Landsberg-1985-T2

нике, автоматике и ряде других отраслей техники, содер­ жат, помимо накаленного катода (источника электронов)

исобирающего эти электроны анода, еще третий дополни­ тельный электрод в виде сетки, помещаемой между катодом

ианодом. Обычно сетка бывает с очень крупными ячей­

ками; например, ее делают в виде редкой спирали (рис. 178). Основная идея, на которой основано применение таких

ламп, заключается в следующем. Включим лампу в цепь батареи Ба' как показано на рис, 179, и будем накалив(lТЬ катод с помощью всrю~югательной батареи Б н (батареll

		la
Б;;-	I	~
'tit· ~~~,,~fт					l!;,
		50	ба
					"'
Рис. 179. Напряжение ~jежду
				Рис. 180. Волыамперная
катодом	и	сеткой	изменяет	характеристика	трехэлект­
си.1У		анодного	тока	родной	лампы

накала). Включенный в цепь измерительный прибор пока­

жет, что в цепи идет анодный ток I a• Подключим теперь к катоду лампы и сетке еще одну батарею Бе, напряжение

которой можем произвольно менять, и будем с ее помощью

изменять разность потенциалов ие между катодом и сет­

кой. Albl увидим, что при этом изменяется и сила анодного

тока. Таким образом, мы получаем вОЗ.можность управлять

током в анодной цепи лампы, изменяя разность потенциа­

лов ,иеждуее катодом и сеткой. В этом и заключается важ­

нейшая особенность электронных ламп.

Кривая, изображающая зависимость анодного тока лампы 1. от ее сеточного напряжения ио носит название

вольтамперной характеристики лампы. Типичная харак­

теристика трехэлектродной лампы показана на рис. 180. Как ВI!ДfЮ из этого рисунка, когда сетка находится при

положительном потенциале по отношщ!Ию К катоду, т. е.

соединена с положительным полюсом батареи, то увели­ чение сеточного напряжения ис приводит к увеличению

анодного тока до тех пор, пока этот ток не достигнет на­

сыщения. Если же мы сделаем сетку отрицательной по

отношению к катоду, то при увеличении абсолютного зна­

чения сеточного напряжения анодный ток будет падать,

234

пока при некотором отрицательном потенциале на сетке

лампа не окажется запертой, т. е. ток в анодной цепи не обратится в нуль.

HetpYAHo понять причину этих явлений. Когда сетка

заряжена положительно относительно катода, она притя­

гивает к себе электроны из облака объемного заряда вблизи

катода; при этом значительная часть электронов проле­

тает между витками сетки и попадает на анод, усиливая

анодный ток. Таким образом, способствуя рассасыванию объемного заряда, nоложителыiO заряженная сетка уве­ личивает анодный ток. Наоборот, отрицательно заряжен­ ная сетка У,ttеньшает анодный то", потому что отбрасывает назад электроны, т. е. увеличивает объемный заряд вблизи катода. Так как сетка расположена гораздо ближе к ка­

тоду, чем анод, то уже малые изменения разности потен­

циалов между ней и катодом очень сильно отражаются на

объемном заряде и сильно влияют на силу анодного тока.

В обычных электронных лампах изменение сеточного на­ пряжения на 1 В меняет анодный ток на несколько милли­ ампер. Для того чтобы достичь такого же изменения тока

путе:v! изменения анодного напряжения, это напряжение

нужно бьшо бы изменить гораздо больше - на нескольн:о

десятков вольт.

Одним из важнейших применений электронных ламп является при­

менение их в качестве усилителей слабых токов и напряжений. Пояс­

ним на простом примере, как это осуществляется. Представим себе, что

	между сеткой и		катодом	лампы			{1
	включен резистор		с очень	боль-			}---'~--"'"
	шим сопротивлением Re , скажем
	1 МОм	(рис. 181). Праходящий					Рнl1гр	l4arp
	. через это сопротивление очень
	слабый ток i, скажем 1 мкА, со­
	здаст на этом сопротивлении по
	закону Ома напряжение ие= iR c.
	В нашем примере это напряже­
	ние равно 1 В. Но при таком из­				Рис. 181.	Схема	включения	трех­
	менении	сеточного напряжения
					электродной лампы к"к усилителя
	анодный ток меняется на 2-3 мА.

Стало быть, изменение тока через	тока и напряжения
сеточное сопротивление на 1 мкА

вызывает изменение анодного тока, в несколько тысяч раз большее. Мы усиливаем, таким образом, первоначальный очень слабый ток в несколь­ ко тысяч раз, доставляя необходимую энергию за счет анодной батареи.

ЕСШI в анодную цепь мы включим некоторое «нагрузочное» сопро­

тивление R Harp , скажем 10		кОм, то изменение анодного тока на 2-
-3 мА вызовет	приращение напряжения на этом сопротивлении
20-30 В. Иными	словами,	изменение сеточного напряжения на 1 В

изменяет напряжение между точками а и Ь «нагрузочного» сопротивле­ ния на 20-30 В. мы осуществили таким образом усиление первона­

чального очень малого напряжения.

235

Лампы с тремя электродами - катодом, анодом и

сеткой,- подобные изображенной на рис. 178, носят на­

звание триодов. В современной технике широко применя­ ются и более сложные лампы с двумя, тремя и большим числом сеток. Промышленность выпускает в настоящее

время для разных целей много десятков типов ламп самых

разных размеров, начиная от так называемых «пальчико­

вых» ламп толщиной с мизинец и длиной несколько сан­

тиметров и кончая лампами выше человеческого роста.

В малых Jlампах, употребляющихся, например, в радио­ приемниках, анодный ток равен нескольким миллиампе­

рам, в мощных лампах он достигает многих десятков ампер.

?]06.1. Почему катод электронной лампы быстро разрушается,

•если лампа плохо откачана и в ней есть небольшое количество газа?

§107. Электроннолучевая трубка. Этот важный прибор (рис. 182) по внешнему виду и устройству очень похож па ту

трубку, с помощью которой мы изучали действие элект­

рического и магнитного полей на катодные лучи (рис. 172).

Экран

Рис. 182. Схема устройства электроннолучевой трубки

Существенное отличие заключается лишь в том, что раньше

мы имели в трубке холодный катод, испускавший элеI<Т­ роны в результате ионной бомбардировки. Теперь же

источником электронов является помещенная в узком

конце трубки электронная пушка, состоящая из накален­

ного катода 1, эмиттирующего электроны, и анода 2, име­

ющего вид диска с небольшим отверстием диаметра 1- 3 мм. Между катодом и анодом создают разность потенциа­

лов от нескольких сот до нескольких тысяч вольт, так что в пространстве между катодом и анодом существует

сильное электрическое поле, разгоняющее вылетающие

из катода электроны до очень большой скорости. Катод

находится внутри металлического цилиндра, на который

также подается положительное (относительно катода) на­

пряжение, несколько меньшее, чем напряжение на аноде.

236

Благодаря совместному действию этого цилиндра и анода почти все электроны собираются (фокусируются) на ОТ­

верстии анода и выходят из него в виде тонкого пучка -

электронного луча. В том месте, где этот пучок ударяется

об экран - покрытое светящимся составом дно колбы,­

возникает яркая светящаяся точка.

На своем пути к экрану электронный луч проходит

между двумя парами металлических пластин 3 и 4. Если

подать некоторое напряжение на первую пару пластин. то

поле конденсатора 3 будет отклонять пролетающие через

него электроны в сторону положительно заряженной

пластины, и светлое пятно на экране сместится по гори­

зонтали влево или вправо. Точно так же, если напряжение будет подано на вторую пару пластин 4, то луч отклонится

в сторону положительной пластины и светящаяся точка

на экране сместится по вертикали вверх или вниз.

Таким образом, по смещению светлой точки на экране

мы можем судить'О напряжении, наложенном на соответ­

ствующие отклоняющие пластины. Наиболее важно при

этом то, что вследствие ничтожно малой инерции элект­ ронов электронный луч чрезвычайно быстро реагирует

на ВСЯlюе изменение напряжения на пластинах. Поэтому с помощью электроннолучевой трубки можно следить за процессами, в которых происходят чрезвычайно быстрые изменения электрических напряжений и токов. Особенно

часто такого рода задачи возникают в радиотехнике, где

приходится иметь дело с токами и напряжениями, меня­

ющимися много миллионов (и даже десятков миллионов)

раз в секунду.

Эдектроннолучевая трубка, снабженная соответствую­

щими приспособлениями для изучения таких быстропере­

менных токов и напряжений, образует прибор, который получил название электРОННОЛУЧl!вого (или катодного) ос­ циллографа. Этот прибор является одним из важнейших

средств исследования не только в радиотехнике, но и в

целом ряде других отраслей науки и техники. С каждым

годом он все шире внедряется в практику работы исследо­

вательских и заводских лабораторий.'

Другой чрезвычайно важной областью применения электроннолучевых трубок является телевидение. Элект­ роннолучевая трубка является необходимой и важнейшей частью телевизора *). Накладывая на пластины соответ-

*) в ТeJIевизорах обычно применяют трубки не с электрическим, а с

магнитным управлением электронным лучом. (Примеч. ред.)

237

ствующее напряжение, заставляют луч с большой скоро­

стью заштриховывать весь экран рядом параллельных

линий (строк). Если бы при этом яркость светящейся

точки, определяемая кинетической энергией электронов, оставалась все время постоянной, то мы увидели бы весь экран равномерно светящимся. Но приходящие к прием­

нику телевизора сигналы, посылаемые передающей теле­

визионной станцией, то увеличивают, то уменьшают ус­

коряющее электроны напряжение в соответствии с ярко­

стью той или иной точки передаваемого изображения.

Поэтому и светящиеся точки на экране получаются то

более, то менее яркими, и их совокупность, воспринима­

емая нашим глазом, воспроизводит передаваемое IIзобра­

жение.

? 107.1. Электронная пушка, применяемая в те.1евизионных труб-

• ках ддя получения катодных лучей, состоит из HaKa,T~HHOГO като·

да и раСilОJJ,оженного вблизи него анода с цеНТР2.1ЬНЫМ отверсти­ ем, 'терез которое пролетает поток электронов. Как изменит·

ся скорость электронов, еслИ напряжение между катодом и ано­

дом изменится от 700 до 1000 В? Какова		будет эта скорость
в обоих	случаях? Заряд электрона равен	1,60 ·10-19 Кл, его
масса -	0,91·10-30 кг.
107.2. В	откачанной трубке движется пучок электронов, вылетев·

ших из э.1СКТРОННОЙ пушки, напряжение в которой между катоДОМ

и анодом равно 800 В. Непосредственно перед свеТЯЩИ~1СН экра­

ноы, на который попадаю-:- электроны, расположен плоский кон­

денсатор, вдоль оси которого, посредине между пmiстинами, про­

летают электроны. Длина пластин конденсатора равна 8 см, рас­ стояние между пластинам!! равно 2 C:vl, напряжение на плаСТI~llах

равно 50 В. Насколько сместится след электронов на экране 11 с

какую сторону? Ес.ли в трубке присутствуют ИОНЫ водорода (мо­ лекулярного), однократно заряженные, как Положительные, T<JK и отрицательные, то как они будут вести себя в этих условиях? Нас\шлько и в какую сторону сместятся их <АIеды на ЭI{ране? ЗаДiJЧУ решите сначала I! общем виде.

r л а в а IX. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ПОЛУПРОВОДНИКИ

§ 108. Природа элентрического тока в полупроводниках.

В § 2 мы говорили уже о том, что подавляющее большин­

ство веществ не принадлежит ни к числу таких хороших

диэлектриков, как янтарь, кварц или фарфор, ни к числу

таких хороших проводников тока, как металлы, а занимает

промежуточное положение между теми и другими. Их

называют полупроводниками. Удельные проводимости раз­

личных тел могут иметь очень сильно отличающиеся зна­

чения. Хорошие диэлектрики имеют ничтожную проводи­

мость: от 10-& до 10-~a См/м; проводимость металлов, на­

оборот, очень велика: от 106 до 108 См/м (табл. 2). Полу­

проводники по своей проводимости лежат в интервале меж­ ду этими крайними пределами.

Особый научный и технический интерес представляют

так называемые электронные полупроводники. Как и в

металлах, прохождение электрического тока чер~з такие полупроводники не вызыва~т никаких химических изме­

нений в них; следовательно, мы должны сделать вывод, что и в них свободными носителями заряда являются электроны, а не ионы. Иными словами, проводимость этих

полупроводников, как и металлов, является электронной. Однако уже огромное КОЛИЧ'ественное различие между

удельными проводимостями указывает на то, что Сущест­

вуют весьма глубокие качественные различия в условиях

прохождения электрического тока через металлы и через

полупроводники. Ряд других особенностей в электриче­ ских свойствах полупроводников также указывает на

существенные различия между механизмом проводимости

металлов и полупроводников.

Удельная проводимость (J есть ток, проходящий через единичное сечение под действием электрического поля,

напряженность которого равна 1 В/м. Ток этот будет тем

больше, чем больше скорость и, приобретаемая 'в этом поле

носителями зарядов, и чем больше концентрация аосите-

2З~

лей зарядов n, Т. е. число их в единице объема. В жидких

итвердых телах и неразреженных газах вследствие «тре­

ния», испытываемого движущимися зарядами, скорость

их пропорциональна напряженности поля. В этих случаях

скорость и, соответствующую напряженности поля 1 В/м,

IIазывают подвижностью заряда.

Если заряды движутся вдоль поля	со скоростью и,
то в единицу времени через единичное	сечение пройдут

все заряды, находящпеся на расстоянии и или меньшем

от этого сечения (рис. 183). Заряды эти заполняют объем и [м3 ], и число их равно nи. Пере-

носимый ими через единичное

сечение в единицу времени з,а­

ряд равен nиq, где q - заряд

носителя тока. Следовательно,

(J = nuq.

(108.1)

Рис. 183. К ВЫВОДУ соотно-

шения a=nuq Различие в проводимости

металлов и полупроводников

связано с огромным различием в концентрации .носителеЙ

тока. Измерения показали, что в 1 м3 металлов имеется

1028_1020 электронов, т. е. на каждый атом металла прихо­ дится примерно по одному свободному электрону. В полу­

проводниках же концентрация электронов проводимости

во много тысяч п даже миллионов раз меньше.

Следующее важное различие в электрических свой­

ствах металлов и полупроводников заключается в харак­

тере зависимости проводимости этих веществ от темпера­

турь!. Мы знаем (§ 48), что при повышении температуры

сопротивление металлов растет, т. е. проводимость IIХ

уменьшается, проводимость же полупроводников при по­

вышении температуры растет. Подвижность электронов

вметаллах уменьшается при нагревании, а в полупровод­

никах она, в зависимости от того, какой температурный

интервал рассматривается, может как уменьшаться, так и

возрастать с температурой.

Тот факт, что в полупроводниках, несмотря на умень­

шение подвижности, проводимость при повышении тем­

пературы растет, свидетельствует о том, что при повышении

температуры в полупроводниках происходит очень быст­ рое возрастание числа свободных электронов, и влияние

этого фактора пересиливает влияние уменьшения подвиж­

ности. При очень низкой температуре (вблизи О К) в по­ лупроводниках имеется ничтожно малое число свободных

электронов, и поэтому они являются почти совершенными

240

диэлектриками; проводимость их чрезвычайно низка. С воз­

растанием температуры число свободных электронов резко

возрастает, и при достаточно высокой температуре полу­ проводники могут иметь проводимость, приближающуюся

кпроводимости металлов.

Эта сильная зависимость числа свободных электронов

от температуры является самой характерной особенностью

полупроводников, резко отличающей их от металлов, в

которых число свободных электронов от температуры не

зависит. Она указывает на то, что в полупроводниках, для

того чтобы перевести электрон из «связанного» состояния,

Вкотором он не может переходить от атома к атому, в

«свободное» состояние, в котором он легко перемещается по телу, необходимо сообщить этому электрону некоторый

запас энергии w. Эта величина W, называемая энергией

ионизации, для разных веществ различна, но в общем

имеет значения от нескольких десятых электронвольта

до нескольких электронвольт. При обычных температу­

рах средняя энергия теплового движения много меньше

этой величины, но, как мы знаем (см. том 1), некоторые

частицы (в частности, некоторые электроны) имеют ско­ рости и энергии значительно большие, чем среднее зна­

чение. Определенная, очень небольшая доля электронов

имеет достаточный запас энергии, чтобы перейти из «свя­ занного» состояния в «свободное». Эти электроны и обус­

ловливают возможность прохождения электрического тока

через полупроводник даже при комнатной температуре. С повышением температуры число свободных электро­

нов очень быстро возрастает. Так, например, если энер­

гия, необходимая для освобождения электрона, W = 1 эВ,

то при комнатной температуре примерно только один

электрон на 1013 атомов будет иметь запас тепловой энер­ гии, достаточный для его освобождения. Концентрация свободных электронов будет очень мала (около 1016 м-3),

но все же достаточна для создания измеримых электриче­

ских токов. Но если мы понизим температуру до -80 ос,

то число свободных электронов уменьшится приблизи­

тельно в 500 миллионов раз, и тело практически будет

представлять собой диэлектрик. Напротив, при повышении

температуры до 200 ос число свободных электронов воз­

растет в 20 тысяч раз, а при повышении температуры до

800 ос - в 500 миллионов раз. Проводимость тела при

этом будет быстро возрастать, несмотря на противодей­

ствующее этому возрастанию уменьшение подвижности

свободных электронов.

241

Таким образом, основное и принципиальное различие

между полупроводниками и металлами заключается в том,

что в полупроводниках, для того чтобы перевести электрон из С8язаННDг,о состояния 8 свободное, нужно сообщuть eAIY неlиторую добавочную энергию, а в металлах уже при самой низкой температуре имеется большое число свобод­ ных электронов. Силы молекулярного взаимодействия в

металлах сами по себе оказываются достаточными	для
того, чтобы освободить часть электронов.	.

Очень быстрое возрастание числа свободных электронов в полу­

проводниках при повышении их температуры приводит к тому, что из­

менение сопротивления полупроводников с температурой в 10-20 раз больше, чем у металлов. Сопротивление металлов п:>меняется в среднем

Ila 0,3 % при изменении температуры на 1 ОС; У полупроводников же по­

вышение	температуры	на 1 ос может	изменить	проводимость на 3-
-5 %, а	повышение	температуры на	100 ос -	в 50 раз.

Полупроводники, приспособленные для использования их очень большого температурного коэффициента сопротивления, получили в

технике название термосоnротuвленuй (или термисторов). Терыосопро­

тивления находят много очень важных и все расширяющихся приме­

нений в самых разнообразных областях техники: для автоматики и те­

лемеханики, а также в качестве очень точных и чувствительных термо­

метров.

Термометры сопротивления, или, как их называют, болометры *), примснялись в лабораторной практике уже давно, но ранt,ше они из­ готовлялись из металлов, и это было связано с рядом трудностей, огра­

ничивавших область их применения. Болометры приходилось делать из

ДЛИННОЙ ТОНКОЙ проволоки, чтобы общее их сопротивление было доста­

точно велико по сравнению с сопротивлением подводящих правадов.

Кроме того, изменение сопротивления метаЛJIОВ очень мало, и измерение

температуры с помощью метаЛJIИЧеских болометров требовало чрезвы­

ч·аЙно точного измерения сопротивлений. or этих недостатков свобод­

ны ПОJIупроводниковые болометры, или термосопротивления. Их удель­

ное сопротивление настолько велико, что БОJIометр может иметь размеры в несколько миллиметров или даже несколько десятых долей миллимет­ ра. При таких малых размерах термосопротивление чрезвычайно быстро принимает температуру окружающей среды, что позволяет измерять температуру неБОЛЬШИJ( предметов (напр,имер, листьев растений или отдельных участков чедовеч_еской кожи).

Чувствительность современных термосопротивлений настолько ве­

лика, что с их помощью можно обнаруживать и измерять изменения тем­

пературы на одну МlIЛ.lIИОННУЮ долю. кельвина. Это дало возможность

применять их в современных приборах для измерения интенсивности

очень слабого и:муqеЩlЯ вместо термостодбllКОВ (§ 85).

В тех случаях, которые мы рассматривали выше, до­

бавочная энергия, необходимая для освобождения элект­ рона, сообщалась ему за счет теплового движения, т. е.

*) Болометром называется ПРllбор для измереIlИЯ мощности потока

ИЗJlучения, децствие которого основано на изменении эдектрического

сопротивления чувствительного эдемента при его нагревании. (ПРUl>tеч.

ред.)

242

за счет запаса внутренней энергии тела. Но эта энеРГIJЯ

может передаваться электронам и при поглощении телом

световой энерГИIl. Сопротивление таких полупроводников при действии на них света значительно уменьшается. Это

явлсние получило название фоmОnР080дuмосmu или внут­

реннего фотоэ.1ектричес;кого эффекта *). Приборы, ос­

нованные на этом явлснии, в последнее время все шире

используются в техникс для целей сигнализации и авто­

матики.

N~bI пиде.1И, что в полупроводниках лишь очень неболь­ шая доля всех электронов находится в свободном состоя­ Н!lИ И участпует в создании электрического тока. Но не следует думать, будто постоянно одни И те же электроны

находятся в свободном состоянии, а все остальные - в связашIOМ. Напротив, в полупроводнике все время идут

два противоположных процесса. С одной стороны, идет

процесс освобождения электронов за счет внутренней или

световой энсргии; с другой стороны, идет процесс захвата освобожденных электронов, т. е. воссоединения их с те!'.!

или ины:'>! из оставшихся в полупроводнике ионов - ато­

мов, потерявших свой электрон. В среднем каждый осво­ божденный электрон остаеТСЯ свободным лишь очень ко­ роткос ВРС;vlЯ - от 10-З дО 10-8 С (от одной тысячной до

одной стомиллионной секунды). Постоянно некоторая доля элек,ронов оказывается свободной, но состав этих

свободных электронов все время ИЗ!\1еняется: одни элект­ роны lIереходят из связанного состояния в свободное,

другие - из свободного в связанное. Равновесие :Vlежду

связанны:v1И и спободными электрона!v1И является подвиж­

ным, или ДИНЮ1ИчеСКI!М.

§ 109. Движение электронов в полупроводниках. Полупровод­

ники с электронной и ДЫРОЧНОЙ проводимостью. В преды­

дущем параграфе мы видсли, что В полупроводниках, как

и в :Vlеталлах, электрический ток осуществляется движением

электронов. Однако условия и характер движения элект­

ронов в полупроводниках отличаются существенными

особеннсстями, и это обусловливает своеобразные элект­

рические свойства полупроводников.

*) Слово <;внутренний» в этом назваНIJИ подчеркивает тот факт, что

освобождаемые светом электршJЫ JJe ЕылеТiJlОТ за границы тела, как в

явлении испускания электронов ОСLещеllНЫМ металлом, которое назы­

вают «внешним» фотоэл('ктрическиы эффек-гом (§ 9), а остаются внутри

тела и только измеШIЮТ его ПРОЕОДИМОСТЬ.

243