Studiul de vid (tub) de diode

Funcția de lucru

Metale compuse din ioni care ocupă situri ale rețelei cristaline și ale electronilor de valență care, în timp ce formarea metalului desprinse din atomii lor și formează un gaz de electroni așa-numitul (sau gaz de electroni liberi).

Sistemul de electroni din metal, chiar și la temperaturi de mii de grade degenera, care este, comportamentul acestor electroni nu se supun legilor mecanicii newtoniene clasice, și se supune legilor mecanicii cuantice. Cu toate acestea, pentru a explica (cel puțin calitatea) a anumitor proprietăți ale unui foarte, foarte dur aici legile clasice încă mai pot fi folosite.

Electronii se pot deplasa relativ liber în interiorul metalului cu viteze mari, dar este liber să părăsească metalul, nu pot - este împiedicată de două motive principale.

tot metalul este electric neutru. și în cazul în care dintr-o dată un electron încărcat negativ lasă, taxa de metal și o sarcină pozitivă atrage electronul și-a lăsat să-l, forțându-l să se întoarcă. Din punct de vedere macroscopic se pare ca în cazul în care un electron de pe suprafața metalică induce o sarcină de semn opus. Reieșind din această forță care împiedică emisie de electroni se numește forță de imagine electrică.

electronii sunt ionii mult mai ușor și mai rapid zăbrele, și, prin urmare, cu mișcarea acesteia, în interiorul metalului sunt ușor (în ordinea distanței interatomică) emise în afara frontierelor sale. Deasupra suprafeței metalului format atmosfera electronică în care densitatea de electroni scade rapid cu distanța de metal. Astfel, sub suprafața stratului metalic rămâne ioni pozitivi. Rezultatul este un strat dublu electric de așa-numitul - ceva ca un condensator al cărui electrod pozitiv este format ionii și negativ - luate de pe electroni dincolo de ele. Acest strat dublu formează nici un câmp electric este din metal, dar inhibă cu mișcarea sa de depășirea acestor electroni prin forțându-le să facă munca, iar acest lucru împiedică plecarea lor din metal.

Ambii acești factori asupra gradului de manifestare aproximativ egal.

Astfel, un electron ar putea părăsi limitele de metal, este necesar să se depășească domeniul forței de imagine electrice și stratul dublu electric. la fel ca și aruncat de pe suprafața corpului planetei pentru a depăși câmpul gravitațional al planetei să-l părăsească. În acest scop, acest organism trebuie să aibă o energie care corespunde celui de al doilea viteza spațială. Electronii de ieșire din metal trebuie să fie suficient de mare de energie.

Cantitatea de energie. un electron trebuie să aibă de metal pentru a ieși. Se numește funcția de lucru.

Depinde de tipul de metal: un relativ mic pentru metale alcaline, și este suficient de mare pentru metale refractare, cum ar fi tungsten sau din molibden. Producția de ordinul a activității câteva electron-volți.

emisie termionică

Pentru plecarea de la electronul de suprafață metalică poate dobândi energia necesară în diferite moduri. Cele mai frecvent utilizate sunt două:

a) emisie fotoelectron (sau efectul fotoelectric) și
b) emisie termionică.

Când energia de emisie fotoelectron necesară pentru emisia de electroni primește după iradierea cu metale ușoare sau alte radiație electromagnetică.

Când metalul este încălzit emisie thermionic și energia termică de mișcare poate fi suficientă pentru a face funcția de muncă.

metale fenomenul de emisie de electroni atunci când încălzirea se numește emisie termionică.

Acest fenomen a fost descoperit de Thomas Edison în 1883. Pentru a observa emisia thermionic este convenabil să se utilizeze tuburi cu vid doi electrozi, numit dioda cu vid. Catodul (K) de lampă sârmă cel mai frecvent utilizate (filament) din metale refractare (wolfram, molibden, etc.), un șoc electric incandescent.

Anodul (A) are în general forma unui cilindru metalic care înconjoară catod (K). Dacă dioda inclusă în circuitul prezentat mai sus, curentul nu trece prin lanțul de catod rece. Dacă catod este încălzit la incandescenta, a miliampermetr arată prezența curentului. Când polaritatea bateriei se oprește schimba curente. În consecință, purtătorii de sarcină prin intermediul vidului sunt încărcate negativ particule. adică electroni. deoarece nu reacții chimice la electrozi nu se produce în timpul trecerii curentului termionică.

formula Richardson

Metale stricte termoionici teoria de emisie pot fi construite doar pe baza mecanicii cuantice. dar se dovedește că aproximează teoria clasică descrie acest fenomen nu este atât de rău.

Să electronii din metal nu interacționează unele cu altele, adică ele sunt un gaz ideal. Fie n - concentrația electronilor în metal, m - masa sa, T - temperatura absolută, k - constanta Boltzmann, AO - operare eliberare.

Dacă v - viteza electronului și Vx - proiecția sa pe axa x (chiar dacă această axă este perpendiculară pe suprafața metalică), apoi

Reprezintă numărul de electroni pe unitatea de volum cu proiecția vitezei în intervalul de până la Vx Vx + DVX.
unde f (vx) = (m / 2 kT) 1/2 exp (mvx2 / 2KT) - funcție de distribuția vitezei Maxwell a proiecției.

Din acești electroni pe unitate de timp va acoperi doar acei electroni care se deplasează pe suprafața (vx> 0) și sunt de ea la o distanță de cel mai mare decât Vx, adică toți electronii din înălțimea cilindrului Ux și o suprafață de bază porțiune egală din suprafața metalică. Dacă luăm o unitate de suprafață, numărul de electroni este egal cu

Dacă vom integra această expresie pe toate valorile pozitive ale vitezei de proiecție vx variind de la zero la infinit (adică suma tuturor electronilor care zboară la suprafață și nu de la ea), obținem numărul de electroni, care au ajuns la unitatea de suprafață pe secundă. Acest număr este

Cu toate acestea, nu toate aceste particule sunt în măsură să părăsească metalul, și numai cei care au un energiyumv0 cinetic 2 / 2b mai mare. decât activitatea de ieșire AO. și anume proiecție skorostibolshuyu. decât v0 = (2Avyh / m) 1/2.

Prin urmare, pentru a calcula numărul de electroni emiși pe secundă, cu un singur situs A = N / (S t)]. Ar trebui să fie integrată în care nu de la zero, ci de la v0 la infinit. Această integrală poate fi ușor de calculat, și obținem:

saturație densitatea de curent este cantitatea de încărcare emisă într-o unitate de suprafață de catod într-o secundă, deoarece la saturație tuturor electronilor emiși ajunge la anod, adică jfill = e [N / (S t)] = e A.

Această formulă este cunoscut sub numele clasic (adică non-cuantică) formula Richardson.

În funcție de sensul de a obține o imagine bună, dacă ne întoarcem un pic înapoi în derivarea cu formula, și de a efectua o transformare expresii inverse (1a).

Într-adevăr, viteza termică medie a electronilor:
v = (8kT / m) 1/2. Luând în considerare acest factor înainte de funcția exponențială poate fi reprezentat după cum urmează:

Aceasta este, încărcătura totală adusă în unitatea de timp pe unitatea de suprafață a suprafeței metalice este (1/4) NVE. unde nv / 4 dă numărul (flux) de electroni. Dintre aceste particule ar trebui să fie luate în considerare doar cei care au fost capabili să depășească bariera de potențial și în afara metalului. Este pentru acest flux de particule și înmulțită cu un factor
exp (Avyh / kT). Prin urmare, obținem

Notând cu B „= n e (k / 2 m) 1/2. Obținem din expresia (1a) o altă formulă de reprezentare Richardson

Graficul de mai sus la stânga de j T.

La prima vedere poate părea că există ceva în neregulă. La urma urmei, la școală, știm că primul factor în formula de densitate tokanasyscheniyajnpri termionic emissiiproportsionalenT 2 și nu T 1/2. și este această formulă (cu T 2), și este numit de către Richardson (!?)

Eroare? Nu. Doar punct de vedere istoric, că Richardson a condus cele două formule pentru tokanasyscheniya termionică densitate. și primul (spate în 1901), pe baza unor considerații termodinamice cu utilizarea unor formule empirice a fost derivată

Mai târziu, în 1923, Dushman a obținut o expresie pentru coeficientul B sale prin constante universale:

Aceasta este, constanta B este aceeași pentru toate metalele. care este asociat cu derivarea cu formula (1c) Modelul unui gaz de electroni ideal.

Ca rezultat, cu formula (1c) a fost numit
Formula Richardson-Dushman. și numele
Richardson fix pentru formula (1b).

Ambele formule sunt derivate din idei clasice și, în ciuda aparent neasemănare sale, produc practic nici un rezultat diferite. Faptul este că, în formula lui Richardson-Dushman. și contribuția principală formula Richardson la saturarea densitatea curentului de emisie dă o parte exponențială care au identice. Nu e de mirare de foarte multe ori relația pentru densitatea de curent de saturație este înregistrată în formă logaritmică:

Pentru a restabili dreptatea istorică într-un fel vom da din nou cele două formule clasice pentru saturație curent a emisiei termionică de densitate, împreună cu numele lor originale:

formulă
Richardson -Deshmana

în mod obișnuit numit
Boguslavsky-lege sau Langmuir
„A doua lege a trei.“

Din forma electrozilor depinde doar coeficient numeric C.

La tensiuni joase, această formulă dă valorile curente prea mici. deoarece producția sa nu se ia în considerare dispersia termică a vitezelor electronilor emiși.

La tensiuni înalte. în cazul în care are loc de saturație, cu formula „nu funcționează“ din cauza capacității de emisie cu catod finit.

Cel mai bine această formulă este în concordanță cu experiența cu tensiunile intermediare (pe porțiunea liniară a diodei I-V).

Curent-tensiune caracteristică

În cazul în care câmpul nu este prezent sau este mic, particulele formează un nor în apropierea catodului este în continuă decolarea de la catod și zboară în ea din nou, cu plecare este aleatoare. Puțini sunt cele mai rapide particule pot ajunge la anod, creând un curent anodic a cărui putere este proporțională cu numărul lor.

Când tensiunea ajunge la numărul de particule crește anod, un nor de electroni este resorbit treptat, în timp ce o creștere suplimentară a tensiunii de saturație are loc atunci când toate particulele emise de catod ajunge la anod.

Dreapta (fără zoom) prezintă o așa numită caracteristică curent-tensiune a diodei (IV), adică dependența numărului de particule care ajung la anod (acest număr caracterizează curent) de tensiunea dintre catod și anod.