Некоторые типы приемных радиоламп указаны в табл. 3.

Таблица 3

Приемные радиолампы

Назначение

Серия ламп

прямонакальная пальчиковая

подогревная пальчиковая

подогревная октальная

Выходной усилитель низкой частоты

Предварительный усилитель низкой частоты

Диодный детектор

Анодный и сеточный детектор

Усилитель высокой (промежуточной) частоты

Преобразователь частоты

Оптический индикатор настройки

Выпрямитель сетевого питания

Лучевые тетроды 2П2П, 2П1П

Диод-пентоды 1Б2П,1Б1П

Диод-пентоды 1Б2П, 1Б1П

Диод-пентоды 1Б2П, 1Б1П

Пентоды 1К2П, П^Ш

Гептоды 1А2П, 1А1П

Пентоды 6П14П, 6П18П, лучевой тетрод 6П1П, двойной триод 6Н1П

Пентод 6Ж4П, двойной - триод 6Н2П, двойной диод-пентод 6Б2П

Двойной диод-пентод 6Б2П, двойной диод 6Х2П

Пентод 6Ж4П, двойной триод 6Н2П

Пентод 6К4П, двойной диод-пентод 6Б2П

Гептод 6А2П, триод-гептод 6И1П, пентод 6Ж2П

Индикатор настройки 6Е1П

Двуханодный кенотрон 6Ц4П

Пентод 6П9, лучевые тетроды 6ПЗС, 6П6С,

ЗОН 1С, двойные триоды 6Н5С, 6Н8С

Пентод 6Ж8, двойной триод 6Н9С, двойной диод-триод 6Г2, двойной диод-пентод 6Б8С

Двойной диод-пентод 6Б8С, двойной диод-триод 6Г2, двойной диод бХбС

Пентод 6Ж8, двойной триод 6Н9С

Пентоды 6К4, 6КЗ, двойной диод-пентод 6Б8С

Гептод 6А7

Индикатор настройки 6Е5С

Двуханодные кенотроны 6Ц5С, 5Ц4С, 5ЦЗС

9 Ю. в. Костыков, л. Н. Ермолаев

Глава 10

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Вакуумная лампа или полупроводниковый прибор

Электронные приборы проникли во все области техники и играют большую роль в развитии производства, и особенно в его автоматизации.

Современное состояние радиотехники во многом определяется состоянием производства электронных приборов. На использовании электронных приборов базируются все отделы современной радиотехники: радиосвязь всех видов; радиовещание и звукозапись (в том числе ультракоротковолновое вещание с частотной модуляцией и телевидение); радиолокация, т. е. обнаружение целей, применяемая в системе противовоздушной обороны, в авиации, на флотах и в артиллерии; радионавигация - система определения места, курса, расстояния,- обслуживаемая радиомаяками, пеленгаторами, радиокомпасами, дальномерами и высотомерами; телемеханика и автоматика; радиотермия, т. е. нагрев (и плавление) токами высокой частоты.

При решении практических радиотехнических задач правильно выбранные и правильно примененные электронные приборы определяют успех работы по изготовлению задуманного аппарата.

Каким электронным приборам принадлежит будущее: вакуумным электронным лампам или полупроводниковым приборам? Весьма вероятно, что полупроводниковые приборы, производство которых бурно развивается, не смогут полностью вытеснить электронные лампы. Однако в наши дни полупроводниковые приборы уже широко применяются и в ряде случаев успешно заменили лампы. Поэтому не только радиоспециалисты, но и радиолюбители должны знать свойства полупроводниковых приборов и, где рационально, применять эти приборы.

Усилительные вакуумные электронные лампы были впервые практически применены в самом начале нашего столетия. Полупроводниковые приборы - кристаллич.еские детекторы - начали применяться несколько раньше. Первое применение их относится к по-

следнему году прошлого столетия. С тех пор кристаллические детекторы значительно усовершенствовались, и свое значение в качестве силового выпрямительного и детектирующего устройств полностью сохранили. Кроме того, они начали применяться как смесители на дециметровых и более коротких волнах.

В 1922 г. О. В, Лосев открыл возможность генерации колебаний с помощью полупроводниковых приборов. Но это были годы триумфального шествия электронных ламп, и важное открытие Лосева не нашло применения, тем более что техника получения полупроводников была еще очень примитивна, а естественные кристаллы не давали повторяющихся и устойчивых результатов.

Серьезные работы по полупроводникам и полупроводниковым приборам начались только после второй мировой войны. В 1948 г. появились сведения о первом типе полупроводникового усилительного прибора - транзистора, аналогичного вакуумной усилительной лампе - триоду, отчего этот прибор называют также полупроводниковым триодом.

Полупроводниковые выпрямители

Полупроводники отличаются своими электрическими свойствами и от проводников, и от изоляторов, хотя имеют кое-что общее с теми и другими.

Если проводники (в основном металлы) характеризуются наличием перемещающихся между атомами свободных электронов, а изоляторы, например фарфор или слюда,- полным отсутствием свободных электронов, то в полупроводниках (кремний, селен, германий) дело обстоит сложнее. Большинство чистых полупроводников в твердом состоянии (до расплавления) должно было бы иметь очень большое сопротивление, т, е. обладать свойствами изоляторов. Однако абсолютно чистых материалов в природе не существует, а чистота материала для работы полупроводниковых приборов имеет очень большое значение. Известно, что если к чистому металлу прибавлять примеси, то электропроводность металла ухудшится. В полупроводниках же, наоборот, при прибавлении ничтожного количества примеси электропроводность очень сильно (в миллионы раз) увеличивается. Это значит, что в полупроводнике появилось некоторое количество свободных электронов. Полупроводники, проводимость которых определяется наличием в них свободных электронов, называются полупроводниками с электронной (или негативней) проводимостью и обозначаются индексом п.

Однако встречаются такие полупроводники, в которых не только нет свободных электронов, но в некоторых атомах недостает даже собственных электронов. Место, где имеется недостаток электронов, условно названо дыркой. Про такие полупроводники говорят, что они обладают дырочной (или позитивной) проводимостью, и обозначают их индексом р.

Электроток в полупроводнике с дырочной проводимостью объясняется перескйкиванием электронов с заполненного электронами атома на место дырки в соседнем атоме. Такое движение электро-

9* 131

нов совсем не похоже на поток свободных электронов в проводнике, внешне оно больше напоминает встречное движение дырок, аналогичное движению положительных ионов в жидкости. Для перехода электрона из атома в атом в полупроводнике с дырочной проводимостью требуется большее поле, чем для- движения свободного электрона.

В полупроводниковом выпрямителе между слоем чистого полупроводника и слоем полупроводника с примесью находится граница разных проводимостей: электронной и дырочной. На этой границе возникает контактная разность потенциалов такой полярности, что она отталкивает от плоскости раздела разных проводимостей как свободные электроны в материале с электронной проводимостью, так и положительные дырки в материале с дырочной проводимостью. Образуется слой, из которого удалены носители электрического тока,- слой с повышенным сопротивлением, называемый запорным слоем.

Если к запорному слою приложить переменную разность потенциалов, то проводимость слоя будет меняться в зависимости от знака напряжения. Если приложенное напряжение увеличивает разность потенциалов в запорном слое, то сопротивление слоя получается большим, а проходящий при этом ток малым (обратный ток). Но стоит только подать напряжение, большее чем контактная разность потенциалов, и противоположное ей по знаку, как зоны электронной и дырочной проводимости сомкнутся и сопротивление запорного слоя станет малым. Ток в этом случае будет большим (прямой ток).

Запорный слой существует-как бы для напряжения одного знака и отсутствует для напряжения другого знака. Напомним, что запорный слой в полупроводниках имеет толщину не более 0,00001 см и поэтому не может выдержать высоких напряжений. Так, в полупроводниковых выпрямителях, использующих запорный слой в обычной и обогащенной кислородом закиси меди (куп-роксные выпрямители), обратное напряжение на выпрямительный элемент (шайбу) не превышает 25 в, в селеновом выпрямителе - 60 в и только в лучших плоскостных германиевых выпрямительных диодах доходит до 700 в.

Вследствие низких обратных напряжений полупроводниковых выпрямителей отдельные выпрямительные элементы часто включают последовательно в виде столбиков или пакетов .

Германиевые диоды

Полупроводниковые диоды, созданные из германия, обладают очень малыми сопротивлениями в прямом направлении, значительно меньшими, чем у вакуумных диодов, но допускают сравнительно небольшие обратные напряжения. Точечные диоды (рис. 127) имеют малую собственную емкость, что позволяет использовать их на высоких частотах вплоть до диапазона метровых волн, а специальные высокочастотные диоды работают и в сантиметровом диапазоне.

Германиевые диоды работоспособны при температурах от -50° до +70° С, легки (вес меньше 2 г), малогабаритны, механически прочны и во много раз долговечнее вакуумных ламп. Большим преимуществом германиевых диодов перед ламповыми является то, что у них нет накаливаемого катода, а следовательно, и нет необходимости иметь источники питания накальных цепей.

Применяемые в качестве силовых выпрямителей диоды имеют по сравнению с вакуумными более

высокий коэффициент полезного действия-до 98%. Замена кенотрона и ламповых диодов германиевыми диодами в массовом приемнике позволяет снизить потребляемую им от сети мощность на 20-25%.

Устройство плоскостного германиевого диода показано на рис. 128.

Кристалл

Рис. 127. Общий вид точечных диодов:

а - в керамике; б - в стекле

Рис. 128. Устройство плоскостного германиевого диода:

/ - контактные выводы; 2 - стеклянный изолятор; 3 - корпус; 4 - верхний токосниматель; 5 - индий; 6 - германий; 7 - нижний токосниматель

Характеристики и применение полупроводниковых диодов

В отличие от вакуумного диода, пропускающего ток только в одном направлении - от анода к катоду, полупроводниковый диод пропускает ток в обоих направлениях, но в обратном (запорном) направлении значительно хуже, чем в прямом. В соответствии с этим полупроводниковые диоды имеют двустороннюю вольтампер-ную характеристику (рис. 129).

Характеристики вакуумных диодов сильно изменяются в зависимости от тока накала катода. Объясняется это тем, что с изменением тока накала меняется температура поверхности катода и, следовательно, меняется количество излучаемых электронов. Так

как температура каТода вакуумного диода около 1000°С и изменение ее на несколько десятков градусов мало влияет на состояние электронного облачка, то на ход характеристики вакуумного диода температура окружающей среды практически не влияет, тем более что благодаря вакууму в баллоне лампы изменения наружной температуры передаются к катоду сильно ослабленными.

Совсем другая картина получается в полупроводниковом приборе. Здесь температура окружающей среды непосредственно передается кристаллу и его запорному слою, температурой которого определяется скорость образования дырок. Полупроводниковый диод, работающий при температурах от -50° до +60° С (от 223° до 333° К), можно сравнивать с вакуумным диодом, у которого

-ЮО 80 60 40 20

U(6)

Рис. 129. Вольтамперная характеристика плоскостного диода

температура катода изменяется в полтора раза. Как и вакуумный диод, полупроводниковый диод при таких изменениях температуры очень сильно изменяет свои характеристики. Это крупный недостаток полупроводниковых приборов, который особенно заметно сказывается на характеристиках полупроводниковых триодов, но должен учитываться и для полупроводниковых диодов.

Характеристики полупроводниковых приборов даются для нормальной (+20° С) температуры, а для приборов, работающих при значительно отличающихся температурах, в характеристики вносятся поправки. Так, для германиевых диодов, работающих при температурах до +60° С, надо уменьшить вдвое допустимый ток через диод в прямом направлении и взять двойной запас по напряжению на диоде. В случае еще большего повышения температуры германиевые диоды (и триоды) перестают работать. Происходит это потому, что с повышением температуры скорость электронов растет, они покидают свои орбиты и становятся свободными. Большое количество освободившихся электронов проникает в запорный слой, и германиевый диод становится проводником. Диод перестает работать и может даже сгореть из-за слишком большого тока, проходящего через него.

Для уменьшения вредного влияния температуры мощным полупроводниковым приборам приданы радиаторы для охлаждения,

Мощные германиевые диоды имеют принудительное охлаждение: воздушной струей-в выпрямителях на 50 а и водой - в выпрямителях на 200 а. Одновременно ведется работа по замене германиевых полупроводниковых приборов кремниевыми, которые нормально работают при температурах до 200° С. В настоящее время нашей промышленностью выпускается большое число типов полупроводниковых диодов самого разнообразного назначения. Выпускаются выпрямительные элементы на 200 а для питания двигателей электровозов переменным током (такой элемент помещается на ладони) и такие малогабаритные диоды - детекторы высокой частоты, что несколько десятков их размещается в наперстке.

В табл. 4 приведены данные основных типов точечных германиевых диодов отечественного производства, а в табл. 5- плоскостных германиевых маломощных диодов для силовых выпрямителей. Диоды ДГ-Ц21-ДГ-Ц27 предназначены для частот 50-400 гц, а диоды Д7 (герметизированные) - для частот до 50 кгц. Д7Щ

На рис. 130 показаны в натуральную величину германиевый плоскостной диод ц^

Д7Ж и аналогичный ему по назначению

вакуумный кенотрон 6Ц4П. Рис. 130. Плоскостной диод

Д7Ж и кенотрон 6Ц4П

Таблица 4

Точечные германиевые диоды

Продолжение

Таблица 5

Плоскостные германиевые диоды

Транзисторы

Транзистор (полупроводниковый триод), как и вакуумный триод, представляет собой трехэлектродный прибор. Однако вследствие отсутствия нити накала он имеет всего три вывода от трех своих электродов. Электроды транзистора имеют названия: база (или основание), эмиттер и коллектор. Схематическое изображение транзисторов приведено в приложении 1,

По своему устройству транзистор представляет собой комбинацию двух диодов, у которых один электрод общий. Существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п, различающихся характером переходов. Транзистор типа р-п-р состоит из двух полупроводников с проводимостью типа р (позитивной), т. е. с положительными носителями тока (дырочной проводимости), разделенных полупровод-

а

Т

Рис. 131. Схема устройства плоскостных транзисторов:

а - типа п-р-п; 6 - типа р-п-р

НИКОМ с проводимостью типа п (негативной), т. е. с отрицательными носителями тока (электронной проводимости). Схема устройства плоскостного транзистора типа п-р-п показана на рис. 131, а, а типа р-п-р-на рис. 131,6.

Плоскостные транзисторы состоят из герметизированного пат-рончика-корнуса со стеклянными изоляторами (глазками), через которые сделаны выводы коллектора и эмиттера; вывод базы соединяется с корпусом. Внутри корпуса закреплен маленький дисковый кристалл германия, имеющий по толщине разный механизм проводимости.

Нристаплодержатель

Рис. 132. Устройство плоскостных транзисторов

В приведенном на рис. 132 разрезе плоскостного транзистора типа р-п-р дырочная проводимость эмиттера и коллектора достигнута сплавлением германия с индием. Транзистор показан увеличенным против натуральных размеров.

Работает плоскостной транзистор следующим образом (рис. 133).

К переходу между эмиттером (в нашем случае дьфочной проводимости) и базой (электронной проводимости) подается напряжение смещения Есм такой полярности и величины, что оно компенсирует существующую между эмиттером и базой контактную разность потенциалов. Вследствие этого носители зарядов базы и эмиттера сближаются, сопротивление эмиттерного перехода уменьшается и по переходу течет ток. Величина тока определяется в основном напряжением смещения и величиной входного сопротивления /?вх, так как сопротивление самого эмиттерного перехода в указанном пропускающем, или прямом, направлении невелико.

Если последовательно с напряжением смещения подать переменное напряжение вх> то ток в цепи эмиттера будет изменяться в соответствии с изменением мгновенного значения и^х- В цепи эмиттера потечет меняющийся ток. Это значит, что количество свободных электронов базы меняется по закону изменения эмиттерного тока.

Чтобы получить от транзистора усиление, подключим к его коллектору через нагрузочное сопротивление батарею с полярностью, необходимой для пропускания тока в обратном (для коллекторного перехода) направлении. Ток в цепи коллекторабудет зависеть от напряжения в цепи коллектор - база и от сопротивления коллекторного перехода. Сопротивление же коллекторного перехода в обратном направлении зависит от состояния носителей тока базы транзистора, т. е. от тока между базой и эмиттером.

В результате прохождения тока между эмиттером и базой сопротивление запорного слоя между ними падает, но так как толщина слоя базы очень мала (тысячные доли сантиметра), то падает и сопротивление запорного слоя между коллектором и базой. Ток, идущий в обратном направлении в цепи коллектор - база, зависит от сопротивления это перехода, а сопротивление-от тока, проходящего в цепи эмиттер - база. Таким образом, изменение тока в цепи эмиттера приводит к аналогичному изменению тока в цепи коллектора, а поскольку сопротивление в цепи коллектора намного больше, чем сопротивление в цепи эмиттера, и соответственно в цепи коллектора действуют большие напряжения, то в транзисторе происходит усиление мощности в десятки раз.

В вакуумном триоде коэффициент усиления лампы показывает, во сколько раз сильнее действует на анодный ток лампы изменение сеточного напряжения, чем анодного. Транзистор (полупроводниковый триод) принципиально отличается от вакуумного триода тем, что обязательно требует расхода мощности в управляющей цепи; транзистор является усилителем тока, и для него определяется коэффициент усиления по току или коэффициент усиления по мощности.

Обычные же в вакуумной электронике разговоры об усилении по напряжению для транзисторов не имеют смысла, так как входные и выходные сопротивления схем с транзисторами очень малы