Электронные приборы

Фотоэлектронные приборы

Это приборы, у которых проводимость изменяется при изменении светового потока, падающего на прибор. Все ФЭП можно разделить на 3 группы: фотоприёмные, фотоизлучающие, оптоэлектронные приборы.

Фотоприёмные приборы.

Вакуумные и полупроводниковые.

Вакуумные приборы работают на основе внешнего фотоэффекта (под действием светового потока определённой длины волны из материала вылетают электроны, которые могут создавать ток при подаче напряжения) или на основе внутреннего фотоэффекта (электроны при воздействии света не покидают материал, а только переходят из валентной зоны в зону проводимости).

К вакуумным фотоприёмным приборам относятся фотоэлемент ФЭ и фотоэлектронный умножитель ФЭУ, к п/п - фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы;

К излучающим приборам относятся светодиоды;

К оптоэлектронным - оптроны (светодиод - излучающий; фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и т.д. - приёмные элементы).

Все фотоприёмные приборы имеют 3 основные характеристики:

ВАХ I= f (U), при Ф и = const

Световая характеристика I= f (Ф), при U и = const

Спектральная характеристика I= f (), при U и Ф = const

Фотоэлемент

Это прибор, преобразующий свет в электрический сигнал. Он представляет собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой находится 2 электрода - анод (А) и фотокатод (ФК).

Свет попадает на ФК и заставляет испускать фотоэлектроны. При создании между ФК и А сильного э.п. во внешней цепи возникает ток, пропорциональный приложенному напряжению. Время пролёта электронов мало, поэтому отклик на световое воздействие происходит достаточно быстро.

ФЭУ

Это прибор, в котором фотоэлектроны, возникающие при воздействии света на ФК, направляются на другие электроды - диноды, вызывая эмиссию на динодах вторичных электронов, направляемых на другой динод. Динодов обычно более 10, поэтому при воздействии одного фотона на А попадают сотни электронов. Т.е. происходит эффект усиления светового сигнала внутри ФЭУ, и, благодаря этому, ФЭУ может реагировать на отдельные фотоны.

ФЭУ представляет собой вакуумную трубку с ФК, А и динодами, выводы которых также подключены к внешнему источнику напряжения и нагрузкам.

Фоторезистор

Представляет собой п/п, к которому подключено 2 вывода и в котором имеется окно, через которое свет попадает в фоторезистор.

Электроны п/п получают при поглощении света энергию и переходят из ВЗ в ЗП. При этом уменьшается сопротивление, и ток в цепи увеличивается.

Поглощение света происходит в том случае, если энергия света больше ширины запрещённой зоны.

При Ф = 0 к фоторезистору прикладывается рабочее напряжение. Следовательно, в цепи протекает темновой ток I_т. При возрастании Ф ток I_Ф увеличивается, однако при больших значениях Ф наступает замедление роста фототока, т.к. происходит столкновение электронов, потеря ими энергии, замедление скорости дрейфа и увеличение процесса их рекомбинации.



П/п в зависимости от длины волны света неодинаково реагируют на световой поток, их реакция зависит от ширины запрещённой зоны. Т.к. п/п могут быть сложными веществами, то возможно наличие нескольких локальных максимумов.

Параметры фоторезистора:

U_раб

I_т

R_т (темновое сопротивление, измеряется через 30 с после снятия освещённости в 200 Лк)

R_св (световое сопротивление, измеряется после 30 с при освещённости в 200 Лк)

кратность сопротивления R_т / R_св

коэффициент интегральной чувствительности , десятки мА/Лм

коэффициент чувствительности к монохроматическому свету

Фотодиоды

Фотодиоды имеют в основе p-n-переход, и его можно охарактеризовать как приёмник оптического излучения, которое он преобразует в электрический сигнал за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод имеет 2 режима работы:

фотовольтарический, или вентильный (не подаётся напряжение)

фотодиодный (на фотодиод подаётся напряжение обратной полярности).

Вентильный режим.

При освещении области n происходит генерация носителей заряда. Неосновные носители заряда (дырки) ускоряются полем перехода и переходят в p-область. Электроны остаются в n-области. Таким образом, в области n наблюдается скопление электронов, в p - скопление дырок.

Если соединить области n- и p- внешним проводником, то электроны из области n по внешней цепи переходят в область p- (через структуру p-n-перехода они пройти не могут) и начинает протекать ток I_ф.

Статическая характеристика.

На некотором участке I_ф не зависит от U, т.е. количество носителей заряда ограничено световым потоком.

По характеристике можно рассчитать коэффициент чувствительности по току

K_I = I_ф / Ф

При таком включении работают солнечные батареи.

Фотодиодный режим

Параметры:

коэффициент интегральной

Фотодиоды обозначаются ФД.

Фототранзистор

Фототранзистор - это транзистор, у которого в корпусе есть прозрачное окно и у которого Б либо оборвана, либо есть вывод, который не используется для управления.

K_IФТ= I_ф / Ф

K_IФТ= h₂₁ K_IФД



При попадании на Б светового потока в ней происходит генерация носителей заряда. Дырки (неосновные носители) уходят в K из-за действия поля K-перехода и Б начинает приобретать отрицательный заряд.

Заряд Б отрицательный, следовательно, он снижает потенциальный барьер в Э-переходе и создаёт условия для инжекции дырок в Б, которые, пройдя Б, будут переходить в коллектор за счёт поля коллекторного перехода.

При постоянном напряжении U_КЭ I_КЭ зависит от интенсивности светового потока и, следовательно, от величины фототока.

Фототранзистор обозначается ФТ.

Параметры:

U_раб

R_диф

I _т

U_КЭ max

P_К max

I_К max

Светодиоды

Это приборы, излучающие свет при пропускании тока в прямом направлении через p-n-переход. Выделение света осуществляется за счёт рекомбинации электронов и дырок в области ЗС p-n-перехода и преобразования энергии в световое излучение.

Если светодиод построен из п/п со строением энергетических зон, дающим прямой переход, то акты рекомбинации происходят достаточно часто и энергия излучения равна ширине запрещённой зоны.

При обратном напряжении в энергетической структуре п/п должны быть энергетические уровни и для перехода из одной зоны в другую. Электроны должны осуществлять взаимодействие с ядром атома.

Спектральная диаграмма содержит составляющие разных длин волн, ширина спектра излучения светодиода порядка 100 нм. Но спектр излучения, из-за того, что его можно легко изменить, распределён от инфракрасной до ультрафиолетовой области.



Некоторые СД могут излучать 2 цвета (2 - красное, 1,3 - зелёное свечение)

Светодиоды служат в качестве индикаторов. Имеют высокую надёжность, длительный срок службы, могут работать на ВЧ, потребляют мало энергии.

Яркостная характеристика В

U' - предельное для использования; напряжение, при котором яркость прекращает увеличиваться, т.к. носители зарядов приобретают большую скорость, и поэтому увеличивается количество рекомбинаций.

Параметры:

сила света

яркость

л_max - длина волны, на которой световое излучение соответствует максимальной спектральной характеристике.

I_{пр max}

АЛ - арсенид галлия; КЛ - кремниевый.

Оптрон

Оптрон - это прибор, состоящий из источника света и приёмника света, помещающихся в один корпус.

Электрический сигнал подаётся на источник света, преобразуется в световой сигнал, который попадает на фотоприёмник, преобразующий световой сигнал в электрический сигнал.

Чаще всего используются оптроны, в которых источник света - светодиод, а приёмник - фотодиод, фототранзистор, фототиристор и т.д.

K _пер=ДI _вых /ДI _вх

передаточные характеристики

Достоинства: почти идеальная электрическая изоляция входных и выходных цепей; отсутствие паразитных обратных связей между входом и выходом (сигнал передаётся только в одну сторону); громадная помехозащищённость каналов передачи от входа к выходу от влияния электрических помех; возможность коммутации и управления мощными электрическими цепями с помощью маломощных цепей; возможность передачи большого объёма информации.

Диод

Устройство и принцип действия

Простейшая электронная лампа - диод - состоит из катода, благодаря которому осуществляется электронная эмиссия, и анода, назначение которого - управление током в лампе. Анод является коллектором, он собирает электроны, движущиеся от катода. Оба электрода помещены в баллон, выполненный чаще всего из стекла, но в некоторых случаях из керамики и металла. Внутри баллона поддерживается вакуум, т.е. очень разреженное состояние газа до 10^-6…10^-7 мм. рт. ст. Аноды электронных ламп изготовляют из тугоплавких металлов, имеющих большую работу выхода, - никеля, молибдена и т.д.

Условное изображение диодов в схемах приведено на рисунке.

При подаче напряжения накала катод разогревается до требуемой температуры и происходит эмиссия электронов. Вылетевшие из катода электроны обладают некоторыми начальными скоростями, различными как по величине, так и по направлению. В отсутствие напряжения между анодом и катодом эти электроны заполняют пространство между ними, образуя отрицательный пространственный заряд. Этот пространственный заряд создаёт вблизи катода область отрицательного потенциала. Подадим между анодом и катодом напряжение плюсом на анод +U_а. Электроны пространственного заряда под действием ускоряющего электрического поля, созданного положительным потенциалом на аноде, притягиваются к нему. В цепи лампы возникает анодный ток I_а. При подаче на анод напряжения, отрицательного по отношению к катоду, для электронов эмиссии создаётся тормозящее поле, и анодный ток отсутствует.

Таким образом, ламповый диод обладает односторонней проводимостью, как и полупроводниковый диод.

Анодная (вольт - амперная) характеристика диода

Эта характеристика представляет собой зависимость

I_а=f (U_а) при U_н= const,

где U_н - напряжение накала, которое обеспечивает постоянство температуры катода и, следовательно, постоянство тока эмиссии. При U_А=0 анодный ток практически отсутствует и только некоторые электроны, имеющие достаточно большую энергию, могут развить скорость, необходимую для преодоления тормозящего поля пространственного заряда, и достичь анода. При подаче положительного анодного напряжения для электронов создаётся ускоряющее поле, которое позволяет им преодолеть тормозящее поле пространственного заряда и достигнуть анода. По мере возрастания анодного напряжения U_А происходит постепенное рассасывание пространственного заряда, и анодный ток I_А увеличивается. При каком-то значении +Uа пространственный заряд полностью рассасывается. Режим, при котором полностью рассасывается пространственный заряд электронов в диоде, называется режимом насыщения. В этом режиме все электроны, вылетевшие с катода, достигают анода. В режиме насыщения ток эмиссии

I_А = I_{А нас}. Таким образом, при работе диода наблюдается два режима: режим пространственного заряда и режим насыщения.



Основным режимом является режим пространственного заряда, т.к. в этом режиме проявляется управляющее действие поля анода, и анодный ток I_А меняется пропорционально напряжению U_А. Эта пропорциональность нарушается в режиме насыщения, где изменение U_А не вызывает соответствующего изменения I_А.

В действительности, и в режиме насыщения также происходит некоторое увеличение тока I_А при увеличении U_А. Оно особенно резко выражено у ламп с оксидными катодами, что связано с увеличением тока эмиссии под действием поля анода.

Статические параметры диода

Крутизна характеристики отражает управляющее воздействие изменения U_А на изменение I_А в режиме пространственного заряда:

S=ДI_А/ ДU_А , мА/В при U_н = const.

Крутизна характеристики в различных её точках разная, т.к. сама характеристика нелинейная. Очевидно, чем ближе к катоду расположен анод, тем управляющее воздействие поля анода на пространственный заряд больше и S соответственно больше. Ламповые диоды имеют S=2…6 мА/В.

Внутреннее сопротивление характеризует сопротивление диода изменяющемуся току, т.е. переменному току:

R_i = ДU_А / ДI_А при U_н = const.

Внутреннее сопротивление диода R_i составляет 50…1000 Ом.

Предельные параметры диода

Допустимая мощность, рассеиваемая анодом P_{А max}. Бомбардировка анода электронами, которые подлетают к нему с громадной скоростью, приводит к его сильному разогреву за счёт преобразования кинетической энергии движущихся электронов в тепловую. Эта мощность отдаётся анодом в окружающее пространство. При этом устанавливается тепловой баланс между теплом, выделяемым на аноде и отдаваемым им в окружающее пространство. При нарушении баланса анод перегревается, и лампа выходит из строя.

Допустимое обратное напряжение U_А.max . Вакуумный диод, применяемый для выпрямления переменного тока, называется кенотрон. При подаче на него переменного напряжения знак напряжения на аноде меняется через полпериода, т.к. R_i открытого диода сравнительно мало, его прямое напряжение также невелико. При подаче обратного напряжения сопротивление диода очень велико, и он оказывается под высоким напряжением источника. Высоковольтные диоды должны обладать большим допустимым обратным напряжением.

Диоды в основном применяют для выпрямления переменного тока благодаря свойству односторонней проводимости. Однако эффективность применения ламповых диодов в качестве выпрямителей ниже, чем полупроводниковых из-за больших потерь напряжения и меньшей надёжности.

Устройство и принцип действия триодов

Для того чтобы увеличить возможность управления потоком электронов, эмиттированных катодом, тем самым расширить область применения электронных ламп, были созданы трёхэлектродные лампы - триоды. В триоде между анодом А и катодом К помещён ещё один электрод - управляющая сетка УС. Сетка конструктивно представляет собой либо спираль, либо сетку из переплетённых проводов и выполняется из вольфрамового, никелевого или молибденового провода. Условное изображение триода в схеме дано на рисунке. Как и в диоде, в триоде имеются цепь накала для разогрева катода и цепь анода для получения ускоряющего поля для электронов. Главное отличие триода от диода в том, что в триоде имеется дополнительная возможность управления анодным током путём изменения напряжения между сеткой и катодом.

Подадим постоянное напряжение между анодом и катодом U_А плюсом на анод и будем менять напряжение между управляющей сеткой и катодом U_С по величине и по знаку. При подаче отрицательного напряжения на сетку для электронов пространственного заряда создаётся тормозящее поле, поэтому в каждой точке между сеткой и катодом на электроны действует поле, образовавшееся в результате взаимодействия между ускоряющим полем анода и тормозящим полем сетки. При определённом отрицательном напряжении U_С анодный ток становится равным нулю, тормозящее поле создаётся не только у витков сетки, но и в промежутках между ними, препятствуя пролёту электронов от катода к аноду. При этом пространственный заряд у катода имеет наибольшую плотность. Будем уменьшать отрицательное напряжение на сетке, результирующее поле между витками сетки меняется и становится ускоряющим для электронов. Чем меньше отрицательное напряжение на сетке, тем сильнее действует ускоряющее поле и тем больше становится ток I_А. При подаче положительного напряжения +U_C электроны получают ускорение не только за счёт поля анода, но также и за счёт поля сетки. Анодный ток становится ещё больше. Однако часть электронов притягивается непосредственно к виткам сетки и образует ток сетки I_С. Таким образом, при положительном напряжении на сетке общий катодный ток I_К разветвляется на два тока: анодный I_А и сеточный I_С.

U_Д = U_C + DU_А ,

где U_Д - действующее напряжение, D - проницаемость триода.

D= C_АК / C_СК

где C_АК - ёмкость анод-катод, C_СК - ёмкость сетка-катод.

Статические параметры триода

Крутизна характеристики S. При U_А = const S= ДI_А /Д U_C . Крутизна показывает, на сколько миллиампер изменится анодный ток при изменении напряжения на сетке на 1 В при неизменном U_А. Конструктивно S зависит от расстояния между катодом и управляющей сеткой: чем меньше это расстояние, тем сильнее влияние поля сетки на электроны пространственного заряда у катода, тем больше S.

Внутреннее сопротивление R_i . При U_C = const R_i = ДU_А/ДI_А . R_i характеризует влияние поля анода на ток I_А.

Входное сопротивление R_ВХ . При U_А = const R_ВХ = Д U_C /ДI_C . Входное сопротивление триода зависит от режима работы: без сеточных токов или с сеточными токами.

Коэффициент усиления м.. При I_А= const м= - ДU_А / Д U_C ; м показывает, во сколько раз влияние поля сетки на анодный ток сильнее влияния поля анода.

м =1/D

Таким образом, чем гуще намотана сетка и меньше влияние электрического поля анода на пространственный заряд у катода, тем больше м.

К предельным параметрам триода относятся: допустимая мощность, рассеиваемая анодом, допустимое напряжение U_{А max}, допустимый анодный ток. Сущность этих предельных параметров та же, что и в ламповом диоде.

Тетроды

Для уменьшения проходной ёмкости между анодом и управляющей сеткой помещается ещё одна сетка. Дополнительная сетка, благодаря своей роли, получила название экранирующей. Тетрод обладает большим коэффициентом усиления м, т.к. управляющая сетка в тетроде редкая, а на экранирующую сетку подаётся положительное напряжение +U_С2 . При большой проницаемости управляющей сетки и значительном напряжении U_С2 этот триод запирается при сравнительно большом отрицательном напряжении на управляющей сетке. В отличие от триода анод в тетроде закрыт от пространственного заряда двумя сетками, поэтому влияние поля анода на электроны пространственного заряда гораздо меньше, чем поля управляющей сетки, и поэтому коэффициент усиления резко возрастает по сравнению с триодом.

Достоинства:

резкое уменьшение проходной ёмкости и, как следствие, возможность работы на высоких частотах;

большой коэффициент усиления.

Основной недостаток тетрода - наличие динатронного эффекта (Изменение тока в цепях электродов лампы за счёт вторичной эмиссии называется динатронным эффектом.). Появление отрицательного сопротивления вследствие динатронного эффекта ограничивает возможность работы тетрода при малых анодных напряжениях и является серьёзным препятствием к применению тетродов в схемах усиления электрических сигналов. Отсюда возникла необходимость в усовершенствовании тетрода, т.е. при сохранении всех его достоинств потребовалось устранить динатронный эффект. Решение этой проблемы было найдено в двух типах ламп: лучевом тетроде и пентоде.

Лучевые тетроды

В лучевом тетроде динатронный эффект устраняется путём увеличения объёмной плотности электронного потока первичных электронов за счёт его фокусировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Такой луч образует потенциальный барьер для электронов, выбитых из анода.

Лучевые тетроды применяют в мощных усилителях.

Пентоды

Устранение динатронного эффекта в пентоде происходит путём создания тормозящего поля между анодом и экранирующей сеткой с помощью специальной сетки, которая получила название защитной, или антидинатронной сетки. Для выполнения своей задачи - создания тормозящего поля для вторичных электронов, выбитых из анода, на защитную сетку обычно подаётся нулевой потенциал или реже небольшое постоянное напряжение, отрицательное или положительное, в зависимости от выполняемой лампой функции. Для того чтобы третья сетка не оказывала заметного влияния на скорость движения первичных электронов, проницаемость защитной сетки увеличивается.

Для первичных электронов, летящих к аноду с большой скоростью и обладающих большой энергией, защитная сетка не представляет заметного препятствия, но для вторичных электронов, вылетающих с анода с небольшой скоростью, поле защитной сетки является настолько тормозящим, что не позволяет им попасть на экранную сетку предотвращает динатронный эффект.

Статические параметры тетродов и пентодов:

Крутизна характеристики

S= ДI_А /Д U_C , при U_А , U_С2,U_С3 = const

Внутреннее сопротивление

R_i = ДU_А/ДI_А ,при U_C1 ,U_C2 ,U_C3= const

Коэффициент усиления

м= - ДU_А / Д U_C , при I_А= const, U_C1, U_C3= const

Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами называют электровакуумные приборы, в которых формируется сконцентрированный в виде луча электронный поток, управляемый электрическими сигналами. Эти приборы широко применяются в телевидении, осциллографии, радиолокации, вычислительной технике и т.д.

По видам преобразования существует несколько основных типов электронно-лучевых приборов:

приборы, преобразующие электрические сигналы в видимое изображение, - осциллографические трубки, приёмные телевизионные трубки;

приборы, преобразующие видимое изображение в электрические сигналы, - передающие телевизионные трубки;

приборы, преобразующие невидимые глазом изображения в видимые, - электронные микроскопы.

Принципы управления электронным лучом

Преобразование электрической энергии в видимое изображение происходит на экране соответствующих электронно-лучевых трубок. Экран представляет собой тонкий слой вещества, которое обладает способностью светиться под воздействием бомбардировки его поверхности электронами и называется люминофором.

В зависимости от энергии электронов, бомбардирующих экран, возможны следующие явления:

Вторичная эмиссия с экрана. Она произойдёт в том случае, если энергия электронов равна работе выхода вещества люминофора или больше её.

Возбуждение атомов люминофора. Оно происходит в случае, если энергия электронов меньше работы выхода вещества люминофора. При этом часть электронов из валентной зоны и примесных уровней вещества люминофора переходит в зону проводимости. Состояние возбуждения неустойчиво, т.к. при взаимодействии с ионами кристаллической решётки электроны, попавшие в зону проводимости, теряют полученную энергию и очень быстро возвращаются на прежние уровни. Электроны отдают в окружающее пространство ровно столько энергии (в виде электромагнитных волн), сколько они получили при возбуждении и переходе на более отдалённую от ядра орбиту. При создании люминофора добиваются, чтобы энергия излучения попала в спектр видимых глазом электромагнитных волн. Каждой длине волны этого излучения будет соответствовать и определённый цвет свечения экрана.

Для того, чтобы произошло возбуждение атомов люминофора, требуется значительная энергия

W = nqU_a,

где q - заряд электрона, n - число электронов, U _a - ускоряющее напряжение, действующее на электрон.

Для получения требуемой энергии ускоряющее напряжение должно быть не менее единиц - десятков киловольт.

Общее число электронов n, бомбардирующих экран, должно быть велико, т.е. требуется пучок электронов или электронный луч. Получение пучка электронов в электронно-лучевых трубках, как и в электронных лампах, происходит на основе термоэлектронной эмиссии. Бомбардировка экрана лучом тем эффективней и свечение точки на экране тем ярче, чем больше электронов сосредоточится на единице поверхности экрана. Следовательно, в электронно-лучевой трубке необходимо добиться минимально возможного сечения электронного луча. По аналогии с оптикой это явление называют фокусировкой луча.

Чтобы электронный луч вычерчивал на экране изображение, он должен перемещаться по экрану, поэтому в электронно-лучевой трубке необходима система отклонения луча по экрану.

Таким образом, трубка действует по таким принципам - создание потока заряженных частиц, управление этим потоком и, как результат, преобразование одного вида энергии в другой.

Управление электронным лучом в электронно-лучевых трубках гораздо сложнее, чем в лампах: кроме изменения тока луча, как в лампах, требуется ещё его фокусировка и отклонение. Для воздействия на луч с целью его фокусировки и отклонения используются либо электростатические, либо электромагнитные поля.

Осциллографические трубки с электростатической фокусировкой и отклонением

Они предназначены для преобразования электрических сигналов в видимое изображение.

Трубка состоит из электронного прожектора, системы отклонения и экрана.

Назначение электронного прожектора - формирование электронного луча и его фокусировка, а также создание сильного ускоряющего поля для электронов луча.

Электронный прожектор содержит обычный подогревный катод. Нить накала находится внутри цилиндра, а оксидный катод нанесён на его торец. Назначение катода - термоэлектронная эмиссия. Катод помещён внутри другого цилиндра - модулятора, торцевая часть которого представляет собой диафрагму с узким круглым отверстием. На модулятор подается отрицательное относительно катода напряжение. При изменении этого напряжения меняются ток луча и яркость свечения экрана.

Кроме того, прожектор имеет два анода, представляющих собой полые цилиндры с диафрагмами, имеющими очень маленькие отверстия для пролёта электронов, что также позволяет уменьшить сечение луча, т.к. электроны, которые сильно отклонились от оси трубки, не пройдут дальше. На второй анод подаётся высокое напряжение в единицы киловольт в зависимости от типа трубок, на первый анод меньшее напряжение - сотни вольт. Оба анода создают сильное ускоряющее поле для электронного луча с тем, чтобы сообщить электронам достаточную кинетическую энергию, необходимую для возбуждения атомов люминофора.

При бомбардировке экрана электронным лучом, также возникает вторичная эмиссия электронов. Вторичные электроны притягиваются к проводящему графитовому слою, который нанесён на внутреннюю поверхность колбы. Этот слой называется аквадаг. Он соединён внутри колбы со вторым анодом.

Внутри баллона трубки, как и в электронных лампах, создается вакуум. На внутренней торцевой поверхности расширенной части баллона наносится люминофор, образующий экран.

Цель фокусировки - получение минимального поперечного сечения луча в заданной точке на экране. Электронный луч - это поток одноименно заряженных частиц, испытывающих силы взаимного отталкивания, что является противодействием фокусировке. Система электростатической фокусировки содержит две электронные линзы, которые позволяют свести электроны луча в точке на поверхности экрана.

Для того, чтобы электронный луч вычерчивал на экране требуемое изображение, он должен перемещаться в определённой последовательности как по горизонтали, так и по вертикали. Для управления перемещением луча на экране служит система отклонения или развёртки. Система электростатического отклонения луча состоит из двух пар пластин, к которым подводится напряжение, позволяющее отклонять луч как по вертикали, так и по горизонтали.

Приложение 1: «Телевизоры на ЖК-панелях»

Электронно-лучевые трубки (кинеско-пы), служащие основой любого телеви-зора, существуют уже многие десятиле-тия и постоянно совершенствуются. Од-нако они имеют и недостатки: наличие высокого напряжения, большие объем-ные габариты (особенно в глубину при больших размерах изображения) и др. Поэтому разработчики всегда стреми-лись к новым идеям при создании отоб-ражающих устройств. Одна из них -- ис-пользование жидкокристаллического вещества в качестве клапана для пропус-кания световых потоков. Окончательно эта идея воплотилась в виде ЖК-дисплеев (панелей) -- LCD (Liquid Crystal Display). Быстрый рост их производства за рубежом привел к появлению как большого числа моделей «плоских- теле-визоров, так и компьютерных мониторов.

Рассмотрим принцип работы и вари-анты конструкции таких дисплеев [1,2]. В общем, известно, что ЖК вещество (ма-териал) модулирует внешний световой поток под действием электрического поля или тока. Конкретная работа ЖК-дисплеев основана на использовании эффекта вра-щения плоскости поляризации светового потока слоем нематического ЖК вещест-ва (так называемого твист-эффекта).

Конструкция ЖК-панели показана на рис. 1. Панель содержит две плоскопараллельные подложки из прозрачного ма-териала (обычно стекла толщиной около 1 мм), расположенные одна относительно другой с фиксированным зазором, в кото-рый введен ЖК материал. На внутренних сторонах подложек нанесены электроды адресации в виде определенного рисун-ка. В качестве прозрачного проводяще-го слоя электродов используют пленку оксида индия. Слои ориентирующих по-крытий, нанесенные на электроды адре-сации, предназначены для задания опре-деленной ориентации ЖК молекул в рабо-чем материале. Зазор между подложками задают калиброванные ша-рообразные или цилинд-рические распорные эле-менты (спейсеры), диаметр которых может быть в пре-делах 3...25 мкм. После сборки (склеивания) па-нель герметизируют по всему периметру, причем слой герметика также име-ет спейсеры. На внешние стороны подложек наклее-ны поляроиды с опреде-ленной ориентацией плос-кости поляризации.

Принцип работы ЖК-ячейки (пиксела) панели с использованием твист

эффекта иллюстрирует рис. 2. Молекулы ЖК ма-териала обладают дипольным моментом. В ре-зультате взаимодействия электрических полей диполей образу-ется спиралевидная структура из моле-кул ЖК вещества. Слои ориентирующих покрытий на верхней и нижней подлож-ках совместно с дипольной структурой ЖК материала в отсутствие электриче-ского поля обеспечивают поворот пло-скости поляризации светового потока на 90°. Ориентированный так слой не-матического ЖК вещества обладает свойством поляризации проходящего через него светового потока. Плоско-сти поляризации верхнего и нижнего поляризационных фильтров повернуты один относительно другого на 90э.

Как видно на рис. 2,а. световой по-ток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр. При этом его половина, не имеющая азимуталь-ной поляризации, теряется. Остальная часть уже поляризованного света, про-ходя через слои ЖК материала, пово-рачивает плоскость поляризации на 90°. В результате ориентация плоскости поляризации светового потока будет совпадать с плоскостью поляризации нижнего фильтра и поток будет прохо-дить через него практически без потерь.



Если ЖК вещество поместить в электрическое поле, подав на электроды адресации напряжение так, как показано на рис. 2.б, спи-ралевидная молекулярная струк-тура в нем разрушается. Проходя-щий через ЖК материал световой поток уже не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается нижним поляризаци-онным фильтром. Следователь-но, ЖК вещество имеет два опти-ческих состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэф-фициентов пропускания в обоих состояниях определяет.контрастность/изображения.…………………………………………………Для обеспечения управления опти-ческим состоянием ячеек-пикселов (элементов изображения) панели тре-буется сформировать такие напряже-ния на электродах адресации, чтобы состояние каждого пиксела изменя-лось без изменения состояния других. Исходя из этого топология электродов адресации ЖК-панели представляет собой матрицу, образованную систе-мой строчных и столбцовых электро-дов, расположенных конструктивно на двух параллельных прозрачных под-ложках. Элементы (пикселы) телевизи-онного изображения в ЖК-панели об-разуются на пересечении строчных и столбцовых электродов. Для реали-зации управления большим числом элементов изображения (а в телевизо-рах это практически всегда так) приме-няют мультиплексирование сигналов.

Несколько вариантов топологии мат-риц, используемых в ЖК-панелях, пред-ставлено на рис. 3. Вариант на рис. З а -- самый простой и наиболее популярный. Вариант на рис. 3,6 позволяет получить более широкий шаг выводов для подачи столбцовых управляющих сигналов. Ва-рианты на рис. З.в и г -- разновидности архитектуры Dual Scan (или Double Scan), при которой обеспечивается уменьше-ние числа мультиплексируемых строк, что позволяет еще больше увеличить кон-трастность изображения. Фактически в этих случаях формируются два отдель-ных экранных поля, зазор между которы-ми незаметен. Адресация сигналов для обоих полей происходит одновременно.

Различают два способа адресации в ЖК-панелях: пассивный и активный. При пассивной адресации используют временное мультиплексирование строк без применения каких-нибудь ключе-вых элементов. Недостатками такого способа можно назвать низкий коэф-фициент мультиплексирования при ма-лой контрастности, сильное проявле-ние кросс-эффекта и сложная система формирования управляющих сигналов.

При активной адресации для каждого пиксела на пересечении строки и столбца создают ключевой элемент по схеме, изображенной на рис. 4. Такие элементы позволяют использовать более низкий коэффициент мультиплексирования. Контрастность изображения при этом получается значительно выше. Однако ЖК панели с активной адресацией гораз-до дороже панелей с пассивной адресацией, что удорожает и построенные на них аппараты. Активными ключевыми элементами чаще всего служат тонко-пленочные полевые транзисторы ТП"(Thin Film Transistor). На рис. 5.а показан ва-риант топологии, а на рис. 5,б -- принципиаль-ная схема ключевого эле-мента активной адреса-ции на таком транзисторе.

Цветные фильтры размещают на внутренней стороне ближней к зрите-лю подложки ЖК-панели. Материалами для изго-товления фильтров служат тонкие пленки различных красителей. Их наносят по различным технологиям: осаждением из растворов или из газовых сред, пе-чатным способом и др. Варианты топологии цвет-ных фильтров иллюстри-рует рис. 6 (R -- для крас-ного цвета, G -- зеленого, B -- синего).

Число строк ЖК-панелей определяет коэффициент мульти-плексирования. Чаще всего применя-ют низкомультиплексированные пане-ли со значениями коэффициента 1:2, 1:3 и 1:4. В зависимости от этого в кон-кретных устройствах управления созда-ется несколько уровней постоянного напряжения, из которых формируются напряжения управления строками и столбцами необходимой формы.

На рис. 7 изображены диаграммы на-пряжений адресации в ЖК-панелях с коэффициентом мультиплексирова-ния 1:3. На нем ВРО--ВР2 обозначают сигналы строчных выходов; Sn--Sn+1 -- сигналы столбцовых выходов, Udd -- напряжение питания контроллера уп-равления панелью; Ulcd -- напряжение смещения, питающее выходные фор-мирователи сигналов; Uобр. равное Udd - Ulcd. -- образцовое напряжение: Тk -- период кадровой развертки.

Для создания светового потока в ЖК-панелях применяют устройство задней подсветки, которое содержит источник излучения, светораспределители (све-товоды) и один или два отражателя. Источником излучения служат лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные панели, чаще всего, люминесцентные лампы. На рис. 8 представлены типовые конструкции ус-тройств задней подсветки с фронталь-ным (рис. 8,а) и торцевым (рис. 8,б) рас-положением люминесцентной лампы.

Исторический обзор развития микроэлектроники

Основные направления развития электроники.

Электроника - это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника - это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием

uетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Развитие твердотельной электроники тесно связано с успехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельному сопротивлению с полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Для полупроводников с составляет 10-5-108 Ом·м, для диэлектриков 10¹⁶-10²² Ом·м, для металлов 10^-8-10^-6 Ом·м. Температурный коэффициент сопротивления у полупроводников отрицателен, т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается.

В отличие от металлов полупроводники сильно изменяют свои свойства от присутствия даже очень небольших концентраций примеси. У полупроводников заметное изменение с наблюдается также под действием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Так, например, при концентрации примесных атомов в полупроводнике около 10^-4 атомных процентов его удельная проводимость изменяется на несколько порядков.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году - плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники - групповой метод и планарная технология - были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 - 1960г.г. В 1961 - 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 - 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 - 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Общие сведения о полупроводниках

Полупроводники и их электрофизические свойства

Полупроводники -- наиболее распространенная в природе группа веществ. К ним относятся химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа: AIBVII, AIIIBV, AIVBIV, AIBVI, AIVBVI, (GaAs, GeSi, CuO, PbS и др.); большинство при­родных химических соединений -- минералов, число которых составляет около 2 тыс., многие органические вещества.

В электронике находит применение лишь ограниченное число полупроводниковых веществ. Исходные материалы, из которых изготавливают полупроводниковые приборы, должны обладать определенными физико-химическими и механическими свойствами.

Они должны иметь вполне определенное с в диапазоне рабочих температур ?T. Такое удельное сопротивление можно получить при достаточно большом количестве свободных носителей заряда и их беспрепятственном движении в объеме полупроводника. Следовательно, необходимо твердое тело, в котором концентрация свободных носителей заряда n, их диффузионная длина L и время жизни ф были бы достаточно большими. Этим требованиям удовлетворяют в первую очередь монокристаллы, в которых в отличие от аморфных тел и поликристаллов обеспечивается высокая периодичность решетки. Однако не все монокристаллы обладают полупроводниковыми свойствами. А среди полупроводниковых кристаллов лишь немногие по своим параметрам и свойствам пригодны для изготовления полупроводниковых приборов.

На приведенном фрагменте таблицы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (рис. 2.1) жирной линией обведена область, в которой расположены элементы, обладающие полупро­водниковыми свойствами. Слева и снизу от этой области расположены металлы, справа и сверху -- диэлектрики.

Электропроводность твердого тела зависит от структуры внешних электронных оболочек его атомов, определяющих месторасположение элементов в таблице. Число справа внизу от химиче­ского символа обозначает ширину запрещенной зоны элемента в электрон-вольтах, число в правом верхнем углу -- порядковый номер элемента в таблице.

Из рис. 2.1 видно, что полупроводниковыми свойствами обладают лишь 12 химических элементов. Среди них наиболее подходящими для производства полупроводниковых приборов оказались германий (Ge) и кремний (Si).

Германий встречается, главным образом, в сернистых минералах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание Ge в земной коре всего 7·10-4%, он широко рассеян в горных породах. Для полупроводниковых приборов необходим Ge, почти не содержащий примесей других элементов. На 108 его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных «легирующих» элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In, как показано на рис. 2.1 стрелками). Поэтому производство Ge представляет известную сложность.



Рис. 2.1.

Кремний -- наиболее распространенный (после кислорода) элемент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соединением Si является его двуокись SiO2. Твердая земная кора содержит 'по массе 27,6% кремния и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т. е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO2 преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим также очень чистый Si. Получение чистых кристаллов кремния еще более сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500°С) и в расплавленном состоянии очень высокую химическую активность. Это резко повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и легирования их нужными примесями (в качестве последних чаще всего используются В, Аl и Р, как показано на рис. 2.1). Поэтому чистый кремний, как и германий, довольно дорогой элемент.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют и Ge и Si, они не являются конкурирующими элементами, так как сообщают приборам разные свойства. Например, транзисторы из германия работают до +(100-120)°С, а из кремния до +(150-200) °С. Однако германиевые транзисторы работают при более низких температурах и обладают лучшими частотными характеристиками, чем кремниевые, так как подвижность свободных носителей заряда в Ge выше.

На 2.1 указаны еще несколько элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Однако большинство из них непригодно для изготовления полупроводниковых приборов: либо они проявляют полупроводниковые свойства при температуре меньше 20°С (S и I) или 13°С (Sn), либо только в виде пленок (Sb и As), они сублимируют (I и As), хрупки (Те), легко плавятся (Sn), недостаточно изучены (В) и пр.

В электронике поэтому находит применение лишь ограниченное количество химических элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами. На первом месте стоят Ge и Si, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий, алюминий используют в качестве примесей. В последние годы начинают применять некоторые соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) и др. Интересны также сплавы и соединения элементов IV группы периодической системы -- карбид кремния, сплав кремний -- германий и др. Однако они еще недостаточно изучены.

...