Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Диод. Электронно-лучевая трубка

Вакуум – такая степень разрежения газа, при которой можно пренебрегать соударениями между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега l превышает линейные размеры d сосуда, в котором находится газ (l» d).

Явление термоэлектронной эмиссии заключается в испускании электронов нагретыми телами. При этом средняя кинетическая энергия свободных электронов должна быть равна или больше работы выхода.

Это явление лежит в основе принципа действия электровакуумных приборов (радиоламп, электронно-лучевых трубок и т.д.).

Современный диод состоит из стеклянного или металличе­ского баллона, из которого тщательно откачан воздух. В баллон впаяны два электрода, один из которых (катод) К делают в виде нити из тугоплавкого металла, обычно вольфрама, которая может накаляться от источника тока (батареи накала) для создания электронного «облака» в баллоне. Анод диода А чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого вдоль оси расположен накаливаемый катод.

Рассмотренный катод — катод прямого накала — приме­няется редко. Наиболее распространены катоды косвенного подогрева. Они представляют собой полупроводниковый слой, нанесенный на керамическую трубочку. Нагреваются эти катоды миниатюрной электрической печкой.

На рисунке дано схематическое изображение диода с катодом пря­мого (а) и косвенного (б) накала.

При увеличении анодного напряжения все большее коли­чество эмитированных катодом электронов увлекается элект­рическим полем, и сила анодного тока резко возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет значения , при ко­тором все эмитированные катодом за единицу времени элект­роны будут перемещаться полем к аноду. Сила анодного тока достигает максимального значения , которое называется силой тока насыщения диода, и дальнейшее повышение анод­ного напряжения не ведет к увеличению силы анодного тока. Анодное напряжение получило название напряжения насыщения.

При напряжении сила тока I очень мала, значи­тельно меньше силы тока насыщения , поэтому считают, что вольтамперная характеристика проходит через начало коор­динат, то есть пренебрегают силой тока и считают, что при и .

Очень важным и необходимым элементом телевизора, осциллографа, радиолокатора и других приборов является электронно-лучевая трубка. В узком конце ваку­умного баллона находится цилиндрический катод 2, подогре­ваемый электрическим током с помощью металлической спи­рали 1. Диафрагма 3 выделяет узкий электронный пучок (электронный луч). В электрическом поле между катодом и цилиндрическими анодами 4 и 5 электроны разгоняются до скорости порядка 10⁴ км/с. Катод с подогревателем, диафрагма и анод образуют электронную пушку.

Электронный луч 8 проходит через два конденсатора 6 и 7, пластины
которых размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях, и попадает на экран 9, покрытый веще­ством, светящимся под действием электронов. В месте паде­ния луча на экране возникает светящаяся точка.

При подаче на пластины конденсатора 6 постоянного напряжения направление электронного луча изменится и светящаяся точка сместится вдоль вертикали. В случае переменного напряжения электронный луч будет колебаться в вертикальной плоскости и на экране появится светящаяся вертикальная линия, длина которой зависит от значения приложенного напряжения.

Электронно-лучевая трубка является основной частью электронного осцил­лографа, широко использующегося в науке и технике при изучении разнообразных быстротекущих процессов (как электрических, так и неэлектриче­ских после превращения их в электрические).

Кроме нее, в осциллографе есть генератор пилообразного напряжения (генератор раз­вертки), источник питания электронной пушки, блоки с регу­ляторами фокусирования и яркости, а также некоторые другие вспомогательные устройства и детали. В частности, для наблюдения слабых электрических сигналов в осцил­лографе предвиден усилитель, причем соответствующим регу­лятором можно изменять амплитуду наблюдаемых на экране колебаний в нужных размерах.

Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная электропроводность полупроводников. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. Транзистор.

Полупроводники – вещества, у которых удельное сопротивление ρ при комнатных температурах находится в пределах 10^-4÷10^-7 Ом ^. м. В отличие от металлов удельное сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры.

Важнейшими полупроводниковыми материалами являются германий (Ge) и кремний (Si), атомы которых имеют по 4 валентных электрона, связанных с электронами соседних атомов (ковалентная связь).

Тепловое движение, а также различные внешние воздействия (свет, электрическое поле) приводят к освобождению электрона из межатомной связи. На этом месте в решетке появляется дырка, имеющая положительный заряд. Под действием напряжения электроны дрейфуют к положительному полюсу. Возникает собственная электронная проводимость (проводимость п-типа).

Дырки движутся к отри­цательному полюсу, причем их место занимают свободные электроны. Электропроводность чистого полупроводника, обусловленная упорядочен­ным перемещением дырок, называется собственной дырочной проводи­мостью (р - типа). В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Проводимость возрастает при повышении температуры.

С точки зрения зонной теории электрон, получивший дополнительную энергию, освобождается, т.е. переходит из валентной зоны в зону проводимости. На его место в валентной зоне переходит электрон с более низкого энергетического уровня, что соответствует движению положительного заряда (дырки) в направлении, противоположном движению электрона. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью.