Електричний струм у вакуумі. Термоелектронна емісія. Діод. Електронно-променева трубка
У електронно-променевих трубках, електронних лампах радіоприймачів і багатьох інших приладах електрони рухаються у вакуумі.
Відкачуючи газ із посудини, можна досягнути такої концентрації, за якої молекули будуть встигати пролітати від однієї стінки посудини до іншої і при цьому не співударятись між собою. Такий стан у посудині називають вакуумом. Провідність між електродами, наприклад, у діоді, можна забезпечити лише введенням у трубку заряджених частинок (рис. 4.3.8).
Найчастіше дія такого джерела, заряджених частинок ґрунтується на властивості металевих тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Цей процес називають термоелектронною емісією. Явище термоелектронної емісії призводить до того, що нагрітий металевий електрод, на відміну від холодного, неперервного випускає електрони, які утворюють навколо електрода електронну хмарку. Електрод при цьому заряджений позитивно, і під впливом електричного поля електрони з хмарки повертаються до катода. Щоб вийти з металу, електрони виконують роботу проти сил притягання з боку катода і відштовхування з боку інших електронів хмаринки. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Через деякий час за будь-якої температури між хмаркою, утвореною електронами, і металом установиться рівновага - стан, за якого кількість електронів, що покинули метал катода за певний проміжок часу, дорівнює кількості електронів, що повернулися до металу за цей проміжок часу.
Різниця між гарячим і холодним електродами, впаяними в закриту посудину, із якої відкачують повітря, полягає в односторонній провідності електричного струму між ними. У разі під'єднання електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Якщо "+" джерела з'єднати з холодним електродом (анодом), а "-" - з нагрітим (катодом), то під дією електричного поля електрони полетять до анода і у вакуумі виникне електричний струм. Якщо прикласти електричне поле навпаки, то в колі струму не буде, оскільки електричне поле буде заганяти електрони, які покинули поверхню катода, назад в метал і коло буде розімкненим.
Односторонню провідність використовують в електронних приладах з двома електродами - вакуумних діодах (рис. 4.3.8).
Будова сучасного вакуумного діода така. Усередині скляного балона відкачують повітря і туди впаюють два електроди. Катод покрито шаром оксиду лужноземельних металів. З нагріванням цього шару виділяється велика кількість електронів, які досягають анода.
В електричному колі з діодом струм проходить тоді, коли катод розігріто до високої температури, а анод з'єднано з позитивним полюсом джерела струму. У сучасних діодах використовують непряме нагрівання катода за допомогою невеликої спіралі, розміщеної всередині циліндричного катода. У цьому разі температура підігріву досягає лише 1000 К.
Графік залежності сили струму Ia від прикладеної між анодом і катодом напруги U називають вольт-амперною характеристикою діода (рис. 4.3.8). За деякого значення напруги, що залежить від температури катода, струм досягає максимального значення і далі не змінюється, бо всі електрони попадають на анод. Його називають струмом насичення Iн. Вольт-амперна характеристика лампи нелінійна, і закон Ома в цьому разі не виконується. З підвищенням температури катода внаслідок збільшення кількості електронів, що вилітають з катода, струм насичення зростає.
Вакуумні діоди використовують для випрямлення змінного електричного струму поряд з напівпровідниковими діодами.
Якщо в аноді двохелектродної електронної лампи зробити невеликий отвір, то частина електронів, прискорених електричним полем, створить за анодом електричний пучок. Кількість електронів у пучку можна регулювати, помістивши між катодом і анодом додатковий електрод і змінюючи його потенціал.
Отриманий електронний пучок має такі властивості:
1) попадаючи на тіла, викликає їх нагрівання і використовується для електронного плавлення надчистих металів;
2) під час гальмування швидких електронів пучка, що попадають на речовину, виникає рентгенівське випромінювання;
3) такі речовини, як скло, сульфіди цинку і кадмію, бомбардовані електронами, світяться;
4) електронні пучки відхиляються електричним полем (наприклад, пролітаючи між пластинами конденсатора, електрон відхиляється від негативно зарядженої пластини);
5) електронні пучки відхиляються і в магнітному полі.
Властивість електронних пучків поширюватися прямолінійно, відхилятися в електричному або магнітному полі і викликати світіння люмінофорів використовують в електронно-променевих трубках (рис. 4.3.9). У вузькій частині трубки розміщено електронну гармату, що складається із катода 1 і анода 2 (частіше їх декілька, розміщених один за одним). Між першим анодом і катодом створюється різниця потенціалів в сотні і навіть тисячі вольт для прискорення електронів. Між анодом і екраном трубки 5, покритим шаром люмінофору, розміщено дві пари керувальних пластин 3 і 4, на які подається напруга, що відхиляє електронний промінь. Оскільки маса електронів пучка мала, вони майже безінерційно реагують на зміну напруги на керувальних пластинах. Тому електронно-променеві трубки широко використовують для вивчення швидкоплинних процесів. Вони є складовою частиною осцилографів, телевізорів. Їх використовують в моніторах комп'ютерів та інших пристроїв. Електронним пучком у кінескопі телевізора керують за допомогою магнітного поля котушок, надітих на трубку.
Однак випромінювання, яке поширюється в просторі навколо електронно-променевих трубок, шкідливе і тому їх поступово замінюють на екрани з рідких кристалів.
Електричний струм у напівпровідниках. Залежність опору напівпровідників від температури. Власна та домішкова електропровідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Транзистор
Питомий опір низки елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 4.3.10). Такі речовини назвали напівпровідниками. Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі зростанням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.
Пояснимо ці закономірності, розглянувши будову напівпровідників на прикладі чотиривалентного елемента силіцію (рис. 4.3.11). Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою ковалентного (парноелектронного) зв'язку. У темноті і при низьких температурах усі електрони зайняті в ковалентних зв'язках. Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає (n), отже I = q0nS 
= 0, тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умов напівпровідник схожий на ізолятор.
З підвищенням температури кристала (або під час попадання на нього світла) деякі ковалентні зв'язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв'язку відразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Його називають діркою. Оскільки дірка переміщується в кристалі, як і вільний носій в електричного заряду, то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок (діркова провідність).
Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників.
Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів. Особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна суттєво змінити кількість носіїв заряду того або того знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв. Наприклад, внесемо в чотиривалентний кремній Si невелику кількість п'ятивалентного арсену (As) (рис. 4.3.12). Чотири електрони арсену (As) утворюють ковалентні зв'язки із сусідніми атомами силіцію (Si), а п'ятий одразу стає вільним. Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками.
Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідникамиn-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.
Коли як домішку використовують індій (In), атоми якого тривалентні, то характер провідності силіцію зміниться. Тепер для встановлення нормальних парно-електронних зв'язків із сусідами атома індію не вистачає електрона. Унаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів домішки (рис. 4.3.13). Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідникамир-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.
Цікаві явища спостерігаються під час контакту напівпровідників n- і р-типів.
З'єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцепторною домішкою. Контакт двох напівпровідників називають р-n-переходом (рис. 4.3.14). На межі контакту електрони частково переходять із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу, а дірки - навпаки. Якщо подати напругу на напівпровідник з р-n-переходом так, щоб до напівпровідника р-типу під'єднувався позитивний полюс батареї, а на n-типу - негативний, то при цьому струм через р-n перехід забезпечується основними носіями: з n-типу в р-тип - електронами, а із р-типу в n-тип - дірками. Унаслідок цього провідність усього зразка велика, а опір малий. Такий перехід називають прямим.
Під'єднаємо батареї навпаки. Струм I в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р-n перехід забезпечується неосновними носіями заряду і провідність зразка стає незначною, а опір великим. Утворюється так званий запірний шар. Цей перехід називають зворотним. На вольт-амперній характеристиці залежність сили прямого струму від напруги зображено лінією зростаючою в додатному напрямі осі напруги U (рис. 4.3.13). Після перемикання полюсів батареї, коли потенціал напівпровідника р-типу буде від'ємним, а потенціал напівпровідника n-типу - додатним, опір переходу зростає, а струм стає незначним. Напрям руху дірок протилежний рухові електронів. Тому напівпровідники мають електронну і діркову провідності (рис. 4.3.15).
Сила зворотного струму майже не змінюється у разі зміни напруги. Створюючи в одному кристалі (наприклад, германію) р-n перехід вплавленням в одну з його поверхонь домішки індію, можна виготовити напівпровідниковий діод. Щоб позбавитися шкідливих впливів повітря і світла, кристал германію вміщують у герметичний металевий корпус. На схемах діод зображують, як показано на рис. 4.3.16. Діоди використовують для випрямлення струму в радіосхемах. Напівпровідниковий діод має переваги перед електронними двоелектродними лампами: економія енергії для одержання носіїв струму, мініатюрність, висока надійність і тривалий термін дії.
Діод має односторонню провідність - сила прямого струму у разі навіть невеликих напруг значно більша від зворотного струму за такої самої напруги.
Недоліками цих діодів є погіршення їх роботи з підвищенням температури і вологості.
Напівпровідниковий прилад з двома р-n-переходами називають напівпровідниковим тріодом або транзистором. Для його виготовлення за допомогою відповідних домішок у монокристалі германію або силіцію створюють три ділянки (рис. 4.3.17). Ділянку з провідністю n-типу називають базою (Б). Ця ділянка розділяє ділянки провідності p-типу, які називають емітером (Е) і колектором (К). Таким чином, створюються два p-n-переходи, пропускні напрями яких протилежні. Під'єднання батарею e1 плюсом на емітер Е, а мінусом на базу Б, батарею e2 (її ЕРС значно більша) плюсом до бази (Б), мінусом до колектора К забезпечує прямий напрям в колі "емітер - база" і зворотний в колі "колектор - база".
Поки коло "Е - Б" розімкнено, в колі "Б - К" сила струму дуже мала, оскільки опір напрямленому рухові основних носіїв зарядів (електронів у базі та дірок у колекторі) у зворотному напрямі великий. Як тільки замикається коло "Е - Б", основні носії заряду емітера Е переходять із нього в базу Б, де вони є вже неосновними носіями. Оскільки товщина бази дуже мала і кількість основних носіїв (електронів) у ній невелика, дірки, що потрапили до неї, майже не рекомбінують з електронами бази і проникають у колектор унаслідок дифузії. Правий p-n перехід закритий для основних носіїв заряду бази - електронів, але не для дірок. У колекторі дірки захоплюються електричним полем і замикають коло. Сила струму, що відгалузився в коло емітера з бази, дуже мала, бо площа перерізу бази в горизонтальній площині набагато менша від перерізу у вертикальній площині.
Сила струму в колекторі К, що дорівнює силі струму в емітері Е, змінюється разом зі струмом в емітері. Опір резистора R мало впливає на струм у колекторі, тому його підбирають досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела змінної напруги Uвх, можна змінити напругу Uвих на резисторі R. Якщо опір резистора великий, то зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміну напруги сигналу в колі емітера. Це свідчить про підсилення напруги. Одночасно і потужність, що виділяється на навантаженні R, значно перевищуватиме потужність, яка витрачається в колі емітера. Відбувається підсилення за потужністю.
У електричних і радіотехнічних колах p-n-p транзистори зображаються, як показано на рис. 4.3.18 а, позначення n-p-n транзисторів - на рис. 4.3.18 б.
Якщо напругу, отриману на резисторі R, знову подати на вхід підсилювача, матимемо пристрій, який генерує електричні коливання. Якщо після одного каскаду підсилення сигналу виявляється ще недостатнім, підсилення повторюють. Та підсилення коливань відбувається за рахунок енергії батареї e2, а транзистор лише керує її роботою.
Використання напівпровідникових приладів знаходить дедалі ширше застосування. За їх допомогою змінний струм перетворюють у постійний; генерують, перетворюють і підсилюють електричні коливання; обробляють інформацію на комп'ютерах і калькуляторах; перетворюють енергію світла в енергію електричного струму (сонячні батареї, фоторезистори); здійснюють дистанційне вимірювання температури, протипожежну сигналізацію (термістори).
Напівпровідникові прилади мають високу економічність, мініатюрність, довговічність, менше "бояться" вібрації.