Почему ток в диоде не подчиняется закону ома

Вольт-амперная характеристика диода

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость можно определить ток при заданном напряжении или наоборот.

Если сопротивление прибора постоянно, не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражена законом Ома:

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора. Для прибора подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.

Чем больше R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Сопротивление R связано с углом наклона α характеристики зависимостью:

где k — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значение величин отложены на осях.

У приборов, принцип действий которых не подчиняется закону Ома, сопротивление которых не постоянно и зависит от напряжения или тока, вольт-амперная характеристика не прямолинейна, такие приборы называют нелинейными.

Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики.

Пример такой характеристики показан на рисунке.

При рассмотрении вольт-амперной характеристики видно, что ток в десятки мА получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому сопротивление как правило не выше нескольких десятков Ом. Для большинства более мощных диодов прямой ток составляет сотни мА и больше при малом напряжении, а Rпр соответственно снижается до единиц и долей Ома.

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, как показано на рисунке.

Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки мкА. Это соответствует сопротивлению нескольких сотен кОм и более. Так как Uобр>>Uпр, то эти напряжения так же отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился кривой излом в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавно кривой, без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении Uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому дальше характеристика практически прямолинейна. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n- и p- области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно полный ток iобр=iдр-iдиф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Тост тока происходит вследствие нагрева перехода, за счет утечки по поверхности, а так же за счет лавинного размножения носителей заряда, то есть увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n-p перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой n-p перехода. Электрический пробой области которого соответствует участок АБВ характеристики является обратимым, то есть не происходит необратимых изменений. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Так же могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для n-p переходов большой толщины, получаемый при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Дело в том, что при поле напряженностью более 10000 В/см, действующем в n-p переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение соответствующее туннельному пробою обычно не превышает единиц вольт.

Область теплового пробоя показана на участке ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он разрушает структуру n-p перехода — количество теплоты выделяемое переходом от нагрева его обратным током превышает кол-во теплоты отводимой от перехода. В следствии чего температура возрастает, сопротивление перехода уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению

Источник — Жеребцов И.П. Основы электроники (1993)

Электрический ток в вакууме

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В наиболее общем смысле, вакуум — это пустота. В физике и технике под вакуумом подразумевается газообразная среда при давлении в сотни раз ниже атмосферного.

Электрический ток в физике — это направленное движение носителей заряда. Вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нем сам по себе. Условие протекания электрического тока в вакууме — наличие в нем достаточного количества свободных заряженных частиц. Например, электронов.

Термоэлектронная эмиссия

Как свободные электроны могут появиться в вакууме? Благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, открытому Томасом Эдисоном в 1879 году.

Определение. Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Металлы являются наилучшими проводниками, так как имеют свободные электроны, которые иногда еще называют электронным газом. При нагревании металла энергия электронов (измеряется в электронвольтах) увеличивается и они могут «вырваться» из металла. Для того, чтобы вылететь из металла, электрон должен обладать энергией, превышающей работу выхода электронов для этого металла.

A в ы х = E 0 — μ

Здесь A в ы х — работа выхода, которую нужно преодолеть электрону, E 0 — его энергия, μ — энергия Ферми.

Термоэлектронный ток

Испущенные металлом свободные электроны образуют у поверхности металла электронное облако. Если создать в данной области электрическое поле, электроны начинают двигаться под действием сил поля. Иными совами, возникает электрический ток, называемый термоэлектронным.

Определение. Термоэлектронный ток

Термоэлектронный ток — ток, возникающий при испускании (эмиссии) электронов накаленными телами в вакуумных приборах.

Так, если в вакууме поместить две металлические пластины и создать между ними разность потенциалов и условия для термоэлектронной эмиссии, возникнет термоэлектронный ток.

Электрический ток в вакууме широко используется в вакуумных приборах. Самый простой пример — электронная лампа, или вакуумный диод.

Вакуумный диод представляет собой баллон с откачанным воздухом, содержащий электроды: катод и анод. Электроны выбиваются из катода и летят к аноду.

Для вакуумного диода не выполняется закон Ома. При небольших значениях напряжения на аноде имеет место формула зависимости силы электрического тока от напряжения:

где B — коэффициент пропорциональности, который зависит от формы, расположения и размеров электродов.

При увеличении разности потенциалов между электродами сила тока будет расти. Однако, для термоэлектронного тока существует понятие тока насыщения. Это ток такой силы, при котором все электроны из электронного облака достигают другой анода. При достижении силы тока насыщения и дальнейшем росте разности потенциалов, сила тока насыщения не меняется.

Эмиссионную способность материала катода характеризует плотность тока насыщения, которая определяется по формуле Ричардсона-Дешмана:

j = 1 — h R i A · T 2 · e — q φ k T .

Здесь h — постоянная Планка, h R i — усредненное значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога, A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A К 2 · с м 2 , T — температура, q — заряд электрона, q φ — работа выхода, k — постоянная Больцмана.

Физика. Почему зависимость u(i) в вакуумном диоде не подчиняется закону ома?

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика — зависимость силы тока от напряжения между электродами Ia = f(Ua) при постоянном напряжении накала Un = const.

Вольт-амперная характеристика диода (рис) является нелинейной в отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника. При напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд) , отталкивающее вылетающие из катода электроны. Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением Ua число электронов, достигающих анода, увеличивается и электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения Iнас (на графике рисунка — горизонтальный участок) . В области 1 графика, т. е. при увеличении анодного напряжения от 0 до Uнас ток через диод возрастает, но не пропорционально напряжению, а по закону Ia=k⋅Uа^3/2. Это выражение называют законом «трех вторых». В области 2 данного графика, т. е. при U ≥ Uнас, ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называют током насыщения. Сила тока насыщения определяется формулой Iнас = en, где n — число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности катода; е — заряд электрона. При постоянной температуре катода сила тока в межэлектродном промежутке зависит от анодного напряжения. Для увеличения тока насыщения нужно повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/Рў._Вакуумный_РґРёРѕРґ

Остальные ответы

Похожие вопросы

Лабораторная работа 34

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОХОЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ВАКУУМЕ. ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА.

Физическое обоснование эксперимента

Ток в проводниках во многих случаях подчиняется закону Ома, т. е. наблюдается прямая пропорциональность между величиной тока и значением приложенной к проводнику разности потенциалов. Однако закон Ома справедлив только в тех случаях, когда проводимость проводника во время протекания тока остается постоянной. Если в проводнике за счет каких-либо процессов образуются области, где локализован не скомпенсированный заряд, то проводимость перестает быть постоянной величиной.

Внутреннее поле, связанное с появлением этого заряда, изменяет условия протекания тока по проводнику, т.к. носители заряда находятся под действием уже двух полей: внутреннего и внешнего. Когда влияние внутреннего поля велико, величина тока ограничивается внутренним, объемным зарядом, а вольтамперная характеристика (зависимость тока от внешней разности потенциалов) становится существенно-нелинейной. Таким образом, закон Ома уже адекватно не описывает процесс протекания тока.

Постановка экспериментальной задачи

Изучение протекания тока в двухэлектродной радиолампе (вакуумный диод) наиболее просто позволяет экспериментально определить закономерности протекания тока, в случае наличия пространственного объемного заряда.

Одним электродом в вакуумном диоде является катод, изготовленный из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и др.), обычно легированного примесными атомами. При пропускании электрического тока катод нагревается и становится источником электронов за счет явления термоэлектронной эмиссии. Ток, нагревающий катод, называется током накала I_Н. Конструктивно катод представляет собой проволоку, расположенную по оси металлического цилиндра, который и является анодом. В процессе работы диода анод нагревается слабо, поэтому термоэлектронной эмиссии из него не наблюдается.

Схема включения вакуумного диода в электрическую цепь показана на рис. 34.1. Схема состоит из цепи накала с источником Е_Н и анодной цепи с источником Е_А.

ри отсутствии напряжения на аноде (ключ К разомкнут), вокруг нагретого катода образуется отрицательно заряженное электронное облако. Для данной температуры катода устанавливается динамическое равновесие: число электронов, выходящих в единицу времени из катода равно числу электронов, возвращающихся из облака Рис. 34.1. обратно в катод.

При подаче на анод положительного потенциала появляется ток между электродами, ограниченный отрицательным объемным зарядом электронного облака. Динамическое равновесие между облаком и катодом нарушается.

Богуславский и Ленгмюр, независимо друг от друга вывели формулу, которая описывает ток I_А, текущий в диоде, в зависимости от приложенного к аноду напряжения U_А:

I_А = kU_А 3/2 , (34.1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы анода и катода. Эта зависимость носит название «закон трех вторых».

Формула (34.1) была выведена в предположении, что все электроны, выходящие из катода, имеют кинетическую энергию равную нулю. На самом деле их энергии лежат в пределах от нулевой до некоторой максимальной кинетической энергии, которая возрастает с ростом температуры катода. Рис. 34.2.

Обычно наблюдаемая вольтамперная характеристика вакуумного диода приведена на рис. 34.2. На ней можно выделить три участка: I – начальная часть вольтамперной характеристики; II – интервал напряжений на аноде, при котором сказывается действие объемного заряда и справедлив «закон трех вторых». III – область насыщения вольтамперной характеристики.

Вид начальной части вольтамперной характеристики, обусловлен неравенством нулю скоростей эмиттируемых катодом электронов. В случае U_A = 0 часть электронов достигает анода за счет своей кинетической энергии, и ток I_А отличен от нуля.

оявление области насыщения связано с тем, что при больших значениях потенциала на аноде электронное облако практически не образуется, так как все электроны, выходящие из катода при данной температуре, доходят до анода, создавая ток насыщения I_НАС. Число испускаемых электронов зависит от накала катода, поэтому различным токам накала будут соответствовать различные токи насыщения. Варьируя значения I_Н, можно получить семейство вольтамперных характеристик диода (рис. 34.3).

ля диода, у которого катод представляет из себя цилиндрическую проволоку радиуса r_К, расположенную по оси цилиндрического анода радиуса r_А, формула (34.1) в СИ будет иметь вид:

где l_А – длина анода, e/m – удельный заряд электрона, U_А – потенциал анода,  2 – некоторая функция отношения r_А/r_К (величину ₂ необходимо учитывать, если указанное отношение меньше 10, в противном случае принимают ₂ = 1), _о – электрическая постоянная.

Из соотношения (34.2) можно получить формулу для определения удельного заряда электрона:

Отношение I_А/U_А 3/2 равняется тангенсу угла наклона прямолинейного участка зависимости приведенной на рис. 34.4

tg  = I_А/U_А 3/2 ,

и тогда формулу (34.3) можно записать:

Для того, чтобы экспериментально определить удельный заряд электрона необходимо получить характеристику вакуумного диода, представляющую собой зависимость I_А=f(U_А), при постоянном токе накала катода (I_Н=const), обеспечивающим необходимую температуру катода.

В эксперименте обычно регистрируется семейство указанных зависимостей при разных значениях тока накала катода, что позволяет обеспечить большую точность получаемых результатов.

Экспериментальная установка

В работе используется вакуумный диод (кенотрон В 4-200) с вольфрамовым катодом, для которого на вольтамперной характеристике наблюдается явно выраженный участок насыщения. Максимальное анодное напряжение кенотрона равно 500 В, максимальный ток 200 мА, максимальная мощность рассеивания на аноде 50 Вт. Анодное напряжение и напряжение накала подается на кенотрон от универсального источника питания УИП-2, который позволяет регулировать постоянное напряжение на аноде в диапазоне от 10 до 300 В с плавным перекрытием переключаемых поддиапазонов при токе нагрузки до 250 мА. Напряжение накала переменное и равно 12,6 В с предельным током нагрузки до 3,0 А.

Соотношение радиусов анода и катода для этого кенотрона таково, что значение величины ₂ можно считать равным единице.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 34.5.

Регулировка анодного напряжения производится при помощи переключателя 1 и регулятора 2 на передней панели УИП-2. Переключатель 1 должен быть первоначально установлен для диапазона 20 – 70 В. При этом анодное напряжение можно плавно изменять от 10 до 70 В при помощи регулятора 2. Сняв необходимые показания в этом диапазоне, уменьшают выходное напряжение до минимума, а переключатель 1 переводят в диапазон 70 – 140 В. Регулятором 2 устанавливают напряжение, на котором было прервано снятие показаний, и продолжают снимать вольтамперную характеристику. Указанную процедуру продолжают до получения насыщения.

Нужный ток накала диода устанавливают реостатом R и контролируют по амперметру А_Н.

Порядок выполнения работы:

Собрать электрическую схему установки.

Установить ток накала кенотрона I_Н=3,0 А. Снять вольтамперную характеристику диода, изменяя анодное напряжение от 10 до 200 В и записывая значения анодного тока через 5 В.

Снять вольтамперные характеристики диода при токах накала

I_Н = 2,9A и I_Н = 2,8А. Анодное напряжение при снятии этих характеристик изменять от 10 до 200 В через 10 В.

В ходе измерений нужно следить, чтобы I_Н оставался постоянным. (Непостоянство тока накала обусловлено увеличением сопротивления нити накала при ее нагревании, а также небольшими скачками напряжения источника питания накала.)

Полученные данные записать в рабочую тетрадь в виде таблиц.

Примечание

При расчете использовать следующие размеры анода кенотрона и значение электрической постоянной: r_А = 0,525 см, lА=1,400 см, _о = 8,85.10-12 Ф/м.

Контрольные вопросы

1. Почему закон Ома несправедлив для тока в вакуумном диоде?
2. Какова физическая природа отклонения вольтамперной характеристики диода от «закона трех вторых»?