книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

работе лампы свободный барин связывает выделяющиеся из элект­ родов и баллона газы и, таким образом, поддерживает постоянст: во давления в лампе.

1.4. ВАКУУМНЫЕ ДИОДЫ

Физические явления в диоде

Вакуумный диод является двухэлектродной электрон­ ной лампой, имеющей катод и анод (рис. 1.15). Диод проводит электрический ток при положительном по отношению к катоду на­ пряжении на аноде и не проводит его при отрицательном напря­ жении.

Величина анодного тока, протекающего через диод, зависит от тока эмиссии катода, пространственного заряда электронов в про­ межутке катод-анод и от анодного напряжения. В общем случае

б) плоская конструкция

не все электроны, эмиттируемые катодом, попадают на анод. Для изучения зависимости анодного тока от напряжений анода и нака­ ла следует рассмотреть потенциальные диаграммы диода, включен­

30

денное таким образом распределение потенциала от катода к аноду показано на рис. 1.186. По мере удаления от электродов дейст­ вие положительных зарядов, наведенных электронами на их по­ верхностях, уменьшается, и потенциал пространства убывает. Асим­ метрия диаграммы объясняется неравномерным распределением ■объемной плотности заряда электронов. Объемная плотность заря­ да электронов больше у катода и максимальное отрицательное зна­ чение потенциала находится у его поверхности. Это объясняется тем, что плотность тока j — p(x)v(x) в статическом режиме постоян­ на при всех значениях х, а скорость электронов увеличивается по мере приближения к аноду. Тогда р(х) = jjv(x) =const/o(x). При малых значениях х, т. е. у катода, скорость ѵ(х) мала, а объемная плотность заряда велика. Кривая 1 (рис. 1.186) соответствует

31

меньшему электронному потоку с катода, а кривая 2 — большему электронному потоку при более высокой температуре катода.

Результирующий потенциал в диоде получается сложением по­ тенциалов внешнего поля и потенциалов поля пространственного заряда (рис. 1.18а и г). При этом возможны два случая, опреде­ ляющие разные режимы работы лампы по току. Если сложить по­ тенциал внешнего поля (рис. 1.18а) с потенциалом поля простран­ ственного заряда (кривая / на рис. 1.186J, то в результате полу­ чим диаграмму рис. 1.18е, на которой нет отрицательных потенциа­ лов, — поле на всем пространстве катод—анод положительное. Ес­ ли же сложить потенциал внешнего поля с потенциалом простран­ ственного заряда (кривая 2), то в силу большого электронного по­ тока и большого отрицательного потенциала, который дает поле пространственного заряда, результирующая потенциальная диаг­ рамма имеет на расстоянии хм от катода область минимального по­

После прохождения точки хм электроны попадают в ускоряющее полей начинают увеличивать свою скорость.

Режимы работы диода по току. Диод может работать в двух ре­ жимах: пространственного заряда .и насыщения.

Распределение электронов, вылетевших из катода, по энергети­ ческим уровням подчиняется закону Максвелла, согласно которому наибольшее количество электронов имеет малые значения энергии и чем больше энергия, тем меньше электронов имеют эту энергию. Если диод работает в режиме, которому соответствует потенциаль­ ная, диаграмма рис. 1.18г, то электроны с начальными скоростями ф < I UM\ потеряют свою энергию в тормозящем поле и останутся в

странственного заряда в электронной лампе называется такой ре­ жим, при котором вследствие наличия слоя минимального потенци­ ала у катода анодный ток образован частью электронов, эмиттированиых катодом. Анодный ток в этом режиме меньше полного эмиссионного.

В диоде, у которого во всем промежутке катод—анод поле ус­ коряющее, все электроны, вылетевшие из катода, с любыми значе­ ниями энергии попадут на анод. Таким образом, анодный ток будет равен полному току эмиссии /а= /е. Это условие определяет режим насыщения. Таким образом, режимом насыщения в электронной лампе называется такой режим, при котором анодный ток образо­ ван всеми электронами, эмиттированными катодом. Анодный ток в этом режиме равен полному току эмиссии.

Электронные лампы работают как в режиме пространственного заряда, так и в режиме насыщения.

32

Статические вольтамперные характеристики диода

Статической характеристикой диода называется зави­ симость между действующими в диоде токами и напряжениями, со­ ответствующими статическому режиму. Статическая характеристи­ ка может выражаться аналитически или графически. Различают индивидуальные и усредненные статические характеристики. Инди­ видуальная статическая характеристика соответствует режиму ра­ боты одного индивидуального прибора, а усредненная — среднему значению большого-числа индивидуальных характеристик. Откло­ нение точек индивидуальных характеристик от усредненных не должно превышать 10—2 0 %.

Анодный ток в диоде однозначно определяется анодным -напря­ жением и напряжением накала Іа — Ф(ІІл Ua). Для графического изображения этой характеристики требуется трехмерное простран­ ство, что неудобно на практике. Поэтому общую зависимость раз­ бивают на две частные:

Если определяется не одна, а несколько характеристик при раз­ личных постоянных значениях Ua или Uu, то такая совокупность характеристик называется семейством. Статические характеристики можно снимать по точкам, отсчитываемым приборами (рис. 1.16), или определять в целом на экране электронно-лучевой трубки с по­ мощью специального прибора —1характериографа. Характериограф является устройством для автоматического снятия статических ха­ рактеристик.

Эмиссионная характеристика диода отражает зависимость анод­ ного тока диода от напряжения накала при постоянном анодном напряжении. Семейство эмиссионных характеристик диода с воль­ фрамовым катодом / а= Фі('Д„) при Ha= const и потенциальные диаграммы для ряда точек характеристик этого семейства изобра­ жены на рис. 1.19. Экспериментально снятые эмиссионные характе­ ристики отличаются от теоретических, рассмотренных в парагра­ фе 1.2 , во-первых, тем, что за параметр, определяющий нагрев ка­ тода, принята не температура катода Т1Ь которую трудно измерять на. практике, а легко отсчитываемое напряжение накала ,£/„ (в ря­ де случаев ток накала Ін)- Во-вторых, теоретическая эмиссионная характеристика показывает полный ток термоэлектронной эмиссии, который способен создать катод при данной температуре нагрева и не учитывает отбор этого тока анодом. Отбор анодного тока за­ висит от величины анодного напряжения. Таким образом, теорети­ ческая эмиссионная характеристика не учитывает влияние анодного напряжения.

Семейство эмиссионных характеристик в -рассматриваемом слу­ чае состоит из трех характеристик с постоянными значениями анодного напряжения U'a <U"a <CUa'" . Рассмотрим характеристику

со значением Ѵ'а . Обозначим на ней ряд характерных точек. Для

каждой из этих точек изобразим потенциальные диаграммы диода. При Ua = 0 катод холодный и эмиссии электронов нет: / а=0. Повы­ шение напряжения накала до Uni приводит к появлению заметного анодного тока. Таким образом, начало характеристики сдвинуто

Рис. 1.19. Семейство эмиссионных характеристик диода и потенци­ альные диаграммы для ряда точек этих характеристик

вправо от начала координат на значительное расстояние. При £/ні ток мал и пространственный заряд электронов существенно не 'из­ меняет линейного распределения потенциала Ua внутри лампы (кривая 1), характерного для плоско-параллельной системы элект­ родов. При Uн2 эмиссия электронов возрастает и заряд электронов снижает потенциал в междуэлектродном 'пространстве (кривая 2). Однако это снижение невелико и результирующее поле на всем протяжении от катода до анода остается для электронов ускоряю­ щим. Все электроны, эмиттированные катодом, попадают на анод. В этом случае имеет место режим насыщения анодного тока.

Режим насыщения наблюдается на восходящем участке харак­ теристики до ее перегиба. Далее режим насыщения переходит в режим пространственного заряда. При і/нз эмиссия электронов значительна и соответственно значительно снижение потенциала внешнего поля (кривая 3), так что на расстоянии хм3 от катода об­ разуется отрицательный потенциал величиной UM3. Этот потенциал является тормозящим для низкоскоростных электронов, и они, не преодолев его, пополняют собою пространственный заряд у като­ да. Тормозящее поле преодолевают только те электроны, у кото­ рых <р> I Дмз|- Эти электроны, попав в ускоряющее поле, образуют анодный ток, который будет представлять собой часть эмиссионногбтока.

‘•Дальнейшее увеличение напряжения накала до значения Uu4 существенно увеличивает количество электронов эмиссии, однако анодный ток увеличивается лишь незначительно, так как увеличе­ ние термоэлектронной эмиссии приводит к уменьшению потенциа­ ла у катода до величины £/м4 (кривая 4). Таким образом, благода­ ря режиму пространственного заряда характеристика идет поло­

34-

го, анодный ток увеличивается незначительно (несмотря на резкое увеличение температуры катода и термоэлектронной эмиссии). При больших значениях анодного напряжения U"a и ІІ'а переход режи­

ма насыщения в режим пространственного заряда происходит при больших значениях напряжения накала, так как внешнее поле имеет высокий потенциал у катода, который снижается до отрица­ тельного при большом токе термоэлектронной эмиссии.

Как правило, лампы работают при постоянном номинальном значении напряжения накала. Поэтому. эмиссионные характерис­ тики требуются лишь в тех случаях, когда по каким-либо причи­ нам нужно регулировать напряжение накала или выбирать режим по накалу, отличный от номинального.

Анодная характеристика диода, отражает зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении нака­ ла. Семейство экспериментальных статических анодных характе­ ристик диода для вольфрамового катода Ia = <£>2 (Ua) при t/H= const, причем U 'а<Cf/” < £ С ", изображено на рис. 1.2 0 :

ВолыррамоВый.

простр. насыщезаряда. г ния '

Рис. 1.20. Семейство анодных характеристик диода и его по­ тенциальные диаграммы

Рассмотрим для примера характеристику при U'a и потенциаль­

вая О). Несмотря на наличие минимума потенциала, часть элект­ ронов, вылетающих из катода с большими скоростями, достигнет анода, преодолев этот тормозящий потенциал. Таким образом, при Ua = 0 будет существовать небольшой анодный ток. Для прекраще­ ния этого тока на анод нужно подать небольшой отрицательный потенциал (доли вольта — несколько вольт). Следовательно, ха­ рактеристика начинается несколько левее начала координат при небольших отрицательных напряжениях на аноде.

До точки, где характеристика ответвляется, диод работает в режиме пространственного заряда, после этой точки — в режиме насыщения. При iUal поле анода недостаточно для рассасывания облака электронов у катода (кривая 1 на потенциальной диаграм-

Me). После ответвления характеристики, например, при 0 &г потен­ циальная диаграмма (кривая 2) не имеет минимума, и лампа ра­ ботает в режиме насыщения. Дальнейшее увеличение анодного на­ пряжения не должно увеличивать анодный ток, так как термоэлект­ ронная эмиссия при постоянном значении U'H должна быть посто­

янной, все электроны в режиме насыщения достигают анода. Од­ нако анодный ток несколько увеличивается, что объясняется увели­ чением термоэлектронной эмиссии из-за эффекта Шоттки, который проявляется, как показано в 1.2 , при нали­ чии у катода ускоряющего электрического поля анода, снижающего работу выхода.

Этот эффект наиболее заметен в полупровод­ никовых катодах и наименее — в металличе­ ских. Поэтому вид анодной характеристики в режиме насыщения сильно зависит от ма­ териала катода (рис. 1.2 1 ).

поэтому характеристика лампы в режиме насыщения пологая. Вид анодной характеристики для металло-пленочных катодов является

промежуточны м.

Как правило, диод работает при номинальном напряжении накала, поэтому справочники содержат усредненную характеристи­ ку, соответствующую номинальному напряжению накала (рис. 1.22). Снятие и использование характеристик допускается до зна-

чения тока /а макс= ^*адоп/^амаксЭто значение определяется пере­ сечением статической характеристики с кривой допустимой мощно­ сти рассеивания на аноде, построенной на графике по уравнению

3G

Ja = Ра доп/и a. Задавая ряд значений Ua, получаем значения анодно­

.зависит от распределения начальных скоростей электронов, выле­ тающих с катода, и от контактной разности потенциалов между ка­ тодом и анодом. С учетом этих факторов начальный участок ха­ рактеристики можно аппроксимировать экспоненциальным выра­ жением:

/а = /а о ехр 9 (Ца о Н~ Uк) kT

где / ао — анодный ток при Ua = 0 (десятки микроампер); t/aо — на­ пряжение, при котором / а= 0 (десятые доли вольта—вольты); UK— контактная разность потенциалов.

Восходящий участок анодной характеристики (рис. 1.24а) чаще всего аппроксимируют степенным полиномом:

h = a + $ U a + y U l + . . .

Рис. il.24. К пояснению аппроксимации анодной характеристики диода:

а) степенным полиномом; б) линейной; в) линейно-ломаной

Количество членов полинома зависит от точности приближения. В ряде задач удовлетворительное решение получается при выраже­ нии характеристики одним членом полинома / a» ß [ /a (линейная аппроксимация) (рис. 1.246). Если анодная характеристика имеет пологий участок в режиме насыщения, то возможна кусочная ли­

37

ная, зависящая от конструкции электродов, их размеров и расстоя­ ния между ними; Яа — активная поверхность анода; ла — рас­ стояние от катода до анода и ß-=l для плоской конструкции дио­ да; га — радиус анода; ß — поправочный коэффициент, учитываю­ щий конечные размеры катода для цилиндрической конструкции

диода; С= 2,33- 10-G А/В3/2 — постоянный коэффициент.

Закон степени трех вторых справедлив для участка анодной ха­ рактеристики, соответствующей режиму пространственного заря­ да. Это выражение существенно отклоняется от реальной характе­ ристики и на практике применяется редко. Однако оно не потеря­ ло полностью своего значения и удобно с методической точки зре­ ния для качественной оценки процессов, протекающих также и в электронных лампах с сетками.

Статические параметры диода

Любой электронный прибор имеет большое число электрических, тепловых, механических и других эксплуатационных параметров. Среди этих параметров важное место занимают стати­ ческие характеристики диода. Основной из этих характеристик яв­ ляется анодная Іа = Фі(Ѵа) при Uu = const. Дифференциальные па­ раметры характеристики следующие:

Крутизна характеристики

тем больше приращение анодного тока при изменении анодного на­ пряжения и тем лучше свойства диода. Практически крутизну ха­

тизну принято выражать в тысячу раз большей величиной: числом миллиампер на один вольт. Таким образом, крутизна показывает приращение анодного тока в диоде, выраженное в миллиамперах, на один вольт приращения анодного напряжения. Обычно в мало­ мощных диодах 5 = 0Дч-10 мА/В.

Внутреннее сопротивление диода для переменного тока Ri=

— dU Jdl^ Ом — величина, обратная крутизне. Практически внут­ реннее сопротивление можно определить как отношение малых

•38

■приращений анодного напряжения и анодного тока (рис. 1.26с):

Ri=A'UJAIa, Ом.

Физический смысл внутреннего сопротивления диода перемен­ ному току заключается в том, что если в цепь анода включить ис-

Рис. 1.26. К определению внутреннего сопротивления диода: а) для переменного тока; б) для постоянного тока

Ri=-UMIJH будет как раз то, которое оказывает диод источнику пе­ ременного тока с небольшой амплитудой напряжения. Из рис. 1.26а видно, что на пологом участке характеристики в точке В из­ менение переменного напряжения вызывает незначительные изме­ нения анодного тока. Следовательно, внутреннее сопротивление диода, соответствующее этому участку, велико. В точке А кривой внутреннее сопротивление диода имеет меньшую величину. В этой точке приращение тока / м при том же значении £/м будет больше. Как правило, внутреннее сопротивление диода Ri = 100—10 000 Ом.

Формула, связывающая внутреннее сопротивление и крутизну характеристики, называется внутренним уравнением диода:

составляющая анодного тока в точке А (рис. 1.266). Если диод, на­ ходящийся в цепи постоянного тока, заменить сопротивлением Ro, то напряжения и токи в такой цепи останутся без изменения; R0 отличается от Ri в реальной характеристике и совпадает с ним при ее линейной аппроксимации.

Емкость диода определяется между катодом и анодом при на­ гретом катоде. Ее значение в приемно-усилительных лампах Сд= =<0,1-МО пФ. При работе на высоких частотах емкость диода нару­ шает одностороннюю проводимость.

Параметры S и Rt приводятся в справочниках Для одной точки характеристики. Если их нужно определить для других точек, можно воспользоваться испытателем ламп или найти их с помощью вольтметра и миллиамперметра, включенных по схеме рис. 1.16,

39