работает не предварительным усилителем низкой частоты, а выполняет функцию подавителя шумов. В этой схеме триодная часть лампы представляет собой каскад с реактивной обратной связью, фазирующая ветвь которого-состоит из сопротивлений /?з, /?4 и конденсаторов Сз, С^. Таким образом, триодная часть лампы играет роль пере-

В том случае, когда напряженность поля принтааемой радиостанции мала, отрицательное напря-;ение смещения, получающееся только за счет тока сетки, невелико и емкость корректирующей цепочки оказывается максимальной, что приводит к значительному ослаблению усиления верхних звуковых частот. При настройке на местную или мощную радиостанцию на управляющую сетку триода подается дополнительное отрицательное напряжение с частотного детектора. Это приводит к уменьшению емкости корректирующей цепочки и, следовательно, к выравниванию частотной характеристики.

В схеме, приведенной на рис. 9-37, в, каскад с реактивной обратной связью работает на отдельном триоде Л^. Эта схема имеет несколько отличительных особен-ностей. Во-первых, сопротивление смещения /?з входит составной частью в нагрузочное сопротивление частотного детектора, которое состоит из этого сопротивления Rg и сопротивления R. Таким образом, отрицательное напряжение, развивающееся на частотном детекторе при приеме радиостанций, будет складываться

1+2166

Рис. 9-37. Схемы подавителей шумов. а - с диодным ограничителем; б и е - с реактивной лампой.

менной емкости. Величина ее зависит от отрицательного напряжения на управляющей сетке, частично получающегося за счет тока сетки, частично поступающего через сопротивление R с нагрузки частотного детектора. Одновременно эта переменная емкость вместе с конденсатором Cj и сопротивлением 7?, представляет собой цепочку ослабления верхних звуковых частот.

с напряжением смещения. Во-вторых, в схему введен потенциометр Rg, с которого снимается положительное напряжение на управляющую сетку лампы Л^. Регулируя его, можно изменять величину положительного напряже ния на сетке лампы, а отсюда и тот минимум,-при котором частотная характеристика усилителя низкой частоты полностью восстанавливается.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

10-1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Полупроводники

К полупроводникам относится обширная группа веществ (как химических элементов, так и нх соединений), отличающихся тем, что их. электропроводность сильно зависит от внешних воздействий, таких, как нагревание, .освещение, радиоактивное облучение, от наличия дефектов в структуре данного образца и имеет существенную величину при комнатной температуре. При температурах, близких к абсолютному нулю, чистые монокристаллы полупроводников перестают заметно проводить электрический ток и по существу становятся изоляторами. По мере повы-щения температуры электропроводность полупроводников возрастает и при достаточно высоких температурах может сравняться с электропроводностью проводников. Эти явления объясняются тем, что в отсутствие тепловых и других энергетических воздействий правильная кристаллическая структура полупроводника связана с закономерным размещением всех элементарных частиц, обладающих электрическими зарядами, в определенных местах кристаллической решетки. Сообщение же некоторой энергии извне может освобождать определенные электрически заряженные частицы из их связей с кристаллической рещеткой, причем высвобожденные частицы могут переносить электрический заряд через объем кристалла.

Наиболее важным в современной технике является класс электронных полупроводников. Это вещества, у которых под влиянием теплового или других видов возбуждения высвобождаются электроны. Таковы широко применяемые в настоящее время элементы германий (Ge) и кремний (Si).

Квантовая механика и зонная теория доказывают, что при переходе электрона из связанного состояния в свободное его энергия возрастает скачком и для осуществления этого перехода необходимо, чтобы кванты возбуждающей энергии были больще определенной характерной для данного полупроводника величины. Энергия, требуемая для отрыва электрона, назьшается энергией ионизации или щйриной запрещенной зоны (£§). Для германия Eg = = 0,72 вв, для кремния fig - 1,12 зв.

Собственная проводимость

Электропроводность чистых кристаллов полупроводников обусловлена как наличием определенного числа освобожденных действием данной температуры элисгро-нов, так и проявлением дырочного механизма электропроводности. В тех местах кристаллической решетки, из которых были высвобождены электроны, образуются дырки - нескомпенсированные положительные заряды ионов. В такую дырку может перескочить находящийся рядом связанный электрон, вследствие чего дырка пер,емещается на новое место. Таким образом, подвижностью обладают и перешедшие в свободное состояние электроны и оставленные ими дырки. Которые принято рассматривать как положительно заряженные подвижные частицы.

Подвижность [1 носителей электричества оценивают той скоростью V, с которой они перемещаются в направлении электрического поля Е, когда Е - 1 в!см.

\e-ceKj

(сек)

В германии подвижность дырок fip= 1 900 см1сек-в, а электронов р. = 3 900 смЧсек-в. В кремнии обе величины примерно в 3 раза меньше.

Концентрации свободных электронов п и дырок р в чистом кристалле полупроводника при отсутствии других возбуждающих факторов равны между собой и однозначно связаны с температурой, при которой находится данный . кристалл.

п = р=щ = АТ°

где

щ - собственная концентрация носителей, 1/сжЗ; А - постоянная, равная, для германия 9,7-50, для кремния 3,9-10 ; Т - абсолютная температура; е 2,72 - основание натуральных лога-рифлюв;

k R1 1,38-10 врг/град - постоянная Больцмана.

При комнатной температуре (290° К) для германия Hi SS 2,5-Ю'з 1/сж. Несмотря на больщое абсолютное значение величины П/, количество ионизованных атомов чрезвычайно мало: один носитель приходится примерно на 10 атомов. В кремнии концентрация носителей еще на несколько порядков меньше.

Концентрация носителей и их подвижности определяют электропроводность полупроводника. Удельная проводимость (объемная)

а = q {niin + PVp) [ом-см]-,

где q - заряд электрона, и для собственного полупроводника

= (/nt (fX + fXp)-

Она растет с повышением температуры по экспоненциальному закону в соответствии с выражением для п;.

Примесная проводимость

Введение в п/олупроводник определенных примесей резко изменяет электропроводность полупроводника. Если атомы примеси имеют большее число валентных электронов, чем атомы исходного полупроводника, то при замещении примесными атомами отдельных атомов полупроводника остаются лишние электроны, которые легко переходят в свободное состояние и увеличивают электропроводность. Такие примеси называются донорными, а примесные полупроводники с увеличенным количеством свободных электронов (п > р) - электронными или п-типа.

Если примесные атомы имеют меньшее количество валентных электронов, чем исходный полупроводник, то, внедряясь в кристалл, для образования всех связей они легко отбирают от соседних автомов исходного полупроводника недостающие электроны, причем увеличивается концентрация дырок. Такие примеси называются акцепторными а примесные полупроводники с увеличенным количеством дырок (р > п) - дырочными или р-типа.

Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, поэтому пятивалентные сурьма (Sb), мышьяк (As), фосфор (Р) являются для них донорами, а трехвалентные индий (In), алюминий (А1), бор (В) - акцепторами.

Для ионизации примесных атомов обычно требуется значительно меньщая энергия (порядка 0,01-0,1 зв), чем для ионизации собственных атомов полупроводника (порядка 1 ?в). Поэтому уже при комнатной температуре

практически все атомы примеси оказываются ионизованными, а концентрация носителей, возбужденных введением примеси, становится равной концентрации примесных атомов и может во много раз превышать собственную концентрацию гц. Так, при введении всего лишь С,0001% сурьмы в чистый германий (один атом Sb на 10 атомов Ge) концентрация дырок р, а вместе с ней и проводимость германия возрастают в 1 ООО раз, ибо в собственном германии один носитель приходился на 10 атомов.

Увеличение концентрации одного типа носителей (например, дырок - р) сопровождается уменьшением во столько же раз концентрации носителей противоположного заряда (электронов - п). Таким образом, произведение концентраций рп в данном полупроводнике не зависит от содержания примесей и при данной температуре остается величиной постоянной:

рп = const = п?.

Преобладающие носители в примесных полупроводниках (например, дырки в полупроводнике/;-типа) называются основными, а носители противоположного знака (в данном случае электроны) - неосновными.

При повышении температуры увеличение концентрации носителей в примесных полупроводниках происходит в основном за счет увеличения числа неосновных носителей, так как все атомы примесн обычно ионизованы уже при комнатной температуре. При достаточно высоких температурах концентрация неосновных носителей может сравняться с концентрацией основных носителей. Тогда полупроводник потеряет признаки примесной проводимости и превратится в собственный полупроводник.

Чем выше концентрация примесей, т. е. чем ниже удельное сопротивление примесного полупроводника при нормальной температуре, тем выше та температура, при которой полупроводник превращается в собственный.

Электрические характеристики полупроводников

Кроме упоминавшейся выше удельной проводимости, к числу основных электрических характеристик полупроводников относят диффузионную длину и время жизни неравновесных носителей.

Как в собственных, так и в примесных полупроводниках концентрапия носителей, обусловленная только температурой, при которой находится полупроводник, называется равновесной. Дополнительные же носители, создаваемые воздействием каких-либо возбуждающих факторов (освещением, радиоактивным облучением и др.), называются избыточными или неравновесными.

По прекращении, действия возбуждающего фактора концентрация носителей убывает за счет рекомбинации избыточных носителей и стремится к равновесной. Темп рекомбинации оказывает большое влияние на частотные свойства полупроводниковых приборов, и для количественной оценки его введено понятие о времени жизни неравновесных носителей (т). Время жизни т оценивается интервалом, в течение которого число неравновесных носителей уменьшается в е раз (примерно на 63%). Полное восстановление равновесной концентрации происходит практически за время, равное Зт.

Если неравновесные носители возбудить только в какой-либо одной части кристалла полупроводника, то благодаря диффузии эти носители начнут перемещаться в другие области кристалла, стремясь выравнять концентрацию носителей по всему объему. Однако ввиду ограниченного времени жизни, выходя за пределы области действия возбуждающего фактора, неравновесные носители начинают рекомбинировать, причем по мере удаления их концентрация все больше убывает. Расстояние, при про- -хождении которого концентрация нерав1Ювесных носителей убывает вераз, называется диффузионной длиной (£,д).

Чем совершеннее структура кристалла, тем больше величины т и 1,д. У монокристаллов германия, рщущих на изготовление современных транзисторов, т и для неравновесных носителей достигают значений 1 ОСЮ мксек и 0,5 см соответственно.

Время жизни т и диффузионная длина связаны соотношением

где D - коэффициент диффузии (см/сек), в свою очередь связанный с подвижностью ji носителей данного знака соотношением Эйнштейна:

(значения величин к, Т и q прежние). В германии для дырок Dp = 44 CMIccK, для электронов D = 88 см?1сек. В кремнии соответственно Dp = 10 смсек и D = = 33 смЧсек.

Следует отметить, что на эффективные значения т, д и D часто оказывают серьезное влияние конструктивные и технологические особенности, а также режимы использования полупроводниковых приборов.

Тфмосопротивления

В связи с тем, что количество носителей электрического , заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры, температурный коэффициент сопротивления полупроводников оказывается значительно больше, чем у металли-

1Ш

1000

Рис. 10-1. Типичная зависимость Рис. 10-2. Вольт-алтернне

электрического сопротивления характеристики термосопро-

полупроводникового терыосо- тивления при различных противления от температуры. условиях теплоотвода.

ческих проводников. На этом основано изготовление из полупроводниковых материалов термосопротивленин (термисторов). На зависимости электрического сопротивления термистора от температуры (рис. 10-1) основано применение термисторов для контроля температуры и температурной компенсации.

При прохождении через термистор электрического тока происходит нагревание термистора, в результате чего его сопротивление также уменьшается и становится нелинейным. Следует подчеркнуть, что в связи с тепловым механизмом возникновения нелинейность сопротивления у термисторов инерционная. Создавая различные условия теплоотдачи, определяемые конструкцией тер.вдистора, изготовляют термисторы с разнообразными вольт-амперными характеристиками в области больших нагрузок (рис. 10-2), которые находят применение для целей стабилизации напряжения, защиты от перегрузки и пр.