Федеральное агентство по образованию
Кузбасская государственная педагогическая академия
Кафедра автоматизации производственных процессов
Реферат
по радиотехнике
Тема: Осциллографическая электронно-лучевая трубка. Передающие телевизионные трубки
Электронно-лучевые индикаторы
1.1 Основные параметры ЭЛТ
1.2 Осциллографические электронные трубки
II. Передающие телевизионные трубки
2.1 Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
2.1.1 Иконоскоп
2.1.2 Супериконоскоп
2.1.3 Ортикон
2.1.4 Суперортикон
2.1.5 Видикон
Список используемой литературы
I . Электронно-лучевые индикаторы
Электронно-лучевым называют электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей.
Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Источником электронов в ЭЛТ подогревный катод. Эмитированные катодом электроны собираются в узкий луч электрическим или магнитным полем специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, для изготовления которого внутреннюю сторону стеклянного баллона трубки покрывают люминофором – веществом, способным светиться при бомбардировке его электронами. Положением видимого сквозь стекло баллона пятна на экране можно управлять, отклоняя поток электронов путём воздействия на него электрического или магнитного поля специальных (отклоняющих) электродов или катушек с током. Если формирование электронного луча и управление им осуществляется с помощью электростатических полей, то такой прибор называют ЭЛТ с электростатическим управлением. Если для этих целей используют не только электростатические, но и магнитные поля, то прибор называют ЭЛТ с магнитным управлением.
Схематическое изображение электронно-лучевой трубки
Рис.1
На рис.1 схематически показано устройство ЭЛТ. Элементы трубки размещены в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух до остаточного давления 1-10 мкПа. Кроме электронной пушки, включающей в себя катод 1, сетку 2 и ускоряющий электрод 3, в электронной лучевой трубке есть магнитная отклоняющая и фокусирующая система 5 и отклоняющие электроды 4, позволяющие направить пучок электронов в различные точки внутренней поверхности экрана 9, имеющего металлическую анодную сетку 8 с проводящим слоем люминофора. Напряжение на сетку анода с люминофором подается через высоковольтный ввод 7. Пучок электронов, падающих с большой скоростью на люминофор, вызывает его свечение, и на экране можно видеть светящееся изображение пучка электронов.
Современные фокусирующие системы обеспечивают диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм. Вся система электродов, формирующих электронный луч, крепится на держателях (траверсах) и образует единое устройство, называемое электронам прожектором. Для управления положением светящегося пятна на экране применяют две пары специальных электродов - отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно. Изменяя разность потенциалов между пластинами каждой пары, можно изменять положение электронного луча во взаимно перпендикулярных плоскостях благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах формируют линейно изменяющееся напряжение, которое подаётся на отклоняющие электроды и создает развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумерную картину изображения.
ЭЛТ с магнитным управлением содержит такой же электронный прожектор, как и ЭЛТ с электростатическим управлением, за исключением второго анода. Вместо него применяют короткую катушку (фокусирующую) с током, надеваемую на горловину трубки вблизи первого анода. Неоднородное магнитное поле фокусирующей катушки, воздействуя на электроны, выполняет роль второго анода в трубке с электростатической фокусировкой.
Отклоняющая система в трубке с магнитным управлением выполняется в виде двух пар отклоняющих катушек, также размещаемых на горловине трубки между фокусирующей катушкой и экраном. Магнитные поля двух пар катушек взаимно перпендикулярны, что позволяет управлять положением электронного луча при изменении тока в катушках. Магнитные отклоняющие системы используют в трубках с высоким анодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана, в частности в телевизионных приемных трубках - кинескопах. Поскольку магнитная отклоняющая система размещается вне баллона ЭЛТ, ее удобно вращать вокруг оси ЭЛТ, меняя положение осей на экране, что важно в некоторых применениях, например в радиолокационных индикаторах. С другой стороны, магнитная отклоняющая система инерционнее электростатической и не позволяет перемещать луч с частотой более 10-20 кГц. Поэтому в осциллографах - приборах, предназначенных для наблюдения на экране ЭЛТ изменений электрических сигналов во времени,- применяют трубки с электростатическим управлением. Заметим, что существуют ЭЛТ с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением.
1.1 Основные параметры ЭЛТ
Цвет свечения экрана может быть |различным в зависимости от состава люминофора. Чаще других используют экраны с белым, зеленым, синим, фиолетовым цветом свечения, однако имеются ЭЛТ с желтым, голубым, красным, оранжевым цветом.
Послесвечение - время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения электронной бомбардировки экрана. Послесвечение делится на пять групп: от очень короткого (менее 10 -5 с) до очень длительного (более 16 с).
Разрешающая способность - ширина светящейся сфокусированной линии на экране или минимальный диаметр светящегося пятна.
Яркость свечения экрана - сила света, испускаемого 1 м 2 экрана в направлении, нормальном к его поверхности. Чувствительность к отклонению - отношение смещения пятна па экране к значению отклоняющего напряжения или напряженности магнитного поля.
Существуют разные виды ЭЛТ: осциллографические ЭЛТ, приёмные телевизионные трубки, передающие телевизионные трубки и проч. В своей работе я рассмотрю устройство и принцип действия осциллографической ЭЛТ и передающих телевизионных трубок.
1.2 Осциллографические электронно-лучевые трубки
Осциллографические трубки предназначены для получения изображения электрических сигналов на экране. Обычно это ЭЛТ с электростатическим управлением, в которых для наблюдения применяют зеленый цвет свечения экрана, а для фотографирования - голубой или синий. Для наблюдения быстропротекающих периодических процессов служат ЭЛТ с повышенной яркостью свечения и коротким послесвечением (не более 0,01 с). Медленные периодические и однократные быстро протекающие процессы лучше наблюдать на экранах ЭЛТ с длительным послесвечением (0,1-16 с). Осциллографические ЭЛТ выпускаются с круглым и прямоугольным экранами размерами от 14x14 до 254 мм в диаметре. Для одновременного наблюдения двух процессов и более выпускаются многолучевые ЭЛТ, в которых смонтированы два (или более) независимых электронных прожектора с соответствующими отклоняющими системами. Прожекторы смонтированы так, что и оси пересекаются в центре экрана.
II . Передающие телевизионные трубки
Передающие телевизионные трубки и системы преобразуют изображения объектов передачи в электрические сигналы. По способу преобразования изображений объектов передачи в электрические сигналы, передающие телевизионные трубки и системы подразделяются на трубки и системы мгновенного действия и трубки с накоплением зарядов.
В первом случае величина электрического сигнала определяется тем световым потоком, который в данный момент времени падает или на катод фотоэлемента, или на элементарный участок фотокатода передающей телевизионной трубки. Во втором случае происходит преобразование световой энергии в электрические заряды на накопительном элементе (мишени) передающей телевизионной трубки в течении периода кадровой развертки. Распределение электрических зарядов на мишени соответствует распределению света и тени по поверхности передаваемого объекта. Совокупность электрических зарядов на мишени называется потенциальным рельефом. Электронный луч периодически обегает все элементарные участки мишени и списывает потенциальный рельеф. При этом на нагрузочном сопротивлении выделяется напряжение полезного сигнала. Трубки второго типа, т.е. с накопленной световой энергией, имеют больший КПД, чем трубки первого типа, поэтому они широко применяются в телевидении. Именно поэтому подробней я рассмотрю устройство и виды трубок второго типа.
Передающие телевизионные трубки с накоплением зарядов
Иконоскоп
Важнейшей частью иконоскопа (рис.1а) является мозаика, которая состоит из тонкого листка слюда толщиной 0,025 мм. На одну сторону слюды нанесено большое число изолированных друг от друга мелких серебряных зёрен 4, окисленных и обработанных в парах цезия.
.
Электронно-лучевые трубки, действие которых основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками, классифицируют по назначению и способу управления электронным пучком. В зависимости от назначения ЭЛТ подразделяют на приемные, передающие, запоминающие и др. В качестве индикаторных приборов используют приемные трубки. По способу управления электронным пучком ЭЛТ подразделяют на трубки с электростатическим и магнитным управлением. В первых для управления пучком электронов применяют электрическое поле, а во вторых - магнитное.
Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением обеспечивают более высокие частотные свойства, поэтому их широко используют в качестве индикаторов электронных осциллографов. Рассмотрим работу электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением, конструкция которой схематически показана на рисунке ниже.
Она представляет собой стеклянную колбу, в узкой части которой расположены электронный прожектор (ЭП) и отклоняющая система (ОС). В торцевой части колбы находится экран (Э), покрытый специальным составом - люминофором, способным светиться при бомбардировке электронным пучком. Электронный прожектор состоит из подогреваемого нитью накала (Н), катода (К), модулятора (М) и двух анодов (А, и А2).
Электроны, покинувшие катод, образуют электронное облако, которое под действием поля анодов движется в сторону экрана, формируясь в электронный пучок. Этот пучок проходит модулятор, выполненный в виде пологого цилиндра с отверстием и донной части. К модулятору прикладывается отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Это напряжение создает тормозящее поле, предварительно фокусирующее электронный пучок и изменяющее яркость свечения экрана. Для получения требуемой энергии (скорости) электронного пучка на аноды подается положительное относительно катода напряжение: на анод A1 - порядка нескольких сотен, а на анод А2- нескольким тысяч вольт. Значение напряжения для анода А2 выбирают из условия установки фокуса второй электростатической линзы в плоскости экрана.
Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар взаимно перпендикулярных пластин, расположенных симметрично относительно оси колбы. Напряжение, прикладываемое к пластинам, искривляет траекторию электронного пучка, вызывая тем самым отклонение светового пятна на экране. Значение этого отклонения прямо пропорционально напряжению на пластинах ОС и обратно пропорционально напряжению Uа на втором аноде.
(рисунок ниже), как и ЭЛТ с электростатическим управлением, включает в себя ЭП и ОС. Конструкции ЭП обеих трубок аналогичны.
Предварительная фокусировка электронного пучка в трубке с магнитным управлением также осуществляется двумя электростатическими линзами, образованными соответственно электрическими полями между модулятором и первым анодом и между первым и вторым анодами. В функции первого анода, называемого иногда ускоряющим электродом, дополнительно входит экранировка модулятора от второго анода, что почти полностью исключает зависимость яркости свечения экрана от напряжения второго анода.
Внутри ЭЛТ расположен еще один электрод, называемый аквадагом (АК). Аквадаг электрически соединен с вторым анодом. Основная фокусировка электронного пучка производится неоднородным магнитным полем фокусирующей катушки (ФК), конструктивно расположенной на горловине колбы ЭЛТ. Это поле, возникающее при протекании по ФК постоянного тока, придает электронам вращательное движение вокруг оси пучка, фокусируя его в плоскости экрана.
Магнитная ОС содержит две пары последовательно включенных взаимно перпендикулярных обмоток, конструктивно выполненных в виде единого блока. Результирующее поле, создаваемое этими обмотками, заставляет электроны двигаться по окружности, радиус которой обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Покидая поле, электроны пучка двигаются по касательной к исходной траектории, отклоняясь от геометрической оси колбы.
При этом отклонение электронного пучка в ЭЛТ с магнитным управлением меньше зависит от значения ускоряющего напряжения на аноде А2, чем отклонение пучка в ЭЛТ с электростатическим управлением. Поэтому при заданном значении напряжения на втором аноде ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает больший угол отклонения электронного пучка, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет значительно уменьшить ее размеры. Типовое значение максимального угла отклонения в ЭЛТ с магнитным управлением составляет 110°, а в ЭЛТ с электростатическим управлением - не превышает 30°.
Соответственно при заданных значениях отклонения электронного пучка ЭЛТ с магнитным управлением работает с большими значениями напряжения второго анода, чем ЭЛТ с электростатическим управлением, что позволяет повысить яркость получаемого изображения. К сказанному следует добавить, что ЭЛТ с магнитным управлением обеспечивает лучшую фокусировку электронного пучка, а следовательно, и лучшее качество изображения, что и предопределило их широкое распространение в качестве индикаторных устройств дисплеев ЭВМ. Рассмотренные ЭЛТ обеспечивают монохроматический режим отображения информации. В настоящее время все большее распространение находят ЭЛТ с цветным изображением.
(рисунок ниже) реализует принцип получения цветных образов как сумму изображений красного, зеленого и синего цветов.
Изменяя относительную яркость каждого из них, можно изменять цвет воспринимаемого изображения. Поэтому конструктивно ЭЛТ содержит три самостоятельных ЭП, пучки которых сфокусированы на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей расположена цветоотделительная маска - тонкая металлическая пластина с большим числом отверстий, диаметр которых не превышает 0,25 мм. Экран цветной ЭЛТ неоднороден и состоит из множества люминесцирующих ячеек, число которых равно числу отверстий маски. Ячейка составлена из трех круглых элементов люминофора, светящихся красным, зеленым или синим цветом.
Например, цветной кинескоп с размером экрана по диагонали 59 см имеет маску с более чем полумиллионом отверстий, а общее число люминесцирующих элементов экрана превышает 1,5 млн. Пройдя через отверстия маски, электронные пучки расходятся. Расстояние между маской и экраном подобрано так, чтобы после прохождения отверстия маски электроны каждого пучка попадали на элементы экрана, люминесцирующие определенным цветом. Из-за малых размеров светящихся элементов экрана глаз человека уже на небольшом удалении не способен различать их и воспринимает суммарное свечение всех ячеек, интегральные цвета которых зависят от интенсивности электронного пучка каждого ЭП.
Если на модуляторы всех трех ЭП подать равные напряжения, то световые элементы экрана будут светиться одинаково и результирующий цвет будет восприниматься как белый. При синхронном изменении напряжении на модуляторах яркость белого цвета изменяется. Следовательно, подавая на модуляторы равные напряжения, можно получить все градации свечения экрана - от ярко-белого до черного. Таким образом, цветные кинескопы могут без искажений воспроизводить и черно-белое изображение.
Ю.Ф.Опадчий, Аналоговая и цифровая электроника, 2000 г.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является тем термоэлектронным прибором, который похоже, не собираются выводить из употребления в ближайшем будущем. ЭЛТ используется в осциллографе для наблюдения электрических сигналов и, конечно, в качестве кинескопа в телевизионном приемнике и монитора в компьютере и радиолокаторе.
ЭЛТ состоит из трех основных элементов: электронной пушки, являющейся источником электронного луча, отклоняющей луч системы, которая может быть электростатической или магнитной, и люминесцентного экрана, испускающего видимый свет в месте падения электронного луча. Все существенные черты ЭЛТ с электростатическим отклонением отражены на рис. 3.14.
Катод испускает электроны, и они летят в сторону первого анода A v на который подается положительное относительно катода напряжение в несколько тысяч вольт. Поток электронов регулируется сеткой, отрицательное напряжение на которой определяется требуемой яркостью. Электронный луч проносится сквозь отверстие в центре первого анода, а также сквозь второй анод, на котором действует немного большее положительное напряжение, чем на первом аноде.
Рис. 3.14. ЭЛТ с электростатическим отклонением. На упрощенной схеме, подключенной к ЭЛТ, показаны регуляторы яркости и фокуса.
Назначение двух анодов состоит в том, чтобы создать между ними электрическое поле с силовыми линиями, искривленными так, чтобы все электроны луча сходились в одном месте на экране. Разность потенциалов между анодами А 1 и Л 2 подбирается с помощью регулятора фокуса таким образом, чтобы получить на экране четко сфокусированное пятно. Эту конструкцию из двух анодов можно рассматривать как электронную линзу. Подобным образом можно создать магнитную линзу, приложив магнитное поле; в некоторых ЭЛТ фокусировка осуществляется именно так. С большим эффектом этот принцип используется также в электронном микроскопе, где может быть применена комбинация электронных линз, обеспечивающая очень большое увеличение с разрешающей способностью, в тысячу раз лучшей, чем у оптического микроскопа.
После анодов электронный луч в ЭЛТ проходит между отклоняющими пластинами, к которым можно прикладывать напряжения для отклонения луча в вертикальном направлении в случае пластин Y ив горизонтальном направлении в случае пластин X. После отклоняющей системы луч попадает на люминесцентный экран, то есть на поверхность, покрытую люминофором.
На первый взгляд, электронам некуда деваться после того, как они ударяются об экран, и можно подумать, что отрицательный заряд на нем будет расти. В действительности этого не происходит, так как энергии электронов в луче достаточно, чтобы вызвать «брызги» вторичных электронов из экрана. Эти вторичные электроны собираются затем проводящим покрытием на стенках трубки. На самом деле с экрана обычно уходит так много заряда, что на нем самом возникает положительный по отношению ко второму аноду потенциал в несколько вольт.
Электростатическое отклонение является стандартом для большинства осциллографов, но это неудобно в отношении больших ЭЛТ, используемых в телевидении. В этих трубках с их огромными экранами (до 900 мм по диагонали) для обеспечения желаемой яркости требуется разгонять электроны в луче до больших энергий (типичное напряжение высоковольтного
Рис. 3.15. Принцип действия магнитной отклоняющей системы, используемый в телевизионных трубках.
источника 25 кВ). Если бы в таких трубках с их очень большим углом отклонения (110°) применялась бы электростатическая система отклонения, то понадобились бы чрезмерно большие отклоняющие напряжения. Для таких приложений стандартом является магнитное отклонение. На рис. 3.15 показана типичная конструкция магнитной отклоняющей системы, где для создания отклоняющего поля используются пары катушек. Обратите внимание на то, что оси катушек перпендикулярны направлению, в котором осуществляется отклонение, в отличие от осевых линий пластин в электростатической отклоняющей системе, которые параллельны направлению отклонения. Это различие подчеркивает, что в электрическом и магнитном полях электроны ведут себя по-разному.
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.
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.
Мозаика (триады) экрана цветного кинескопа с теневой маской: R- красные, G- зеленые, B- синие люминофорные «точки».
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.
Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:
К С -156 А
Применение электронно-лучевой трубки
Электронно-лучевые трубки применяются в осциллографах для измерения напряжения и фазовых углов, анализа формы кривой силы тока или напряжения и т. д. Эти трубки используются в телевизионных и радиолокационных установках.
Электронно-лучевые трубки бывают разных типов. По способу получения электронного луча они делятся на трубки с холодным и накаленным катодом. Трубки с холодным катодом используются сравнительно редко, так как для их работы требуются очень высокие напряжения (30-70 кВ). Трубки с накаленным катодом имеют широкое применение. Эти трубки по способу управления электронным лучом также разделяются на два вида: электростатические и магнитные. В электростатических трубках управление электронным лучом осуществляется с помощью электрического поля, а в магнитных - с помощью магнитного поля.
Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением применяются в осциллографах и бывают чрезвычайно разнообразны по конструктивному выполнению. Учащихся достаточно ознакомить с принципом устройства такой трубки, содержащей основные типовые элементы. Этим целям отвечает трубка типа 13ЛОЗ7, которая представлена на таблице с некоторыми упрощениями.
Электронно-лучевая трубка представляет собой хорошо вакуумированный стеклянный баллон, внутри которого находятся электроды. Широкий торец трубки - экран - с внутренней стороны покрывается флуоресцирующим веществом. Вещество экрана светится при ударах электронов. Источником электронов служит катод косвенного накала. Катод состоит из нити накала 7, вставленной в тонкую фарфоровую трубочку (изолятор), на которую надет цилиндр 6 с оксидным покрытием торца (катод), благодаря чему достигается излучение электронов только в одном направлении. Вылетевшие из катода электроны устремляются к анодам 4 и 3, имеющим довольно высокий потенциал относительно катода (несколько сотен вольт). Для придания пучку электронов формы луча и его фокусировки на экране пучок проходит через ряд электродов. Однако следует обратить внимание уча-щихся только на три электрода: модулятор (управляющий цилиндр) 5, первый анод 4 и второй анод 3. Модулятор представляет собой трубчатый электрод, на который подается отрицательный потенциал относительно катода. Благодаря этому проходящий через модулятор электронный пучок будет стягиваться в узкий пучок (луч) и направляться электрическим полем через отверстие в аноде в сторону экрана. Повышая или понижая потенциал управляющего электрода, можно регулировать коли-чество электронов в луче, т. е. интенсивность (яркость) свечения экрана. С помощью анодов не только создается ускоряющее поле (обеспечивается разгон электронов), но, изменяя потенциал одного из них, можно более точно фокусировать электронный луч на экране и получить большую резкость светящейся точки. Обычно фокусировку осуществляют путем изменения потенциала первого анода, который называется фокусирующим.
Электронный луч, выйдя из отверстия в аноде, проходит между двумя парами отклоняющих пластин 1,2 и попадает на экран, вызывая его свечение.
Подавая напряжение на отклоняющие пластины, можно вызвать отклонение луча и смещение светящегося пятна от центра экрана. Величина и направление смещения зависят от напряжения, поданного на пластины, и полярности пластин. На таблице показан случай, когда напряжение подано только на вертикальные пластины 2. При указанной полярности пластин смещение электронного луча под действием сил электрического поля происходит вправо. Если подать напряжение на го-ризонтальные пластины 1, то смещение луча будет происходить в вертикальном направлении.
В нижней части таблицы приведен способ управления лучом с помощью магнитного поля, созданного двумя взаимно перпендикулярными катушками (каждая катушка разделена на две секции), оси которых имеют вертикальное и горизонтальное направления. На таблице показан случай, когда в горизонтальной катушке ток отсутствует и вертикальная катушка обеспечивает смещение луча только в горизонтальном направлении.
Магнитное поле горизонтальной катушки вызывает смещение луча в вертикальном направлении. Совместное действие магнитных полей двух катушек обеспечивает движение луча по всему экрану.
Магнитные трубки применяются в телевизорах.
