Ток үшін вакуумдық лампада Ом заңы орындала ма?
Термоэлектрондық эмиссияны бақылау үшін екі электроды бар вакуумдық лампаны пайдалануға болады: токпен қыздырылатын катод және термоэлектрондарды жинайтын суық электрод (анод).
|
4 – сурет. Вакуумдақ диодтың вольт-амперлік сипаттамасы |
Мұндай лампалар вакуумдық диодтар деп аталынады. 3 – суретте осындай диодты қосудың схемасы көрсетілген. Мұндай тізбекте ток батареяның оң полюсін анодпен, ал терісін – катодпен қосқанда ғана пайда болады. Бұл жағдай катод теріс бөлшектерді – электрондарды шығаратындығын дәлелдейді. Диодтағы термоэлектрондық токтың күші катодқа қатысты анод потенциалының шамасына тәуелді.
Диодтағы ток күшінің анодтың кернеуіне тәуелділігін бейнелейтін қисықты вольт-амперлік сипаттама (ВАС) деп атайды.
6.4 – суретте катодтың әртүрлі температурасындағы диодтың ВАС – ы көрсетілген. Анодтың потенциалы нольге тең болғанда, ток күші аз болып ол тек анодқа жетуіне қабілетті өте тез термоэлектрондармен анықталады. Анодтың оң потенциалы өскенде ток күші өседі және қанығуға жетеді, яғни анодтың кернеуіне тәуелсіз болады.
Катодтың температурасын өсіргенде қанығу токтың мәні де ұлғаяды. Сонымен қатар бірдей уақытта қанығу тогы орнықты болған жағдайындағы анодтық кернеу де өседі.
Сонымен диодтың ВАС-сы сызықтық емес, яғни Ом заңы орындалмайды. Бұл термоэлектрондық эмиссияда катодтың беткі қабатында электрондардың өте үлкен тығыздығының пайда болуымен түсіндіріледі. Олар жалпы теріс зарядты түзейді және жылдамдықпен ұшып шыққан электрондық оны басып өте алмайды. Анодтық кернеудің ұлғаюымен байланысты кеңістік зарядтың бұлтындағы электрондардың концентрациясы кемиді. Сондықтан кеңістік зарядтың тежейтін әсері азаяды да анодтық ток, анодтық кернеуден тікелей тәуелді болуына қарамастан, тезірек өседі.
Анодтық токтың анодтық кернеуден тәуелділігін, теория жүзінде 1-2 участкеде Ленгмюр мен Богусловский алған. Оны «екіден үш заңы» деп те атайды.
Анодтық кернеудің өсуіне сай катодтан ұшып шыққан электрондардың көбі анодқа тартылады. –ның белгілі мәнінде уақыт бірлігінің ішінде катодтан ұшып шыққан электрондар анодқа жетеді. Анодтық кернеудің ары қарай өсуі анодтық ток күшін өсіре алмайды, өйткені қанығу болады.
Катодтық берілген температурасында мүмкін болатын максимал термоэлектрондық токты қанығу тогы деп атайды.
Температура жоғарлағанда металдағы электрондардың хаосты қозғалысының жылдамдығы өседі. Бұл жағдайда металды тастап кетуге қабілетті электрондардың саны кілт өседі. Қанығу тогының тығыздығы, яғни катодтың әрбір бірлік бетіне келетін қанығу тогының күші Ричардсон – Дешмен формуласы бойынша есептелінеді:
(2)
мұндағы -эмиссия тұрақтысы, - =1,38 10-23 Дж/К (Больцман тұрақтысы). Қанығу тогының тығыздығы катодтың эмиссиялық қабілеттілігін сипаттайды, ол катодтың табиғаты мен оның температурасына тәуелді.
Жартылай өткізгішті диод. Сыртқы кернеудің әсерінен p-n ауысуларында қандай өзгерістер болады? Диодтың вас түсіндіріңіз.
Электр өрісінің өзгеруі (түсірілген кернеу есебінен) көлемдік заряд алабы енінің өзгерісін тудырады. Электр өрісінің өсуі осы алаб енінің кішіреюіне әкеп соғады. 2, 3, 4–суреттерде бітеме қабат енінің өзгеруі көрнекілік үшін үлкейтіліп берілген. Шындығында көлемдік заряд алабының ені және оның кернеу түсірілген кездегі өзгеруі бүкіл құрылымның азғантай бөлігін құрайды. Көлемдік заряд алабы енінің өсуі кері бағытта ығысқан өткелдің маңайындағы алабтың заряд тасушыларының сиреуіне әкеліп соғады.
Сыртқы
кернеу өзгергенде көлемдік зарядтың
мөлшері мен шамасының өзгеруі
“сиымдылықтың” өзгеруіне ұқсас, соның
тәртібіне пара-пар. Электр тізбегі
элементінің сиымдылық реакциясы деп
жалпы жағдайда элементке берілген
кернеу өзгерген кезде ондағы зарядтың
өзгерісін айтады
.
Кернеуге
байланысты көлемдік зарядтың өзгеру
процесін сыртқы тізбек электр сиымдылық
ретінде қабылдайды. р-n өткел жағдайында
бұл
тосқауылдық
немесе
зарядтық
сиымдылық
деп аталады, яғни өткел алабындағы екі
электрлік қабат өзін конденсатор сияқты
көрсетеді: р-n
ауысудың шекаралары - конденсатордың
астарлары, ауысудың тасушылар азайған
қабаты – диэлектрик болып табылады.
Бөгеттік (тосқауылдық) сиымдылық жазық конденсатор сиымдылығының белгілі формуласы бойынша анықталады:
, (1)
мұндағы
- р-n
өткелдің ауданы (конденсатор астарларының
ауданы),
- көлемдік заряд алабының қалыңдығы
(диэлектриктің қалыңдығы),
- диэлектриктің салыстырмалы диэлектрлік
тұрақтысы,
-
электрлік тұрақты. Көпшілік жағдайда
өткелдің
ауданы кішкентай болады, бұған қарамастан,
сиымдылық, тасушылары азайған алабтың
қалыңдығы кішкентай болғандықтан, өте
үлкен бола алады.
кернеуді кері бағыттан тура бағытқа қарай өсірген кезде бөгеттік сиымдылық артады (5–сурет), өйткені бітеме қабаттың қалыңдығы кемиді.
Бұл тәуелділік мына формуламен бейнеленеді:
,
(2)
мұндағы
- бөгеттік сиымдылық (
болғандағы);
,
- контактылық
потенциалдар айырмасы.
Бөгеттік
сиымдылық мәндері ондық бөліктерден
ондаған пикофарадқа
дейінгі аралықта болады.
Жартылай өткізгіш құралдарының көпшілігінің жұмыс істеуі жартылай өткізгіштік құрылымдар (р-n) арқылы электр тоғының өтуіне негізделген. Егер Ом заңына бағынатын өткізгіштерді қарастыратын болсақ, онда өткізгіштер арқылы өтетін ток өткізгішке түсетін кернеуге пропорционал болады: , мұндағы – өткізгіштің кедергісі, ол температураға тәуелді, ол өскенде өседі, бірақ мен –ға тәуелді емес. Ал жартылай өткізгіштік құрылымдардың кедергісі ток пен кернеуге тәуелді, яғни бұлардың функциясы болады: = . Осы жағдайдан р-n құрылымының вольт-амперлік сипаттамасы (ВАС) сызықтық емес деген қорытынды шығаруға болады. ВАС – жартылай өткізгіш арқылы бір бағытта және оған кері бағытта өтетін токтың түсірілген кернеуге тәуелді өзгерісін график арқылы бейнеленуі.
6–суретте кремний диодының сипаттамасы келтірілген, оның тура бағыттағы тоғы 80мА жетеді, ал кері қанығу тоғы 0.5 мА. Кернеу 0.5 В маңайында болған жағдайда кремний диодындағы ток нольден елеулі өзгеше болады. Ығысу кері бағыттан +0.5 В-қа дейін өзгергенде ток өте көп есе өзгереді.
ВАС потенциалдардың контактылық айырмасын бағалауға мүмкіндік береді. Диодқа берілген кернеу потенциалдардың контактылық айырмасынан кіші болған жағдайда, ВАС сызықтық емес, өйткені берілген кернеу түгелдей дерлік көлемдік заряд алабына түседі. Осы алабтың ені р-n өткелдің ВАС-ның ерекшелігін анықтайды. Сыртқы кернеу потенциалдық тосқауылдың биіктігінен артқан кезде зарядтың негізгі тасушылары үшін бітеме қабат жойылады (шашырайды) және берілген кернеу бүкіл жартылай өткізгіштің бойымен төмендеп түседі – ВАС сызықтық түрге айналады.
Сонымен, осы екі алабтың (сызықтық және сызықты емес) шекарасындағы А нүктесі контактылық потенциалдар айырымына сәйкес келеді (7–сурет).
|
6–сурет. Кремний және германий диодтарының ВАС - сы |
|
7–сурет. Потенциалдардың контактылық айырмасын ВАС бойынша анықтау |