Лучевые тетроды 1 страница

D

Таким образом, чем гуще намотана сетка и меньше влияние электрического поля анода на пространственный заряд у катода, тем больше μ.

К предельным параметрам триода относятся: допустимая мощность, рассеиваемая анодом, допустимое напряжение U_{А max}, допустимый анодный ток. Сущность этих предельных параметров та же, что и в ламповом диоде.

Тетроды

Для уменьшения проходной ёмкости между анодом и управляющей сеткой помещается ещё одна сетка. Дополнительная сетка, благодаря своей роли, получила название экранирующей. Тетрод обладает большим коэффициентом усиления μ, т.к. управляющая сетка в тетроде редкая, а на экранирующую сетку подаётся положительное напряжение +U_С2 . При большой проницаемости управляющей сетки и значительном напряжении U_С2 этот триод запирается при сравнительно большом отрицательном напряжении на управляющей сетке. В отличие от триода анод в тетроде закрыт от пространственного заряда двумя сетками, поэтому влияние поля анода на электроны пространственного заряда гораздо меньше, чем поля управляющей сетки, и поэтому коэффициент усиления резко возрастает по сравнению с триодом.

А

С2 С1

К

Достоинства:

- резкое уменьшение проходной ёмкости и, как следствие, возможность работы на высоких частотах;

_- большой коэффициент усиления.

Основной недостаток тетрода – наличие динатронного эффекта (Изменение тока в цепях электродов лампы за счёт вторичной эмиссии называется динатронным эффектом.). Появление отрицательного сопротивления вследствие динатронного эффекта ограничивает возможность работы тетрода при малых анодных напряжениях и является серьёзным препятствием к применению тетродов в схемах усиления электрических сигналов. Отсюда возникла необходимость в усовершенствовании тетрода, т.е. при сохранении всех его достоинств потребовалось устранить динатронный эффект. Решение этой проблемы было найдено в двух типах ламп: лучевом тетроде и пентоде.

В лучевом тетроде динатронный эффект устраняется путём увеличения объёмной плотности электронного потока первичных электронов за счёт его фокусировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Такой луч образует потенциальный барьер для электронов, выбитых из анода.

Лучевые тетроды применяют в мощных усилителях.

Пентоды

Устранение динатронного эффекта в пентоде происходит путём создания тормозящего поля между анодом и экранирующей сеткой с помощью специальной сетки, которая получила название защитной, или антидинатронной сетки. Для выполнения своей задачи – создания тормозящего поля для вторичных электронов, выбитых из анода, на защитную сетку обычно подаётся нулевой потенциал или реже небольшое постоянное напряжение, отрицательное или положительное, в зависимости от выполняемой лампой функции. Для того чтобы третья сетка не оказывала заметного влияния на скорость движения первичных электронов, проницаемость защитной сетки увеличивается.

Для первичных электронов, летящих к аноду с большой скоростью и обладающих большой энергией, защитная сетка не представляет заметного препятствия, но для вторичных электронов, вылетающих с анода с небольшой скоростью, поле защитной сетки является настолько тормозящим, что не позволяет им попасть на экранную сетку предотвращает динатронный эффект.

С₃ С₂

С₁

Статические параметры тетродов и пентодов:

Крутизна характеристики

S= ΔI_А /Δ U_C, при U_А , U_С2,U_С3 = const

Внутреннее сопротивление

R_i = ΔU_А/ΔI_А,при U_C1 ,U_C2,U_C3= const

Коэффициент усиления

μ= - ΔU_А / Δ U_C, при I_А= const, U_C1, U_C3= const

Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами называют электровакуумные приборы, в которых формируется сконцентрированный в виде луча электронный поток, управляемый электрическими сигналами. Эти приборы широко применяются в телевидении, осциллографии, радиолокации, вычислительной технике и т.д.

По видам преобразования существует несколько основных типов электронно-лучевых приборов:

- приборы, преобразующие электрические сигналы в видимое изображение, – осциллографические трубки, приёмные телевизионные трубки;

- приборы, преобразующие видимое изображение в электрические сигналы, – передающие телевизионные трубки;

- приборы, преобразующие невидимые глазом изображения в видимые, – электронные микроскопы.

Принципы управления электронным лучом

Преобразование электрической энергии в видимое изображение происходит на экране соответствующих электронно-лучевых трубок. Экран представляет собой тонкий слой вещества, которое обладает способностью светиться под воздействием бомбардировки его поверхности электронами и называется люминофором.

В зависимости от энергии электронов, бомбардирующих экран, возможны следующие явления:

1. Вторичная эмиссия с экрана. Она произойдёт в том случае, если энергия электронов равна работе выхода вещества люминофора или больше её.

2. Возбуждение атомов люминофора. Оно происходит в случае, если энергия электронов меньше работы выхода вещества люминофора. При этом часть электронов из валентной зоны и примесных уровней вещества люминофора переходит в зону проводимости. Состояние возбуждения неустойчиво, т.к. при взаимодействии с ионами кристаллической решётки электроны, попавшие в зону проводимости, теряют полученную энергию и очень быстро возвращаются на прежние уровни. Электроны отдают в окружающее пространство ровно столько энергии (в виде электромагнитных волн), сколько они получили при возбуждении и переходе на более отдалённую от ядра орбиту. При создании люминофора добиваются, чтобы энергия излучения попала в спектр видимых глазом электромагнитных волн. Каждой длине волны этого излучения будет соответствовать и определённый цвет свечения экрана.

Для того, чтобы произошло возбуждение атомов люминофора, требуется значительная энергия

W = nqU_a,

где q – заряд электрона, n – число электронов, U _a - ускоряющее напряжение, действующее на электрон.

Для получения требуемой энергии ускоряющее напряжение должно быть не менее единиц – десятков киловольт.

Общее число электронов n, бомбардирующих экран, должно быть велико, т.е. требуется пучок электронов или электронный луч. Получение пучка электронов в электронно-лучевых трубках, как и в электронных лампах, происходит на основе термоэлектронной эмиссии. Бомбардировка экрана лучом тем эффективней и свечение точки на экране тем ярче, чем больше электронов сосредоточится на единице поверхности экрана. Следовательно, в электронно-лучевой трубке необходимо добиться минимально возможного сечения электронного луча. По аналогии с оптикой это явление называют фокусировкой луча.

Чтобы электронный луч вычерчивал на экране изображение, он должен перемещаться по экрану, поэтому в электронно-лучевой трубке необходима система отклонения луча по экрану.

Таким образом, трубка действует по таким принципам – создание потока заряженных частиц, управление этим потоком и, как результат, преобразование одного вида энергии в другой.

Управление электронным лучом в электронно-лучевых трубках гораздо сложнее, чем в лампах: кроме изменения тока луча, как в лампах, требуется ещё его фокусировка и отклонение. Для воздействия на луч с целью его фокусировки и отклонения используются либо электростатические, либо электромагнитные поля.

Осциллографические трубки с электростатической фокусировкой и отклонением

Они предназначены для преобразования электрических сигналов в видимое изображение.

Трубка состоит из электронного прожектора, системы отклонения и экрана.

Назначение электронного прожектора – формирование электронного луча и его фокусировка, а также создание сильного ускоряющего поля для электронов луча.

Электронный прожектор содержит обычный подогревный катод. Нить накала находится внутри цилиндра, а оксидный катод нанесён на его торец. Назначение катода – термоэлектронная эмиссия. Катод помещён внутри другого цилиндра – модулятора, торцевая часть которого представляет собой диафрагму с узким круглым отверстием. На модулятор подается отрицательное относительно катода напряжение. При изменении этого напряжения меняются ток луча и яркость свечения экрана.

Кроме того, прожектор имеет два анода, представляющих собой полые цилиндры с диафрагмами, имеющими очень маленькие отверстия для пролёта электронов, что также позволяет уменьшить сечение луча, т.к. электроны, которые сильно отклонились от оси трубки, не пройдут дальше. На второй анод подаётся высокое напряжение в единицы киловольт в зависимости от типа трубок, на первый анод меньшее напряжение – сотни вольт. Оба анода создают сильное ускоряющее поле для электронного луча с тем, чтобы сообщить электронам достаточную кинетическую энергию, необходимую для возбуждения атомов люминофора.

При бомбардировке экрана электронным лучом, также возникает вторичная эмиссия электронов. Вторичные электроны притягиваются к проводящему графитовому слою, который нанесён на внутреннюю поверхность колбы. Этот слой называется аквадаг. Он соединён внутри колбы со вторым анодом.

Внутри баллона трубки, как и в электронных лампах, создается вакуум. На внутренней торцевой поверхности расширенной части баллона наносится люминофор, образующий экран.

Цель фокусировки – получение минимального поперечного сечения луча в заданной точке на экране. Электронный луч – это поток одноименно заряженных частиц, испытывающих силы взаимного отталкивания, что является противодействием фокусировке. Система электростатической фокусировки содержит две электронные линзы, которые позволяют свести электроны луча в точке на поверхности экрана.

Для того, чтобы электронный луч вычерчивал на экране требуемое изображение, он должен перемещаться в определённой последовательности как по горизонтали, так и по вертикали. Для управления перемещением луча на экране служит система отклонения или развёртки. Система электростатического отклонения луча состоит из двух пар пластин, к которым подводится напряжение, позволяющее отклонять луч как по вертикали, так и по горизонтали.

Приложение 1: «Телевизоры на ЖК-панелях»

Электронно-лучевые трубки (кинеско­пы), служащие основой любого телеви­зора, существуют уже многие десятиле­тия и постоянно совершенствуются. Од­нако они имеют и недостатки: наличие высокого напряжения, большие объем­ные габариты (особенно в глубину при больших размерах изображения) и др. Поэтому разработчики всегда стреми­лись к новым идеям при создании отоб­ражающих устройств. Одна из них — ис­пользование жидкокристаллического вещества в качестве клапана для пропус­кания световых потоков. Окончательно эта идея воплотилась в виде ЖК-дисплеев (панелей) — LCD (Liquid Crystal Display). Быстрый рост их производства за рубежом привел к появлению как большого числа моделей «плоских- теле­визоров, так и компьютерных мониторов.

Рассмотрим принцип работы и вари­анты конструкции таких дисплеев [1,2]. В общем, известно, что ЖК вещество (ма­териал) модулирует внешний световой поток под действием электрического поля или тока. Конкретная работа ЖК-дисплеев основана на использовании эффекта вра­щения плоскости поляризации светового потока слоем нематического ЖК вещест­ва (так называемого твист-эффекта).

Конструкция ЖК-панели показана на рис. 1. Панель содержит две плоскопараллельные подложки из прозрачного ма­териала (обычно стекла толщиной около 1 мм), расположенные одна относительно другой с фиксированным зазором, в кото­рый введен ЖК материал. На внутренних сторонах подложек нанесены электроды адресации в виде определенного рисун­ка. В качестве прозрачного проводяще­го слоя электродов используют пленку оксида индия. Слои ориентирующих по­крытий, нанесенные на электроды адре­сации, предназначены для задания опре­деленной ориентации ЖК молекул в рабо­чем материале. Зазор между подложками задают калиброванные ша­рообразные или цилинд­рические распорные эле­менты (спейсеры), диаметр которых может быть в пре­делах 3...25 мкм. После сборки (склеивания) па­нель герметизируют по всему периметру, причем слой герметика также име­ет спейсеры. На внешние стороны подложек наклее­ны поляроиды с опреде­ленной ориентацией плос­кости поляризации.

Принцип работы ЖК-ячейки (пиксела) панели с использованием твист

эффекта иллюстрирует рис. 2. Молекулы ЖК ма­териала обладают дипольным моментом. В ре­зультате взаимодействия электрических полей диполей образу­ется спиралевидная структура из моле­кул ЖК вещества. Слои ориентирующих покрытий на верхней и нижней подлож­ках совместно с дипольной структурой ЖК материала в отсутствие электриче­ского поля обеспечивают поворот пло­скости поляризации светового потока на 90°. Ориентированный так слой не­матического ЖК вещества обладает свойством поляризации проходящего через него светового потока. Плоско­сти поляризации верхнего и нижнего поляризационных фильтров повернуты один относительно другого на 90э.

Как видно на рис. 2,а. световой по­ток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр. При этом его половина, не имеющая азимуталь­ной поляризации, теряется. Остальная часть уже поляризованного света, про­ходя через слои ЖК материала, пово­рачивает плоскость поляризации на 90°. В результате ориентация плоскости поляризации светового потока будет совпадать с плоскостью поляризации нижнего фильтра и поток будет прохо­дить через него практически без потерь.

Если ЖК вещество поместить в электрическое поле, подав на электроды адресации напряжение так, как показано на рис. 2.б, спи­ралевидная молекулярная струк­тура в нем разрушается. Проходя­щий через ЖК материал световой поток уже не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается нижним поляризаци­онным фильтром. Следователь­но, ЖК вещество имеет два опти­ческих состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэф­фициентов пропускания в обоих состояниях определяет.контрастность/изображения.…………………………………………………….
Для обеспечения управления опти­ческим состоянием ячеек-пикселов (элементов изображения) панели тре­буется сформировать такие напряже­ния на электродах адресации, чтобы состояние каждого пиксела изменя­лось без изменения состояния других. Исходя из этого топология электродов адресации ЖК-панели представляет собой матрицу, образованную систе­мой строчных и столбцовых электро­дов, расположенных конструктивно на двух параллельных прозрачных под­ложках. Элементы (пикселы) телевизи­онного изображения в ЖК-панели об­разуются на пересечении строчных и столбцовых электродов. Для реали­зации управления большим числом элементов изображения (а в телевизо­рах это практически всегда так) приме­няют мультиплексирование сигналов.

Несколько вариантов топологии мат­риц, используемых в ЖК-панелях, пред­ставлено на рис. 3. Вариант на рис. З а — самый простой и наиболее популярный. Вариант на рис. 3,6 позволяет получить более широкий шаг выводов для подачи столбцовых управляющих сигналов. Ва­рианты на рис. З.в и г — разновидности архитектуры Dual Scan (или Double Scan), при которой обеспечивается уменьше­ние числа мультиплексируемых строк, что позволяет еще больше увеличить кон­трастность изображения. Фактически в этих случаях формируются два отдель­ных экранных поля, зазор между которы­ми незаметен. Адресация сигналов для обоих полей происходит одновременно.

Различают два способа адресации в ЖК-панелях: пассивный и активный. При пассивной адресации используют временное мультиплексирование строк без применения каких-нибудь ключе­вых элементов. Недостатками такого способа можно назвать низкий коэф­фициент мультиплексирования при ма­лой контрастности, сильное проявле­ние кросс-эффекта и сложная система формирования управляющих сигналов.

При активной адресации для каждого пиксела на пересечении строки и столбца создают ключевой элемент по схеме, изображенной на рис. 4. Такие элементы позволяют использовать более низкий коэффициент мультиплексирования. Контрастность изображения при этом получается значительно выше. Однако ЖК панели с активной адресацией гораз­до дороже панелей с пассивной адресацией, что удорожает и построенные на них аппараты. Активными ключевыми элементами чаще всего служат тонко­пленочные полевые транзисторы ТП"(Thin Film Transistor). На рис. 5.а показан ва­риант топологии, а на рис. 5,б — принципиаль­ная схема ключевого эле­мента активной адреса­ции на таком транзисторе.

Цветные фильтры размещают на внутренней стороне ближней к зрите­лю подложки ЖК-панели. Материалами для изго­товления фильтров служат тонкие пленки различных красителей. Их наносят по различным технологиям: осаждением из растворов или из газовых сред, пе­чатным способом и др. Варианты топологии цвет­ных фильтров иллюстри­рует рис. 6 (R — для крас­ного цвета, G — зеленого, B — синего).

Число строк ЖК-панелей определяет коэффициент мульти­плексирования. Чаще всего применя­ют низкомультиплексированные пане­ли со значениями коэффициента 1:2, 1:3 и 1:4. В зависимости от этого в кон­кретных устройствах управления созда­ется несколько уровней постоянного напряжения, из которых формируются напряжения управления строками и столбцами необходимой формы.

На рис. 7 изображены диаграммы на­пряжений адресации в ЖК-панелях с коэффициентом мультиплексирова­ния 1:3. На нем ВРО—ВР2 обозначают сигналы строчных выходов; Sn—Sn+1 — сигналы столбцовых выходов, Udd — напряжение питания контроллера уп­равления панелью; Ulcd — напряжение смещения, питающее выходные фор­мирователи сигналов; Uобр. равное Udd - Ulcd. — образцовое напряжение: Тk — период кадровой развертки.

Для создания светового потока в ЖК-панелях применяют устройство задней подсветки, которое содержит источник излучения, светораспределители (све­товоды) и один или два отражателя. Источником излучения служат лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные панели, чаще всего, люминесцентные лампы. На рис. 8 представлены типовые конструкции ус­тройств задней подсветки с фронталь­ным (рис. 8,а) и торцевым (рис. 8,б) рас­положением люминесцентной лампы.

Глава 1. Исторический обзор развития микроэлектроники.

1.1. Основные направления развития электроники.

Электроника – это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой – снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника – это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием

uетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

1.2. История развития микроэлектроники.

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Развитие твердотельной электроники тесно связано с успехами физики и химии полупроводниковых материалов. По удельному сопротивлению ρ полупроводники занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Для полупроводников ρ составляет 10-5-108 Ом·м, для диэлектриков 10¹⁶-10²² Ом·м, для металлов 10^-8-10^-6 Ом·м. Температурный коэффициент сопротивления у полупроводников отрицателен, т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается.

В отличие от металлов полупроводники сильно изменяют свои свойства от присутствия даже очень небольших концентраций примеси. У полупроводников заметное изменение ρ наблюдается также под действием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Так, например, при концентрации примесных атомов в полупроводнике около 10^-4 атомных процентов его удельная проводимость изменяется на несколько порядков.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году – плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники – групповой метод и планарная технология – были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 – 1960г.г. В 1961 – 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 – 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам.

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 – 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Дата добавления: 2014-12-07