304

DIODA CU VID

I. Consideratii generale. 1. Emisia termoelectronica.

Functionarea tuburilor electronice se bazeaza pe fenomenul emisiei termoelectronice, care consta in emisia de electroni de catre un metal incalzit. Pentru intelegerea acestui fenomen dam o prezentare sumara a structurii electronice a metalelor, in conceptia teoriei benzilor de energie, teorie elaborata folosind mecanismul mecanicii. Solidele cristaline, metale, semiconductori (cu exceptia celor amorfi) si dielectricii se caracterizeaza prin distributia ordonata a constituentilor sub forma retelelor cristaline. O retea cristalina se obtine prin repetarea pe cele trei directii a unui element structural fundamental, celula elementara; aceasta poate contine un singur atom (ca in cazul metalelor alcaline) sau atomi sau molecule (cazul cel mai general). Caracterul ordonat al distributiei constituentilor se reflecta in proprietatile de periodicitate ale diferitelor marimi fizice, printre care si energia electronilor in reteaua cristalina. Se stie ca un atom izolat se caracterizeaza prin nivele discrete de energie; la formarea unui solid cristalin (deci si a unui metal), atomii interactioneza intre ei, nivelele lor energetice se suprapun avand ca rezultat formarea de benzi energetice permise si interzise. Deci, asa cum electronii din atomii izolati nu pot avea orice energie, tot asa in cristal ei pot avea numai energii apartinand benzilor permise de energie. Ocuparea benzilor de electroni se face conform principiului lui Pauli si in ordinea succesiva a acestora, incat benzile formate din nivelele de energie ale electronilor interiori fiind complet ocupate, ele nu prezinta interes din punct de vedere al conductiei electrice, incat referirile se vor face numai la ultimele doua benzi permise de energie, denumite banda de valenta si respectiv de conductie. Banda de valenta este formata din nivele energetice ale electronilor exteriori (de valenta) ai atomilor constituenti, continand deci nivele de energie ale electronilor legati de atomi. Nivelele energetice ale atomilor care nu sunt ocupate cu electroni in stare fundamentala, vor forma in urma despicarii una sau mai multe benzi energetice libere se numeste banda de conductie. Unlele proprietati ale metalelor, ca de exemplu conductibilitatea electrica si termica, pot fi explicate intr-un model simplificat numit modelul electronilor liberi. Conform acestui model, un metal este format dintr-o retea periodica de ioni pozitivi, miezuri atomice, scufundati intr-un gaz de electroni liberi, electronii de conductie, uniform distribuiti in intreg cristalul. Acestia sunt deci fosti electroni ai atomilor metalici, care nemaifiind retinuti pe patura de valenta a fiecarui atom devin liberi sa migreze in orice directie din cristal, fara insa a-l putea parasi; ei apartin tuturor ionilor, si la aplicarea unui camp electric exterior vor capata o miscare orientata, dand nastere unui curent electric. Deoarece electronii de conductie nu mai pot parasi metalul fara vreo cauza exterioara si totodata nu pot avea orice energie in reteau cristalina, este mai corect a fi denumiti cvasiliberi (prin electron liber se intelege in general starea de electron in vid, liber de orice forta si capabil sa aiba orice energie). Definind energia de activare ca energie minima necesara pentru trecerea din starea de electron legat (in banda de valenta) in starea de electron liber (in banda de conductie), valoarea acesteia apare ca fiind tocmai marimea zonei interzise, notata Eg.

305

Natura atomilor care formeaza reteaua cristalina ca si tipul legaturii chimice dintre ei, determina forma si marimea benzilor energetice, popularea lor cu electroni, marimea zonei interzise, determinand in final diferitele tipuri de corpuri solide metale, semiconductori, izolatori. La metale, la 0 K, banda de conductie este partial ocupata cu electroni, incat la aplicarea unui camp electric exterior electronii de pe nivelele inferioare pot fi accelerati pe nivele superioare libere participand la conductie, incat metalele sunt conductoare la orice temperatura si independent de alti factori (fig. 1 a). Daca banda de valenta este complet ocupata iar cea de conductie este complet libera la 0 K, atunci cristalul este izolator (nu are electroni liberi care sa asigure trecerea curentului electric) (fig. 1 b). La semiconductorii puri (intrinseci) la 0 K, popularea cu electroni este aceeasi ca in cazul izolatorilor, deosebirea constand in marimea zonei interzise (la semiconductori ~ 2 eV, la izolatori ~ 10 eV), incat la T>0 K este posibila prin activarea termica trecerea electronilor din banda de valenta in banda de conductie, cristalul devenind conductor (fig. 1 c). In concluzie, datorita faptului ca electronii din metale apartin retelei cristaline a acestuia, pentru a-l parasi trebuie sa li se comunice din exterior o cantitate de energie, denumita energie de extractie. Emisia termoelectronica consta in extragerea electronilor cvasiliberi din interiorul unui metal prin consumarea unei energii termice. In vecinatatea metalului incalzit se stabileste un echilibru dinamic, numarul electronilor care ies din metal este egal cu a celor care intra, astfel ca in regiunea respectiva este tot timpul prezent un nor de electroni, deci o sarcina spatiala. Aceasta sarcina spatiala nu poate parasi regiunea respectiva, fiind mentinuta pe loc de interactia cu sarcina electrica necompensata din interiorul metalului. Daca insa se aplica un camp electric accelerator la suprafata metalului, pentru o anumita valoare a lui pot fi culesi toti electronii emisi, obtinandu-se asa numitul curent de

Fig.1a

Bc

Bv

Fig.1b

Bc

Bv

Fig.1c

Bc

Bv

306

saturatie. Calculul curentului de saturatie se face calculand numarul de electroni care trec in unitatea de timp spre exterior prin unitatea de suprafata a metalului. Numarul electronilor emisi creste cu temperatura si depinde de numerosi alti factori, fiind un fenomen complex. Se defineste densitatea curentului de saturatie ca fiind curentul emis de unitatea de suprafata a metalului emitator si depinde de temperatura absoluta a acestuia printr-o relatie de forma:

JS = AT2 exp

KT (1)

numita relatia Richardson-Dushman, in care este energia de extractie specifica fiecarui metal, A este o constanta relativa la starea suprafetei emisive (teoretic A = 120A/cm2/K2), K este constanta lui Boltzmann. Tinand seama ca nu toti electronii care ajung la suprafata metalului ies din acesta, unii suferind un fenomen de reflexie, relatia de mai sus trebuie corectata prin introducerea unui coeficient de reflexie: [4]

JS = A(1-F)T2 exp

KT (2)

Din analiza acestei relatii se vede ca dintre mai multe metale avand aceeasi temperatura, va prezenta o densitate de curent mai mare acela care are energia de extractie mai mica. Micsorarea lucrului de extractie la metale se poate face prin absorbtia la suprafata lor a unui strat subtire de substanta mai electropozitiva; acest lucru se realizeaza cu ajutorul thoriului care este mai electropozitiv decat wolframul din care se confectioneaza in special filamentele tuburilor electronice. Electronii din atomii de thoriu absorbiti se deplaseaza spre suportul de wolfram, formandu-se astfel un strat electric dublu care micsoreaza lucrul de iesire. Se mai folosesc cesiul, bariul, oxizii de bariu, etc. pentru un metal dat, densitatea curentului de saturatie depinde numai de temperatura sa absoluta. 2. Principii de constructie Dioda cu vid contine doua elemente dispuse coaxial intr-o incinta vidata (balon de sticla sau metalic), emitorul de electroni denumit si catod si colectorul denumit anod. Dupa felul in care se face incalzirea catodului, in vederea emisiei de electroni, se deosebesc doua variante constructive:

- catozi cu incalzire indirecta, la care incalzirea se realizeaza cu ajutorul unui conductor separat si izolat electric de catod (parcurs de un curent de incalzire).

- Catozi cu incalzire directa, construiti in forma de filament cu diverse geometrii; in acest caz, electronii sunt emisi de insusi catodul incalzit; in fig. 2a si b, sunt redate simbolurile pentru diodele cu incalzire directa si respectiv indirecta.

Regimul de incalzire are un rol esential, deoarece este necesara asigurarea unei temperaturi constante a catodului in timpul functionarii diodei. Incalzirea catozilor cu incalzire indirecta se poate face in curent alternativ.

f Kb

f Ka

307

3. Caracteristica volt-amperica si parametrii de functionare. Diodele prezinta doua circuite, circuitul de incalzire a filamentului si circuitul anodic, compus din surse de alimentare si o rezistenta (in caz mai general, impedanta) de sarcina (fig. 3).

. Conectand anodul la polul pozitiv al sursei de alimentare prin circuit va trece un curent denumit curent anodic, Ia, care pentru o temperatura determinata a catodului va depinde numai de tensiunea anodica. Acest curent se anuleaza cand anodul devine negativ fata de catod, deoarece campul electric dintre electrozi franeaza electronii impiedicandu-i sa ajunga la anod. Deci dioda conduce curentul electric (inchide circuitul) cand anodul este pozitiv fata de catod si intrerupe circuitul atunci cand anodul este negativ fata de catod. Pe aceasta proprietate de.conductie unidirectionala se bazeaza folosirea diodei ca redresor. Dependenta Ia = f(Ua) pentru T = ct. reprezinta caracteristica volt-amperica statica a diodei (fig. 4); se poate obtine o familie de caracteristici anodice pentru diferite valori ale tensiunii de incalzire a filamentului Acest curent se anuleaza cand anodul devine negativ fata de catod, deoarece campul electric dintre electrozi franeaza electronii impiedicandu-i sa ajunga la anod. Deci dioda conduce curentul electric (inchide circuitul) cand anodul este pozitiv fata de catod si intrerupe circuitul atunci cand anodul este negativ fata de catod. Pe aceasta proprietate de conductie unidirectionala se bazeaza folosirea diodei ca redresor. Dependenta Ia = f(Ua) pentru T = ct. reprezinta caracteristica volt-amperica statica a diodei (fig. 4); se poate obtine o familie de caracteristici anodice pentru diferite valori ale tensiunii de incalzire a filamentului. Pe grafic se disting trei zone: prima zona, denumita si de lansare, se caracterizeaza printr-un

curent anodic foarte mic (de ordinul microamperilor) Existenta acestui curent se explica prin aceea ca unii dintre electronii emisi de catod, cu viteze mari, pot invinge campul de franare, produs de sarcina spatiala dintre anod si catod, ajungand la anod. Datorita valorilor foarte mici ale acestui curent, greu de sesizat experimental, practic curbele se considera ca pornind din origine (fig. 4 punctat).

K

AZa

Ea+

308

Zona a doua se caracterizeaza printr-o dependenta a curentului anodic de tensiunea aplicata de tipul: Ia = Bua3/2 (2) Cunoscuta sub numele de legea Langmuir (sau Child-Langmuir) sau legea 3/2. Prezenta sarcinii spatiale negative are un efect de franare, opunandu-se prin campul electric pe care-l creeaza campului accelerator aplicat intre electrozi. Acest lucru face ca valorile curentului anodic in aceasta zona sa fie mai mici decat valoarea curentului de saturatie; se mai spune ca in aceasta zona curentul anodic este limitat de sarcina spatiala. In relatia (2), constanta B depinde de geometria si dimensiunile electrozilor si de distana dintre ei. Zona a treia corespunde fenomenului de saturatie. La o anumita tensiune anodica, denumita de saturatie US, toti electronii emisi de catod sunt colectati de anod, dand nastere curentului de saturatie, descris de formula lui Richardson (1). In aceasta zona pentru o caracteristica ideala curentul anodic ramane constant, fiind independent de tensiunea aplicata. Cresterea in continuare a curentului de emisie se poate face numai prin marirea temperaturii catodului. In realitate, in domeniul saturatiei, exista o crestere a curentului de saturatie, in functie de tensiunea aplicata, fenomen explicat de efectul Schottky. Parametrii statici de functionare ai diodei sunt: panta S, rezistenta interna Ri (definita in curent alternativ) si rezistenta R definita in curent continuu si se pot determina din caracteristica volt-amperica. Panta caracteristicii S, se defineste (analitic) prin relatia

S = 2/123 BUa

dUadIa = (3)

o dioda fiind cu atat mai buna cu cat pentru tensiuni anodice mici se obtin curenti anodici mai mari, deci cu cat are o panta mai mare. In practica panta se determina printr-o metoda grafica, dand variatii mici curentului anodic Ia corespunzatoare unor variatii mici Ua ale tensiunii anodice in jurul unui punct m al caracteristicii volt-amperice (fig. 5). Atunci panta se deduce (grafic) din relatia

tgUaIaS =

= (4) Deoarece caracteristica diodei este neliniara, rezulta ca si panta difera de la un punct la altul al caracteristicii si depinde de tensiunea anodica (fig. 6). Panta se exprima in mA/V. Existenta acestui curent se explica prin aceea ca unii dintre electronii emisi de catod, cu viteze mari, pot invinge campul de franare, produs de sarcina spatiala dintre anod si catod, ajungand la

anod. Rezistenta interna Ri se defineste in curent alternativ prin relatia: 2/132

BUadIadUaRi == (5)

O dioda este cu atat mai buna cu cat are rezistenta interna mai mica. Rezistenta interna Ri se determina tot printr-o metoda grafica, ananlog cazului precedent, pe baza relatiei :

tgIaUaRi 1=

= (6)

309

Din (4) si (6) rezulta S

Ri 1= tgRi

S == 1 (7) Si se constata variatia rezistentei interne cu tensiunea anodica (fig. 6, curba punctata). Rezistenta in curent continuu R se defineste prin raportul valorilor tensiunii si curentului anodic intr-un punct dat al caracteristicii

IaUaR = (8)

Grafic se determina prin raportul coordonatelor punctului in care se calculeaza. In cataloagele de tuburi se indica: valorile rezistentei interne (sau pantei) pentru portiunea rectilinie a caracteristicii, tensiunea de filament (eventual curentul de saturatie), tensiunea anodica maxima, durata de viata a tubului si puterea maxima disipata pe anod. Puterea disipata la anod Pd = UaIa reprezinta energia primita in unitatea de timp de catre anod de la electronii care il ciocnesc. La ciocnirea electronilor cu anodul, acestia isi cedeaza energia cinetica absorbita de la campul accelerator dintre anod si catod, incalzind anodul. Aceasta putere este radiata in mediul inconjurator.

II. Dispozitiv experimental, determinari, prelucrarea datelor. In lucrare se vor ridica caracteristicile volt-amperice ale unei diode cu vid, cu catod cu incalzire indirecta, pentru diferite tensiuni de filament. Caracteristicile vor fi ridicate atat punct cu punct cat si cu ajutorul oscilografului catodic. Se vor determina parametrii de functionare ai tubului folosit.

1. pentru ridicarea punct cu punct a caracteristicilor volt-amperice se efectueaza montajul din figura 7. Se vor ridica trei caracteristici anodice pentru trei valori diferite ale tensiunii de filament, avand grija sa nu se depaseasca valoarea admisa si se vor reprezenta grafic.

Din relatia (2) se calculeaza constanta B in diverse puncte ale caracteristicii, luandu-se o valoare medie. Folosind relatia (3) se va calcula panta S pentru diferite tensiuni anodice si se va reprezenta grafic dependenta S=f(Ua). Valorile obtinute se vor compara cu cele determinate prin metoda grafica (fig. 5). Folosind relatia (5) se va calcula rezistenta interna Ri pentru diferite tensiuni anodice si se va reprezenta grafic dependenta Ri=f(Ua). Se va calcula rezistenta diodei in curent continuu folosind relatia (8) si se va reprezenta grafic dependenta R=f(Ua).

310

2. Vizualizarea caracteristicii I=I(V) a diodei cu vid cu oscilograful catodic.

Ridicarea punct cu punct a caracteristicii in curent continuu este o operatie destul de dificila si de lunga durata, necesitand folosirea unor surse foarte stabile. In plus, aceasta metoda nu permite studiul proprietatilor tubului in punctele in care acesta nu poate fi mentinut prea mult timp fara a risca distrugerea lui, de exemplu in apropierea saturatiei. Pentru a evita aceste inconveniente se foloseste curentul alternativ si se recurge la oscilograful catodic care permite reproducerea simultana a intregului parcurs al unei caracteristici, sau al unei familii de caracteristici intr-un timp foarte scurt. Se pot explora astfel, fara pericol, toate regiunile de functionare ale tubului. Deosebit de avantajoasa este observarea caracteristicilor in timp ce se modifica unele elemente ale montajului. Se poate determina astfel intr-un timp foarte scurt functionarea optima a tubului, detectandu-se totodata orice abateri de la forma normala a caracteristicii. Studierea caracteristicii cu ajutorul oscilografului catodic mai permite si alegerea rapida a unor tuburi electronice cu caracteristici identice care sunt de o importanta deosebita la montajele simetrice, cum ar fi montajele in contratimp etc., la care se cer tuburi pereche. In fig. 8 este reprezentata schema montajului pentru oscilografierea caracteristicii I-V, unde: G este un generator de curent alternativ sinusoidal, R este o rezistenta de sarcina conectata in serie cu dioda, T1 este dioda de studiat, iar T2 este oscilograful catodic. Curentul anodic da nastere unei caderi de tensiune la bornele rezistentei R, care se aplica placilor de deflexie verticala, in timp ce tensiunea anodica se aplica placilor de deflexie orizontala. Se vizualizeaza caracteristicile aceluiasi tub pentru care s-au ridicat in curent continuu si pentru aceleasi tensiuni aplicate filamentului. Se compara caracteristicile obtinute punct cu punct cu cele obtinute pe oscilograf. BIBLIOGRAFIE

1. V.GHEORGHE, Tuburi si circuite electronice, partea a II-a Tipografia Universitatii din Bucuresti, 1975

2. I. SPANULESCU, I. DIMA, R. PARVAN Metode electronice in fizica experimentala, E.D.P., Bucuresti, 1975

3. GH. GOGA (colectiv) Tuburi electronice si dispozitive semiconductoare, Ed.Tehnica, Bucuresti, 1964.

4. E.BADARAU, I.POPESCU Gaze ionizate, Ed.Tehnica, Bucuresti, 1963.