книги / Основы радиоэлектроники

Рис. 2.82

сканирующей антенны угадывается по рис’когеоентные^коле чика на отдельные излучатели поступают когерентные коле­

бания сдвиги фаз между соседними излучателями регулиру­ ются фазовращателями Ф по заданному закону: эти сдвиги фаз таковы что колебания от отдельных излучателей, интерфери­ руя между собой, обеспечивают интерференционный макси­ мум в определенном направлении в заданный момент, в сле­ дующий момент времени изменяются начальные фазы колебаний тока в отдельных излучателях и электромагнитные волны сло­ жатся в фазе в другом направлении, т. е., изменяя начальные фазы колебаний с помощью специальных устройств-фазовра­ щателей Ф, можно осуществить сканирование диаграммы на­ правленности. Если излучателей много (их число достигает 10000) и они образуют поле излучателей площадью до 500 х 100 м2, а фазовращатели управляются с помощью ЭВМ, то такие антенны называются фазированными антенными решет­ ками (ФАР).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К ГЛАВЕ 2

Г Перечислите основные элементы радиоцепей. Какие элементы называются линейными и нелинейными, сосредоточенными и распределенными?

2. Определите линейные и нелинейные цепи. Укажите области их применения. Что такое принцип суперпозиции?

5.Какие используются аппроксимации характеристик нелинейных элеме­

нтов?

6.Определите комплексный метод расчета линейных цепей.

7.Дайте определение двухполюсников и четырехполюсников. Укажите харак­ теристики линейных двухполюсников.

8.Определите комплексный коэффициент передачи, амплитудно-частотную

ифазо-частотную характеристики четырехполюсников.

9.Укажите назначение и классификацию фильтров в радиоэлектронике. Дай­ те определение полосы пропускания.

10.Рассчитайте коэффициент передачи, АЧХ и полосу пропускания цепи (рис. 2.25г).

11.Рассчитайте коэффициент передачи, АЧХ и полосу пропускания цепи (рис. 2.29г).

12.Как используются свойства последовательного и параллельного колеба­ тельных контуров в полосовых фильтрах?

13.Укажите назначение и принцип действия передающих и приемных антенн.

14.Сформулируйте назначение и укажите типы радиоприемных, телевизион­ ных и СВЧ антенн.

15.Как используются линии передачи электромагнитных волн в телеви­

дении?

Г Л А В А 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

Как уже указывалось, линейные радиотехнические цепи — цепи с линейными элементами: резисторами, конденсаторами, катуш­ ками индуктивности, линиями передачи, антеннами — позволяют осуществить передачу (по линиям передачи), излучение и прием (с помощью передающей и приемной антенны), а также фильтрацию радиосигналов. Другие важные задачи: генерации колебаний, их модуляции и демодуляции (детектирования), а также преобразова­ ние частот колебаний и подобные задачи, связанные с увеличением числа гармоник в спектре выходного сигнала, удается решить при использовании нелинейных элементов, в первую очередь полупро­ водниковых диодов и транзисторов. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейный двухполюсник; а транзистор — нелинейный трехполюсник (устройство с тремя выводами). Чтобы пояснить принцип действия полупроводникового диода, необхо­ димо познакомиться с некоторыми свойствами полупроводников.

§ 3.1. Свойства полупроводников

Очень часто полупроводниковые приборы делают из германия (Ge) и кремния (Si)— элементов IV группы таблицы Д. И. Менде­ леева. У атомов этих элементов на наиболее удаленных от ядра внешних орбитах имеются 4 электрона, обладающие определен­ ными значениями энергии. Эти электроны называются валентны­ ми. Они участвуют в создании парных (ковалентных) связей между соседними атомами. При сближении атомов возникает взаимодействие между электронами различных атомов, и энергии электронов несколько изменяются. Энергетические уровни пре­ вращаются в энергетические зоны (рис 3.1, /— расстояние между атомами). Число уровней в энергетической зоне определяется числом взаимодействующих атомов в рассматриваемом куске

быть оторван от атома. При этом электрон получает дополни­ тельную энергию и переходит в зону проводимости. В этой зоне возникает свободный электрон, а в валентной зоне— ионизиро­ ванный положительно заряженный атом— дырка. Электрон дви­ гается по куску (образцу) полупроводника, а ионизированный атом (дырка) стремится захватить у соседнего атома «чужой» электрон с подходящей энергией из валентной зоны. Периодиче­ ский захват «чужих» электронов приведет в перемещению дырки по объему полупроводника. Энергия, необходимая для нарушения валентных и ковалентных связей, называемая также энергией ионизации или шириной запрещенной зоны, равна для Ge 0,72 ЭВ, а для Si— 1,12 ЭВ. При комнатной температуре Т=300 К (27° С) средняя энергия беспорядочного движения кТ = 0,025 ЭВ. Эта величина много меньше энергии ионизации, поэтому ионизирует­ ся лишь незначительная часть атомов. В Ge в каждом кубическом сантиметре ионизируется 5 • 1013 атомов из 1022, т. е. 5 атомов из каждого миллиарда. Возникающие при этом свободные электро­ ны и дырки определяют собственную проводимость полупровод­ ника. С ростом температуры число ионизированных атомов резко возрастает, и собственная проводимость увеличивается. Для со­ здания полупроводниковых приборов желательно увеличить чис­ ло свободных носителей заряда при комнатной температуре. Это удается сделать введением примесей: элементов V группы, напри­ мер, сурьмы, фосфора или мышьяка, обладающих 5 валентными электронами или элементов III группы, например, галия, бора или индия, обладающих 3 валентными электронами.

При введении примесей часть атомов основного полупровод­ ника замещается в кристаллической решетке атомами примесей. При создании ковалентных связей атома примеси V группы с со­ седними атомами основного полупроводника IV группы один электрон остается свободным. Этот электрон слабо связан с уз­ лом кристаллической решетки, легко отрывается под действием теплового движения и в образце полупроводника возникает сво­ бодный электрон и неподвижный ионизированный атом примеси в одном из узлов кристаллической решетки. Энергия ионизации

примеси имеет величину порядка 0,01 ЭВ. Поэтому при комнат­ ной температуре все атомы примеси теряют свои электроны, взаимодействуя с участвующими в тепловых колебаниях атома­ ми полупроводника в узлах кристаллической решетки.

Элементы V группы являются поставщиками свободных элек­ тронов в образце полупроводника, поэтому такие примеси назы­ ваются донорными, а проводимость такого полупроводника — проводимостью «-типа или электронной проводимостью. При введении в образец примесей III группы для создания устойчивых ковалентных связей каждого атома примеси с окружающими атомами основного полупроводника не будет хватать одного электрона. Эту вакансию можно заполнить за счет одного элек­ трона какого-либо из соседних атомов полупроводника. В ре­ зультате появится неподвижный отрицательно заряженный ион примеси, но рядом возникнет нескомпенсированный положитель­ ный заряд в кристалле — дырка. Данная дырка может быть ском­ пенсирована за счет захвата электрона у другого атома, в резуль­ тате чего она возникает на месте другого атома. В результате дырки будут мигрировать по образцу полупроводника.

Примеси III группы являются поставщиками дырок в образце полупроводника, поэтому такие примеси называются акцептор­ ными, а проводимость такого полупроводника — проводимо­ стью /7-типа, или дырочной проводимостью. Концентрация при­ месей составляет 1016ч-1019 атомов/см3, т. е. на 1 атом примеси приходится от тысячи до миллиона атомов полупроводника. Подчеркнем, что, кроме основных носителей, определяемых при­ месью (1016ч-1019 носителей/см3, т. к. практически все атомы примеси ионизированы), в полупроводнике всегда присутствуют и неосновные носители, возникающие парами: электрон— дырка из-за ионизации атомов собственного полупроводника (5 • 1013 электронов/см3 и 5 • 1013 дырок/см3). Концентрация ос­ новных носителей «п и пр превышает концентрацию неосновных носителей от 200 до 200000 раз. Таким образом, примеси постав­ ляют основное количество носителей заряда.

Полупроводники используются довольно широко в фоторези­ сторах, сопротивления которых зависят от освещенности, в теле­ визионных передающих трубках — видиконах (см. § 9.4), в датчи­ ках, использующих эффект Холла и т. д. Чрезвычайно широкое применение получили полупроводниковые приборы с электрон­ но-дырочными переходами.

§ 3.2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход, называемый также р-п пере­ ходом, возникает на границе полупроводников р и « типа.

За счет теплового движения (диффузии) и разности концент­ раций электроны из «-области проникают в /?-область и на

ласти, а отрицательный потенциал и приложен к «-области и уменьшает положительный потенциал нескомпенсированного слоя положительных зарядов в этой области, то поле Е в обед­ ненной области уменьшается. Теперь уменьшенный потенциаль­

носителей, ток /0сн. яиф. возрастает i= Ise^T (q— заряд электрона),

а полный ток через р — и переход с учетом дрейфового тока

qu

/неосн.др. равен /= /5 (екТ—1), Где /*— ток насыщения. Током насы­

щения называется дрейфовый ток неосновных носителей, кото­ рый протекает через р-п переход, когда к нему приложено обрат­

потенциальный барьер возрастает до величины ЧЧ+ и, поле Е возрастает, ток основных носителей падает, а полный ток опре­ деляется только дрейфовым током неосновных носителей.

При достаточно большом по модулю напряжении (напряже­ нии пробоя) ипР=10-н60В в р-п переходе возникает ударная ионизация нейтральных атомов электронами, которые приоб­ рели значительную скорость и энергию в большом электриче­ ском поле Е«106 В/м, определенном м п Р. Число носителей заря­ да лавинообразно возрастает, возрастает и ток через р-п переход. Начинается лавинный пробой. Нелинейная вольт-амперная ха­ рактеристика диода i(u) изображена на рис. 3.6.

Заряды на границе обедненной области образуют барьерную емкость, которая в физике полупроводников определяется не как обычная емкость в электростатике C —qju, а как дифференциаль­ ная емкость Сбар=Сдиф=dqj du. С изменением приложенного к р-п переходу напряжения и величины зарядов на границах обедненной области и ширина обедненной области W меняется

(И/~(Ч/к —и)2— в случае равномерного распределения примеси),

что позволяет представить эквивалентную схему (схему замеще­ ния) р — п перехода в виде параллельно соединенных нелинейно­ го двухполюсника с вольтамперной характеристикой диода /(и) и барьерной емкости С б а Р ( м ) (рис. 3 . 8 ) .

Полупроводниковые диоды делятся на несколько групп в за­ висимости от области применения.

Мощные диоды с большой площадью р-п перехода S, боль­ шими токами насыщения (Is~ S ) и пробивными напряжениями из-за резкой нелинейности вольт-амперной характеристики ис­ пользуются для выпрямления переменного тока большой ампли­ туды. Такие диоды называются выпрямительными.

Выпрямительные диоды характеризуют следующие основные параметры:

а) Выпрямленный (прямой) ток /пр— средний за период ток, проходящий через диод, при котором обеспечивается его надеж­ ная работа; превышение прямого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

б) Прямое падение напряжения— Unpср— среднее значение за период при прохождении через него прямого тока.

в) Допустимое обратное напряжение С/обр— среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная и длительная работа диода; превышение обратного напряжения приводит к пробою и выходу диода из строя.

вляется не механическим путем, а через электрическое воздей­ ствие на варикап. Это обеспе­ чивает надежность работы и необходимую точность установ.- ки нужной частоты, обеспечива­ ет долговечность переменной управляемой емкости (варика­ па), безынерционность и быстро­ ту управления емкостью. К упо­ мянутым выше достоинствам варикапа следует добавить его небольшие размеры; к недостат­

кам следует отнести электрический пробой варикапа и выход его из строя при подаче обратного напряжения выше допустимого.

Для стабилизации напряжения используются специальные диоды— стабилитроны, работающие при напряжениях, близких к пробивному напряжению, поскольку напряжение в области пробоя слабо зависит от тока, протекающего через диод. Основ­ ными параметрами стабилитрона являются: напряжение стаби­ лизации UCT при заданном токе стабилизации, максимальный и минимальный токи стабилизации /ст макс и /ст мин и дифференци­ альное сопротивление стабилитрона (рис. 3.10)

Широко применяемые стабилитроны КС имеют следующие параметры:

При очень высокой концентрации примесей ширина обеднен­ ной области оказывается очень узкой, и через потенциальный барьер возможно дополнительное прохождение (туннелирование) носителей. Кроме диффузионной составляющей тока, увеличива­ ющейся по экспоненте с ростом напряжения и, появляется тун­