Контрольные вопросы к разделу 13

1. Каков содержательный смысл понятия "вектор Пойнтинга"?

2. Чему равна скорость распространения электромагнитной волны в пространстве? В чем Вы видите разницу фазовой и групповой скорости?

3. Какими причинами вызвано различие условий распространения электромагнитных волн разных диапазонов?

4. Какие физические причины вызывают искривление траекторий распространения радиоволн?

5. Какова дальность связи с использованием радиоволн разных диапазонов? Какие факторы влияют на дальность связи?

6. Почему в ночное время возрастает дальность распространения радиоволн КВ диапазона?

7. Перечислите основные характеристики антенных систем и дайте определения этим характеристикам.

8. Перечислите основные типы элементарных антенн и укажите возможные области применения антенн каждого типа.

9. За счет каких физических причин антенные решетки могут обеспечивать сужение ДНА по сравнению с направленностью антенн, составляющих решетку?

Как управлять положением ДНА решеток?

10. Какие Вам известны линий передачи СВЧ сигналов?

11. Какие погонные параметры характеризуют линию передачи СВЧ? Чем определяются погонные параметры?

12. Какие волны существуют в линии передачи? Чем характеризуются эти волны, и в каких направлениях они распространяются?

13. В чем причина образования максимумов и минимумов напряжения и тока в линии?

14. Назовите три режима работы линии. Какие нагрузки линии обеспечивают тот или иной режим?

15. Что такое КПД линии и от чего он зависит?

16. Изобразите эквивалентную электрическую схему элемента линии длиной dl.

17. Каково входное сопротивление отрезка короткозамкнутой линии длиной без потерь? С потерями?

14. Элементная база современной радиоэлектроники

14.1. Физические основы электроники

Все современные радиотехнические системы и устройства выполняются на основе электронных приборов. Электронные приборы - основные компоненты радиоустройств, служащие для усиления и преобразования электрических сигналов, а также для генерации электрических колебаний. Работа электронных приборов основана на взаимодействии упорядоченного потока носителей электрического заряда с электрическими и магнитными полями. Тип носителей заряда и особенности среды, в которой они движутся, могут служить основой классификации всего многообразия электронных приборов. В электровакуумных приборах ток (перенос заряда) осуществляется в разреженной среде электронами, испускаемыми за счет термоэмиссии с поверхности нагретого катода. В газоразрядных приборах носителями заряда, кроме электронов, служат ионизированные атомы газа, заполняющего изолированный от атмосферы баллон. В полупроводниковых приборах носителями заряда являются электроны, которые движутся в объеме твердого тела, выполненного из материалов с определенными электрическими свойствами.

В настоящее время электровакуумные и газоразрядные приборы еще не вышли полностью из употребления, но в значительной степени уступили свои позиции полупроводниковым приборам. Понять принципы преобразований сигналов в устройствах, выполненных на полупроводниковых приборах, невозможно, не изучив свойства и принципы работы этих приборов, а также конструктивные и технологические приемы их изготовления.

Полупроводники - элементы четвертой группы таблицы Менделеева. Типичные представители этих элементов - германий Gе и кремний Si. Каждый атом германия и кремния имеет по четыре валентных электрона. В монокристаллах чистых полупроводников эти валентные электроны являются общими для соседних атомов вещества, образующих узлы кристаллической решетки.

Если в состав полупроводникового материала ввести пятивалентную примесь (например, мышьяк As,сурьмуSbи т.п.), то четыре валентных электрона свяжут каждый атом легирующей примеси в кристаллическую решетку, а один электрон останется свободным. Движение свободных (слабо связанных с атомами решетки) электронов обусловливает проводимость легированного проводника так же, как наличие "электронного газа" обусловливает проводимость металлов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, полупроводники с этим типом проводимости называются полупроводникамиn^--типа (отnegative -отрицательный). Легирующие примеси, которые обусловливают электронный тип проводимости полупроводникового материала, называются донорами.

Другим типом проводимости обладают полупроводники, легированные элементами третьей группы периодической таблицы (индий In, бор В). У этих материалов некоторые атомы полупроводника (соседствующие в кристаллической решетке с атомами примеси) имеют одну незанятую валентную связь, т.е. приобретают возможность "захватывать" электрон у какого-то ближайшего атома. Так происходит движение валентных электронов между соседними атомами решетки монокристалла, причем каждый электрон сдвигается только на один атом - узел решетки. Вдоль кристаллов навстречу электронам как бы движется атом в специфическом ионизированном состоянии без электрона на наружной оболочке. Такое состояние соответствует положительному заряду, равному по абсолютной величине заряду электрона. Кажущееся движение атома в ионизированном состоянии вдоль кристалла подобно движению частицы. Эта положительно заряженная псевдочастица получила название дырки, а проводимость - дырочной проводимости. Полупроводники с дырочной проводимостью называются полупроводникамир+ типа (отpositive -положительный).

Если соединить два полупроводника с разным типом проводимостир⁺иn^–как на рис. 14.1,то на границе раздела возникнут процессы диффузии электронов вр⁺область и, соответственно, дырок - вnобласть.

Рис. 14.1. Равновесное состояние р-n–перехода

Переходя в полупроводник с противоположным типом проводимости, носители заряда частично рекомбинируют, образуя пространственную область с очень малой концентрацией свободных носителей (эта область подобна слою диэлектрика, помещенного между двумя слоями полупроводника). Но все равно за счет диффузии слой полупроводникаp+ типа теряет часть дырок и приобретает отрицательный заряд, а слойn^- полупроводника за счет потери электронов заряжается положительно. Разность потенциалов между двумя зарядами препятствует процессу взаимной диффузии носителей междур+ иn^-областями. В конце концов, на границе раздела устанавливается динамическое равновесие зарядов, электрическое поле которых препятствует дальнейшей диффузии носителей. Разность потенциалов междур+ иn^-областями около границы их раздела называется контактной разностью потенциалов. Поскольку эта разность потенциалов препятствует движению носителей через переход, ее иначе называют "потенциальным барьером".

В случае, когда р-nпереход включен в электрическую цепь,его состояние определяется величиной и полярностью подаваемого напряжения. Если кn^-области присоединен отрицательный полюс внешнего источника тока, а к областир+ положительный, напряжение источника снизит контактную разность потенциалов, уменьшит потенциальный барьер и тем самым снимет запрет на движение носителей заряда черезрnпереход. Через переход потечет ток, возрастающий (хотя и нелинейно) по мере роста внешнего приложенного напряжения. При противоположной полярности включения источника его напряжение сложится с контактной разностью потенциалов на переходе и увеличит потенциальный барьер междуриnслоями. Естественно, что при таком включении источника напряжения ток через переход будет существенно меньше, чем при прямом включении. Это эффект "запирания"р-nперехода обратным напряжением.

Следовательно, р-nпереход обладает свойством односторонней проводимости. На основе этого свойствар-nперехода строятся полупроводниковые диоды, которые служат для выпрямления переменного тока (преобразования тока в постоянный), детектирования, а также для осуществления некоторых других нелинейных преобразований сигналов. От величины напряжения, приложенного кp-nпереходу в обратном направлении, существенно зависит толщина слоя, лишенного носителей: чем больше по абсолютной величине это напряжение, тем больше и толщина диэлектрического слоя. При этомр⁺иn^-области перехода можно рассматривать как обкладки конденсатора, разделенные диэлектрическим слоем. Емкость такого конденсатора изменяется под воздействием приложенного к обкладкам постоянного запирающего напряжения (в соответствии с изменением толщины слоя диэлектрика). На этом принципе основано действие специальных полупроводниковых диодов – варикапов (приборов с переменной емкостью, управляемой напряжением). Варикапы могут применяться для дистанционного управления настройкой резонансных цепей, в системах автоматической подстройки частот электронных генераторов, в частотных и фазовых модуляторах, параметрических усилителях.

При некотором значении запирающего напряжения можно получить такую напряженность электрического поля на переходе, при которой происходит лавинный процесс образования носителей: ток через переход резко возрастает и происходит пробой рn–перехода. Если ток, создаваемый внешним источником, не очень велик и выделяемая им энергия не вызывает тепловых изменений вр-nпереходе, то такой пробой не приводит к выходу диода из строя. Зато при разных значениях тока через переход напряжение на нем остается приблизительно постоянным. Эффект такого обратимого пробоя, называемого зеннеровским, лежит в основе работы стабилитронов (опорных диодов), используемых в качестве источников стабилизированного напряжения постоянного тока.

Основная характеристика диода – зависимость тока через него от приложенного напряжения – так называемая вольтамперная характеристика. Типичная форма вольтамперной характеристики с указанием характерных ее участков и схема включения диода для снятия этой характеристики приведены на рис. 14.2, а) и 14.2, б).

а)

б)

Рис. 14.2. Вольтамперная характеристика диода (а) и схема для ее определения (б). Области: I-прямой проводимости;II-запирания, III-зеннеровского пробоя; IV-теплового пробоя

Диодные р-nпереходы изготавливаются, конечно, не простым механическим соединением полупроводниковых материалов разных типов. Слои с разным типом проводимости создаются в единых кристаллах при помощи специальных технологических приемов.

Диоды, как правило, являются пассивными элементами схем радиотехнических устройств (за исключением специальных типов, например туннельных, лавинно-пролетных и диодов Ганна). Усиление и большинство операций по преобразованию сигналов осуществляется многоэлектродными полупроводниковыми приборами. Прежде всего и в основном – трехэлектродными приборы – биполярными и униполярными (полевыми) транзисторами. Первым полупроводниковым прибором, получившим массовое распространение, был биполярный полупроводниковый триод – транзистор. Чтобы получить транзистор в одном кристалле полупроводникового материала, создаются два p-nперехода между тремя областями с разным характером проводимости (рис. 3.3, а). Условное обозначение полупроводникового транзистора, включенного в каскад усиления, изображено на рис. 14.3, 6). Если напряжение внешних источников питания таково, что левыйp-nпереход открыт (рис.14.3, а), то через него течет ток и изробласти вn-область инжектируются носители положительного заряда – дырки. Та область, которая инжектирует носители, называется эмиттером; областьnназывается базой.

а)

б)

Рис. 14.3. Усилитель на транзисторе рпр (а) и его условное обозначение на схеме (б)

Основные носители тока в базовой области – электроны. Инжектируемые эмиттером дырки являются неосновными носителями для этой области. Переход между базой и правой областью (рис. 14.3, а) запирается напряжением источникаE_к(на правуюробласть подается отрицательное напряжение относительно базы). Поэтому основные носители заряда из области базы (электроны) практически не могут перейти в правуюробласть (не считая тех, которые создают малый обратный ток запертогор-nперехода). Но через этот переход могут переходить дырки, движению которых напряжениеE_кне препятствует.

Если толщину базовой n-области сделать малой по сравнению с длиной свободного пробега электрона, инжектированные эмиттером в базу дырки не успеют рекомбинировать в ней с электронами, подхватятся ускоряющим полемр-nперехода и переместятся в правуюр область. Рекомбинация дырок произойдет в этой области за счет электронов, отбираемых от источника питания. Поскольку правая на рис. 14.3,а)робласть собирает носители заряда, ее называют коллектором.

Электроны, текущие через коллекторный вывод от источника питания, создают ток I_к. Конечно, некоторая часть дырок успевает рекомбинировать и в области базы. Поэтому через вывод базы тоже течет токI_б, но гораздо меньший, чемI_к. Попросту говоря, если носители инжектированы в базу эмиттерным переходом, то им некуда деться, кроме как в потенциальную яму коллекторного перехода.

Величина тока через коллекторный переход зависит практически только от количества носителей, инжектируемых эмиттером (т.е. от тока Iэ), и, следовательно, от напряжения на открытомpn– переходе между эмиттером и базой. Следовательно, в транзисторе малый потенциал на эмиттерном переходе и малый ток базы управляют гораздо большим током коллектора. Так возникает эффект усиления по току, характеризуемый коэффициентом усиления. КакI_к, так иI_бсоздаются за счет тока эмиттераI_э. Следовательно,I_э=I_к+I_б. Поэтому, где– коэффициент усиления по току. Этот коэффициент показывает, какая часть тока эмиттера уходит на коллектор создавая полезный эффект усиления. Всегда стремятся сделать транзистор так, чтобыбыл возможно больше. У современных усилительных приборов может достигать нескольких сотен и соответственно  0,99.

Если в цепь коллектора включено сопротивление нагрузки R_нкак на схеме рис. 14.3,6), колебания токаI_кна этом сопротивлении вызывают изменения напряжения на выходе транзистора, посколькуU_к=E_к-I_кR_ниU_к=U_вых=I_кR_н. Этот сигнал будет усилен по сравнению с входным сигналом – колебаниями напряжения на эмитерном переходе. Действительно, поскольку переход эмиттер-база открыт, его сопротивлениеR_эбмало (единицы Ом), и малые изменения напряженияU_эб за счет действия входного сигналаU_вхсоздают сравнительно большие изменения эмитерного тока. С другой стороны, коллекторный ток, приблизительно равный эмиттерному, течет через закрытый переход с очень большим сопротивлением. Поэтому говорят, что у каскада рис. 14.3,6) очень высокое выходное сопротивление и ток в нагрузке очень мало зависит от величиныR_н(лишь бы напряжениеU_кбыло больше напряжения на базе и переход-коллектор был заперт для основных носителей базы). При этомR_нможет быть большим, во всяком случае,R_н>>R_эб.

Коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе, выполненного по схеме рис. 14.3, б, можно определить как отношение изменения напряжения на нагрузочном сопротивлении к вызывающему эти изменения изменению напряжения на входе:

Поскольку 1, аR_н/R_эб>>1, коэффициент усиления по напряжению может быть значителен. Разумеется,R_эб– величина не постоянная. Она зависит от напряжения на входе, поскольку ток через открытый эмиттерныйр-nпереход нелинейно зависит от напряжения на переходе (см. рис. 14.2). Следовательно, соотношениеК_усможет иметь лишь качественное, иллюстративное значение, пояснющее принцип усиления напряжения в каскаде рис. 14.3,б).

Кроме рассмотренных кристаллов со структурой р-n-рможно изготовить транзистор и нап-р-n - кристаллах (с обратной проводимостью). В этом случае эмиттерные и коллекторные области кристалла легируются примесями так, чтобы в них создался избыток электронов. Основными носителями заряда в области базы становятся дырки, т.е. транзистор со структуройn-p-nзеркально симметриченр-n-ртранзистору.

Рис. 14.4. Включение n-p-n транзистора в схему усиления

Для открывания эмиттерного и запирания коллекторного перехода n-p-n–транзистора внешние напряжения должны подаваться на переход так, как показано на рис. 14.4.

Качественно процессы, сопровождающие усиление сигнала в схеме с n-p-n-транзистором, те же, что в рассмотренном выше случае транзистораp-n-p. Основное внешнее отличие – в обратной полярности подводимых напряжений и противоположном направлении протекания токов.

Рассмотренная физическая картина работы биполярного транзистора показывает, что его базу нужно стремиться сделать возможно, тоньше. Во-первых, при этом в области базы будет меньше рекомбинаций инжектируемых носителей, соответственно будет меньше базовый ток и больше коэффициент усиления. Во-вторых, при меньшей толщине базы уменьшится время движения носителей между эмиттерным и коллекторным переходами, что приведет к улучшению частотных свойств (уменьшению инерционности) прибора. Однако уменьшение толщины базы может привести к пробою коллектора на эмиттер (это еще один вид пробоя, отличающийся от обычного пробоя коллекторного р-nперехода).

Если ток коллектора транзистора ограничивать (например, введением большого сопротивления в коллекторную цепь), а ток базы задавать бóльшим, чемI_к/, то неосновные носители будут поступать в базу как из области эмиттера, так и из области коллектора. База насытится неосновными носителями и падение напряжения между коллектором и эмиттером станет очень маленьким (как говорят, транзистор "стянется" в точку).

Если же на базу подать такое напряжение, которое запирает эмиттерный переход, ток через транзистор прекратится вовсе. При этом говорят, что транзистор заперт. Эти два режима – "заперт" или "насыщен" – позволяют использовать транзистор в качестве электронного ключа, переключающего напряжение U_кна коллекторе или ток эмиттераI_эв соответствии с внешним сигналом, подаваемым в базовую цепь. Ключевой режим работы транзистора широко используют в цифровых устройствах, а также в системах автоматического и дистанционного управления.

Достоинствами транзисторов являются надежность, механическая прочность, малая масса и габариты, высокий КПД и большая долговечность по сравнению с электронными лампами. Но рассмотренные выше биполярные транзисторы, будучи технически очень совершенными, технологичными и эффективными приборами, обладают двумя существенными недостатками: малым входным сопротивлением и принципиально неустранимым током базы. В большей степени от этих недостатков свободны полевые транзисторы, т. е. приборы, в которых ток управляется электрическим полем, а не напряжением на открытом эмиттерномр-nпереходе.

Схематическая структура и условное обозначение полевого транзистора с р-nпереходом изображены на рис. 14.6,а) и б) соответственно.

Рис. 14.5. Схематический разрез а) и условное обозначение б)полевого транзистора

Работает прибор следующим образом. К тонкой полупроводниковой пластине – каналу по краям подведены выводы истока и стока. Через запертый p-nпереход между каналом и затвором, имеющим другой тип проводимости, прикладывается внешнее электрическое поле. Напряжение источника этого поля определяет толщину области вр-nпереходе, обедненной носителями заряда. Изменение напряжения на затворе позволяет изменять толщину этой области и, следовательно, изменять сопротивление канала, т. е. управлять током между истоком и стоком. Так как переход канал-затвор остается при этом запертым, ток затвора, очень мал (это обратный токр-пперехода). Получается трехэлектродный прибор, величиной тока через который управляет потенциал на затворе. Такой прибор может служить усилителем, причем входное сопротивление такого усилителя очень велико, как сопротивление запертогоp-nперехода.

Еще более технологичным и привлекательным по своим параметрам является полевой транзистор с изолированным затвором. Его схематический разрез представляет собой "слоеный пирог" из Металла-Окисла-Полупроводника (отсюда сокращенное название МОП-транзистор). Для изготовления слоеной МОП-структуры не нужно, как в случае полевого транзистора с р-nпереходом затвор-канал, выращивать на кристаллической пластине канала затворный слой с другим характером проводимости. Достаточно окислить поверхность полупроводниковой кремниевой пластины канала (этот тонкий слой окиси кремния будет почти идеальным диэлектриком) и поверх окиси напылить металлическую пленку затвора. МОП-транзисторы обладают еще бóльшим входным сопротивлением, чем полевые приборы сp-nпереходом.

Точно так же, как и биполярные транзисторы, полевые имеют свои зеркальные отражения. Кроме приборов с n- каналом могут быть ир- канальные приборы.