Оксидный катод. Вольтамперные характеристики полупроводниковых термокатодов в стационарном и импульсном режиме работы.

Оксидный катод находит наибольшее применение в электровакуумных приборах (кинескопы, трубки).

Конструктивно представляют из себя металлический керн, на поверхность которого нанесен слой оксида толщиной 20-100 мкм с распределенными по всему слою атомами чистого металла – донора, - придающего оксидному слою свойства примесного п/п

В зависимости от материала керна и химического состава оксидного слоя катоды разделяют на две группы:

1) Низкотемпературные

2) Высокотемпературные

В НТ катодах эмиссионно-активный слой состоит из щелочно-земельных оксидов BaO и SrO, иногда добавляют CaO. Их получают термолизом карбонатов (BaSr)CO₃, BaSrCO₃ либо сложных карбонатов. Карбонаты наносят на керн (основу) из никеля.

Основную функцию при работе катода выполняет оксид бария, который при активировании катода (нагрев до 1250-1300^оК с выдержкой в несколько мин) восстанавливается до металлического бария, атомы которого, распределяясь внутри оксидного слоя, выступают в роли доноров, и превращает его в примесной п/п с примесной полупроводимостью. Активированный оксидный слой обычно имеет пористую, шероховатую внешне, пов-ть, с которой идет эмиссия. А на границе керна образуется тонкая п/п пленка (запорный слой ≤ 0,01 мкн). Такое присутствие пленки, ввиду её высокого электрического сопротивления, негативно сказывается на свойствах оксидных катодов. Например, при недокале катода сопротивление пленки велико, и эмиссия проходит не со всей площади, а на малом участке "а" (рис.3б), который прогревается непосредственно током эмиссии. Это может привести к локальному перегреву и разрушению оксидного покрытия на данном участке.

ВАХ: Работа выходы электронов из оксидных катодов – 1,1-1,4 эВ. При этом, обеспечиваются большие эмиссионные токи в рабочем диапазоне 950-1150^оК. Рис.2.5.При этом у катодов наблюдается резкое снижение (по времени) эмиссионного тока при импульсном напряжении на электродах (рис.2.5б) В начальный момент оксидный катод обеспечивает большой ток, который быстро убывает по экспоненциальному закону и достигает I_непр. Если на время выключить, то после непродолжительной паузы эмиссионные свойства восстановится. Поэтому ток эмиссии оксидного катода в непрерывном режиме оказывается всегда меньше возможного импульсного тока и даже меньше его среднего значения (рис.2.5.б)

Это явление связано со следующими явлениями:

Наличие высокоомной пленки, отравление(окисление) эмиссионного слоя газами, электролитический отвод ионов бария от поверхности к керну и ряд других сложных физико-химических процессов, непрерывно протекающих при работе катода.

Если мы включим катод, эмиссия будет сразу максимальной. Но с течением времени начнет уменьшаться, и примерно 2/3 от эмиссии потеряется. Если катод включать импульсно, в течение микросекунд, то эмиссия останется максимальной (столбики).

Поэтому, ток оксидного катода в непрерывном режиме всегда меньше возможного импульсного, и меньше его среднего значения. Это связано:

1) наличие высокоомной пленки
2) отравление (окисление) эмиссионного слоя газами;
3) электролитический отвод ионов бария от поверхности к керну
4) ряд других сложных электро-хим процессов, непрерывно протекающих при работе катода.

В настоящее время широкое распространение получили катоды с губчатой эмиссионной поверхностью, прессованные и эмпригнированные. У них эмиссионно-активное вещество содержится в порах никелевой или вольфрамовой губки. В кач-ве ЭАВ используют алюминаты бария (mBaO*nCaO*iAl₂O₃) либо сканаты бария либо вольфраматы бария. В этих соединениях m = 2,5, n = 0,5, i = 1,2. При изготовлении прессованного катода смесь порошков материалов губки и ЭАВ запрессовывается в керн, а затем спекается при высокой температуре или в вакууме, или в атмосфере водорода. Катод получается прочным и хорошо поддается механической обработке.

Эти катоды применяются: рабочая температура 1320-1370^оК, А_вых = 2 – 2,12 эВ, плотность эмиссионного тока = 6 А/см², долговечность – несколько тысяч часов. Используется в СВЧ приборах, газовых лазерах, ЭЛТ. Эмиссионные свойства таких катодов существенно возрастают после напыления их металлами платиновой группы, например, при напылении пленки осмия работа выхода уменьшается на 0,1 эВ, а плотность тока увеличивается более чем в 3 раза.

ФОТОКАТОДЫ

1. Основные положения внешнего фотоэффекта.

Фотокатод – это эмиттер фотоэлектронного электровакуумного прибора, который является источником электронов.

А.Г. Столетов установил три закона фотоэффекта, не утратившие своего значения и в настоящее время. В современном виде законы внешнего фотоэффекта формулируются следующим образом:

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности E_e катода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металла должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электроном, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

2. Требования, предъявляемые к материалам для фотокатодов электронных ламп.