Кристалл CdS 4 страница

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канде-лах и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет десятые доли или единицы милликандел. Напом­ним, что кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стан­дартным источником.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхно­сти. Она составляет- десятки — сотни кандел на квадратный сантиметр.

3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).

4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному свето­вому потоку.

5. Максимальный допустимый по­стоянный прямой ток. Обычно он со­ставляет десятки миллиампер.

6. Максимальное допустимое посто­янное обратное напряжение (единицы вольт).

7. Диапазон температур окружающей среды,' при которых светодиод может нормально работать, например от —60 до +70°С.

Для светодиодов обычно рассматри­ваются следующие характеристики. Яр-костная характеристика дает зависи­мость яркости от прямого тока, а све­товая характеристика — зависимость си­лы света от прямого тока. Спектраль­ная характеристика показывает зависи­мость излучения от длины волны. Вольт-амперная характеристика светодиода та­кая же, как у обычного выпрямитель­ного диода. Важной характеристикой является диаграмма направленности из­лучения, которая определяется конструк­цией диода, в частности наличием лин­зы, и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеян­ным (диффузным).

Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродей­ствие у светодиодов высокое. Свечение возрастает до максимума в течение примерно Ю^-8 с после подачи на диод импульса прямого тока.

Светодиоды конструируют так, что­бы наружу выходил возможно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупро­воднике и полного внутреннего отраже­ния на границе кристалл — воздух. Кон­структивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обес­печивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом кор­пусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные ди­оды. Масса диода составляет доли грам­ма.

Светодиоды являются основой более сложных приборов.

Линейная светодиодная шкала пред­ставляет собой интегральную микро­схему, состоящую из последовательно размещенных светодиодных структур (сегментов), число которых может быть от 5 до 100. Такие линейные шкалы могут заменять щитовые измеритель­ные приборы и служат для отображе­ния непрерывно изменяющейся инфор­мации.

Цифро-буквенный светодиодный ин­дикатор также сделан в виде интеграль­ной микросхемы из нескольких свето-

7 И. П. Жеребцов

диодных структур, расположенных так, чтобы при соответствующих комбина­циях светящихся сегментов получалось изображение цифры или буквы. Одно­разрядные индикаторы позволяют вос­произвести одну цифру от 0 до 9 или некоторые буквы. Многоразрядные ин­дикаторы воспроизводят одновременно несколько знаков. У большинства ин­дикаторов сегменты имеют вид полосок (обычно 7 для каждого разряда). Вы­пускаются также матричные индикато­ры, имеющие 35 точечных светодиод­ных элементов, из которых синтезиру­ются любые знаки. Достоинство мат­ричного индикатора с большим числом элементов заключается в том, что отказ одного из элементов матрицы не при­водит к ошибке при воспроизведении знака. А в 7-сегментных индикаторах отказ одного сегмента часто делает не­возможным правильное прочтение отоб­ражаемого знака.

В течение ряда лет разрабатыва­ются многоэлементные блоки, содер­жащие десятки тысяч светодиодов для получения сложных изображений. На этом принципе могут быть созданы плоские экраны для телевизионных при­емников, заменяющие кинескопы.

Параметры и характеристики цифро-буквенных индикаторов аналогичны тем, которые приводятся для обычных свето­диодов. Цифро-буквенные индикаторы широко используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники, микрокальку­ляторах, электронных часах и др.

13.8. ОПТРОНЫ

Оптрон — это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объ­единены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, ко­торые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излу­чения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласую­щими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интеграль­ной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника — управляемой. Важнейшие достоинства оптронов:

1. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излу­чателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать 10¹⁴ Ом, а проходная емкость не пре­вышает 2 пФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей пикофарада.

2. Широкая полоса частот пропус­каемых колебаний, возможность переда­чи сигналов с частотой от нуля до 10¹⁴ Гц.

3. Возможность управления выход­ными сигналами путем воздействия на оптическую часть.

4. Высокая помехозащищенность оп­тического канала, т. е. его невосприим­чивость к воздействию внешних элект­ромагнитных полей.

5. Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и мик­роэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1. Относительно большая потреб­ляемая мощность, из-за того что дваж­ды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований не­высок.

2. Невысокая температурная ста­бильность и радиационная стойкость.

3. Заметное «старение», т. е. ухудше­ние параметров с течением времени.

4. Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

5. Необходимость применения гиб­ридной технологии вместо более удоб­ной и совершенной планарной (в одном приборе объединены источник и прием­ник излучения, сделанные из разных полупроводников).

Все эти недостатки устраняются в процессе развития оптронной техники.

Конструктивно в оптронах излуча­тель и приемник излучения помещаются

2 3

Рис. 13.17. Оптопары d открытым оптиче­ским каналом / — излучатель; 2 — фотоприемник; 3 — объект

/ — излучатель; 2 — оптически прозрачный клей; 3 — фотоприемник

в корпус и заливаются оптически про­зрачным клеем (рис. 13.16). Для исполь­зования в гибридных микросхемах вы­пущены миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим кана­лом. У них между излучателем и фото­приемником имеется воздушный зазор (рис. 13.17, а), в котором может переме­щаться светонепроницаемая преграда, например перфолента с отверстиями. С помощью перфоленты можно управ­лять световым потоком. В другом ва­рианте оптопар с открытым каналом световой поток излучателя попадает в фотоприемник, отражаясь от какого-либо объекта (рис. 13.17, б).

Рассмотрим различные типы опто­пар, отличающиеся друг от друга фото­приемниками.

Резисторные оптопары имеют в ка­честве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения яв­ляется фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного — из селенида или сульфида свинца. Фото­резистор может работать как на посто­янном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезисто­ра по спектральным характеристикам.

6 6 Рис. 13.16. Принцип устройства оптопары

На рис. 13.18 схематически изображе­на резисторная оптопара (светодиод и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку R_H. Напряжение 1/_упр, подавае­мое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления (цепь излу­чателя) изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения, например 220 В.

В качестве параметров резисторных оптопар обычно указываются макси­мальные токи и напряжения на входе и выходе, выходное сопротивление при нормальной работе и так называемое темновое выходное сопротивление (соот­ветствующее темновому току в несколь­ко микроампер при отсутствии входного тока), сопротивление изоляции и макси­мальное напряжение изоляции между входом и выходом, проходная емкость, время включения и выключения, харак­теризующее инерционность прибора. Важнейшие характеристики оптопары — входная вольт-амперная и передаточ­ная. Последняя показывает зависимость выходного сопротивления от входного тока.

Промышленность выпускает рези­сторные оптопары с источником излу­чения в виде ламп накаливания, электро­люминесцентных конденсаторов и свето­диодов. В некоторых оптопарах, пред­назначенных для коммутации, разме­щается несколько фоторезисторов. Ре­зисторные оптопары применяются для

автоматического регулирования усиле­ния, связи между каскадами, управле­ния бесконтактными делителями напря­жения, модуляции сигналов, формирова­ния различных сигналов и т. д.

Диодные оптопары (рис. 13.19, а) име­ют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый све­тодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фо­то-ЭДС до 0,8 В, или в фотодиодном режиме. Диоды изготовляют по планар-но-эпитаксиальной технологии. Для по­вышения быстродействия применяют фотодиоды типа p — i —п.

Основные параметры диодных опто­пар — входные и выходные напряжения и токи для непрерывного и импульс­ного режима, коэффициент передачи тока, т. е. отношение выходного тока к входному, время нарастания и спада выходного сигнала, а также другие ве­личины, аналогичные параметрам рези-сторных оптопар. Коэффициент передачи трка обычно составляет лишь единицы процентов, а время нарастания и спада для р— i — n-фотодиодов может быть сни­жено до нескольких наносекунд. Свой­ства диодных оптопар отображаются входными и выходными вольт-ампер­ными характеристиками и передаточ­ными характеристиками для фотогенера­торного и фотодиодного режима.

Многоканальные диодные оптопары имеют в одном корпусе несколько оп­топар. Масса оптопары составляет при­мерно один грамм или десятые доли грамма. Оптопары оформлены в метал-лостеклянном корпусе, а для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопары.

Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе' диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных мик­росхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оп­топар — оптопары, в которых фотопри­емником служит фотоварикап (рис. 13.19,6).

Транзисторные оптопары (рис. 13.19,в) имеют обычно в качестве излучателя арсенидо-галлиевый светодиод, а прием­ника излучения — биполярный кремние­вый фототранзистор типа п — р — п. Ос­новные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диод­ных оптопар. Дополнительно указыва­ются максимальные токи, напряжения и мощность, относящиеся к выходной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и выключения, пара­метры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измеритель­ными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.

Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован со­ставной транзистор (рис. 13.19, г) или фотодиод с транзистором (рис. 13.19, д). Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстро­действием, а наибольшее быстродей-

а)

5)

в)

9)

(s

в ) Ж )■ 3)

(Щ)GES)а

Рис. 13.19. Различные типы оптопар

ствие характерно, для диодно-транзи-сторных оптопар.

В качестве приемника излучения в оптопарах применяются также однопе-реходные транзисторы (рис. 13.19, ё). Такие оптопары обычно используются для ключевых схем, например для управ­ляемых релаксационных генераторов, создающих импульсы прямоугольной формы. Однопереходный фототранзи­стор универсальный: его можно ис­пользовать как фоторезистор, если не включен эмиттерный переход, или как фотодиод, если включен только один этот переход.

Разновидность транзисторных опто­пар — оптопары с полевым фототран­зистором (рис. 13.19, ж). Они отлича­ются хорошей линейностью выходной вольт-амперной характеристики в ши­роком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.

Тиристорные оптопары имеют в ка­честве фотоприемника кремниевый фо­тотиристор (рис. 13.19, з) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования — схемы для формирова­ния мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками. Параметры ти-ристорных оптопар — входные и выход­ные токи и напряжения, соответствую­щие включению, рабочему режиму и максимальным допустимым режимам, а также время включения и выключе­ния, параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Оптоэлектронные интегральные мик­росхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах, из­готовляемых на основе диодных, тран­зисторных и тиристорных оптопар, кро­ме излучателей и фотоприемников со­держатся еще устройства для обработ­ки сигналов, полученных от фотоприем­ника. Особенность ОЭ ИМС — одно­направленная передача сигнала и отсут­ствие обратной связи.

Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переклю­чателей логических и аналоговых сиг­налов, реле и схем цифро-буквенной индикации. Кроме ряда параметров, аналогичных параметрам обычных оп­топар, для ОЭ ИМС еще характерны входные и выходные токи и напряжения, соответствующие логическим единице и нулю, время задержки включения и выключения, напряжение источника пи­тания и потребляемый ток.

Существуют типы оптронов, напри­мер с оптическим входом и выходом, служащие для преобразования световых сигналов, индикаторные ОЭ ИМС с несколькими встроенными светодиодами или с сегментным светодиодным инди­катором. Техника оптоэлектронных при­боров весьма перспективна и непре­рывно развивается.

ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ

КРИОЭЛЕКТРОНИКА, ХЕМОТРОНИКА,

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

14.1. КРИОЭЛЕКТРОНИКА

Криогенная электроника, или, короче, криоэлектроника¹,— область науки и тех­ники, которая занимается вопросами применения электронных явлений, про­исходящих в различных веществах при низких температурах. Развитие крио-электроники связано главным образом с тем, что при температурах ниже опре­деленной (критической) в некоторых ве­ществах наблюдается явление сверхпро­водимости, т. е. их электрическое сопро­тивление практически становится равным нулю. Сверхпроводимость открыл в 1911 г. голландский физик X. Камер-линг-Оннес, а теоретическое объяснение этому явлению на основе квантовой физики дали впервые лишь в 1957 г. американские ученые Д. Бардин, Л. Ку­пер и Д. Шриффер и независимо от них в СССР академик Н. Н. Бого­любов.

Переход от конечного.значения со­противления к сверхпроводимости про­исходит скачком при так называемой критической температуре. Но состояние сверхпроводимости исчезает при дей­ствии на сверхпроводник магнитного поля определенной напряженности или если сила тока в сверхпроводнике пре­высит некоторое максимальное зна­чение.

¹ Греческое слово kryos означает «мороз, холод».

Простейший, исторически первый криогенный переключающий прибор, на­званный криотроном, представляет со­бой сверхпроводник / (рис. 14.1), кото­рый можно переводить из состояния с нулевым сопротивлением в состояние с конечным сопротивлением, воздействуя магнитным полем. Поле создается то­ком, протекающим в другом, управляю­идем сверхпроводнике 2, который делает­ся из металла с несколько более высо­кой критической температурой, нежели у управляемого провода /.

Более совершенным является пленоч­ный криотрон (рис. 14.2), у которого перпендикулярно друг другу располо­жены управляемая (1) и управляющая (2) пленки, разделенные слоем диэлектрика 3. Толщина пленок около микрометра, а ширина может быть несколько милли­метров. Управляющая пленка делается более узкой. Обе пленки находятся в сверхпроводящем состоянии, но если пропустить через управляющую пленку ток, не меньший некоторого критиче­ского значения, то магнитное поле этого тока нарушит сверхпроводимость управ­ляемой пленки на участке пересечения пленок и тогда сопротивление управля­емой пленки станет больше нуля. Воз­можны и другие конфигурации крио-тронов.

Основное применение криотронов как переключающих элементов — в быст­родействующих ЭВМ. Два резко различ­ных состояния управляемого проводника соответствуют знакам 0 и 1. Время пере­ключения (перехода криотрона из одного состояния в другое) составляет малые доли микросекунды. Поэтому быстродей­ствие ЭВМ на криотронах весьма высо­кое. Важно также, что на управление криотроном расходуется очень малая мощность. Пленочные криотроны могут быть сделаны очень малого размера, и тогда на площади в 2 см² размещаются тысячи криотронов. Именно пленочные криотроны возможно применять в мик­роэлектронных устройствах.

4^/fff\i

Рис. 14.1..Проволочный криотрон

Рис. 14.2. Пленочный криотрон

Большой интерес представляет полу­чение в замкнутом сверхпроводящем контуре постоянного тока, который мо­жет длительное время протекать без источника ЭДС. Такой ток можно, на­пример, возбудить методом электро­магнитной индукции в металлическом кольце, находящемся в сверхпроводящем состоянии. Вследствие того что сопро­тивление сверхпроводящего кольца, а также потери на нагрев равны нулю, ток в кольце существует много часов и даже дней практически без ослабления. На использовании этого явления основа­на работа запоминающих устройств, в которых отсутствие тока соответствует нулю, а наличие тока — единице. Можно также для запоминания знаков 0 и 1 использовать в сверхпроводящем замк­нутом контуре, токи различных направ­лений.

Особый интерес представляют крио­генные приборы, действие которых осно­вано на эффекте, открытом в 1962 г. английским ученым. Б. Джозефсоном. Сущность эффекта Джозефсона в следую­щем. Если два сверхпроводника разделе­ны очень тонким (менее одного нано­метра) слоем диэлектрика, то через этот слой может протекать постоянный ток, хотя падение напряжения на этом участке будет равно нулю. В этом слу­чае через тонкий слой диэлектрика про­текает своеобразный туннельный ток. Под действием магнитного поля с опре­деленной напряженностью или если ток превысит некоторое предельное значе­ние, эффект Джозефсона исчезает, т. е. ток вообще прекращается.

Таким образом, на эффекте Джо­зефсона могут работать криогенные пе­реключательные элементы. Время пере­ключения джозефсоновских элементов исчезающе мало (до Ю^-11 с), а расход энергии на переключение составляет все­го лишь Ю^-18 Дж. Поэтому на джо­зефсоновских элементах могут быть по­строены сверхбыстродействующие ЭВМ с очень малым потреблением мощности. В подобных ЭВМ число арифметических операций достигает нескольких миллиар­дов в секунду. Предел быстродействия практически не зависит от процессов, связанных с явлением сверхпроводи­мости, а определяется наличием паразит­ных индуктивностей и емкостей, которые неизбежно создают некоторую инер­ционность процесса переключения.

Следует отметить, что сверхнизкие температуры используются также в раз­личных радиоэлектронных устройствах с целью снижения потерь в них. Со­зданы, например, колебательные системы (резонаторы) со сверхвысокой доброт­ностью, доходящей до сотен тысяч и даже миллионов, коаксиальные кабели с ничтожно малым затуханием, резо­нансные фильтры со сверхвысокой изби­рательностью. Весьма важно и то, что при низких температурах снижается уро­вень собственных шумов. Это способст­вует повышению чувствительности ра­диоприемных устройств и позволяет при­нимать весьма слабые сигналы, напри­мер от космических объектов. При обыч­ных температурах прием таких сигналов крайне затруднен, так как они значи­тельно слабее собственных шумов вход­ной части радиоприемного устройства.

Нельзя не упомянуть о применении сверхпроводимости в электроэнергетике. В СССР уже созданы для электро­станций мощные электрические генера­торы со сверхпроводящими обмотками, в которых отсутствуют потери мощ­ности. Колоссальный экономический эф­фект могут дать сверхпроводящие ли­нии электропередачи.

Основной недостаток всех криоген­ных устройств — это необходимость создания для их работы сверхнизких температур. До последнего времени для этой цели использовался жидкий гелий, у которого температура перехода из газообразного состояния в жидкое со­ставляет 4,2 К. Холодильные установки для поддержания такой низкой темпера­

туры сложны, громоздки и дороги. Это ограничивает практическое применение криогенной аппаратуры.

Новые перспективы появились перед криоэлектроникой в связи с открытием так называемой высокотемпературной сверхпроводимости. В 1987 г. было уста­новлено, что некоторые вещества, в частности металлооксидные соединения типа керамики, могут стать сверхпровод­никами при значительно более высоких температурах. Это означает, что для та­ких сверхпроводников вместо дорого­стоящего жидкого гелия можно исполь­зовать жидкий азот, у которого крити­ческая температура составляет 77 К. Жидкий азот производится в больших количествах и относительно дешев. По­этому в электронике в дальнейшем бу­дут использоваться компоненты на вы­сокотемпературных сверхпроводниках*

14.2. ХЕМОТРОНИКА

Хемотроника, называемая иногда ионикой, основана на достижениях элект­рохимии и электроники. Содержание хемотроники — теория и практика элект­рохимических преобразователей для но­вых типов управляющих, информацион­ных, вычислительных и измерительных устройств. Первыми электрохимически­ми приборами были гальванические эле­менты и аккумуляторы, а затем электро­литические конденсаторы, но все они обычно не рассматриваются в хемо-тронике.

В начале развития хемотроники бы­ли созданы приборы, являющиеся анало­гами диодов и триодов, но в них подвижными носителями заряда были ионы в жидких электролитах, а не электроны. На основе этих приборов удалось осуществить выпрямление и усиление. Поскольку масса ионов во много раз больше, а подвижность во много раз меньше, нежели масса и подвижность электронов, приборы хемо­троники весьма инерционны и пригодны только для очень низких частот. Это их свойство представляет собой существен­ный недостаток. Но следует иметь в виду, что во многих системах, например в некоторых устройствах автоматики, про­цессы протекают сравнительно медлен­но и в этих случаях «низкочастотность» приборов хемотроники не имеет зна­чения.

Вместе с тем по сравнению с электро­вакуумными и полупроводниковыми приборы хемотроники обладают некото­рыми преимуществами. Они многофунк­циональны, так как в жидкостях могут протекать различные физико-химические процессы. В этих приборах можно срав­нительно легко перестраивать внутрен­нюю структуру, т. е. осуществлять внут­реннее управление. Хемотронные прибо­ры обладают достаточной устойчи­востью. Для сравнения следует указать, что твердотельные структуры, обладая высокой устойчивостью, практически не­пригодны для внутренней перестройки. В газообразных структурах перестройку осуществлять легко, но устойчивость этих структур недостаточна. Жидкост­ные системы занимают среднее поло­жение: они устойчивы и пригодны для внутренней перестройки. Так, например, человеческий мозг, близкий к жидкост­ным структурам, обладает высокой устойчивостью, надежностью, много­функциональностью и способностью к разнообразной перестройке.

Есть много различных приборов хе­мотроники. Теория таких приборов сложна, так как в них протекают весьма сложные физико-химические про­цессы. Далее будут рассмотрены наибо­лее типичные приборы хемотроники. Как правило, они имеют герметичный корпус, в котором находится электролит и электроды. Материалы некоторых электродов и корпуса не должны всту­пать в химическое взаимодействие с электролитом.

Значительная часть приборов хемо­троники — это концентрационные элект­рохимические преобразователи, иначе на­зываемые преобразователями диффу­зионного типа. Работа этих приборов основана на изменении концентрации активных компонентов электролита. Эти компоненты содержатся в электролите в двух видах: окисленном и восстанов­ленном. Кроме того, в электролите имеется еще и пассивный (индиффе­рентный) компонент, не участвующий в

химических реакциях, а лишь увеличи­вающий проводимость электролита.

Распределение активных компонен­тов зависит от нескольких процессов, протекающих в электролите. Диффузия представляет собой распространение ионов вследствие разности концентра­ций. Конвекция — перемещение самого раствора за счет разности плотностей. Миграция, аналогичная дрейфу носите­лей заряда, — это перемещение ионов под действием электрического поля, со­зданного разностью потенциалов на электродах. Главную роль обычно иг­рает диффузия.

Простейший электрохимический при­бор — симметричная плоская электрохи­мическая ячейка (рис. 14.3) имеет элект­роды одинаковой площади из одного и того же материала. Вольт-амперная характеристика такой ячейки также сим­метричная (рис. 14.4, а). У несимметрич­ной ячейки площади электродов различ­ны и вольт-амперная характеристика несимметрична (рис. 14.4,6), а следова­тельно, такая ячейка обладает выпрями­тельными свойствами. Можно получить выпрямительный эффект и при одинако­вой площади электродов, если разделить весь объем электролита на две нерав­ные части с помощью так называемого диффузионного барьера. Таким барьером может быть пористая либо сплошная перегородка с тонкой щелью или капил­ляром, соединяющим отсеки.

/ 2 3

Рис. 14.3. Простейшая электрохимическая ячейка 1,3 — электроды; 2 — электролит

Электрохимические диоды имеют отношение площадей электродов до не­скольких сотен и такого же порядка коэффициент выпрямления. В отличие от полупроводниковых электрохимиче­ские диоды работают уже при очень низких напряжениях (0,050 — 0,005 В), мо­гут быть очень малых размеров, обла-

а)		л
			и
6)
			и

Рис. 14.4. Вольт-амперная характеристика симметричной (а) и несимметричной (б) электрохимической ячейки

дают низким уровнем собственных шу­мов, просты в изготовлении, дешевы и имеют высокую надежность. Конечно, они пригодны только для низких и инфранизких частот.

Хемотронные диоды с диффузион­ным барьером могут применяться в качестве интеграторов тока, т. е. счетчи­ков количества электричества. При про­текании тока изменяется концентрация компонентов электролита и его цвет. Поэтому возможно визуальное определе­ние количества электричества, но по­грешность составит не менее 10%. Если в диод ввести дополнительный электрод, то можно количество электричества определить по току в цепи дополни­тельного электрода.

В электрохимических датчиках давле­ния имеется три или четыре электрода и часть корпуса делается в виде гиб­кой мембраны. Внешнее Давление пере­дается через мембрану на электролит, который приходит в движение, и тогда на один из электродов попадает больше ионов. Ток этого электрода возрастает, и по нему можно судить о давлении. Такие датчики применяются только для измерения переменного давления. По­добно такому датчику работают элект­рохимические микрофоны, в частности

Рис. 14.6. Принцип устройства ионикса

применяемые для подводной акустиче­ской связи и называемые гидрофонами.

Большую группу приборов хемо­троники составляют электрокинетиче­ские преобразователи. Они основаны на использовании электрокинетического движения. Это движение под действием электрического поля частиц жидкого ве­щества, заряженных положительно и отрицательно. Как уже указывалось, дви­жение ионов под действием поля назы­вается миграцией. Движение в электри­ческом поле более крупных частиц, не­жели ионы, называется электрофорезом. А движение жидкости через пористую перегородку или капилляр под действием поля называется электроосмосом. Работа электрохимического прибора на основе электрофореза или электроосмоса носит название насосного режима. Но возмо­жен и другой — генераторный режим. Он состоит в том, что под действием давления жидкость проходит через по­ристую перегородку и тогда между противоположными сторонами перего­родки возникает разность потенциалов.

Дата добавления: 2015-05-06