Uzay şarj - Space charge
Uzay şarj fazla olan bir kavramdır elektrik yükü bir şekilde muamele edilmektedir sürekli yükün bir boşluk bölgesini (hacim ya da alan olarak) yerine ayrı nokta benzeri ücretleri üzerinden dağıtılan. Bu model, tipik bir şekilde uygulanır , yük taşıyıcıları yeterince yayılmış ise, bir uzay yükü bölgesini oluşturabilir yayılan taşıyıcı bir katı-bulut bir bölgeden yayılan edilmiştir, ya da yüklü atomlar ya da moleküller bir boşluk oluşturmak için katı madde geride bölgeyi şarj edin. Uzay yük genellikle sadece oluşur dielektrik (dahil ortam vakum nedeniyle yük hızlı bir şekilde nötralize edilmiş ya da eğilimi iletken bir ortam içinde) taranır . Uzay yükü işareti negatif veya pozitif olabilir. Bu durum, belki de yakın bir bölgede en tanıdık olan bir metal de ısıtılır nesnenin incandescence bir de vakum . Bu etki, birinci ile gözlenmiştir , Thomas Edison ampul içinde filamanlar da kimi kez adlandırıldığı, Edison etkisi , ancak uzay yükü çok vakum ve önemli bir olgudur katı hal elektronik cihazlar.
içindekiler
- 1 Nedeni
- 2 Oluşum
- 3 alan şarj sınırlı akım
- 4 Shot gürültü
- 5 Ayrıca bakınız
- 6 Kaynaklar
Sebeb olmak
Fiziksel açıklama
Bir metal nesnenin bir vakuma yerleştirilir ve akkor ısıtılır olduğunda, enerji neden olmak için yeterli elektron yüzeyden "kaynama" için atomu ve serbest elektron bulutu içinde bir metale çevreleyen. Bu denir termiyonik emisyon . Elde edilen bulut negatif yüklüdür ve bu nedenle vakum içinden geçtiği bir elektrik akımı üretmek, yakındaki herhangi bir pozitif yüklü nesneye çekici olabilir.
Uzay şarj fenomen bir dizi neden olabilir, ama en önemli şunlardır:
- Akım yoğunluğunun kombinasyonu ve uzamsal olarak homojen olmayan direnç
- İyonizasyon dielektrik içindeki türlerin heterocharge oluşturmak üzere
- elektrotlar gelen ve stresten artınmından enjeksiyon şarj
- Polarizasyon gibi yapılarda su ağaçlar . "Su ağacı" suda aşılanmış polimer yalıtım kablo görünen bir ağaç gibi, şekil verilen bir isimdir.
Olarak öne sürülmüştür alternatif akım enjekte (AC) en taşıyıcılar elektrot döngüsünün bir yarısında bir sonraki yarım çevrimi esnasında atılır, böylece döngüsünde yükte net dengesinin pratikte sıfırdır. Bununla birlikte, küçük bir taşıyıcı kısmı alanı ters çevrildiğinde bunları tutmak için yeterince derin seviyede yakalanan. AC yük miktarının miktarı daha yavaş artırmalıdır doğru akımla (DC) ve daha uzun süreler sonra gözlemlenebilir hale gelir.
Hetero ve homo şarj
Hetero yük alan yük polaritesi komşu elektrodun zıt ve homo şarj ters bir durum anlamına gelir. yüksek voltaj uygulaması altında, elektrot yakınlarında bir hetero yük bir homo şarj arttırmak oysa, dayanma gerilimine azaltması beklenmektedir. AC koşullar altında polarite ters sonra homo şarj hetero uzay yükü dönüştürülür.
Matematiksel açıklama
"Eğer vakum " bir yer alır basıncı 10 -6 mmHg ya da daha düşük, ana taşıt iletiminin olan elektronlar . Emisyon akım yoğunluğu (J dan) katot , bir şekilde işlev , termodinamik bir sıcaklık T , uzay şarj yokluğunda, ile verilmektedir Richardson yasasına :
nerede
- A m -2 K -2
- E = temel pozitif yük (diğer bir deyişle, elektron yükün büyüklüğü),
- m e = elektron kütlesi,
- k = Boltzmann sabiti = 1.38 x 10 -23 J / K,
- h = Planck sabiti = 6.62 x 10 -34 J s,
- φ = iş fonksiyonlu katot,
- ř = ortalama elektron yansıma katsayısı.
Yansıma katsayısı 0.105 kadar düşük olabilir, ancak 0.5 civarındaki genellikle olabilir. İçin Tungsten , (1 - r) 0 = 0.6 x 10 1.0 bulundunuz 6 A m -2 K -2 ve φ = 4.52 eV olur. 2500 ° C'de, emisyon 28207 A / m 2 .
Yukarıda verilen emisyon mevcut bazı dışında, normal olarak elektrotlar tarafından toplanan birçok kez daha fazla olan darbeli valf gibi kavite magnetron . Katot tarafından yayılan elektronların çoğu tarafından kendisine geri sürülür itme ait bulutu kendi mahallesinde elektronların. Bu denir uzay yükü etkisi . Büyük akım yoğunluğu limitinde, J yerine yukarıda termiyonik emisyon denklem ile daha aşağıya Çocuklara, Langmuir denklem ile verilir.
olay
Uzay yükü tüm içsel bir özelliği olan vakum tüpleri . Bu saatler ise yapılan hayat daha sert veya daha kolay için var elektrik mühendisleri kendi tasarımları tüpleri kullanıldı. Örneğin, uzay yükü önemli ölçüde pratik bir uygulama ile sınırlı triyot amplifikatörler örneğin vakum tüpü gibi başka yeniliklere yol TETRODE .
Bu negatif oluşturur, çünkü, diğer yandan, uzay yükü bir boru uygulamalarında faydalı olduğu EMF tüp ızgara üzerinde negatif bir ön akımın oluşturmak için kullanılabilir tüp zarf içinde. Izgara önyargı da kontrol voltajı ilaveten uygulanan bir ızgara voltajı kullanılarak elde edilebilir. Bu mühendisin kontrol ve amplifikasyon sadakat artırabilir. Bu oluşturacak şekilde alan yük tüpleri için araç radyoları (tipik örnekler 6DR8 / EBF83, 6GM8 / ECC86, 6DS8 / ECH83, 6ES6 / EF97 ve 6ET6 / EF98 idi) sadece 6 ya da 12 volt anot gerilimine.
Uzay ücretleri de içinde oluşabilir yalıtkanların . Bir yüksek voltajlı elektrot yakınındaki gaz geçmesi başlar Örneğin, dıelektrık arıza , elektrik yükleri çevreleyen gaz içinde uzay yükü bölgelerini oluşturan elektrot civarındaki bölgeye enjekte edilir. Uzay ücretleri aynı zamanda yüksek tarafından stresli katı veya sıvı yalıtkanların içinde oluşabilir elektrik alanları . Katı yalıtkanların içinde sıkışıp uzay ücretleri genellikle yüksek gerilim güç kabloları ve kapasitörler içinde dielektrik yetmezliğine yol açan bir etken faktördür.
Uzay şarj sınırlı akım
vakum içinde (Çocuk yasası)
İlk önerdiği Clement D. Çocuk 1911'de, Çocuk yasası düzlem-paralel vakum diyot uzay yükü sınırlı akım (SCLC) anot gerilimi üç yarım güç olarak direkt olarak değişir bildiren V a ve ters karesi mesafesi d katot ve anot ayrılması.
Elektronlar için, akım yoğunluğu J (metre başına amper kareli) yazılır:
- .
burada I , bir anod akım ve S anot yüzeyi, iç alanı; e elektron şarjının gücü büyüklüğü ve kütlesi olup. Denklem aynı zamanda "üç-yarım güç" yasa olarak ve Çocuk Langmuir yasa olarak bilinir. Çocuk aslında kendi kütlesine yüklerine çok daha küçük oranlarına sahip atom iyonları durumunda, bu denklem türetilmiştir. Irving Langmuir 1913 elektron akımlara yayınlanmış başvuru, ve silindirik katot ve anot durumunda için genişletilmiş.
Denklemin geçerlilik aşağıdaki varsayımlara bağlıdır:
- Elektronlar elektrotlar (yani, saçılma) arasında balistik seyahat.
- Elektrotlar arası bölgede herhangi bir iyon uzay yükü önemsizdir.
- elektronlar katot yüzeyinde sıfır hıza sahiptir.
Hiçbir saçılma (balistik taşıma) varsayımı Mott-Gurney Kanunun olanlardan Çocuklara Langmuir Kanununun tahminler farklı kılan budur. ikinci kararlı durum sürüklenme taşıma ve bu nedenle mutlaka saçılma varsayar.
yarı iletkenler olarak
Yarı iletkenler ve yalıtım malzemeleri olarak, bir elektrik alanı nedenleri alan yönüne paralel olan bir belirli bir sürüklenme velositesi de ulaşmak için partiküllerin, elektronları, ücret. Bu alan parçacık hızlandırır ki burada bir vakum, serbest yüklü parçacıkların davranış farklıdır. Sürüklenme hızı, büyüklükleri arasında orantı faktörü , elektrik alanının , denir hareketlilik , :
Drift rejimi (Mott Gurney yasası)
Bir vakum diyot geçerlidir akım sınırlı bir uzay yükü Çocuğun Kanunu davranışı genellikle tek taşıyıcı aygıtında bir yarı iletken / izolatörü için geçerli değildir ve Mott-Gurney yasa ile değiştirilir. Kalınlıkta malzemeden ince bir levha için iki selektif omik temas, elektrik akımı yoğunluğu arasında sandviçlenmiş, kütüğün akan ile verilir:
- ,
burada levha boyunca uygulanan edilmiş ve voltajı olan geçirgenliği katı elde edildi. Mott-Gurney kanunu bir sürüklenme akımı dan, yani uygulanan gerilimle doğrusal artırmak için beklememelisiniz yani, içkin bir yarı iletken boyunca şarj-ulaşım içine bazı önemli fikir veriyor Ohm kanununda bir genelinde şarj-ulaşım bekleneceği gibi, bir metal ya da yüksek katkılı yarıiletken. Mott-Gurney hukuk sadece bilinmeyen miktar yük taşıyıcı hareketlilik olduğu için , denklem yaygın içsel yarıiletkenlerde yük taşıma karakterize etmek için kullanılır. Kusurları ve / veya non-ohmik temas ihtiva eden yarı iletkenler ile birlikte, amorf yarı iletkenler karakterize etmek için Mott-Gurney kanunu kullanarak, ancak gerilime göre önemli sapmaların hem akım ve güç kanunu bağımlılığının büyüklük dikkatle ele alınmalıdır gözlemlenecektir. Kusurları ve / veya ideal olmayan enjeksiyon için açıklama getirebilir olanlar Mott-Gurney yasası kolayca karakterizasyonu için kullanılamaz durumlarda ve diğer denklemlerde yerine kullanılmalıdır.
Mott-Gurney hukuk türetme sırasında, bir aşağıdaki varsayımlar yapması gerekmektedir:
- yük taşıyıcı mevcut, yani sadece elektronlar ya da delikler yalnızca bir tür vardır.
- Malzeme intrinsik iletkenliği, fakat ücretleri diğer tek elektrottan içine enjekte edilir ve yakalanır.
- Taşıyıcı hareketlilik, ve geçirgenlik, numune boyunca sabittir.
- akım tuzakları ya da enerjik bozukluk ile sınırlı değildir.
- Geçerli baskın doping nedeniyle değildir.
- Şarj-enjekte elektrotta elektrik alan akımı sadece sürüklenme tarafından yönetilir, yani sıfırdır.
Bir uygulama örneği olarak, kararlı durum 1500 cm bir yük-taşıyıcı hareket ile iç silikon bir parça üzerinden akım alanı şarj sınırlı 2 / Vs, 11.9 olan bir dielektrik sabiti, 10 bir alan -8 cm 2 ve 10 kalınlığı -4 cm bir hesaplanabilir hattı hesap makinesi üzerinde bu hesaplama, doğru olması için sırayla, tek, yukarıda listelenen tüm noktalar kabul gerektiğini 3 V'a de 126.4 uA olması.
Alçak gerilim rejimi
Çok küçük bir uygulanan ön gerilim tek taşıyıcı, aygıt boyunca uygulanır durumda, mevcut ile verilir:
- ,
burada ısı enerjidir. Düşük voltaj rejiminde akımı tanımlayan denklem Mott-Gurney hakları ile aynı kalınlıkta ölçekleme aşağıdaki unutmayın, ancak uygulanan voltaj ile doğrusal olarak artar.
Doygunluk rejimler
çok büyük bir gerilim yarı iletken boyunca uygulandığında, akım bir doyma rejimi geçiş olabilir.
hız-doygunluk rejiminde, bu denklem şu biçimde olur
Farklı bağımlılığı Not ile Mott-Gurney hakları ve hız-doyurma rejiminde akımı tanımlayan denklem arasındadır. Balistik durumda (hiçbir çarpışmalar varsayarak) olarak, Mott-Gurney denklemi daha tanıdık Çocuklara Langmuir yasa halini alır.
yük-taşıyıcı doyma rejimde, numune boyunca akım verilir,
burada etkili olan durum yoğunluğu yarı iletken yük taşıyıcı türünden.
Atış sesi
Uzay şarj azaltma eğilimi atış gürültü . Ayrık ücretten rastgele gelenler gelen gürültü sonuçlarını Shot; gelenler istatistiksel varyasyon atış gürültü üretir. Bir uzay yük taşıyıcıları yavaşlatır bir potansiyele geliştirir. Örneğin, diğer elektron bulutu yaklaşan bir elektron dolayı itici kuvvet yavaşlar. Yavaşlatılması taşıyıcılar da alan yük yoğunluğu ve elde edilen potansiyelini artırır. Buna ek olarak, uzay yükü tarafından geliştirilen potansiyel yayılan taşıyıcıların sayısını azaltabilir. Uzay yükü akım sınırlaması durumunda, taşıyıcı rastgele gelenler düzeltilmesini; indirgenmiş varyasyon az atış gürültü ile sonuçlanır.
Ayrıca bakınız
Referanslar
- Starr, AT (1958), Telekomünikasyon (ikinci ed.), Londra: Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd
- Coelho, R. (1979), Mühendisin Dielektriklerin Fizik , Amsterdam: Elsevier Bilimsel Pub. Co