Tubos de vácuoEdit
Num tubo de vácuo ou sistema de vácuo electrónico, o cátodo é uma superfície metálica que emite electrões livres para o espaço evacuado. Uma vez que os electrões são atraídos para os núcleos positivos dos átomos metálicos, normalmente permanecem dentro do metal e necessitam de energia para o deixar; a isto chama-se a função de trabalho do metal. Os cátodos são induzidos a emitir electrões por vários mecanismos:
- Emissão termiónica: O cátodo pode ser aquecido. O aumento do movimento térmico dos átomos metálicos “bate” com electrões para fora da superfície, um efeito chamado emissão termiónica. Esta técnica é utilizada na maioria dos tubos de vácuo.
- Emissão de electrões de campo: Um forte campo eléctrico pode ser aplicado à superfície colocando um eléctrodo com uma alta voltagem positiva perto do cátodo. O eléctrodo com carga positiva atrai os electrões, fazendo com que alguns electrões saiam da superfície do cátodo. Este processo é utilizado em cátodos frios em alguns microscópios electrónicos, e na fabricação de microelectrónica,
- Emissão secundária: Um electrão, átomo ou molécula que colide com a superfície do cátodo com energia suficiente pode fazer com que os electrões saiam da superfície. Estes electrões são chamados electrões secundários. Este mecanismo é utilizado em lâmpadas de descarga de gás, tais como lâmpadas de néon.
- Emissão fotoeléctrica: Os electrões também podem ser emitidos a partir dos eléctrodos de certos metais quando a luz de frequência superior à frequência limite cai sobre eles. Este efeito chama-se emissão fotoeléctrica, e os electrões produzidos chamam-se fotoelectrões. Este efeito é utilizado em fototubos e tubos intensificadores de imagem.
Catodos podem ser divididos em dois tipos:
Cátodo quenteEditar
Um cátodo quente é um cátodo que é aquecido por um filamento para produzir electrões por emissão termiónica. O filamento é um fio fino de um metal refractário como o tungsténio aquecido a vermelho por uma corrente eléctrica que o atravessa. Antes do advento dos transístores na década de 1960, praticamente todo o equipamento electrónico utilizava tubos de vácuo de cátodo quente. Hoje em dia, os cátodos quentes são utilizados em tubos de vácuo em transmissores de rádio e fornos de microondas, para produzir os feixes de electrões em televisores e monitores de computador do tipo de tubos de raios catódicos antigos (CRT), em geradores de raios X, microscópios electrónicos e tubos fluorescentes.
Existem dois tipos de cátodos quentes:
- Catódico directamente aquecido: Neste tipo, o próprio filamento é o catódico e emite directamente os electrões. Os cátodos aquecidos directamente foram utilizados nos primeiros tubos de vácuo, mas hoje em dia só são utilizados em tubos fluorescentes, alguns grandes tubos de vácuo transmissores, e todos os tubos de raios X.
- Catódico aquecido indirectamente: Neste tipo, o filamento não é o catódico, mas aquece o catódico que depois emite os electrões. Os cátodos aquecidos indirectamente são utilizados hoje em dia na maioria dos aparelhos. Por exemplo, na maioria dos tubos de vácuo, o cátodo é um tubo de níquel com o filamento no seu interior, e o calor do filamento faz com que a superfície exterior do tubo emita electrões. O filamento de um cátodo indirectamente aquecido é normalmente chamado de aquecedor. A principal razão para utilizar um cátodo indirectamente aquecido é isolar o resto do tubo de vácuo do potencial eléctrico através do filamento. Muitos tubos de vácuo utilizam corrente alternada para aquecer o filamento. Num tubo em que o próprio filamento era o cátodo, o campo eléctrico alternado da superfície do filamento afectaria o movimento dos electrões e introduziria zumbido na saída do tubo. Também permite que os filamentos em todos os tubos de um dispositivo electrónico sejam ligados e fornecidos da mesma fonte de corrente, mesmo que os catodos que aquecem possam estar em potenciais diferentes.
Para melhorar a emissão de electrões, os catodos são tratados com produtos químicos, geralmente compostos de metais com uma função de baixo trabalho. Os cátodos tratados requerem menos área superficial, temperaturas mais baixas e menos energia para fornecer a mesma corrente catódica. Os filamentos de tungsténio não tratados utilizados nos primeiros tubos (chamados “emissores brilhantes”) tiveram de ser aquecidos a 1400 °C (~2500 °F), branco-quente, para produzir emissão termiónica suficiente para utilização, enquanto os catodos revestidos modernos produzem muito mais electrões a uma dada temperatura, pelo que só têm de ser aquecidos a 425-600 °C (~800-1100 °F) () Existem dois tipos principais de catodos tratados:
- Cátodo revestido – Nestes o cátodo é coberto com um revestimento de óxidos de metais alcalinos, muitas vezes bário e óxido de estrôncio. Estes são utilizados em tubos de baixa potência.
- Tungsténio escoriado – Em tubos de alta potência, o bombardeamento iónico pode destruir o revestimento sobre um cátodo revestido. Nestes tubos é utilizado um cátodo directamente aquecido constituído por um filamento feito de tungsténio incorporando uma pequena quantidade de tório. A camada de tório na superfície, que reduz a função de trabalho do cátodo, é continuamente reabastecida à medida que se perde por difusão do tório a partir do interior do metal.
Catódigo-frioEditar
Este é um cátodo que não é aquecido por um filamento. Podem emitir electrões por emissão de electrões de campo, e em tubos cheios de gás por emissão secundária. Alguns exemplos são eléctrodos em lâmpadas de néon, lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFL) utilizadas como retroiluminação em laptops, tubos de tiratron, e tubos Crookes. Não funcionam necessariamente à temperatura ambiente; em alguns dispositivos, o cátodo é aquecido pela corrente de electrões que o atravessa até uma temperatura em que ocorre a emissão termiónica. Por exemplo, em alguns tubos fluorescentes é aplicada uma alta voltagem momentânea aos eléctrodos para iniciar a corrente através do tubo; após o arranque, os eléctrodos são aquecidos o suficiente pela corrente para continuar a emitir electrões para sustentar a descarga.
Cátodos frios também podem emitir electrões por emissão fotoeléctrica. Estes são frequentemente chamados fotocátodos e são utilizados em fototubos utilizados em instrumentos científicos e tubos intensificadores de imagem utilizados em óculos de visão nocturna.
DiodesEdit
Num díodo semicondutor, o cátodo é a camada N da junção PN com uma alta densidade de electrões livres devido ao doping, e uma densidade igual de cargas positivas fixas, que são os dopantes que foram ionizados termicamente. No ânodo, aplica-se o inverso: Apresenta uma alta densidade de “furos” livres e, consequentemente, de dopantes negativos fixos que captaram um electrão (daí a origem dos furos).
Quando as camadas P e N são criadas adjacentes umas às outras, a difusão assegura que os electrões fluem de áreas de alta a baixa densidade: Ou seja, do lado N para o lado P. Deixam para trás os dopantes fixos com carga positiva perto da junção. Do mesmo modo, os orifícios difundem-se de P a N deixando para trás dopantes fixos com carga negativa ionizada perto da junção. Estas camadas de cargas positivas e negativas fixas são colectivamente conhecidas como camada de depleção porque se esgotam os electrões livres e os orifícios. A camada de depleção na junção está na origem das propriedades rectificadoras do díodo. Isto deve-se ao campo interno resultante e à barreira potencial correspondente que inibe o fluxo de corrente em polarização aplicada inversa, o que aumenta o campo interno da camada de depleção. Inversamente, permitem-no em polarização aplicada para a frente onde a polarização aplicada reduz a barreira potencial incorporada.
Electrões que se difundem do cátodo para a camada de P-doped, ou ânodo, tornam-se o que se designa por “portadores minoritários” e tendem a recombinar aí com os portadores maioritários, que são buracos, numa escala de tempo característica do material que é a vida útil dos portadores minoritários do tipo p. Da mesma forma, os orifícios que se difundem na camada N tornam-se portadores minoritários e tendem a recombinar-se com os electrões. Em equilíbrio, sem polarização aplicada, a difusão termicamente assistida de electrões e orifícios em direcções opostas através da camada de depleção asseguram uma corrente líquida zero com electrões a fluir de cátodo para cátodo e recombinação, e orifícios a fluir de cátodo para cátodo através da camada de junção ou depleção e recombinação.
Como um díodo típico, há um ânodo fixo e um cátodo num díodo Zener, mas conduzirá a corrente na direcção inversa (os electrões fluem de ânodo para cátodo) se a sua tensão de ruptura ou “tensão Zener” for excedida.