Конструкція

Вакуумні електронні прилади зазвичай являють собою герметично запаяні скляні, металеві або керамічні ( нувістори) судини з різними електродами всередині, з'єднаними з контактами зовнішнього роз'єму приладу через скляний або керамічний вакуумно-щільний ізолятор. Попередньо з них видаляють повітря. Відкачування супроводжується прогріванням, як тепловим, так і високочастотним (рідше СВЧ полем), нутрощів приладу з метою видалення абсорбованих газів. Також для цього використовується геттер - коло або кільце з тонкої жерсті, покритий спеціальним складом, з речовин, добре поглинають гази як під час розпилення, так і після. Це, як правило, самі отруйні речовини у вакуумних приладах. Чим менше усередині залишиться газів, тим більш довговічний прилад. Мінімальне залишкове тиск в електронних приладах, що працюють при напругах до 1 кВ (кіловольт), для довготривалої роботи вважається 10 ^-4 Pa. Для високовольтних кінескопів (25 кВ) мінімум становить 10 ^-7 Pa (5-10 років). Для великогабаритних пристроїв на зразок прискорювачів вимоги в тисячі разів вище.

У будь-якому вакуумному приладі є катод (прямого або непрямого нагріву, рідше без підігріву - "холодний"), часто покритий особливим складом для високої емісії електронів у вакуум робочої зони приладу; та анод - останній робочий електрод, що збирає "відпрацьовані" електрони.

Все вакуумні прилади мають в якості робочої речовини електронний потік, що летить від катода до анода і взаємодіючий по шляху з простими електродами (сітки і фокусують електроди) і складними (НВЧ резонаторами, люмінесцентними екранами, і тд.)

Класифікація

Вакуумні електронні прилади можна розділити на наступні класи:

•  Електронні лампи або радіолампи : діоди, тріоди, тетроди (в т.ч. променеві), пентоди;

(Дуже часто в одному балоні (лампі) для загального здешевлення розміщують відразу два різних вакуумних приладу.

• • Вакуумні прилади НВЧ: ( магнетрони, клістрони, ЛБВ, ЛОВ;

•  Електронно-променеві прилади : ( електронно-променеві трубки, кінескопи;

  •  Прискорювачі заряджених часток : ( рентгенівські трубки;

• Фотоелектронні прилади: ( ФЕУ, вакуумні фотоелементи;

• Вакуумні індикатори: (індикаторні лампи (устар.), ВЛІ (вакуумно-люмінесцентні індикато

32. Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури.

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких складає порядку декількох електронвольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію — до вузькозонних. До числа напівпровідників належать багато простих речовин хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, арсен та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та ін.).

Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон або захоплює його, його називають донорними або акцепторними. Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом решітки вона заміщує, в яку кристалографічну площину вбудовується.

Провідність напівпровідників сильно залежить від температури. Поблизу абсолютного нуля температури напівпровідники мають властивості діелектриків.

Провідність чистих напівпровідників електронно-діркова (власна провідність).

За наявності в напівпровідниковому матеріалі малого процента (одна десятимільйонна доля) п’яти валентної домішки, наприклад Аs, кожний атом домішки оточений атомами основного напівпровідника. При одержанні невеликої порції енергії електрон домішки покидає свій атом — утворюється вільний електрон, а домішковий атом стає позитивним іоном, закріпленим у вузлі кристалічної ґратки (рис. 40, а).

Провідність таких напівпровідників електронно-діркова зі значною перевагою електронно-домішкова провідність електронного типу).

Така домішка називається донором («той, що дає»), а напівпровідник — домішковим напівпровідником n-типу (негативний).

За наявності в напівпровіднику тривалентної домішки (наприклад Іn) атом домішки захоплює в атома основного напівпровідника валентний електрон, тим самим поповнюючи недостатній ковалентний зв’язок. При цьому він стає негативнимiоном, закріпленим у вузлі кристалічних ґраток, а в основному напівпровіднику утворюється рухома дірка (рис. 40, б).

Така домішка називається акцептором («беручий»), а напівпровідник — домішковим напівпровідником р-типу (позитивний).

Рис. 40

 

Провідність напівпровідників р-типу електронно-діркова з явною перевагою діркової (домішкова провідність діркового типу).

При створенні в напівпровіднику електричного поля вільні електрони рухаються до анода, а зв’язані електрони переходять від атома до атома, заповнюючи дірки. Дірки при цьому переміщуються до катода (як позитивний заряд) і замикають коло (рис. 41):

 

1. Електронно-дірковий перехід. Серед фізичних властивостей, які мають напівпровідники, найбільше застосування дістали властивості контактів (р— п -переходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

У напівпровіднику п -типу електрони беруть участь у тепловому русі й дифундують через межу в напівпровідник р-типу, де їх концентрація є значно меншою. Так само дірки будуть дифундувати з напівпровідника р-типу в напівпровідник п -типу. Це відбувається подібно до того, як атоми розчиненої речовини дифундують із міцного розчину в слабкий під час їхнього зіткнення.

У результаті дифузії приконтактна область збіднюється основними носіями заряду: в напівпровіднику п -типу зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику р-типу — концентрація дірок. Тому опір приконтактної області виявляється дуже великим.

Дифузія електронів і дірок через р—л - перехід приводить до того, що напівпровідник п -типу, з якого йдуть електрони, заряджається позитивно, а р-типу — негативно. Виникає подвійний електричний шар, що створює електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії вільних носіїв струму через контакт напівпровідників. За деякої різниці потенціалів між подвійним зарядженим шаром подальше збіднення приконтактної області основними носіями припиняється.

Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з'єднувалася з негативним полюсом джерела, а діркова — з позитивним, то електричне поле, створене джерелом струму, буде напрямлене так, що воно переміщатиме основні носії струму в кожній ділянці напівпровідника до р— п-переходу. Приконтактна область буде збагачуватись основними носіями струму, й опір її зменшиться. Через контакт проходитиме помітний струм. Напрям струму в цьому випадку називають пропускним або прямим.

Якщо ж приєднати напівпровідник п-типу до позитивного, а р-типу до негативного полюса джерела, то приконтактна область розширяється. Опір області значно збільшується. Струм через перехідний шар буде дуже малий. Цей напрям струму називають замикаючим або зворотним.

33. Напівпровіднико́вий діо́д (рос. полупроводниковый диод, англ. semiconductor (crystal) diode; нім. н. Halbleiterdiode f) — це напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами.

Випрямним електричним переходом, в напівпровідникових діодах, може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал-напівпровідник.

Випрямний перехід, окрім ефекту випрямлення, має й інші властивості, що використовуються для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, стабілітронів, лавинно-пролітних діодів, тунельних діодів, варикапів та інших. Тому напівпровідникові діоди поділяють: на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опірні (стабілітрони), чотиришарові перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди, тунельні діодита інші.

Принцип роботи напівпровідникового діоду : в поверхню напівпро-відника n-типу вплавляють акцепторну домішку(наприклад, індій). Ство-рюється p-n-перехід там, де атоми індію змішалися з атомами германію. Там, де цільний германій, у напівпровіднику катод, а там, де цільний індій - анод(мал. ).

34. На рисунку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора NPN типу. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований донорами до невисокої концентрації 10¹³-10¹⁵ см⁻³. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографії звільняють вікно для легуванняакцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 10¹⁷-10¹⁸ см⁻³. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері й у базі повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Транзистор має два основні застосування: у якості підсилювача і у якості перемикача.

Підсилювальні властивості транзистора зв'язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. Таким чином малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.

Використання транзистора у якості перемикача пов'язане з тим, що приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами, що називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.

35. Терморезистор, термістор  — напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого залежить відтемператури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см; на їх основі розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, протипожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін.

Термісторами також називають термометри, в яких температура визначається за зміною електричного опору.

Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус

Фоторезистор

Важнейшие параметры фоторезисторов:

• интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);

• порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

36. Магні́тне по́ле — складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомимиелектрично зарядженими частинками.

Магнітне поле - складова електромагнітного поля, яка створюється змінним у часі електричним полем, рухомимиелектричними зарядами або спінами заряджених частинок. Магнітне поле спричиняє силову дію на рухомі електричні заряди. Нерухомі електричні заряди з магнітним полем не взаємодіють, але елементарні частинки з ненульовим спіном, які мають власний магнітний момент, є джерелом магнітного поля і магнітне поле спричиняє на них силову дію, навіть якщо вони перебувають у стані спокою.

Магнітне поле утворюється, наприклад, у просторі довкола провідника, по якому тече струм або довколапостійного магніту.

Магнітне поле є векторним полем, тобто з кожною точкою простору пов'язаний вектор магнітної індукції який характеризує величину і напрям магнітого поля у цій точці і може мінятися з плином часу. Поряд з вектором магнітної індукції , магнітне поле також описується вектором напруженості .

У вакуумі ці вектори пропорційні між собою:

,

де k - константа, що залежить від вибору системи одиниць.

В системі СІ, - так званій магнітній проникності вакууму. Деякі системи одиниць, наприклад СГСГ, побудовані так, щоб вектори індукції та напруженості магнітного поля тотожно дорівнювали один одному: .

Однак у середовищі ці вектори є різними: вектор напруженості описує лише магнітне поле створене рухомими зарядами (струмами) ігноруючи поле створене середовищем, тоді як вектор індукції враховує ще й вплив середовища:

^[1]

де - вектор намагніченості середовища.

Магні́тна інду́кція — векторна фізична величина, основна характеристика величини і напрямку магнітного поля. Вектор магнітної індукції зазвичай позначають латинською літерою .

Уявлення про магнітне поле пояснює зв'язок між електрикою і магнетизмом. Джерелом появи магнітного поля є рухомі електричні заряди (струм). Магнітне поле виникає у просторі, довкола провідників зі струмом, подібно тому, як в просторі, довкола нерухомих електричних зарядів виникає електричне поле. Магнітне поле постійних магнітів також створюється електричними мікротоками, що циркулюють всередині молекул речовини (гіпотеза Ампера).

Для описання магнітного поля вводять силову характеристику поля, аналогічну вектору напруженості електричного поля. Такою характеристикою є вектор магнітної індукції - . Вектор магнітної індукції визначає сили, які діють на рухомі заряди в магнітному полі.

В якості напряму вектора прийнято направлення від південного полюсу S до північного полюсу N магнітної стрілки, яка вільну рухається в магнітному полі (як у компасі). Таким чином, за допомогою такої стрілки, досліджуючи магнітне поле створене струмом чи постійним магнітом, можливо з деякою точністю уявити просторову структуру магнітного поля.

Лінії магнітної індукції завжди замкнені. Це означає, що магнітне поле не має магнітних зарядів. Силові поля, що наділені такими властивостями, називають вихровими.

37. Магнітна проникність — характеристика магнітних властивостей матеріалу, в якому магнітна індукція лінійно залежить від напруженості магнітного поля. Найчастіше позначається грецькою літерою . Термін запропонував у вересні 1885 року Олівер Хевісайд.

В системі СІ магнітна проникність є безрозмірною величиною. В порожнечі магнітна проникність має значення - магнітна константа або "магнітна проникність вільного простору", і має точне (визначене)^[1] значення

Н·A^-2.

За магнітною проникністю і характером взаємодій з магнітним полем магнетики поділяють на діамагнетики,парамагнетики і феромагнетики. Речовини, у яких m < 1, називають діамагнетиками. До діамагнетиків належить більшість газів (крім кисню), вода, вісмут, цинк, свинець, мідь, срібло, золото, сірка, віск, алмаз, багато органічних сполук. Якщо зовнішнього магнітного поля немає, магнітні моменти атомів діамагнетиків дорівнюють нулю. У магнітному полі в атомах з'являється магнітний момент, напрямлений проти зовнішнього поля. Парамагнітні речовини втягуються магнітним полем; їх магнітна проникність більша за одиницю. Атоми парамагнетиків мають відмінні від нуля магнітні моменти. Парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. До парамагнетиків належать кисень, марганець, хром, платина, алюміній, вольфрам, усі лужні й лужноземельні метали. До феромагнетиків належать матеріали, які сильно взаємодіють з магнітним полем і магнітна проникність яких у певному температурному інтервалі значно більша за одиницю. Феромагнітні властивості мають тільки кристалічні тіла. У рідкому, або газоподібному стані феромагнетики стають парамагнітними. Феромагнетики мають окремі ділянки, атоми в яких мають однаково напрямлені магнітні моменти. У зовнішньому магнітному полі такі ділянки (їх називають доменами) орієнтуються однаково. Магнітна проникність феромагнетиків у слабких полях дорівнює п'ять - шість тисяч, а в сильних - зменшується до кількох сотень. Якщо їх нагрівати вище від певної температури (точка Кюрі), вони втрачають свої властивості і стають парамагнетиками. Для заліза точка Кюрі становить 770 °С, нікелю - 360 °С, пермалою (сплав 70 % і 30 % ) - всього 70 °С. Феромагнетики Особливу групу речовин, що намагнічуються, утворюють феромагнетики (рис. 3а). Такі речовини, внесені в магнітне поле, під його дією намагнічуються так, що підсилюють зовнішнє магнітне поле, тобто магнітні силові лінії зовнішнього магнітного поля В і магнітного поля речовини мають один і той же напрям. Ці речовини намагнічуються дуже сильно (рис. 36) і зберігають власне магнітне поле після припинення дії зовнішнього поля (рис. 3в). Це явище називається залишковим намагнічуванням і лежить в основі утворення штучних магнітів (наприклад, магнітних стрілок) . 

Температу́ра Кюрі́ — температура фазового переходу від феромагнетика до парамагнетика або між полярною й неполярною фазамисегнетоелектрика.

Позначається здебільшого .

Феромагнетизм зумовлений обмінною взаємодією між електронами, завдяки якій спінам електронів вигідно орієнтуватися паралельно. Проте хаотичний тепловий рух намагається розорієнтувати спіни. При низьких температурах енергії теплового руху не вистачає для подолання феромагнетизму. Таке подолання відбувається вище певної температури, яка називається температурою Кюрі.

Фазовий перехід між феромагнітним і парамагнітним станом речовини є фазовим переходом другого роду.