная скорость электрона, вылетевшего с поверхности внутреннего электрода, направлена вдоль силовых линий, то электрон будет двигаться прямолинейно и ускоренно по радиусу. Но по мере удаления от внутреннего электрода напряженность поля и сила, действующая на электрон, становится меньше, а значит, уменьшается и ускорение.

В более общем случае неоднородное поле имеет силовые линии в виде кривых линий. Если это поле является ускоряющимся, то электрон с начальной скоростью v0 движется по криволинейной траектории, имеющей такой же характер кривизны, как и силовые линии. На электрон действует со стороны поля сила F, направленная под углом к вектору собственной скорости электрона. Эта сила искривляет траекторию электрона и увеличивает его скорость. При этом траектория электрона не совпадает с силовой линией. Если бы электрон не обладал массой, а следовательно, и инерцией, то он двигался бы по силовой линии. Однако электрон имеет массу и стремится двигаться по инерции прямолинейно со скоростью, приобретенной за время предыдущего движения. Сила, действующая на электрон, направлена по касательной к силовой линии и в случае кривых силовых линий образует некоторый угол с вектором скорости электрона. Поэтому траектория электрона искривляется, но «отстает» в этом искривлении от силовой линии из-за инерции электрона.

В случае тормозящего неоднородного поля с кривыми силовыми линиями сила, действующая на электрон со стороны поля, также искривляет траекторию электрона и изменяет величину его скорости. Но искривление траектории получается в сторону, противоположную той, куда искривляются силовые линии, т. е. траектория электрона стремится удалиться от силовой линии. При этом скорость электрона уменьшается, так как он переходит в точки с более отрицательным потенциалом.

Рассмотрим движение потока электронов в неоднородном поле, пренебрегая для простоты взаимодействием электронов. Пусть электронный поток движется в ускоряющем неоднородном поле, которое симметрично относительно средней прямой силовой линии. В данном случае в направлении движения электронов силовые линии сходятся, т. е. напряженность поля возрастает. Условимся такое поле называть сходящимся.

Пусть в это поле влетает поток электронов, скорости которых направлены параллельно. Траектории электронов искривляются в ту же сторону, куда искривлены силовые линии. И только средний электрон движется прямолинейно вдоль средней силовой линии. В результате электроны сближаются, т. е. получается фокусировка электронного потока, напоминающая фокусировку светового потока с помощью собирающей линзы. Кроме того, увеличиваются скорости электронов.

Если силовые линии в направлении движения электронов расходятся, то поле можно условно назвать расходящимся. В нем электронный поток рассеивается, так как у электронов траектории при искривлении удаляются друг от друга. Поэтому ускоряющее расходящееся поле является для электронного потока рассеивающей линзой.

Если поле будет тормозящее сходящееся, то происходит не фокусировка, а рассеивание электронов с уменьшением их скорости. И наоборот, в тормозящем расходящемся поле получается фокусировка электронного потока.

5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью v0, направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям. В этом случае на движущийся электрон действует так называемая сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору н₀ и вектору напряженности магнитного поля Н. Величина силы F определяется выражением: F= ev₀H.

При v₀ = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости н₀, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются по величине. Происходит лишь изменение направления скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью получается благодаря действию направленной к центру центростремительной силы, которой именно и является сила F.

Направление поворота электрона в магнитном поле в соответствии с правилом левой руки удобно определяется по следующим правилам. Если смотреть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стреле. Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv²₀/r. Приравняем его значению силы F = ev₀H: mv²₀/r = ev₀H. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r= mv₀/(eH).

Чем больше скорость электрона v₀, тем сильнее он стремится двигаться прямолинейно по инерции и радиус искривления траектории будет больше. С другой стороны, с увеличением Н растет сила F, искривление траектории возрастает и радиус окружности уменьшается.

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Рассмотрим зависимость rот mи e. Заряженная частица с большей массой mсильнее стремится лететь по инерции прямолинейно и искривление траектории уменьшится, т. е. rстанет больше. А чем больше заряд e, тем больше сила F и тем сильнее искривляется траектория, т. е. ее радиус становится меньше.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции по прямой линии. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Таким образом, магнитное поле изменяет только направление скорости электронов, но не ее величину, т. е. между электроном и магнитным полем нет энергетического взаимодействия. По сравнению с электрическим полем действие магнитного поля на электроны является более ограниченным. Именно поэтому магнитное поле применяется для воздействия на электроны значительно реже, нежели электрическое поле.

6. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Современной физикой доказано, что электроны в теле не могут обладать произвольными энергиями. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии (или энергетическими уровнями).

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т. е. находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение между электроном и ядром. Для этого надо затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями; они находятся на более высоких энергетических уровнях.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется определенное количество энергии, называемое квантом (или фотоном). Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т. е. определенными порциями.

Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически: по вертикали откладывают энергию Wэлектрона, а горизонтальными линиями показывают уровни энергии.

В соответствии с так называемой зоной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в отдельные зоны. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, заполненных электронами, но эти зоны не играют роли в явлениях электропроводности и поэтому они не изображаются на рисунке. В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на I более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов.

Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную решетку, называемую иначе ионной, или кристаллической. Состояние этой решетки соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости.

Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут быть.

При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое количество электронов и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную электропроводность.

Полупроводники при низких температурах являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное количество электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используют германий и кремний, имеющие валентность, равную 4. Пространственная кристаллическая решетка германия или кремния состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.

7. СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ

Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.

Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.

В полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током.

Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы, лишенные одного электрона, не передвигаются, а остаются на своих местах.

Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

При дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.

Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. При этом, несмотря на то что количество электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.