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【引用】晶体管与真空管的比较  

2012-01-25 11:03:28|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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  作者:Xie M. X.  (UESTC,成都市)

 

        现在是晶体管及其集成电路广泛应用的时代,但是早在19世纪初就已经发明的真空电子管(Vacuum Electronic Tube,简称为真空管)并不是毫无用武之地,而且把真空管与先进的集成电路工艺结合起来,还更发展出了性能优良的所谓真空集成电路

(1)真空管的基本性能:

真空管的发明与爱迪生、Fleming和de Forest等的科学贡献有关。

真空管在电子技术领域内大约活跃了60年,后来由于具有体积小、功耗低、方便集成和可靠性高等优点的晶体管的出现,直到20世纪70年代真空管才逐渐丧失了历史舞台的中心地位。但是,真空管现在并未被完全淘汰,而是在高功率RF等某些应用领域内仍然占据着至高无上的地位。

真空二极管

真空二极管由一个阴极和一个阳极构成。阴极采用钨丝制作,其上覆盖有功函数较小的氧化钍、氧化锶、氧化钡等氧化物涂层。当通电加热阴极后,阴极即发射出电子;这时,若阳极上加有正电压,则从阴极发射出的电子就会被阳极接收,并输出阳极电流。

随着阳极-阴极之间正电压V的增加,阳极电流I就将越来越大;但是在较大电流时,阳极电流将要受到空间电荷的限制。因此,电流与电压之间不可能是简单的线性关系,而是具有3/2次方的非线性关系:

I = KV3/2

式中K是与阳极-阴极的间距有关的系数(导流系数)。

当然,在阳极上若加有反向电压时,则就不会有阳极电流。所以真空二极管具有单向导电性——整流特性。

图1示出了真空二极管的伏安特性。在阳极-阴极电压较低时,通过二极管的电流基本上是空间电荷限制电流;而在较高电压时电流饱和,属于温度限制的电流。

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真空三极管

在真空二极管的阳极和阴极之间,加上一个多孔的栅极(控制栅),就得到三极管。若阳极加上较高的正电压,则栅极-阴极之间微小的电压变化即可使阳极电流发生很大的变化,从而真空三极管具有放大作用。

真空三极管的阳极电流I与阳极-阴极电压VA和栅极-阴极电压VG有关:

I = K(VG+VA/μ)3/2

式中K和μ都是与几何尺寸有关的常数;μ特称为电压放大系数,K称为导流系数。可见,阳极电流随着阳极电压的增大而增加,是不饱和的伏安特性,如图2所示。

真空三极管的跨导gm为:

gm = δI/δVG = (3/2) K2/3 I1/3

输出阳极交流电阻rA为:

rA = δVA/δI = (2/3) μK-2/3 I-1/3

从而μ= gm×rA,可见μ是真空三极管的开路电压放大系数。

真空三极管的工作频率较低,这主要是由于阳极与控制栅之间的密勒电容所致。

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真空四极管

为了减小真空三极管密勒电容的影响,可以像场效应晶体管电路中采用共源-共栅的结构那样,把输出端与输入端另外再用一个多孔电极(屏栅)隔离开来,这就发展出了真空四极管。真空四极管也就是在阳极与栅极之间加上了一个保持一定电位的屏栅,使得阳极(输出端)信号不能反馈到控制栅(输入端),即把反馈信号接到了交流接地端,从而消除了密勒电容的影响,提高了工作频率。不仅如此,屏栅的加入,还可以提高电压放大系数。

真空四极管存在的问题主要是输出信号功率受到一定的限制。因为当阳极电压摆幅较大、阳极电位低于屏栅电位时,来自阳极的二次电子即被吸引到屏栅上,这就使得阳极电流有所降低,在输出伏安特性上出现负阻区,从而降低了输出功率。真空四极管的伏安特性,如图3所示;可见,在阳极电压较低的范围内,呈现出一定的负阻特性。

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真空五极管

在真空四极管的阳极与屏栅之间再增加一个多孔电极——抑制栅(靠近阳极),就得到真空五极管。工作时,抑制栅保持为低电位(阴极电位),则可抑制二次电子的产生,消除了负阻区,减弱了输出电流对阳极电压的依赖关系(使输出交流电阻增大,电压增益提高)。

图4示出了真空五极管的伏安特性。见到,真空五极管具有饱和型的伏安特性曲线。BJT和FET也都具有真空五极管型的饱和伏安特性。

总之,真空五极管具有较高的工作频率、较大的电压增益和较大的输出功率,因此应用最为广泛。

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(2)真空管与晶体管的性能比较:

①输出特性~BJT和FET的输出特性基本上与真空五极管的一致(饱和特性),但不同于真空三极管(不饱和特性)。

②输出电流I与输入电压V之间的关系~

BJT的输出电流I与输入电压VEB之间有指数函数关系:

I ∝ exp(qVEB/kT)

FET的输出电流I与输入电压VGS之间有平方函数关系:

I ∝ (VGS-VT)2

真空管的输出电流I与输入电压VG之间有2/3函数关系:

I ∝ (VG)3/2

可见,BJT跨导的数值远大于FET,而FET的跨导又较大于真空管。

③跨导gm与输出电流I之间的关系~

BJT的跨导与输出电流之间有线性关系;FET的跨导与输出电流之间有平方根关系;而真空管的跨导与输出电流之间有较弱的依赖关系。可见,从跨导与输出电流之间的依赖关系来看,真空管具有较大的线性工作范围,则不容易产生失真,因此在这一点上真空管具有较大的优越性。

④输出交流电阻rA与输出电流I之间的关系~

BJT的输出交流电阻受到Early效应的影响较大;FET的输出交流电阻要受到短沟道效应和DIBL效应的影响;而真空管的输出交流电阻与输出电流I之间的关系较弱(I-1/3关系)。因此,真空管的性能受到其直流工作点的影响较小。

(3)真空集成电路:

真空集成电路是在90年代初出现的。

因为在固体中电子的漂移速度最大也不超过热运动速度~107cm/s,所以作为固体器件的晶体管,其频率和速度要受到一定的限制。而真空管内的电子的漂移速度不受到此限制(因为没有晶格振动散射和各种杂质、缺陷的散射),则远高于固体中的速度,从而真空管的频率和速度可以达到远高于晶体管的水平。

真空集成电路充分运用了从硅芯片制作中发展起来的微细精加工技术,把真空三极管和真空四极管加以集成,从而把它们用于因受高频、高温、放射线影响而使半导体集成电路难以发挥作用的场合,充分发挥了真空管技术的特长。

微型真空管有独特的优点:

①因为电子在真空中的渡越时间很短,则截止频率可以做得很高;

②真空管的微小尖端阴极不需要加热,就能发射电子,并且寿命可长达10万小时,因此更适合于恶劣环境下的工作;

       ③输出功率比晶体管大得多。

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