Лабораторные работы по электронике Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Исследование варикапов

Лабораторная работа.

Исследование влияния пространственного заряда на прохождение тока в диоде.

Теоретическая часть.

Пусть поперечные размеры анода и катода - расстояния между катодом и анодом. Тогда зависимостью всех величин от можно пренебречь, и считать, что потенциал, электрическое поле, скорость и т.д. зависят только от координаты LLxy,zy,x, отсчитываемой от катода к аноду. Будем полагать далее потенциал катода равным нулю, а потенциал анода - фиксированным: . Рассмотрим. как будет меняться распределение потенциала и ток через диод при изменении температуры катода . Предположим для простоты, что эмиссионная способность катода бесконечна, а электроны выходят из катода с нулевой начальной скоростью aU0>=constUaT00=ν.

Пусть сначала 0=T. Тогда, очевидно, электроны из катода выходить не будут и диод представляет собой обычный плоский конденсатор. Поэтому dxUxUa=)( - линейная функция. Увеличим теперь температуру катода до . Тогда из катода вследствие явления термоэлектронной эмиссии начнут выходить электроны и появится электронный ток. Если невелика, то пространственный заряд в диоде и его поле малы, поэтому и электрическое поле 1T1TρEEEx= для электрона на всем промежутке катод-анод остается ускоряющим. В результате все электроны, вышедшие из катода, доходят до анода. Такой режим работы диода называется режимом насыщения или режимом температурного ограничения эмиссии, поскольку в этом случае ток через диод полностью определяется температурой катода.

Рассмотрим, как изменится распределение потенциала при . По принципу суперпозиции полное поле в диоде представляется как сумма полей, создаваемых поверхностными зарядами на электродах и объемными зарядами движущихся от катода к аноду электронов с плотностью 1TT=ρ. Выделим из потока электронов плоский слой толщиной . Т.к. электроны – отрицательно заряженные частицы, то собственное кулоновское поле слоя направлено к слою. А поле зарядов на электродах - от анода к катоду. В результате слева от слоя и направлены в противоположные стороны и вычитаются, а справа – в одну сторону и складываются. Поскольку полное поле , то легко понять, что при dxρEelEρEelEgradUEEEel−=+=ρ1TT= кривая распределения потенциала начинает «провисать». При увеличении T до величина 2T||ρ растет и провисание увеличивается. Наконец при некоторой 3TT= наступает момент, когда кривая касается оси )(xUx при 0=x, т.е. поле на катоде 0)0(==EEk (dxdUE в нашем случае). Увеличим еще температуру до 34TTT>=. Очевидно, величина ||ρ еще более увеличится, и мы получим распределение потенциала с минимумом в прикатодной области. Однако, поскольку 00=ν, эмитированные электроны не смогут преодолеть отрицательный минимум потенциала у катода и вернутся в катод, а поступление электронов в пространство катод-анод прекратится. В результате пространственный dКатод (К) Анод (А) zyx

заряд у катода начнет рассасываться, а распределение подниматься, пока не достигнет положения, соответствующего , когда электрическое поле на катоде становится ускоряющим. После этого начинается выход электронов из катода, увеличится и кривая опять опустится вниз, пока не образуется минимум потенциала и т.д. Очевидно, при )(xU2T2T)(xU34TTT>= ни состояние описываемое кривой 2, ни состояние описываемое кривой 4 не могут быть устойчивыми. Поэтому в диоде устанавливается состояние с 0)0(==EEk. Таким образом, какую бы мы ни задавали, распределение поля, потенциала, пространственного заряда меняться не будут. Значит не будет меняться и ток через диод. Т.е. при ток диода перестает зависеть от температуры катода и определяется только потенциалом . Такой режим работы диода называется режимом ограничения тока пространственным зарядом. 3TT>3TT>aU

В реальных системах, конечно, эмиттированные из катода электроны обладают некоторой начальной тепловой скоростью 00≠ν. В результате этого режиму ограничения тока пространственным зарядом соответствует распределение с минимумом потенциала в прикатодной области. Т.к. средняя тепловая энергия электронов )(xUekT~, то глубина минимума также будет ekT~ (при большей глубине минимума электроны не смогут его преодолеть). При типичных температурах катода KTο3000≤BekT2.01.0−≈. Соответственно глубина минимума также составляет доли вольта, а расстояние от точки минимума до катода . Поэтому при анодных напряжениях в десятки и сотни вольт в упрощенной теории начальными скоростями можно пренебречь, и заменить действительную кривую на распределение, соответствующее с dx<<min)(xU3TT=0=dxdU при . 0=x

Для завершения качественного описания вольт-амперной характеристики нам осталось рассмотреть режимы с 0<aU. В этом случае между катодом и анодом возникает тормозящее поле с потенциальным барьером высотой |. Если бы электроны не обладали начальными тепловыми скоростями, то они не смогли бы преодолеть барьер и ток анода был бы равен нулю. Но электроны при выходе из катода имеют максвелловское распределение скоростей, простирающееся, в принципе, до сколь угодно больших энергий . Однако число таких электронов экспоненциально убывает с ростом . До анода, очевидно, могут дойти лишь те частицы, у которых |aUeTWTW||22axTUemW>=ν, поэтому анодный ток в этом случае будет экспоненциально убывающей функцией и, как правило на 2-3 порядка меньше, чем при . Режим работы диода с получил название режима начальных токов. ||aU0>aU0<aU

Таким образом, по мере изменения от aU∞− до ∞+ диод последовательно проходит 3 режима: режим начальных токов, режим ограничения тока пространственным зарядом и, наконец, режим насыщения.

Методики экспериментов и результаты измерений

1. Снимаем ВАХ по схеме 1 при токе накала Jн=1,48 А.

2. Снимаем ВАХ по схеме 2 при токе накала Jн=1,5 А.

3.Снимаем ВАХ по схеме 3.

1.При токе накала Jн=1,42 A

2.При токе накала Jн=1,46 А

3.При токе накала Jн=1,5 А

 

4.Снимаем зависимость анодного тока от тока накала при постоянном анодном напряжении (схема 3).

 

5.По полученным данным построим прямую Ричардсона.

6. Построим теоретические ВАХ для задания 1 по закону “3/2” для эквипотенциального

катода

и для задания 3,используя таблицу значений F(Ua/Uf).

Инновационные методы в обучении физики Тестирование-контроль знаний с помощью тестов, которые состоят из условий (вопросов) и вариантов ответов для выбора (используется для входного контроля на практическом занятии № 1 для оценки уровня остаточных знаний студентов пришедших на первый курс).
Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике