Catodo

Tubi a vuotoModifica

Bagliore dal catodo riscaldato direttamente di un tubo tetrodico di potenza da 1 kW in un trasmettitore radio. Il filamento catodico non è direttamente visibile

In un tubo a vuoto o in un sistema elettronico a vuoto, il catodo è una superficie metallica che emette elettroni liberi nello spazio evacuato. Poiché gli elettroni sono attratti dai nuclei positivi degli atomi di metallo, normalmente rimangono all’interno del metallo e richiedono energia per uscirne; questa è chiamata funzione di lavoro del metallo. I catodi sono indotti ad emettere elettroni da diversi meccanismi:

• Emissione termoionica: Il catodo può essere riscaldato. L’aumento del movimento termico degli atomi di metallo “sbatte” gli elettroni fuori dalla superficie, un effetto chiamato emissione termoionica. Questa tecnica è usata nella maggior parte dei tubi a vuoto.
• Emissione di elettroni di campo: Un forte campo elettrico può essere applicato alla superficie mettendo un elettrodo con un’alta tensione positiva vicino al catodo. L’elettrodo caricato positivamente attrae gli elettroni, facendo sì che alcuni elettroni lascino la superficie del catodo. Questo processo è usato nei catodi freddi in alcuni microscopi elettronici, e nella fabbricazione di microelettronica,
• Emissione secondaria: Un elettrone, un atomo o una molecola che collide con la superficie del catodo con sufficiente energia può far uscire gli elettroni dalla superficie. Questi elettroni sono chiamati elettroni secondari. Questo meccanismo è usato nelle lampade a scarica di gas come le lampade al neon.
• Emissione fotoelettrica: Gli elettroni possono anche essere emessi dagli elettrodi di alcuni metalli quando la luce di frequenza superiore alla frequenza di soglia cade su di esso. Questo effetto è chiamato emissione fotoelettrica, e gli elettroni prodotti sono chiamati fotoelettroni. Questo effetto è usato nei fototubi e nei tubi intensificatori d’immagine.

I catodi possono essere divisi in due tipi:

Catodo caldoModifica

Simbolo schematico usato nei diagrammi dei circuiti per le valvole, che mostra il catodo

Un catodo caldo è un catodo che viene riscaldato da un filamento per produrre elettroni per emissione termoionica. Il filamento è un filo sottile di un metallo refrattario come il tungsteno riscaldato a caldo da una corrente elettrica che lo attraversa. Prima dell’avvento dei transistor negli anni ’60, praticamente tutte le apparecchiature elettroniche utilizzavano tubi a vuoto a catodo caldo. Oggi i catodi caldi sono usati nei tubi a vuoto dei trasmettitori radio e dei forni a microonde, per produrre i fasci di elettroni nei vecchi televisori a tubo catodico (CRT) e nei monitor dei computer, nei generatori di raggi X, nei microscopi elettronici e nei tubi fluorescenti.

Ci sono due tipi di catodi caldi:

• Catodo a riscaldamento diretto: in questo tipo, il filamento stesso è il catodo ed emette gli elettroni direttamente. I catodi a riscaldamento diretto erano usati nei primi tubi a vuoto, ma oggi sono usati solo nei tubi fluorescenti, in alcuni grandi tubi a vuoto a trasmissione e in tutti i tubi a raggi X.
• Catodo a riscaldamento indiretto: in questo tipo, il filamento non è il catodo, ma riscalda il catodo che poi emette elettroni. I catodi riscaldati indirettamente sono utilizzati nella maggior parte dei dispositivi di oggi. Per esempio, nella maggior parte dei tubi a vuoto il catodo è un tubo di nichel con il filamento al suo interno, e il calore del filamento fa sì che la superficie esterna del tubo emetta elettroni. Il filamento di un catodo a riscaldamento indiretto è solitamente chiamato riscaldatore. La ragione principale per l’utilizzo di un catodo riscaldato indirettamente è quello di isolare il resto del tubo a vuoto dal potenziale elettrico attraverso il filamento. Molti tubi a vuoto utilizzano la corrente alternata per riscaldare il filamento. In un tubo in cui il filamento stesso fosse il catodo, il campo elettrico alternato dalla superficie del filamento influenzerebbe il movimento degli elettroni e introdurrebbe un ronzio nell’uscita del tubo. Permette anche ai filamenti di tutti i tubi di un dispositivo elettronico di essere legati insieme e alimentati dalla stessa fonte di corrente, anche se i catodi che riscaldano possono essere a potenziali diversi.

Al fine di migliorare l’emissione di elettroni, i catodi sono trattati con sostanze chimiche, di solito composti di metalli con una bassa funzione di lavoro. I catodi trattati richiedono meno superficie, temperature più basse e meno potenza per fornire la stessa corrente catodica. I filamenti di tungsteno non trattati usati nei primi tubi (chiamati “emettitori luminosi”) dovevano essere riscaldati a 1400 °C (~2500 °F), a fuoco bianco, per produrre un’emissione termoionica sufficiente per l’uso, mentre i moderni catodi rivestiti producono molti più elettroni a una data temperatura, quindi devono essere riscaldati solo a 425-600 °C (~800-1100 °F) () Ci sono due tipi principali di catodi trattati:

Catodo freddo (elettrodo di sinistra) nella lampada al neon

• Catodo rivestito – In questi il catodo è coperto da un rivestimento di ossidi di metalli alcalini, spesso ossido di bario e stronzio. Questi sono usati nei tubi a bassa potenza.
• Tungsteno toriato – Nei tubi ad alta potenza, il bombardamento di ioni può distruggere il rivestimento di un catodo rivestito. In questi tubi si usa un catodo riscaldato direttamente che consiste in un filamento di tungsteno che incorpora una piccola quantità di torio. Lo strato di torio sulla superficie, che riduce la funzione di lavoro del catodo, viene continuamente reintegrato in quanto si perde per diffusione del torio dall’interno del metallo.

Catodo freddoModifica

Questo è un catodo che non è riscaldato da un filamento. Possono emettere elettroni per emissione di elettroni di campo, e nei tubi pieni di gas per emissione secondaria. Alcuni esempi sono gli elettrodi nelle luci al neon, le lampade fluorescenti a catodo freddo (CCFL) utilizzate come retroilluminazione nei computer portatili, i tubi thyratron e i tubi Crookes. Non funzionano necessariamente a temperatura ambiente; in alcuni dispositivi il catodo è riscaldato dalla corrente di elettroni che lo attraversa ad una temperatura alla quale si verifica l’emissione termoionica. Per esempio, in alcuni tubi fluorescenti un’alta tensione momentanea è applicata agli elettrodi per avviare la corrente attraverso il tubo; dopo l’avvio gli elettrodi sono riscaldati abbastanza dalla corrente per continuare ad emettere elettroni per sostenere la scarica.

I catodi freddi possono anche emettere elettroni per emissione fotoelettrica. Questi sono spesso chiamati fotocatodi e sono usati nei fototubi usati negli strumenti scientifici e nei tubi intensificatori d’immagine usati negli occhiali per la visione notturna.

DiodesEdit

In un diodo a semiconduttore, il catodo è lo strato drogato N della giunzione PN con un’alta densità di elettroni liberi dovuta al drogaggio, e un’uguale densità di cariche positive fisse, che sono i droganti che sono stati ionizzati termicamente. Nell’anodo, vale il contrario: È caratterizzato da un’alta densità di “buchi” liberi e di conseguenza da droganti negativi fissi che hanno catturato un elettrone (da cui l’origine dei buchi).

Quando gli strati drogati P e N sono creati adiacenti l’uno all’altro, la diffusione assicura che gli elettroni fluiscano da zone ad alta a bassa densità: Cioè, dal lato N al lato P. Essi si lasciano alle spalle i droganti fissi caricati positivamente vicino alla giunzione. Allo stesso modo, i buchi si diffondono da P a N lasciandosi dietro i droganti fissi ionizzati negativi vicino alla giunzione. Questi strati di cariche positive e negative fisse sono conosciuti collettivamente come strato di esaurimento perché sono impoveriti di elettroni e buchi liberi. Lo strato di deplezione alla giunzione è all’origine delle proprietà di raddrizzamento del diodo. Ciò è dovuto al campo interno risultante e alla barriera di potenziale corrispondente che inibiscono il flusso di corrente in caso di polarizzazione inversa applicata che aumenta il campo interno dello strato di depletione. Gli elettroni che si diffondono dal catodo nello strato drogato P, o anodo, diventano i cosiddetti “portatori di minoranza” e tendono a ricombinarsi lì con i portatori di maggioranza, che sono i buchi, su una scala temporale caratteristica del materiale che è la durata del portatore di minoranza di tipo p. Allo stesso modo, i buchi che si diffondono nello strato drogato N diventano portatori di minoranza e tendono a ricombinarsi con gli elettroni. In equilibrio, senza bias applicato, la diffusione termicamente assistita di elettroni e buchi in direzioni opposte attraverso lo strato di esaurimento assicura una corrente netta zero con gli elettroni che scorrono dal catodo all’anodo e si ricombinano e i buchi che scorrono dall’anodo al catodo attraverso la giunzione o lo strato di esaurimento e si ricombinano.

Come un tipico diodo, c’è un anodo e un catodo fissi in un diodo Zener, ma condurrà la corrente nella direzione inversa (gli elettroni fluiscono dall’anodo al catodo) se la sua tensione di breakdown o “tensione Zener” viene superata.