3406 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРОХОЖДЕНИЯ В ДИОДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ

  1. 1. Цель работы

 

Освоить экспериментальную методику исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ), изучить вольт-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного диодов.

 

  1. 2. Принцип действия экспериментального прибора и схема его включения

 

Токопрохождение изучается на экспериментальном макете двухэлектродного прибора-диода. Диод имеет два электрода – катод и анод. Простейшая схема включения диода изображена на рис.1. Она содержит две цепи – накальную и анодную. Питание катода осуществляется от вспомогательного источника Uн (постоянного или переменного). При подаче напряжения на катод и его нагреве до сравнительно высоких температур электроны металла приобретают значительную энергию и, преодолев потенциальный барьер, покидают катод. Возникает так называемая термоэлектронная эмиссия.

Анодная цепь состоит из источника анодного напряжения Ea, сопротивления Ra, диодного промежутка. При положительном напряжении на аноде электроны, эмитируемые нагретым катодом, перемещаются к аноду и попадают на него, и в цепи анода протекает анодный ток Ia. Если отсчет потенциала производить от уровня потенциала jк катода (а последний, как правило, принимается за нуль), то анодное напряжение численно равно потенциалу jа анода, т.е. Ua=ja.

Анод   и  катод помещаются  в герметичный и закрытый стеклянный или металлокерамический баллон. Расстояние между электродами составляет порядка сантиметра и менее. При давлении газа в баллоне   10-5¸10-6 мм рт.ст., при котором длина le свободного пробега электрона составляет несколько тысяч сантиметров, прибор работает как вакуумный диод. Перенос тока от катода к аноду осуществляется в таком диоде только электронами, и прибор поэтому носит еще название электронного. При давлении газа 10-2¸10-3 мм рт.ст. и выше, когда le меняется от десятков сантиметров до долей сантиметров, часть электронов при прохождении от катода к аноду сталкивается с атомами газа. В результате в промежутке может иметь место процесс, называемый ионизацией газа. Ионы, появившиеся в результате ионизации газа, также участвуют в токопрохождении через прибор. Данный тип газонаполненных приборов носит название газоразрядных диодов.

 

  1. 3. Токопрохождене в вакуумном диоде

 

Величина эмиссионного тока с катода, находящегося при определенной температуре, зависит от того, какая часть электронов, двигающихся квазисвободно в решетке металла, обладает энергией, превышающей потенциальный барьер, равный работе выхода металла. Количество таких электронов может быть найдено, если известно распределение электронов по скоростям в металле.

Согласно статистике Ферми-Дирака, распределение электронов по скоростям внутри металла описывается формулой:

,                            (1)

где m – масса электрона, h – постоянная Планка, Ef – уровень Ферми,  E – энергия электрона.

Из формулы (1) и графика рис.2 следует, что при T=0 K ни один электрон не может иметь значение энергии, больше чем Ef (рис.2, кривая 1). При температурах Т>0 распределение имеет вид, представленный кривой 2 (рис.2). С повышением температуры появляются электроны с энергией Е> Ef . Сравнивая значение Ef с полной работой выхода W0, можно сделать вывод, что при T=0 K энергия наиболее быстрых электронов значительно меньше W0. Ток эмиссии с катода будет отсутствовать.

Эмиссию способны вызвать только те электроны, энергия которых превышает полную работу выхода:

,                                        (2)

nx – компонента скорости внутри катода в направлении, перпендикулярном поверхности катода.

Эмитируемые катодом электроны заполняют промежуток катод-анод и создают в пространстве отрицательный объемный заряд. Поле отрицательного объемного заряда электронов складывается с положительным полем анода, в результате чего в промежутке устанавливается суммарное электрическое поле. Величина его при заданном напряжении Uа на аноде зависит от распределения концентрации электронов в промежутке катод-анод.

При малых плотностях тока эмиссии (10-6 А/см2) концентрация электронов na даже в области, непосредственно примыкающей к катоду, невелика. Поэтому кривая распределения потенциала (кривая 2 рис.3) имеет небольшое провисание по сравнению с кривой 1, которая представляет собой распределение потенциала между анодом и катодом при отсутствии эмиссии с катода.

Ординаты кривой 2 на всем своем протяжении положительны, и результирующее поле ускоряет электроны во всех точках промежутка катод-анод. В этом режиме все электроны, эмитируемые катодом, уходят на анод.

Данный режим может иметь место вплоть до напряжения на аноде Ua=0, если влияние отрицательного объемного заряда остается незначительным.

В области отрицательных анодных напряжений ток анода подчиняется общей закономерности, установленной Больцманом для частиц, двигающихся в тормозящем поле. В этом случае для анодного тока Ia тоже можно записать выражение:

,                                                     (3)

где Is – ток анода при нулевом анодном потенциале, Ua – абсолютное значение потенциала анода, е – заряд электрона.

Из (3) следует, что при анодном напряжении Ua=0 и незначительном влиянии объемного заряда все электроны смогут достигнуть анода. Поэтому ток анода определяется плотностью тока эмиссии катода jk. Полный ток анода равен: