Каким образом освобождаются из катода электроны создающие изображение в электронно лучевой трубке телевизора
--> Заработок для студентов! -->
РАБОТА ЭКРАНОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК
Движение электронов в электронно-лучевой трубке происходит несколько иначе, чем в обычных электронных лампах. В электронных лампах поток электронов собирается на аноде, находящемся под некоторым положительным потенциалом, и через него замыкается на внешнюю цепь. В трубках же электроны собираются на экране, который вначале совершенно не имеет потенциала, а приобретает его в процессе работы. В дальнейшем электроны (уже ни вторичные) все же поступают на ускоряющий анод и через него во внешнюю цепь.
Электроны, излучаемые катодом электронно-лучевой трубки (рис. 18), вылетают за пределы управляющего электрода УЭ под действием ускоряющего электростатического поля. Часть электронов луча, имеющих большие углы с осью трубки, задерживается диафрагмами первого анода и образует ток в его цепи. Электроны же центральной части луча проходят через второй анод и с большой скоростью устремляются к экрану Э.
Рис. 18. Схематическое изображение движения электронов в трубке
Экран электронно-лучевой трубки в результате электронной бомбардировки начинает излучать вторичные электроны. Эти электроны, отталкиваясь от электронного луча, несущего отрицательный заряд, медленно движутся вдоль стенок трубки к ускоряющему аноду (который обычно заземляется), имеющему наиболее высокий потенциал. Вторичные электроны и создают ток в цепи второго анода, возвращаясь к катоду по цепям питания. В процессе работы быстро наступает динамическое равновесие между поступающими на экран и уходящими с него электронами. Между экраном и ускоряющим анодом устанавливается такая разность потенциалов (экран обычно имеет потенциал на несколько вольт ниже потенциала анода), при которой на анод приходит столько же вторичных электронов, сколько на экран первичных. Точка на экране, в которой происходит вторичная эмиссия, светится, и благодаря этому местонахождение электронов на экране становится видимым. Оно имеет вид светящегося пятна, диаметр которого соответствует диаметру электронного луча.
Электроны луча, движущиеся от катода к экрану, обладают некоторым запасом кинетической энергии Е, который можно определить по формуле:
, (15)
где Е – кинетическая энергия в э-в;
m – масса электронов в г;
v – скорость электронов в см/сек;
е – заряд электрона в абсолютных электростатических единицах;
U – разность потенциалов, проходимая электроном в ускоряющем поле, в в;
– ¬коэффициент перехода от электростатических единиц к практическим;
Ускоренный и сфокусированный электронный луч, ударяясь о флуоресцирующий экран электронно-лучевой трубки, отдает ему свой запас кинетической энергии. Некоторая часть ее (5 – 10 %) переходит в видимое излучение, а большая часть (90 – 95 %) – в тепло и идет на вырывание вторичных электронов. При неудачной конструкции трубки это может приводить к значительному нагреву экрана. Высокая температура экрана сильно снижает его люминесцентную способность и в области 250° – 450° полностью тушит люминесценцию.
Свободные вторичные электроны имеют существенное значение в работе экрана – они определяют потенциал экрана по отношению к катоду. Материал экранов электронно-лучевых трубок – очень плохой проводник. Удельное сопротивление большинства люминофоров лежит в пределах ом, в то время как ток в трубке может достигать 300 мка. При таком токе проводимости самого люминофора далеко недостаточно для снятия заряда с экрана. Избыточные электроны, оседая на нем, создают на экране отрицательный заряд, мешающий работе трубки. Этот отрицательный заряд и снимается при помощи вторичных электронов.
Для нормальной работы трубки число вторичных электронов ( ), покидающих слой люминофора, должно быть больше числа первичных ( ) или равно ему. Число же вторичных электронов зависит от скорости бомбардирующих электронов луча, т.е. ускоряющего напряжения. При малых ускоряющих напряжениях экран беспрепятственно заряжается электронным лучом отрицательно. Поэтому скорость бомбардирующих электронов быстро падает и, когда все первичные электроны, отталкиваемые отрицательным зарядом экрана, начнут поступать на ускоряющий электрод, минуя слой люминофора, свечение экрана совсем прекратится.
Рис. 19. Изменение динатронного коэффициента экрана
в зависимости от ускоряющего напряжения
Отношение числа вторичных электронов к числу первичных , представляющее собой динатронный коэффициент экрана, растет почти линейно с увеличением ускоряющих напряжений (участок I на рис. 19) и достигает максимального значения на участке II. С дальнейшим ростом ускоряющих напряжений число вторичных электронов уменьшается почти по линейному закону (участок III). Точка N на графике соответствует значению , равному единице. Это точка неустойчивого равновесия, так как при незначительном уменьшении ускоряющего напряжения число вторичных электронов уменьшается и экран получает отрицательный заряд. Устойчивое равновесие наступает в точке S. При уменьшении экран, заряжаясь положительно, повышает скорость первичных электронов до величины . Если же скорость первичных электронов окажется больше , то экран зарядится отрицательно и уменьшит их скорость до величины .
При ускоряющем напряжении потенциал экрана приобретает устойчивый характер. Он как бы автоматически сам себя регулирует, стремясь к потенциалу ускоряющего анода. В зависимости от плотности тока в луче потенциал экрана при напряжении может быть немного больше или меньше потенциала ускоряющего анода. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения первичные электроны начнут проникать в слой люминофора так глубоко, что количество выбиваемых вторичных электронов снизится и коэффициент станет меньше единицы. Потенциал экрана начнет отставать от потенциала второго анода.
Таким образом, при определенном для каждого люминофора значении ускоряющего напряжения потенциал экрана может достигать только некоторого определенного значения, называемого предельным потенциалом экрана. Величина его зависит от материала люминофора и состояния его поверхности. Наименьший предельный потенциал (400 в) имеет вольфрамат кальция. Предельный потенциал чистого виллемита примерно равен 6500 в, сульфида цинка – 10 000 в и т.д. Предельный потенциал стекла, применяемого для электронно-лучевых трубок, не превышает 4000 в.
Стеклянные стенки электронно-лучевой трубки во время ее работы также приобретают некоторый потенциал, примерно равный потенциалу ускоряющего анода. Ввиду небольшой разницы между потенциалами экрана и анода вторичные электроны, выбитые из экрана, несколько задерживаются около него, создавая пространственный заряд.
Вследствие этого стенки трубки заряжаются отрицательно, что неблагоприятно сказывается на фокусировке электронного луча.
Для быстрейшего устранения пространственного заряда стенки трубки около экрана иногда покрывают слоем металла или аквадага. Созданный таким образом дополнительный электрод, называемый третьим анодом или ускорителем, соединяют со вторым анодом либо подают на него повышенное напряжение, увеличивающее яркость свечения экрана. Проводящий слой третьего анода покрывает большую часть свободной поверхности стекла от экрана до второго анода. Это обеспечивает равномерность поля вблизи экрана и устраняет блуждающие заряды на стекле, которые мешают управлению лучом. Использование слоя аквадага в качестве третьего анода целесообразно еще и потому, что черный цвет его уничтожает отражения от зеркальной поверхности стекла, благодаря чему улучшается контрастность изображения на экране.
--> Заработок для студентов! -->
РАБОТА ЭКРАНОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК
Движение электронов в электронно-лучевой трубке происходит несколько иначе, чем в обычных электронных лампах. В электронных лампах поток электронов собирается на аноде, находящемся под некоторым положительным потенциалом, и через него замыкается на внешнюю цепь. В трубках же электроны собираются на экране, который вначале совершенно не имеет потенциала, а приобретает его в процессе работы. В дальнейшем электроны (уже ни вторичные) все же поступают на ускоряющий анод и через него во внешнюю цепь.
Электроны, излучаемые катодом электронно-лучевой трубки (рис. 18), вылетают за пределы управляющего электрода УЭ под действием ускоряющего электростатического поля. Часть электронов луча, имеющих большие углы с осью трубки, задерживается диафрагмами первого анода и образует ток в его цепи. Электроны же центральной части луча проходят через второй анод и с большой скоростью устремляются к экрану Э.
Рис. 18. Схематическое изображение движения электронов в трубке
Экран электронно-лучевой трубки в результате электронной бомбардировки начинает излучать вторичные электроны. Эти электроны, отталкиваясь от электронного луча, несущего отрицательный заряд, медленно движутся вдоль стенок трубки к ускоряющему аноду (который обычно заземляется), имеющему наиболее высокий потенциал. Вторичные электроны и создают ток в цепи второго анода, возвращаясь к катоду по цепям питания. В процессе работы быстро наступает динамическое равновесие между поступающими на экран и уходящими с него электронами. Между экраном и ускоряющим анодом устанавливается такая разность потенциалов (экран обычно имеет потенциал на несколько вольт ниже потенциала анода), при которой на анод приходит столько же вторичных электронов, сколько на экран первичных. Точка на экране, в которой происходит вторичная эмиссия, светится, и благодаря этому местонахождение электронов на экране становится видимым. Оно имеет вид светящегося пятна, диаметр которого соответствует диаметру электронного луча.
Электроны луча, движущиеся от катода к экрану, обладают некоторым запасом кинетической энергии Е, который можно определить по формуле:
, (15)
где Е – кинетическая энергия в э-в;
m – масса электронов в г;
v – скорость электронов в см/сек;
е – заряд электрона в абсолютных электростатических единицах;
U – разность потенциалов, проходимая электроном в ускоряющем поле, в в;
– ¬коэффициент перехода от электростатических единиц к практическим;
Ускоренный и сфокусированный электронный луч, ударяясь о флуоресцирующий экран электронно-лучевой трубки, отдает ему свой запас кинетической энергии. Некоторая часть ее (5 – 10 %) переходит в видимое излучение, а большая часть (90 – 95 %) – в тепло и идет на вырывание вторичных электронов. При неудачной конструкции трубки это может приводить к значительному нагреву экрана. Высокая температура экрана сильно снижает его люминесцентную способность и в области 250° – 450° полностью тушит люминесценцию.
Свободные вторичные электроны имеют существенное значение в работе экрана – они определяют потенциал экрана по отношению к катоду. Материал экранов электронно-лучевых трубок – очень плохой проводник. Удельное сопротивление большинства люминофоров лежит в пределах ом, в то время как ток в трубке может достигать 300 мка. При таком токе проводимости самого люминофора далеко недостаточно для снятия заряда с экрана. Избыточные электроны, оседая на нем, создают на экране отрицательный заряд, мешающий работе трубки. Этот отрицательный заряд и снимается при помощи вторичных электронов.
Для нормальной работы трубки число вторичных электронов ( ), покидающих слой люминофора, должно быть больше числа первичных ( ) или равно ему. Число же вторичных электронов зависит от скорости бомбардирующих электронов луча, т.е. ускоряющего напряжения. При малых ускоряющих напряжениях экран беспрепятственно заряжается электронным лучом отрицательно. Поэтому скорость бомбардирующих электронов быстро падает и, когда все первичные электроны, отталкиваемые отрицательным зарядом экрана, начнут поступать на ускоряющий электрод, минуя слой люминофора, свечение экрана совсем прекратится.
Рис. 19. Изменение динатронного коэффициента экрана
в зависимости от ускоряющего напряжения
Отношение числа вторичных электронов к числу первичных , представляющее собой динатронный коэффициент экрана, растет почти линейно с увеличением ускоряющих напряжений (участок I на рис. 19) и достигает максимального значения на участке II. С дальнейшим ростом ускоряющих напряжений число вторичных электронов уменьшается почти по линейному закону (участок III). Точка N на графике соответствует значению , равному единице. Это точка неустойчивого равновесия, так как при незначительном уменьшении ускоряющего напряжения число вторичных электронов уменьшается и экран получает отрицательный заряд. Устойчивое равновесие наступает в точке S. При уменьшении экран, заряжаясь положительно, повышает скорость первичных электронов до величины . Если же скорость первичных электронов окажется больше , то экран зарядится отрицательно и уменьшит их скорость до величины .
При ускоряющем напряжении потенциал экрана приобретает устойчивый характер. Он как бы автоматически сам себя регулирует, стремясь к потенциалу ускоряющего анода. В зависимости от плотности тока в луче потенциал экрана при напряжении может быть немного больше или меньше потенциала ускоряющего анода. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения первичные электроны начнут проникать в слой люминофора так глубоко, что количество выбиваемых вторичных электронов снизится и коэффициент станет меньше единицы. Потенциал экрана начнет отставать от потенциала второго анода.
Таким образом, при определенном для каждого люминофора значении ускоряющего напряжения потенциал экрана может достигать только некоторого определенного значения, называемого предельным потенциалом экрана. Величина его зависит от материала люминофора и состояния его поверхности. Наименьший предельный потенциал (400 в) имеет вольфрамат кальция. Предельный потенциал чистого виллемита примерно равен 6500 в, сульфида цинка – 10 000 в и т.д. Предельный потенциал стекла, применяемого для электронно-лучевых трубок, не превышает 4000 в.
Стеклянные стенки электронно-лучевой трубки во время ее работы также приобретают некоторый потенциал, примерно равный потенциалу ускоряющего анода. Ввиду небольшой разницы между потенциалами экрана и анода вторичные электроны, выбитые из экрана, несколько задерживаются около него, создавая пространственный заряд.
Вследствие этого стенки трубки заряжаются отрицательно, что неблагоприятно сказывается на фокусировке электронного луча.
Для быстрейшего устранения пространственного заряда стенки трубки около экрана иногда покрывают слоем металла или аквадага. Созданный таким образом дополнительный электрод, называемый третьим анодом или ускорителем, соединяют со вторым анодом либо подают на него повышенное напряжение, увеличивающее яркость свечения экрана. Проводящий слой третьего анода покрывает большую часть свободной поверхности стекла от экрана до второго анода. Это обеспечивает равномерность поля вблизи экрана и устраняет блуждающие заряды на стекле, которые мешают управлению лучом. Использование слоя аквадага в качестве третьего анода целесообразно еще и потому, что черный цвет его уничтожает отражения от зеркальной поверхности стекла, благодаря чему улучшается контрастность изображения на экране.
В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Катод изготовляют оксидным, с косвенным накалом, в виде цилиндра с подогревателем. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. Другие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются перегородки с отверстиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.
ЭЛТ С электростатическим управлением.
Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча. Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин рисунок ниже. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования, подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении. Если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса.
1- экран ЭЛТ, 2-катод, 3- модулятор, 4-первый анод, 5- второй анод, П - отклоняющие пластины.
ЭЛТ с электромагнитным управлением
В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.
Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначены только для ускорения электронного потока. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами.
Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокусирующая катушка создает магнитное поле. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0, следовательно, сила Лоренца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счет силы Лоренца траектория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изменять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных полей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара - катушки вертикального отклонения, и другая - катушки таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут взаимно перпендикулярны. Катушки имеют сложную форму и располагаются на горловине трубки.
При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой, а также позволяет изготавливать экраны больших размеров.
Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствительности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кинескопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подается положительное напряжение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного ускорения электронного потока.
Схематическое устройство кинескопа для черно-белого телевидения: 1- нить подогревателя катода; 2- катод; 3- управляющий электрод; 4- ускоряющий электрод; 5- первый анод; 6- второй анод; 7- проводящее покрытие (аквадаг); 8 и 9- катушки вертикального и горизонтального отклонения луча; 10- электронный луч; 11- экран; 12- вывод второго анода.
Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трехслойный:
1 слой - наружный слой - стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные требования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений.
2 слой - это люминофор.
3 слой - это тонкая алюминиевая пленка. Эта пленка выполняет две функции:
- Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.
- Основная функция состоит в защите люминофора от тяжелых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.
Цветные кинескопы.
Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трех цветов - красного, синего и зеленого. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.
Электропроводность полупроводников
Собственная проводимость полупроводников.
Собственным полупроводником называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой на валентной орбите которого находится четыре электрона. В полупроводниковых приборах чаще всего используются кремний Si и германий Ge.
Ниже показана электронная оболочка атома кремния. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут участвовать только четыре электрона внешней оболочки, называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов в таких процессах не участвуют.
Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть представлена следующим образом.
Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой. В химически чистом полупроводнике концентрация электронов n равна концентрации дырок p.
Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда.
Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.
Примесная проводимость проводников.
Так как у химически чистых полупроводников проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.
Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счет которой n>p, называется донорной примесью. Полупроводник, у которого n>p, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n -типа.
В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.
При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.
Примесь, при которой p>n, называется акцепторной примесью.
Полупроводник, у которого p>n, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа. В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.
Образование электронно-дырочного перехода.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела р и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет которого электроны из n-области переходят в р-область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р-n перехода - десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.
Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряженности электрического поля - на границе раздела.
Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.
Прямое и обратное включение р-n перехода.
Приложим внешнее напряжение плюсом к р-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю р-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через р-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.
Такое включение р-n перехода называется прямым, и ток через р-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении р-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на р-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем р-n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины р-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть р-n переход, и считается, что р-n переход закрыт. Оба поля - и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через р-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение р-n перехода также называется обратным.
Свойства р-n перехода. Вольтамперная характеристика р-n перехода
К основным свойствам р-n перехода относятся:
- свойство односторонней проводимости;
- температурные свойства р-n перехода;
- частотные свойства р-n перехода;
- пробой р-n перехода.
Свойство односторонней проводимости р-n перехода рассмотрим на вольтамперной характеристике.
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через р-n переход тока от величины приложенного напряжения I=f(U) – рис.29.
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что р-n переход проводит ток только в одну сторону. Температурное свойство р-n перехода показывает, как изменяется работа р-n перехода при изменении температуры. На р-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени - охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока. Частотные свойства р-n перехода показывают, как работает р-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства р-n перехода определяются двумя видами емкости перехода.
Первый вид емкости - это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью. Второй тип емкости - это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через р-n переход при прямом включении.
Если на р-n переход подавать переменное напряжение, то емкостное сопротивление р-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением р-n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и р-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.
Вывод: чем меньше величина емкости р-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р-n перехода мало.
Пробой р-n перехода.
При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении называется электрическим пробоем р-n перехода.
Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р-n перехода. Тепловой пробой необратим.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.
1) Какие частицы являются носителями электрического тока в металлах?
А. Только электроны.
Б. Электроны и протоны.
В. Электроны и положительные ионы.
Г. Положительные и отрицательные ионы.
2) Как и почему изменяется электрическое сопротивление полупроводников при увеличении температуры?
А. Уменьшается из-за увеличения скорости движения электронов.
Б. Увеличивается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
В. Уменьшается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряда.
Г. Увеличивается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряд.
3) Чистая вода является диэлектриком. Почему водный раствор соли NaCl является проводником?
А. Соль в воде распадается на заряженные ионы Na + и Cl - .
Б. После растворения соли молекулы NaCl переносят заряд
В. В растворе от молекулы NaCl отрываются электроны и переносят заряд.
Г. При взаимодействии с солью молекулы воды распадаются на ионы водорода и кислорода.
4) Каким образом освобождаются из катода электроны, создающие изображение в электронно-лучевой трубке телевизора?
А. В результате действия электрического поля между катодом и анодом.
Б. В результате электролиза.
В. В результате термоэлектронной эмиссии.
Г. В результате ионизации атомов электронным ударом.
5) Что из перечисленного ниже способно пропускать ток только в одном направлении, а, значит, служит для выпрямления переменного тока?
1. Электронная лампа. 2. Полупроводниковый диод. 3. Раствор электролита. 4. Резистор.
6) Если цилиндрическую катушку с проводом с замкнутыми концами привести в быстрое вращение вокруг оси цилиндра и затем резко остановить, то в цепи обнаруживается электрический ток. Почему?
А. Под влиянием магнитного поля Земли.
Б. В результате электростатической индукции.
В. В результате электромагнитной индукции.
Г. В результате движения электронов по инерции.
7) Какие эффекты из перечисленных ниже наблюдаются при протекании электрического тока в сверхпроводнике?
1. Нагревание проводника.
2. Медленное убывание силы тока со временем.
3. Возникновение магнитного поля.
8) Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы с донорными примесями?
А. В основном электронной.
Б. В основном дырочной.
В. В равной степени электронной и дырочной.
9) В четырехвалентный германий добавили: 1) пятивалентный фосфор, 2) трехвалентный индий.
Каким типом проводимости будет обладать полупроводник в каждом случае?
А. 1- дырочной, 2- электронной.
Б. 1- электронной, 2- дырочной.
В. В обоих случаях электронной.
Г. В обоих случаях дырочной.
Решите задачи.
1) Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампы при 20ºС равно 35,8 Ом. Какова будет температура нити лампочки, если при включении в сеть напряжением 120 В по нити идет ток 0,33 А? Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 0,0046 К -1 .
2) При получении алюминия электролизом раствора Al 2 О3 в расплавленном веществе проходил ток 20 кА при напряжении на электродах в 5 В. Найти время, в течение которого будет выделена 1 т алюминия. Какая работа была при этом совершена электрическим током? Электрохимический эквивалент алюминия 0,093 мг/Кл.
1) Какие частицы являются носителями электрического тока в электролитах?
А. Только электроны.
Б. Электроны и протоны.
В. Электроны и положительные ионы.
Г. Положительные и отрицательные ионы.
2) Как и почему изменяется электрическое сопротивление металлов при увеличении температуры?
А. Увеличивается из-за увеличения скорости движения электронов.
Б. Уменьшается из-за увеличения скорости движения электронов.
В. Увеличивается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
Г. Уменьшается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
3) Чистая вода является диэлектриком. Почему водный раствор соли CuSO 4 является проводником?
А. Соль в воде распадается на заряженные ионы Cu 2+ и SO - .
Б. После растворения соли молекулы CuSO 4 переносят заряд
В. В растворе от молекулы CuSO 4 отрываются электроны и переносят заряд.
Г. При взаимодействии с солью молекулы воды распадаются на ионы водорода и кислорода.
4) В результате какого явления освобождаются из катода электроны, создающие ток в вакуумном диоде (электронной лампе)?
А. В результате действия электрического поля между катодом и анодом.
Б. В результате электролиза.
В. В результате термоэлектронной эмиссии.
Г. В результате ионизации атомов электронным ударом.
5) В каком из ниже перечисленных устройств сила тока не зависит от полярности приложенного напряжения?
1. Электронная лампа. 2. Полупроводниковый диод. 3. Раствор электролита. 4. Резистор.
6) Если два цилиндра, один из которых медный, а другой – алюминиевый, плотно прижать друг к другу, а затем на длительное время включить в цепь, то мы не обнаружим проникновения веществ цилиндров друг в друга. Почему?
А. Электрический ток в металлах образован молекулами вещества.
Б. Электрический ток в металлах образован положительными и отрицательными ионами.
В. Электрический ток в металлах образован свободными электронами.
Г. Электрический ток в металлах образован протонами.
7) Какие эффекты из перечисленных ниже не наблюдаются при протекании электрического тока в сверхпроводнике?
1. Нагревание проводника.
2. Медленное убывание силы тока со временем.
3. Возникновение магнитного поля
8) Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы без примесей?
А. В основном электронной.
Б. В основном дырочной.
В. В равной степени электронной и дырочной.
9) В четырехвалентный кремний добавили: 1) трехвалентный индий, 2) пятивалентный фосфор.
Каким типом проводимости будет обладать полупроводник в каждом случае?
А. 1- дырочной, 2- электронной.
Б. 1- электронной, 2- дырочной.
В. В обоих случаях электронной.
Г. В обоих случаях дырочной.
Решите задачи.
1) Реостат из железной проволоки включен в цепь постоянного тока. Сопротивление реостата при 0ºС равно 120 Ом. Сила тока в цепи составляла 22 мА. Какой станет сила тока в цепи, если реостат нагреется на 50º С? Температурный коэффициент сопротивления железа 6·10 -3 К -1 ?
2) Медная пластинка общей площадью 25 см 2 служит катодом при электролизе медного купороса ( CuSO 4 ). После пропускания в течение некоторого времени тока, силой 0,5 А масса пластинки увеличилась на 99 мг. Найти: а) сколько времени пропускался ток. б) какой толщины образовался слой меди на пластинке. Электрохимический эквивалент меди 0,33 мг/Кл. Плотность меди 8900 кг/м 3 .
1) Какие частицы являются носителями электрического тока в металлах?
А. Только электроны.
Б. Электроны и протоны.
В. Электроны и положительные ионы.
Г. Положительные и отрицательные ионы.
2) Как и почему изменяется электрическое сопротивление полупроводников при увеличении температуры?
А. Уменьшается из-за увеличения скорости движения электронов.
Б. Увеличивается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
В. Уменьшается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряда.
Г. Увеличивается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряд.
3) Чистая вода является диэлектриком. Почему водный раствор соли NaCl является проводником?
А. Соль в воде распадается на заряженные ионы Na + и Cl - .
Б. После растворения соли молекулы NaCl переносят заряд
В. В растворе от молекулы NaCl отрываются электроны и переносят заряд.
Г. При взаимодействии с солью молекулы воды распадаются на ионы водорода и кислорода.
4) Каким образом освобождаются из катода электроны, создающие изображение в электронно-лучевой трубке телевизора?
А. В результате действия электрического поля между катодом и анодом.
Б. В результате электролиза.
В. В результате термоэлектронной эмиссии.
Г. В результате ионизации атомов электронным ударом.
5) Что из перечисленного ниже способно пропускать ток только в одном направлении, а, значит, служит для выпрямления переменного тока?
1. Электронная лампа. 2. Полупроводниковый диод. 3. Раствор электролита. 4. Резистор.
6) Если цилиндрическую катушку с проводом с замкнутыми концами привести в быстрое вращение вокруг оси цилиндра и затем резко остановить, то в цепи обнаруживается электрический ток. Почему?
А. Под влиянием магнитного поля Земли.
Б. В результате электростатической индукции.
В. В результате электромагнитной индукции.
Г. В результате движения электронов по инерции.
7) Какие эффекты из перечисленных ниже наблюдаются при протекании электрического тока в сверхпроводнике?
1. Нагревание проводника.
2. Медленное убывание силы тока со временем.
3. Возникновение магнитного поля.
8) Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы с донорными примесями?
А. В основном электронной.
Б. В основном дырочной.
В. В равной степени электронной и дырочной.
9) В четырехвалентный германий добавили: 1) пятивалентный фосфор, 2) трехвалентный индий.
Каким типом проводимости будет обладать полупроводник в каждом случае?
А. 1- дырочной, 2- электронной.
Б. 1- электронной, 2- дырочной.
В. В обоих случаях электронной.
Г. В обоих случаях дырочной.
Решите задачи.
1) Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампы при 20ºС равно 35,8 Ом. Какова будет температура нити лампочки, если при включении в сеть напряжением 120 В по нити идет ток 0,33 А? Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 0,0046 К -1 .
2) При получении алюминия электролизом раствора Al 2 О3 в расплавленном веществе проходил ток 20 кА при напряжении на электродах в 5 В. Найти время, в течение которого будет выделена 1 т алюминия. Какая работа была при этом совершена электрическим током? Электрохимический эквивалент алюминия 0,093 мг/Кл.
1) Какие частицы являются носителями электрического тока в электролитах?
А. Только электроны.
Б. Электроны и протоны.
В. Электроны и положительные ионы.
Г. Положительные и отрицательные ионы.
2) Как и почему изменяется электрическое сопротивление металлов при увеличении температуры?
А. Увеличивается из-за увеличения скорости движения электронов.
Б. Уменьшается из-за увеличения скорости движения электронов.
В. Увеличивается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
Г. Уменьшается из-за увеличения амплитуды колебаний положительных ионов кристаллической решетки.
3) Чистая вода является диэлектриком. Почему водный раствор соли CuSO 4 является проводником?
А. Соль в воде распадается на заряженные ионы Cu 2+ и SO - .
Б. После растворения соли молекулы CuSO 4 переносят заряд
В. В растворе от молекулы CuSO 4 отрываются электроны и переносят заряд.
Г. При взаимодействии с солью молекулы воды распадаются на ионы водорода и кислорода.
4) В результате какого явления освобождаются из катода электроны, создающие ток в вакуумном диоде (электронной лампе)?
А. В результате действия электрического поля между катодом и анодом.
Б. В результате электролиза.
В. В результате термоэлектронной эмиссии.
Г. В результате ионизации атомов электронным ударом.
5) В каком из ниже перечисленных устройств сила тока не зависит от полярности приложенного напряжения?
1. Электронная лампа. 2. Полупроводниковый диод. 3. Раствор электролита. 4. Резистор.
6) Если два цилиндра, один из которых медный, а другой – алюминиевый, плотно прижать друг к другу, а затем на длительное время включить в цепь, то мы не обнаружим проникновения веществ цилиндров друг в друга. Почему?
А. Электрический ток в металлах образован молекулами вещества.
Б. Электрический ток в металлах образован положительными и отрицательными ионами.
В. Электрический ток в металлах образован свободными электронами.
Г. Электрический ток в металлах образован протонами.
7) Какие эффекты из перечисленных ниже не наблюдаются при протекании электрического тока в сверхпроводнике?
1. Нагревание проводника.
2. Медленное убывание силы тока со временем.
3. Возникновение магнитного поля
8) Каким типом проводимости обладают полупроводниковые материалы без примесей?
А. В основном электронной.
Б. В основном дырочной.
В. В равной степени электронной и дырочной.
9) В четырехвалентный кремний добавили: 1) трехвалентный индий, 2) пятивалентный фосфор.
Каким типом проводимости будет обладать полупроводник в каждом случае?
А. 1- дырочной, 2- электронной.
Б. 1- электронной, 2- дырочной.
В. В обоих случаях электронной.
Г. В обоих случаях дырочной.
Решите задачи.
1) Реостат из железной проволоки включен в цепь постоянного тока. Сопротивление реостата при 0ºС равно 120 Ом. Сила тока в цепи составляла 22 мА. Какой станет сила тока в цепи, если реостат нагреется на 50º С? Температурный коэффициент сопротивления железа 6·10 -3 К -1 ?
2) Медная пластинка общей площадью 25 см 2 служит катодом при электролизе медного купороса ( CuSO 4 ). После пропускания в течение некоторого времени тока, силой 0,5 А масса пластинки увеличилась на 99 мг. Найти: а) сколько времени пропускался ток. б) какой толщины образовался слой меди на пластинке. Электрохимический эквивалент меди 0,33 мг/Кл. Плотность меди 8900 кг/м 3 .
Читайте также: