Физические процессы

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 («электронное облачко») вблизи катода (рис. 16.1). 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

I _s = I _e. (16.1)

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 не теряют полностью свою энергию в тормозящем поле и летят к аноду.

Рис. 16.1. Объемный электронный заряд в диоде

В этом режиме анодный ток меньше тока эмиссии:

i _a < I _e. (16-2)

Наглядное представление о процессах в диоде дают потенциальные диаграммы, показывающие распределение потенциала в пространстве анод — катод (рис. 16.2). По горизонтальной оси откладывают расстояние от катода, а по вертикальной — потенциал, причем положительный принято откладывать вниз. 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, что наглядно изображает кривая 3, которая вблизи катода расположена выше горизонтальной оси.

Рис. 16.2. Потенциальные диаграммы диода при постоянном анодном напряжении и разном напряжении накала

На некотором расстоянии х ₀ от катода потенциал становится минимальным (φ_мин) 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.

Все это иллюстрирует следующая механическая аналогия. Пусть кривые на рис. 16.2 изображают рельеф местности, а из точки О выкатываются с различными скоростями шарики (электроны, вылетающие из катода). Если от точки О начинается уклон (рельеф 1 и 2), все шарики скатываются вниз. Но если рельеф соответствует кривой 3, то вначале имеется горка и через нее перекатятся только шарики с достаточной начальной скоростью. А шарики с меньшими начальными скоростями скатятся обратно. Именно для удобного перехода к механической аналогии было выбрано положительным направление вниз по оси ординат.

На рис. 16.3 даны потенциальные диаграммы при различном анодном напряжении и постоянном напряжении накала. При некотором значении U_a 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 U_a = 0. Для получения U_a = 0 надо замкнуть анод с катодом. В этом случае в пространстве анод — катод электроны создают объемный заряд и повышается потенциальный барьер. Электроны, обладающие большими начальными скоростями, преодолевают этот барьер и долетают до анода. Таким образом, при U_a = 0 возникает небольшой анодный ток, называемый начальным (I ₀).

Рис. 16.3. 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. Тогда на анод попадают электроны и он заряжается отрицательно. 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.

Рис. 16.4. Теоретическая анодная характеристика диода, или график закона степени трех вторых (полукубическая парабола)

Рис. 16.5. Действительная анодная характеристика диода

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.

Для диода, работающего в режиме объемного заряда, анодный ток и анодное напряжение связаны нелинейной зависимостью, которая приближенно выражается законом степени трех вторых:

i _a = gu_a ^3/2, (16.3)

где коэффициент g зависит от геометрических размеров и формы электродов.

Анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени три вторых (3/2), а не в первой степени, как в законе Ома. Если увеличить, например, анодное напряжение вдвое, то анодный ток возрастет в 2,8 раза (так как

2^3/2 = √2³ ≈ 2,8), т.е. станет на 40% больше, чем должен быть по закону Ома. Графически этот закон изображается полу кубической параболой (рис. 16.4). Закон степени трех вторых неприменим для режима насыщения, когда i _a = = I_s = const. Кривую ОАБ иногда называют теоретической характеристикой диода.

Для диода с плоскими электродами

g = 2,33·10^-6 Q _a/ d _a-k², (16.4)

где Q _a — действующая площадь анода; d _a-k — расстояние анод — катод.

Истинная зависимость, между анодным током и анодным напряжением заметно отличается от закона степени трех вторых. Но, несмотря на неточность, закон степени трех вторых в простой форме учитывает нелинейные свойства лампы.

Дата добавления: 2014-01-05