Электрическое поле в диоде

Рассмотрим плоскую конструкцию диода, в которой между плоскими анодом и ка­тодом действует анодное напряжение uа = φа - φк. Если принять φк = 0, то анодное напряжение численно равно потенциалу анода, то есть uа = φа. При подведении к ди­оду напряжения uа на аноде и катоде возникают заряды qa и qк, создающие внешнее электрическое поле. Заряд qa определяется соотношением qa = Ск-а*( φа - φк) = Ск-а* uа, где Ск-а — емкость между катодом и анодом. Заряд qк определяется соотноше­нием qк = Ск-а*( φк - φа) = - Ск-а* uа. Заряды qк и qa создают между плоскими анодом и катодом однородное электрическое поле, которое можно охарактеризовать потенциальной диаграммой, имеющей вид прямой линии (график 1 на рис. 10.1).

Электроны, заполняющие пространство между катодом и анодом, создают поле пространственного заряда. При этом следует иметь в виду, что отрицательные заряды электронов наводят на электродах заряды противоположного знака. Поэтому поле пространственного заряда создается не только пространственным зарядом электронов, но и наведенными на электродах положительными заряда­ми. Величина потенциала поля определяется результирующим действием как пространственных, так и наведенных зарядов. В разрядном промежутке между катодом и анодом электроны движутся равномерно ускоренно, поэтому плотность объемного заряда электронов убывает в направлении от катода к аноду. Вслед­ствие этого распределение потенциала поля пространственного заряда в разряд­ном промежутке принимает вид, показанный графиком 2 на рис. 10.1. По мере удаления от катода усиливается влияние объемного отрицательного заряда, по­этому потенциал φ(х) становится более отрицательным. Если бы распределение объемного заряда было равномерным, то точка минимального потенциала распо­лагалась бы посередине разрядного промежутка. Однако поскольку плотность объемного заряда у катода больше, чем у анода, точка минимального потенциала оказывается смещенной в сторону катода. По мере приближения к аноду возрас­тает влияние наведенного положительного заряда на аноде, поэтому потенциал поля пространственного заряда возрастает. Результирующее электрическое поле определяется путем суммирования потенциалов внешнего поля и поля простран­ственного заряда (график 3 на рис. 10.1). Это поле на расстоянии rкт от катода имеет минимум потенциала, абсолютное значение которого равно |φт|, Величина потенциального минимума зависит от температуры катода и напряжения анода.

Околокатодный процесс

Околокатодный процесс определяет количество электронов, эмитированных ка­тодом, способных преодолеть потенциальный барьер |φт|. Обозначим через Ne ко­личество электронов, эмитируемых в 1 с с 1 см2 поверхности катода. Эти электро­ны создают ток эмиссии, плотность которого определяется уравнением

(10.1)

где А - константа, зависящая от материала катода;

(Ео - EF) — работа выхода электрона;

k — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

Электроны, эмитированные катодом, имеют различные начальные скорости. Рас­пределение электронов по начальным скоростям характеризуется экспоненциаль­ной зависимостью

(10.2)

где и — скорость электрона, В;

Nu — количество электронов, начальная скорость которых превышает величину и.

Количество электронов, способных преодолеть потенциальный барьер высо­той |φт|, можно определить, приняв и = |φт|. Тогда плотность катодного тока бу­дет равна

(10.3)

Наглядное представление об околокатодном процессе дает рис. 10.2, где показа­ны зависимости N(u)и φ(х). При изменении температуры катода и анодного на­пряжения изменяется величина |φт|, а следовательно, величина катодного тока. В вакуумном диоде все электроны, преодолевшие потенциальный барьер |φт|, по­падают на анод. Следовательно, анодный ток равен катодному току, то есть ia = iк.

Анодные характеристики

Анодные характеристики диода характеризуют зависимость анодного тока ia от анодного напряжения ма при постоянном напряжении накала иа. На рис. 10.3 по­казаны потенциальные диаграммы для различных значений напряжения иа. Если иа < 0, то попасть на анод могут только те электроны, начальная скорость которых превышает величину иа. Такой режим называют режимом тока вылета. Если иа = 0, то существует некоторый начальный ток, создаваемый электронами, преодолев­шими потенциальный барьер. Если иа > 0, то существует режим пространстве­ного заряда. В этом режиме по мере роста иа снижается потенциальный барьер |φт| и возрастает ток ia Это основной режим работы диода. В этом режиме рост тока примерно подчиняется закону степени трех вторых:

(10.4)

Здесь g — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции диода.

Для цилиндрического диода

(10.5)

Здесь Sa — площадь поверхности анода;

β2 — коэффициент, зависящий от отношения радиуса анода rа к радиусу катода rк (чем меньше это отношение, тем больше коэффициент g).

При достаточно больших значениях иа потенциальный барьер |φт| исчезает. В этом случае все электроны, эмитированные катодом, попадают на анод, то есть iа = ie. Такой режим работы называется режимом насыщения.

На рис. 10.4 показаны анодные характеристики для двух различных напряже­ний накала иа. Чем больше иа, тем больше эмитируется электронов, тем выше потенциальный барьер |φт| и тем выше напряжение иа, при котором наступает режим насыщения. Практически все электронные лампы работают в режиме пространственного заряда, в котором анодный ток слабо зависит от напряжения накала.

Вакуумные триоды

Вакуумный триод помимо катода и анода содержит сетку, выполненную в виде проволочной спирали и расположенную в непосредственной близости от катода. Основное назначение сетки — воздействовать на тормозящий потенциал и управ­лять электронным потоком. Поэтому ее называют управляющей. Обычно на сет­ку подают отрицательный потенциал относительно катода, поэтому электроны на нее практически не попадают. Изменяя потенциал сетки, можно управлять коли­чеством электронов, преодолевающих тормозящий потенциал |φт| и перемещающихся через просветы между витками сетки к аноду.