Tubes à videEdit
Dans un tube à vide ou un système électronique à vide, la cathode est une surface métallique qui émet des électrons libres dans l’espace évacué. Comme les électrons sont attirés par les noyaux positifs des atomes de métal, ils restent normalement à l’intérieur du métal et ont besoin d’énergie pour le quitter ; c’est ce qu’on appelle la fonction de travail du métal. Les cathodes sont amenées à émettre des électrons par plusieurs mécanismes :
- Émission thermionique : La cathode peut être chauffée. L’augmentation du mouvement thermique des atomes de métal « cogne » les électrons hors de la surface, un effet appelé émission thermoionique. Cette technique est utilisée dans la plupart des tubes à vide.
- Émission d’électrons de champ : Un fort champ électrique peut être appliqué à la surface en plaçant une électrode à haute tension positive près de la cathode. L’électrode chargée positivement attire les électrons, ce qui fait que certains électrons quittent la surface de la cathode. Ce procédé est utilisé dans les cathodes froides de certains microscopes électroniques, et dans la fabrication de la microélectronique,
- Émission secondaire : Un électron, un atome ou une molécule entrant en collision avec la surface de la cathode avec suffisamment d’énergie peut faire sortir des électrons de la surface. Ces électrons sont appelés électrons secondaires. Ce mécanisme est utilisé dans les lampes à décharge de gaz comme les lampes à néon.
- Émission photoélectrique : Des électrons peuvent également être émis par les électrodes de certains métaux lorsqu’une lumière de fréquence supérieure à la fréquence seuil tombe dessus. Cet effet est appelé émission photoélectrique, et les électrons produits sont appelés photoélectrons. Cet effet est utilisé dans les phototubes et les tubes intensificateurs d’image.
Les cathodes peuvent être divisées en deux types :
Cathode chaudeModifier
Une cathode chaude est une cathode qui est chauffée par un filament pour produire des électrons par émission thermionique. Le filament est un mince fil d’un métal réfractaire comme le tungstène chauffé au rouge par un courant électrique qui le traverse. Avant l’avènement des transistors dans les années 1960, pratiquement tous les équipements électroniques utilisaient des tubes à vide à cathode chaude. Aujourd’hui, les cathodes chaudes sont utilisées dans les tubes à vide des émetteurs radio et des fours à micro-ondes, pour produire les faisceaux d’électrons des anciens téléviseurs et écrans d’ordinateur de type tube cathodique (CRT), dans les générateurs de rayons X, les microscopes électroniques et les tubes fluorescents.
Il existe deux types de cathodes chaudes :
- Cathode à chauffage direct : dans ce type, le filament lui-même est la cathode et émet directement les électrons. Les cathodes à chauffage direct étaient utilisées dans les premiers tubes à vide, mais aujourd’hui, elles ne sont utilisées que dans les tubes fluorescents, certains grands tubes à vide de transmission et tous les tubes à rayons X.
- Cathode à chauffage indirect : Dans ce type, le filament n’est pas la cathode mais chauffe la cathode qui émet alors des électrons. Les cathodes à chauffage indirect sont utilisées dans la plupart des dispositifs actuels. Par exemple, dans la plupart des tubes à vide, la cathode est un tube en nickel avec le filament à l’intérieur, et la chaleur du filament fait que la surface extérieure du tube émet des électrons. Le filament d’une cathode à chauffage indirect est généralement appelé l’élément chauffant. La principale raison d’utiliser une cathode à chauffage indirect est d’isoler le reste du tube à vide du potentiel électrique aux bornes du filament. De nombreux tubes à vide utilisent un courant alternatif pour chauffer le filament. Dans un tube où le filament lui-même serait la cathode, le champ électrique alternatif de la surface du filament affecterait le mouvement des électrons et introduirait un bourdonnement dans la sortie du tube. Cela permet également de lier les filaments de tous les tubes d’un appareil électronique et de les alimenter à partir de la même source de courant, même si les cathodes qu’ils chauffent peuvent être à des potentiels différents.
Afin d’améliorer l’émission d’électrons, les cathodes sont traitées avec des produits chimiques, généralement des composés de métaux ayant une faible fonction de travail. Les cathodes traitées nécessitent moins de surface, des températures plus basses et moins de puissance pour fournir le même courant cathodique. Les filaments de tungstène non traités utilisés dans les premiers tubes (appelés « émetteurs brillants ») devaient être chauffés à 1400 °C (~2500 °F), à blanc, pour produire une émission thermionique suffisante pour être utilisés, tandis que les cathodes modernes revêtues produisent beaucoup plus d’électrons à une température donnée, de sorte qu’elles ne doivent être chauffées qu’à 425-600 °C (~800-1100 °F) () Il existe deux principaux types de cathodes traitées :
- Cathode revêtue – Dans celles-ci, la cathode est recouverte d’un revêtement d’oxydes de métaux alcalins, souvent de l’oxyde de baryum et de strontium. Elles sont utilisées dans les tubes de faible puissance.
- Tungstène thorié – Dans les tubes de forte puissance, le bombardement ionique peut détruire le revêtement d’une cathode revêtue. Dans ces tubes, on utilise une cathode à chauffage direct constituée d’un filament en tungstène incorporant une petite quantité de thorium. La couche de thorium à la surface qui réduit le travail de la cathode est continuellement reconstituée car elle est perdue par diffusion du thorium depuis l’intérieur du métal.
Cathode froideEdit
C’est une cathode qui n’est pas chauffée par un filament. Elles peuvent émettre des électrons par émission électronique de champ, et dans les tubes remplis de gaz par émission secondaire. On peut citer les électrodes des néons, les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) utilisées comme rétroéclairage dans les ordinateurs portables, les tubes thyratron et les tubes de Crookes. Ils ne fonctionnent pas nécessairement à température ambiante ; dans certains dispositifs, la cathode est chauffée par le courant d’électrons qui la traverse jusqu’à une température à laquelle l’émission thermoionique se produit. Par exemple, dans certains tubes fluorescents, une haute tension momentanée est appliquée aux électrodes pour démarrer le courant dans le tube ; après le démarrage, les électrodes sont suffisamment chauffées par le courant pour continuer à émettre des électrons afin d’entretenir la décharge.
Les cathodes froides peuvent également émettre des électrons par émission photoélectrique. Elles sont souvent appelées photocathodes et sont utilisées dans les phototubes utilisés dans les instruments scientifiques et les tubes intensificateurs d’image utilisés dans les lunettes de vision nocturne.
DiodesEdit
Dans une diode semi-conductrice, la cathode est la couche dopée N de la jonction PN avec une forte densité d’électrons libres due au dopage, et une densité égale de charges positives fixes, qui sont les dopants qui ont été thermiquement ionisés. Dans l’anode, c’est l’inverse : Elle présente une forte densité de « trous » libres et, par conséquent, des dopants négatifs fixes qui ont capturé un électron (d’où l’origine des trous).
Lorsque des couches dopées P et N sont créées de manière adjacente, la diffusion fait en sorte que les électrons circulent des zones à forte densité vers les zones à faible densité : C’est-à-dire du côté N vers le côté P. Ils laissent derrière eux les dopants fixes chargés positivement près de la jonction. De même, les trous diffusent de P vers N en laissant derrière eux des dopants fixes ionisés négatifs près de la jonction. Ces couches de charges positives et négatives fixes sont collectivement appelées couche d’appauvrissement car elles sont appauvries en électrons et trous libres. La couche d’appauvrissement à la jonction est à l’origine des propriétés de redressement de la diode. Ceci est dû au champ interne qui en résulte et à la barrière de potentiel correspondante qui inhibent le passage du courant en polarisation inverse appliquée qui augmente le champ interne de la couche d’appauvrissement. Inversement, ils le permettent en polarisation appliquée vers l’avant où la polarisation appliquée réduit la barrière de potentiel intégrée.
Les électrons qui diffusent de la cathode dans la couche dopée P, ou anode, deviennent ce que l’on appelle des « porteurs minoritaires » et ont tendance à s’y recombiner avec les porteurs majoritaires, qui sont des trous, sur une échelle de temps caractéristique du matériau qui est la durée de vie des porteurs minoritaires de type p. De même, les trous qui diffusent dans la couche dopée N deviennent des porteurs minoritaires et ont tendance à se recombiner avec les électrons. À l’équilibre, sans polarisation appliquée, la diffusion thermiquement assistée des électrons et des trous dans des directions opposées à travers la couche d’appauvrissement assure un courant net nul, les électrons circulant de la cathode vers l’anode et se recombinant, et les trous circulant de l’anode vers la cathode à travers la jonction ou la couche d’appauvrissement et se recombinant.
Comme une diode typique, il y a une anode et une cathode fixes dans une diode Zener, mais elle conduira le courant dans le sens inverse (les électrons circulent de l’anode vers la cathode) si sa tension de claquage ou « tension Zener » est dépassée.