45. Излучающие полупроводниковые приборы, параметры и характеристики.
46. Основные сведения об электровакуумных приборах и физические основы их работы.
С помощью этих приборов можно преобразовать электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую и обратно.
При помощи электровакуумных приборов
можно осуществить регулирование различных электрических, световых и других величин
К ЭВ приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые трубки, электровакуумные фотоэлектронные приборы, вакуумные люминесцентные индикаторы и др. Принцип действия ЭВ приборов основан на создании электронного потока и управлении этим потоком свободных электронов с помощью электрических или электромагнитных полей. Для получения потока свободных электронов используют специальный механический или полупроводниковый электрод, называемый катодом. Процесс выхода электронов из катода называется электронной эмиссией. В зависимости от способа сообщения электронам дополнительной энергии, которая необходима для преодоления тормозящего действия сил двойного электрического слоя у поверхности катода, различают несколько видов электронной эмиссии:
1.термоэлектронную – дополнительная энергия сообщается электронам при нагреве катода
2.вторичная электронная – возникает при бомбардировке катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью
3.электростатическая – выход электронов из катода обеспечивается сильным электрическим полем у его поверхности.
В современных электронных приборах широкое распространение получили катоды с термоэлектронной эмиссией прямого и косвенного накала. В катодах прямого накала ток проходит по катоду, нагревая его. Обычно они изготавливаются из вольфрамовой проволоки и нагреваются до температуры более 2000 градусов С. Для увеличения количества электронов, выходящих из катода, последний покрывается активным слоем, например торием. Катоды прямого кала отличается большим уровнем шумов, что приводит к нарушению нормального режима работы ЭВ приборов. Поэтому чаще используют катоды косвенного накала, представляющие собой полый цилиндр, внутри которого размещается спираль нагревателя, изолированная от катода. Наружная поверхность цилиндра покрыта активным слоем.
47. Двухэлектродные лампы, физические процессы.
Наиболее простой электронной лампой является двухэлектродная лампа, которую чаще всего называют диодом. Такая лампа имеет всего два электрода: катод и анод. Они помещены в стеклянный или металлический баллон, в котором создан вакуум.
Условные
графические изображения диодов
Рассмотрим диод с плоскими электродами. Анодное напряжение создает между анодом и катодом электрическое поле. Если нет электронной эмиссии катода, то поле будет однородным. Когда катод испускает большое число электронов, то они в пространстве анод — катод создают отрицательный объемный (пространственный) заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Наиболее плотный объемный заряд вблизи катода (рис. 1). За счет объемного заряда электрическое поле становится неоднородным.
Возможны два основных режима работы диода. Если поле на всем протяжении от катода до анода ускоряющее, то любой электрон, вылетевший из катода, ускоренно движется на анод. Ни один электрон не возвращается на катод, и анодный ток будет наибольшим, равным току эмиссии. Это режим насыщения. Ему соответствует анодный ток насыщения
Второй — режим объемного заряда (точнее, режим ограничения анодного тока объемным зарядом), когда вблизи катода поле является тормозящим. Тогда электроны, имеющие малую начальную скорость, не могут преодолеть тормозящее поле и возвращаются на катод. Электроны с большей начальной скоростью летят к аноду.
Рис. 1. Объемный электронный заряд в диоде
В этом режиме анодный ток меньше тока эмиссии
Наглядное представление о процессах в диоде дают потенциальные диаграммы, показывающие распределение потенциала в пространстве анод — катод (рис.2). По горизонтальной оси откладывают расстояние от катода, а по вертикальной — потенциал. Потенциал катода принимается за нулевой.
Когда катод не накален, то объемный заряд отсутствует и поле однородно. Потенциал растет пропорционально расстоянию от данной точки до катода (прямая 1). Если же катод накален, то существует объемный отрицательный заряд, и тогда потенциалы всех точек понизятся, за исключением потенциалов катода и анода, так как анодное напряжение задается внешним источником. Линия распределения потенциала прогнется вверх (кривая 2). Когда объемный заряд небольшой, то во всех точках потенциал остается положительным (кривая 2 находится ниже горизонтальной оси) и поле будет ускоряющим, что соответствует режиму насыщения. При увеличении накала катода объемный заряд также растет и потенциал в различных точках понижается еще больше. Кривая распределения потенциала прогибается сильнее, и отрицательный потенциал вблизи катода может превысить по абсолютному значению положительный потенциал ускоряющего поля анода. Результирующий потенциал становится отрицательным (кривая 3, которая вблизи катода расположена выше горизонтальной оси)
Рис..2. Потенциальные диаграммы диода при постоянном анодном напряжении и разном напряжении накала
На некотором расстоянии х0 от катода потенциал становится минимальным (φмин) и обычно составляет десятые доли вольта. На этом участке электрическое поле является тормозящим. Около катода образуется потенциальный барьер. На анод попадают только те электроны, у которых начальная скорость достаточна для преодоления потенциального барьера. Электроны с меньшей начальной скоростью теряют энергию, не дойдя до «вершины» потенциального барьера. Они возвращаются на катод. Кривая 3 соответствует режиму объемного заряда. Следующее увеличение накала характеризует кривая 4: потенциальный барьер стал выше и «отодвинулся» от катода.
На рис. .3 даны потенциальные диаграммы при различном анодном напряжении и постоянном напряжении накала. При некотором значении Ua наступает режим насыщения (кривая 1), при меньшем напряжении — режим объемного заряда (кривая 2). Кривая 3 для еще более низкого напряжения показывает, что потенциальный барьер стал выше. Кривая 4 соответствует напряжению Ua = 0.Для получения Ua = 0 надо замкнуть анод с катодом.
Рис..3. Потенциальные диаграммы диода при постоянном напряжении накала и разном анодном напряжении
Кривая 5 соответствует разрыву цепи анода. В первый момент после размыкания анод имеет нулевой потенциал, что соответствует кривой 4. Правый конец диаграммы сдвигается вверх (кривая 5), потенциальный барьер повышается, и на анод попадает все меньше электронов. Когда барьер настолько увеличится, что ни один электрон не сможет его преодолеть, возрастание отрицательного потенциала анода прекратится.
Таким образом, изменение анодного тока при изменении анодного напряжения в режиме объемного заряда происходит за счет изменения высоты потенциального барьера около катода. Если анодное напряжение увеличивается, то барьер становится ниже, его преодолевает больше электронов и анодный ток возрастает. При уменьшении анодного напряжения потенциальный барьер повышается, меньше электронов может его преодолеть, больше электронов возвращается на катод, т. е. анодный ток уменьшается.