книги / Элементы промышленной электроники

ных устройствах с регулируемым напряжением, в различного рода быстродействующих реле, высокочастотных генераторах и т. п.

4. Тиратрон с холодным катодом

Кроме тиратронов с накаливаемым катодом в радиоэлектро­ нике находят применение также безнакальные тиратроны, так называемые тиратроны с холодным катодом.

Тиратрон с холодным катодом представляет собой трехэлек­ тродный (обычно маломощный) ионный прибор тлеющего раз­ ряда. Стеклянный баллон такого прибора заполняется при дав­ лении порядка 20—30 мм pm. cm. нейтральным газом — неоном с некоторой примесью аргона. Безнакальные тиратроны, кроме катода, изготовленного из металла, активированного цезием, и анода, изготовленного в виде стерхсня, выполненного из воль­ фрама, имеют еще так называемый пусковой никелевый электрод специальной формы, выполняющий роль управляющей сетки (на схемах безнахальный тиратрон изображается в соответствии с рис 2—12).

Рис. 2-12. Условное обозначение тира­ трона с холодным катодом.

При подаче на управляющий электрод положительного по отношению к катоду напряжения необходимой величины, вначале возникает разряд между сеткой-пусковым электродом и катодом, который при достаточно положительном потенциале анода отно­ сительно катода перебрасывается затем уже на анод. Таким образом, для зажигания тиратрона с холодным катодом необ­ ходим начальный подготовительный разряд между сеткой и катодом, который в одних случаях может носить характер тем­ ного или тлеющего разряда, а в других случаях — характер пе­ реходной стадии от темного к тлеющему разряду.

При этом в промежутке сетка-катод в процессе ионизации создается необходимая для возникновения анодного тока кон­ центрация свободных электронов и положительных ионов. В ре­ зультате при подаче соответствующего положительного напря­ жения на анод возникает ток в цепи анод-катод тиратрона.

31

жительно заряженного ядра, окруженного определенным коли­ чеством электронов. Эти электроны по определенным орбитам и в определенном порядке вращаются вокруг ядра атома. Поло­ жение электронов на одной из возможных орбит определяется энергией, которой они обладают. Находясь на ближайшей к ядру орбите, электроны обладают наибольшей кинетической, но наи­ меньшей полной энергией. При этом, чем больше полная энергия электронов, тем отдаленнее орбиту они занимают. Если электрон за счет каких-то внешних воздействий приобретает дополнитель­ ную энергию, он переходит на новую, более удаленную от ядра орбиту.

Электроны, наиболее удаленные от ядра и, следовательно, имеющие более высокий уровень энергии, легче отрываются от ядра. Эти электроны, обычно участвующие в образовании химических связей, называются валентными электронами. Атом ка>:<дого химического элемента в невозбужденном состоянии имеет строго определенное количество валентных электронов, определяемое номером группы периодической системы элемен­ тов Д. И. Менделеева.

Электрические свойства полупроводников определяются ва­ лентными электронами, а не прочно связанными с ядром и не участвующими в создании электропроводности электронами. Поэтому при изучении свойств полупроводников представляют интерес не все энергетические зоны, а только те, в которых рас­ полагаются валентные электроны, и те, в которые эти электроны могут переходить при увеличении их энергии. Энергетический спектр электронов, участвующих в создании электропроводности, можно представить в виде следующих трех зон: энергетической зоны валентных электронов (валентной зоны), зоны невозможных для электронов значений энергии (запрещенной зоны) и зоны энергий, которыми могут обладать электроны проводимости (зоны проводимости) (рис. 3— 1). При этом энергетическая схема проводников, изоляторов и полупроводников отличается шириной запрещенной зоны.

При температуре абсолютного нуля все энергетические уровни валентной зоны оказываются полностью заполненными, а в зоне

33

проводимости электроны отсутствуют. В таком состоянии полу­ проводник обладает свойствами изолятора.

При повышении температуры, некоторые из электронов воз­ буждаются и приобретают энергию, достаточную для того, чтобы перейти в зону проводимости. Эти электроны с ядрами атомов не связаны и могут при наличии приложенного извне электрического поля свободно перемещаться в определенном на­ правлении, создавая электрический ток. Проводимость, обуслов­ ленная перемещением свободных электронов, называется элек­ тронной проводимостью или проводимостью типа л (от латин­ ского слова negative — отрицательный;, при переходе электронов в зону проводимости, в зоне заполнения (валентной) образуется свободное (вакантное) место, называемое дыркой, которое при определенных условиях мохсет быть занято электронами других атомов. Таким образом, подобный переход приводит к образо­ ванию дырок в других атомах, что равноценно перемещению указанных дырок. Принято считать, что дырки являются носи­ телями положительного заряда. При этом проводимость, обуслов­ ленная перемещением дырок, называется дырочной проводи­ мостью или проводимостью типа р (от латинского слова po­ sitive — положительный).

Таким образом, при воздействии внешнего электрического поля на полупроводник, создается два вида проводимости: проводимость типа л, в зоне проводимости и проводимость типа р , в зоне заполнения.

В результате носители положительного заряда — дырки,пере­ мещаются к отрицательно заряженному полюсу, а электроны — к положительно заряженному полюсу источника электрического поля.

Указанная электронно-дырочная проводимость возникает в результате разрыва валентных связей и называется собственной проводимостью, которая ооычно невелика.

введение некоторого количества инородных примесей значи­ тельно увеличивает проводимость полупроводника. При этом оказывается, что в завивимости от рода примеси, можно получить проводимость как одного, так и другого типа.

Так, если в химически чистый германий ввести некоторое коли­ чество одного из элементов пятой группы (фосфора, сурьмы, мышьяка), то четыре валентных электрона примеси примут учас­ тие в валентных связях с германием, а пятый электрон окажется при этом полусвободным и будет участвовать в создании прово­ димости типа п (рис. 3—2). Примесные атомы, обеспечивающие проводимость типа п , обычно называют донорами.

Если же в состав германия ввести незначительное количество элемента третьей группы (индия, бора, галлия), валентные связи

34

германия не будут полностью укомплектованы (рис. 3—3), так как атомы примеси имеют три валентных электрона. При этом в атомной решетке окажутся заполненными связи только трех соседних атомов, а одна из связей остается незаполненной. В ре­ зультате остается вакансия (дырка), которая может быть запол­ нена электроном соседнего атома. При этом возникает новая дырка и т. д. Происходит перемещение дырок, вследствие чего создается проводимость типа р. Атомы поимеси в данном случае называют акцепторами.

Рис. 3-2. Схематическое изображение кристаллической решетки германия с донор­ ной примесью;

в то время как в полупроводнике типа р концентрации дырок значительно выше концентрации свободных электронов. В ре­ зультате этого дырки в полупроводнике типа р и электроны в полупроводнике типа п являются основными носителями зарядов. Сравнительно небольшое количество дырок в полупроводнике типа п и свободных электронов в полупроводнике типа р являют­ ся соответственно неосновными носителями зарядов.

Выясним теперь, что произойдет, если две пластины германия с различными типами проводимостей соединить. Пока провод­ ники находятся в изолированном друг от друга состоянии,основ­ ные носители заряда в них (отрицательные электроны в полу­ проводнике типа п и положительные дырки в полупроводнике

35

хода образуется двойной запирающий слой (потенциальный барьер) (рис. 3 — 4в) (ширина его приблизительно равна 10~4 см). При этом создается разность потенциалов UMa запирающего слоя (контактная разность потенциалов), препятствующая пере­ мещению основных носителей. Однако, для неосновных носи­ телей поле р — п перехода не является препятствием. Наоборот, оно способствует передвихсению этих носителей через р — п переход, что несколько снижает потенциальный барьер, созда­ ваемый запорным слоем. При отсутствии внешнего напряжения поток электронов и дырок из области п в область р уравновеши­ вается потоком электронов и дырок из области р в область п. При этом устанавливается динамическое равновесие и средний

ч

Рис. 3-4. Электронно-дырочный р-п переход и график его потенциального барьера.

Приложим теперь к р — п переходу внешнее напряжение такой полярности, при которой минус источника питания подключен к полупроводнику типа п, а плюс — к полупроводнику типа р. Как видно из рис. 3—56 в этом случае полярность приложен­

37