Файл: Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие.pdf

§ 2.3. РЕАЛЬНЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ

Характеристики, снятые опытным путем на реальных лампах, довольно значительно отличаются от теоретических, т. е. построен­ ных на основании кривых Ленгмюра или Ферриса (рис. 2.26). В целом

строго постоянным, а увеличивается с ростом U .

Эти различия вызваны рядом явлений, не учтенных в изложенной ранее теории. Основными из них являются контактная разность по­ тенциалов, неравномерное распределение температуры по поверхности кдтода и эффект Шоттки.

2.3.1. Влияние контактной разности потенциалов

Как известно, под контактной разностью потенциалов понимают разность потенциалов, возникающую при отсутствии внешних на­ пряжений в пространстве между двумя телами, имеющими различные работы выхода и электрический контакт друг с другом. Для выясне­ ния влияния контактной разности потенциалов на движение электро-' нов в междуэлёктродном пространстве диода рассмотрим рис. 2.27. На нем даны энергетические диаграммы междуэлектродного простран­ ства для двух случаев, при отсутствии и при наличии источника на­ пряжения в анодной цепи. В подобного рода энергетических диаграм­ мах по оси ординат в общем случае откладывается потенциальная энергия электронов; в данном случае по ней отложена разность между

56

потенциальными энергиями, которыми обладают электроны в рас­ сматриваемой точке междуэлектродного пространства, и на уровне Ферми, находясь внутри катода. В связи с тем, что заряд электрона отрицательный, в энергетических диаграммах, в отличие от диаграмм распределения потенциалов в междуэлектродном пространстве, вверх по оси ординат откладываются не положительные, а отрицательные потенциалы, дополнительно умноженные на е. Скачки на границе электродов с вакуумом представляют собой потенциальные барьеры,

Рис. 2.27. Энергетическая диаграмма междуэлектродного про­ странства диода при холодном катоде:

а — без источника анодного напряжения; 6 — при наличии источника анодного напряжения. Е р — уровень Ферми

соответствующие работе выхода катода есрк и анода есра. Если оба электрода накоротко соединены друг с другом и, следовательно, уров­ ни Ферми у них совпадают (рис. 2.27,а), то в пространстве между электродами действует разность потенциалов, соответствующая раз­ ности их работ выхода. Этаразность и будет контактной разностью потенциалов

Если-фа > фк, то UKрп < 0, т. е. поле, возникающее за счет кон­ тактной разности, тормозит движение электронов. Для того чтобы

57

правильно учитывать влияние контактной разности потенциалов на движение электронов, надо иметь в виду, что в этой разности с поло­ жительным знаком всегда должна стоять величина потенциального барьера того электрода, от которого электрон летит.

При включении в анодную цепь источника напряжения U (рис. 2.72,6) в пространстве между электродами будет действовать не­

Для учета влияния контактной разности в диоде ее значение, таким образом, нужно добавлять к подаваемому извне анодному напряжению. Так, например, формула (2.11) при учете контактной разности потенциалов принимает вид

Величина контактной разности потенциалов зависит от материала электродов и состояния их поверхности. Для различных типов ламп она может принимать значения, лежащие в пределах —0,5 н---- 3 В. Но и у ламп одного и того же типа UKpn может не быть одинаковой, а колебаться в широких пределах. Это связано в основном с тем, что работа выхода анода, в зависимости от обстоятельств, может прини­ мать различные значения. Так, например, во время изготовления ламп с оксидным катодом происходит испарение материала катода, который затем частично оседает на поверхности анода и образует здесь пленку с пониженной работой выхода. Из-за неполной иден­ тичности технологического процесса изготовления степень запылен­ ности анода не всегда одинакова, а значит, различны и сра. Испаряется материал катода и во время нормальной эксплуатации ламп, в резуль­ тате чего сра и соответственно и UKpnсо временем уменьшаются. Если, например, у диода с оксидным катодом и никелевым анодом работа выхода анода-при чистой поверхности составляет 4,6 эВ, то в резуль­ тате запыления она спадает до 2—2,5 эВ. Если есрк принять равным 1,5 эВ, то это означает, что- UKpn уменьшилось с 3 до 1 В. Этим объяс­ няется то, что характеристики ламп во время тренировки обычно уходят влево. После некоторого начального периода у ламп с оксидным катодом UKpn в большинстве случаев стабилизируется на уровне около 1 В. Поэтому при расчете характеристик таких ламп величину UKpn обычно принимают равной 0 ,8 — 1,0 В.

Рассмотрим вопрос о влиянии величин ср и сра на смещение начала характеристики относительно оси ординат. Начнем с плоского диода, где условия наиболее простые. Смещение начала реальной характе­ ристики относительно начала характеристики, построенной без учета контактной разности потенциалов, определяется разностью срк — фа,

58

в (2.63) два раза, в обоих случаяхоказывая противоположное дейст­ вие. Один раз оно входит в выражение тока эмиссии, который с умень­ шением фк увеличивается, другой —^ в выражение для 0 крп, которое с уменьшением ф[{ растет, оказывая этим более сильное тормозящее действие на выходящие из катода электроны. В случае цилиндриче­ ских электродов за счет другой конфигурации электрического поля фк из уравнения анодного тока полностью не выпадает и поэтому сохра­ няется некоторая зависимость этого смещения от фк.

Характеристики, рассчитанные без учета как контактной разности, так и начальных скоростей электронов, т. е. непосредственно по (2.9), иногда неплохо совпадают с опытными кривыми. Это обстоятельство чисто случайное и является следствием взаимной компенсации влия­ ний, которое оказывают эти два фактора на ход характеристики. Как видно из рис. 2.19, характеристика, рассчитанная с учетом началь­ ных скоростей, но без учета UKpn, при определенных условиях может оказаться смещенной влево, относительно характеристики, построен­

2.3.2. Влияние неравномерности температуры катода

В реальных лампах температура катода по всей поверхности не­ одинакова; в местах крепления, в частности, где катод, соприкасается со слюдяными пластинами, она за счет теплоотвода ниже (рис. 2.28). Соответственно меньшими будут удельный ток эмиссии и напряжение насыщения (ср. с рис. 2.8). Так, например, в диоде с оксидным като­ дом при понижении температуры с 1100 до 1000 К (перепады в 50— 100° соответствуют реальным условиям) напряжение насыщения, вычисленное по (2.21), уменьшается приблизительно в 2,5 раза. Пере­ ход отдельных участков катода в насыщение при более низких на-

59