Тема 4. Розподіл катодного струму в діоді

4.1. Розподіл потенціалу в діодних системах

Електрони, що вийшли з катода в вакуум і стали вільними, при відсутності зовнішнього електричного поля в основному концентруються біля поверхні катода. Це обумовлено максвелівським розподілом їх початкових швидкостей і дією від’ємного просторового заряду всієї сукупності раніше емітованих з катода електронів та тих, що знову виходять з катода.

Для відбору електронів з поверхні катода використовуються постійні і змінні електричні поля. В вакуумних електронних приладах існує два джерела електричного поля: заряди на електродах від зовнішніх джерел ЕРС і внутрішні заряди, що заповнюють міжлектродний простір.

Електростатичне поле в «холодних» діодах (без просторового заряду) нічим не відрізняється від полів відповідних конденсаторів.

П лоский діод:

Ц иліндричний діод:

Сферичний діод:

Рис. 1.24.

Розподіл потенціалу між катодом і анодом виражається функціями:

– в плоскому діоді;

– в циліндричному діоді;

– в сферичному діоді.

Розрахунок полів просторового заряду навіть в таких простих конструкціях діода набагато складніший.

Рис. 1.25.

На рис. 1.25. показана потенціальна діаграма для діода, катод і анод якого – нескінченні паралельні площини. Потенціал катода дорівнює нулю, а потенціал анода U_a . Якщо катод холодний, то струм емісії відсутній, розподіл потенціалу лінійний (пряма 1). Якщо катод розігріти до робочої температури Т_роб, тоді в міжелектродному просторі з’являться емітовані з катода електрони. Вони створюють просторовий заряд, який знижує потенціал між катодом і анодом (крива 2). Розподіл потенціалу нелінійний, поле всюди прискорююче і всі електрони досягнуть анода (режим насичення). Залишимо незмінною температуру катода, Uр _ном = const, і, зменшуючи потенціал U_a, можна одержати криву розподілу потенціалу, дотичну до початку координат (крива 3). В цьому випадку всі емітовані електрони попадуть на анод, струм I_a дорівнює струму емісії катода I_s і називається струмом насичення, а U_a=U_{a нас} – напругою насичення. При подальшому зменшенні анодної напруги (U_a < U_{a нас}) в просторі між електродами з’явиться ділянка з від’ємним потенціалом (крива 4). Мінімум потенціалу U_min виникає поблизу катода, на відстані x_m від нього. Зазвичай x_m складає соті або десяті долі міліметра, а U_min – десяті долі вольта. На ділянці від катода до U_min електричне поле гальмівне для електронів. Потенціальний бар’єр (або потенціальний мінімум) перешкоджає руху емітованих з катода електронів до анода. Досягнути анода зможуть тільки ті електрони, початкова енергія яких достатня для подолання потенціального бар’єра. Всі інші повернуться до катода, створюючи просторовий заряд. При подальшому зменшенні U_a, область дії U_min розширюється їх значення U_min збільшується (крива 5), струм I_a зменшується.

На практиці діоди, як і інші типи електронних ламп, використовуються найчастіше в режимі просторового заряду.

Залежність при Uр=const називається анодною характеристикою діода.