Исследование электровакуумного триода в рамках виртуального эксперимента (стр. 3 из 6)

Рассмотрим основные виды электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широко используется в электронных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Если вылетевшие электроны не отводятся от эмитирующей поверхности ускоряющим полем, то около нее образуется скопление электронов («электронное облако»). В нем энергии электронов различны и некоторой средней энергией обладает наибольшее число электронов. Средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон-вольта.

«Электронное облако» находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно. Явление термоэлектронной эмиссии напоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде. Над такой жидкостью находится насыщенный пар. В нем энергии молекул различны и некоторой средней энергией обладает наибольшее число молекул. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии с жидкостью: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости. Повышение температуры, начиная с некоторого её значение, вызывает резкое усиление эмиссии.

Электростатическая (или автоэлектронная) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электрическим полем. Эту эмиссию иногда называют холодной.

Выход электронов из металлов при нормальной (комнатной) температуре происходит с помощью электрических полей с напряженностью не менее 10⁵ —10⁶ В/см.

Электростатическая эмиссия значительно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняется концентрацией поля у микроскопических выступов этой поверхности. При наличии активирующих, особенно оксидных, покрытий электростатическая эмиссия также усиливается. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою, здесь играют роль проникновение внешнего поля в полупроводниковый оксидный слой и шероховатость поверхности оксида.

Вторичная электронная эмиссия обусловлена ударами электронов о поверхность тела. Эти электроны называются первичными. Они проникают в поверхностный слой и отдают свою энергию электронам данного вещества. Некоторые из этих электронов, получив значительную энергию, могут выйти из тела. Такие электроны называются вторичными. Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов 10-15 эВ и выше. Если энергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов.

Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии σ, который равен отношению числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₂

Этот коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы. Он зависит от вещества тела, структуры его поверхности, энергии первичных электронов, угла их падения и других факторов. Для чистых металлов максимальное значение σ бывает в пределах 0,5-1,8. Вторичная эмиссия наблюдается так же у проводников и диэлектриков.

Следует заметить, что прямой зависимости между коэффициентом вторичной эмиссии и работой выхода нет. Главную роль во вторичной эмиссии играет получение вторичными электронами энергии от первичных электронов и возможность продвижения вторичных электронов изнутри к поверхности без значительных потерь энергии. Эти процессы совершаются в глубине от поверхностного слоя вещества и зависят от его атомно-молекулярной структуры.

Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц имеет сходство с вторичной эмиссией. В большинстве случаев испускание электронов происходит от бомбардировки тела ионами. Для характеристики такой эмиссии служит коэффициент выбивания электронов δ, равный отношению числа выбитых электронов n_e к числу ударивших ионов n_i:

Значение δ зависит от вещества бомбардируемого тела, от массы и энергии бомбардирующих ионов, состояния бомбардируемой поверхности, наличия на ней активирующих покрытий, угла падения ионов и других факторов. Обычно δ значительно меньше единицы, но для полупроводниковых и тонких диэлектрических слоев наблюдаются значения δ > 1.

Испускание электронов от ударов ионов является основным видом эмиссии в ионных приборах с тлеющим разрядом, например стабилитронах, неоновых лампах и др.

Фотоэлектронная эмиссия, называемая иначе внешним фотоэффектом, представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующий электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатод), а испускаемые электроны – фотоэлектронами.

Триоды

Физические процессы

Катод и анод работают в триоде так же, как в диоде. В режиме объемного заряда около катода образуется потенциальный барьер. Катодный ток зависит от высоты этого барьера. Управляющее действие сетки в триоде подобно действию анода в диоде. Если изменять напряжение сетки, то изменяется высота потенциального барьера около катода. Следовательно, изменяется число электронов, преодолевающих этот барьер, т. е. катодный ток. Если напряжение сетки изменяется в положительную сторону, то потенциальный барьер понижается, его преодолевает большее число электронов и катодный ток возрастает. А при изменении сеточного напряжения в отрицательную сторону потенциальный барьер повышается, его преодолевает меньшее число электронов и катодный ток уменьшается.

Управление током в триоде с помощью сетки аналогично управлению током в биполярном транзисторе. В транзисторе изменение напряжения на эмиттерном переходе вызывает изменение высоты потенциального барьера в этом переходе и в результате изменяется ток эмиттера. Сетка не только управляет катодным током, но и существенно изменяет действие анода. Для электрического поля, создаваемого анодным напряжением, сетка является электростатическим экраном, т. е. препятствием (при условии, что сетка соединена с катодом). Большая часть поля анода задерживается сеткой; лишь незначительная часть поля проникает сквозь сетку и достигает потенциального барьера у катода. Таким образом, сетка экранирует катод от анода и ослабляет действие анода на потенциальный барьер около катода. Говорят, что сетка «задерживает» или «перехватывает» большую часть силовых линий электрического поля, созданного анодом.

Экранирующее действие сетки наглядно показывает картина электрического поля, изображенная на рис. для триода с плоскими электродами, когда сетка замкнута накоротко с катодом, т. е. и_g = 0. Объемный заряд для упрощения не учитывается. Как видно, сетка перехватывает большую часть силовых линий, вышедших из положительно заряженного анода, т.е. действие анода на катод в триоде значительно ослабляется за счет сетки. Но если сетка не соединена с катодом и изолирована от других электродов, то она не будет ослаблять, поле около катода. В этом случае за счет электростатической индукции на сетке возникают два равных разноименных заряда и поле около катода имеет такую же напряженность, как и без сетки.

Большинство силовых линий не доходит до поверхности катода, а заканчивается на электронах объемного заряда, т. е. на электронном облачке около катода. Для упрощения будем говорить о проникновении поля к катоду, подразумевая, что в действительности поле действует на электроны объемного заряда. Чем гуще сетка, т. е. чем больше в ней проводников, чем они толще и чем меньше просветы между ними, тем меньшая часть поля анода проникает сквозь сетку. Кроме того, экранирующее действие сетки максимально при некотором среднем положении сетки между анодом и катодом.

Таким образом, сетка ослабляет действие анода тем больше, чем она гуще.

В диодах нормальные анодные токи получаются при анодных напряжениях, равных единицам или двум-трем десяткам вольт. Если же в диод ввести сетку, то при U_g = 0 такие же анодные токи получаются при анодных напряжениях в десятки и сотни вольт.

Сама сетка действует на анодный ток гораздо сильнее, чем анод. Если подать на сетку напряжение, то возникающее электрическое поле сетки беспрепятственно достигает катода, так как между сеткой и катодом для поля нет препятствий. Сетка занимает «командное» положение. Она действует на электронный поток сильно, а действие анода во много раз ослаблено вследствие того, что сквозь сетку проникает лишь небольшая часть поля анода. Было бы неправильно утверждать, что сетка действует сильнее, чем анод, только потому, что она находится ближе к катоду. Если сетку расположить около анода и она окажется лишь незначительно ближе к катоду, нежели анод, то и в этом случае она во много раз ослабляет поле анода, проникающее на катод. Следовательно, близость сетки к катоду не является главным фактором, влияющим на анодный ток.

Соотношение влияний сетки и анода на анодный ток характеризует важнейший параметр триода — коэффициент усиления µ. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение сетки действует на анодный ток сильнее, чем напряжение анода. Если триод имеет µ = 10, то это значит, что сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод. Чем гуще сетка, тем больше значение µ. При данной густоте сетки коэффициент µ имеет наибольшее значение при некотором среднем положении сетки между катодом и анодом. В современных триодах коэффициент µ равен единицам или десяткам.