Tubos de vacíoEditar
En un tubo de vacío o sistema electrónico de vacío, el cátodo es una superficie metálica que emite electrones libres en el espacio evacuado. Dado que los electrones son atraídos por los núcleos positivos de los átomos metálicos, normalmente permanecen dentro del metal y requieren energía para salir de él; esto se llama la función de trabajo del metal. Los cátodos son inducidos a emitir electrones por varios mecanismos:
- Emisión termoiónica: El cátodo puede calentarse. El aumento del movimiento térmico de los átomos de metal «saca» electrones de la superficie, un efecto llamado emisión termoiónica. Esta técnica se utiliza en la mayoría de los tubos de vacío.
- Emisión de electrones de campo: Se puede aplicar un fuerte campo eléctrico a la superficie colocando un electrodo con un alto voltaje positivo cerca del cátodo. El electrodo cargado positivamente atrae a los electrones, haciendo que algunos electrones salgan de la superficie del cátodo. Este proceso se utiliza en los cátodos fríos de algunos microscopios electrónicos y en la fabricación de microelectrónica,
- Emisión secundaria: Un electrón, átomo o molécula que colisiona con la superficie del cátodo con suficiente energía puede expulsar electrones de la superficie. Estos electrones se denominan electrones secundarios. Este mecanismo se utiliza en las lámparas de descarga de gas, como las de neón.
- Emisión fotoeléctrica: También se pueden emitir electrones desde los electrodos de ciertos metales cuando incide sobre ellos una luz de frecuencia superior a la frecuencia umbral. Este efecto se llama emisión fotoeléctrica, y los electrones producidos se llaman fotoelectrones. Este efecto se utiliza en los fototubos y en los tubos intensificadores de imagen.
- Cátodo calentado directamente: En este tipo, el propio filamento es el cátodo y emite los electrones directamente. Los cátodos calentados directamente se utilizaron en los primeros tubos de vacío, pero hoy en día sólo se utilizan en los tubos fluorescentes, en algunos grandes tubos de vacío transmisores y en todos los tubos de rayos X.
- Cátodo calentado indirectamente: en este tipo, el filamento no es el cátodo, sino que calienta el cátodo, que entonces emite electrones. Los cátodos de calentamiento indirecto se utilizan en la mayoría de los dispositivos actuales. Por ejemplo, en la mayoría de los tubos de vacío el cátodo es un tubo de níquel con el filamento en su interior, y el calor del filamento hace que la superficie exterior del tubo emita electrones. El filamento de un cátodo calentado indirectamente suele llamarse calentador. La razón principal para utilizar un cátodo calentado indirectamente es aislar el resto del tubo de vacío del potencial eléctrico a través del filamento. Muchos tubos de vacío utilizan corriente alterna para calentar el filamento. En un tubo en el que el propio filamento fuera el cátodo, el campo eléctrico alterno de la superficie del filamento afectaría al movimiento de los electrones e introduciría zumbidos en la salida del tubo. También permite que los filamentos de todos los tubos de un dispositivo electrónico estén unidos y se alimenten de la misma fuente de corriente, aunque los cátodos que calientan puedan estar a diferentes potenciales.
- Cátodo recubierto – En estos el cátodo está cubierto con una capa de óxidos de metales alcalinos, a menudo óxido de bario y estroncio. Se utilizan en tubos de baja potencia.
- Tungsteno toriado – En los tubos de alta potencia, el bombardeo de iones puede destruir el revestimiento de un cátodo revestido. En estos tubos se utiliza un cátodo calentado directamente que consiste en un filamento de tungsteno que incorpora una pequeña cantidad de torio. La capa de torio en la superficie que reduce la función de trabajo del cátodo se repone continuamente, ya que se pierde por difusión del torio desde el interior del metal.
Los cátodos pueden dividirse en dos tipos:
Cátodo calienteEditar
Un cátodo caliente es un cátodo que se calienta con un filamento para producir electrones por emisión termoiónica. El filamento es un alambre fino de un metal refractario como el tungsteno que se calienta al rojo vivo por el paso de una corriente eléctrica. Antes de la llegada de los transistores en los años 60, prácticamente todos los equipos electrónicos utilizaban tubos de vacío de cátodo caliente. Hoy en día, los cátodos calientes se utilizan en los tubos de vacío de los transmisores de radio y los hornos de microondas, para producir los haces de electrones en los antiguos televisores y monitores de ordenador de tipo tubo de rayos catódicos (CRT), en los generadores de rayos X, en los microscopios electrónicos y en los tubos fluorescentes.
Hay dos tipos de cátodos calientes:
Para mejorar la emisión de electrones, los cátodos se tratan con productos químicos, normalmente compuestos de metales con una baja función de trabajo. Los cátodos tratados requieren menos superficie, temperaturas más bajas y menos potencia para suministrar la misma corriente catódica. Los filamentos de tungsteno no tratados que se utilizaban en los primeros tubos (llamados «emisores brillantes») tenían que calentarse a 1400 °C (~2500 °F), al rojo vivo, para producir una emisión termoiónica suficiente para su uso, mientras que los cátodos recubiertos modernos producen muchos más electrones a una temperatura determinada, por lo que sólo tienen que calentarse a 425-600 °C (~800-1100 °F) () Hay dos tipos principales de cátodos tratados:
Cátodo fríoEditar
Se trata de un cátodo que no es calentado por un filamento. Pueden emitir electrones por emisión de electrones de campo, y en tubos llenos de gas por emisión secundaria. Algunos ejemplos son los electrodos de las luces de neón, las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) utilizadas como luz de fondo en los ordenadores portátiles, los tubos de tiratrón y los tubos de Crookes. No necesariamente funcionan a temperatura ambiente; en algunos dispositivos el cátodo se calienta por la corriente de electrones que fluye a través de él hasta una temperatura en la que se produce la emisión termoiónica. Por ejemplo, en algunos tubos fluorescentes se aplica un alto voltaje momentáneo a los electrodos para iniciar la corriente a través del tubo; después del arranque los electrodos se calientan lo suficiente por la corriente para seguir emitiendo electrones para mantener la descarga.
Los cátodos fríos también pueden emitir electrones por emisión fotoeléctrica. Suelen llamarse fotocátodos y se utilizan en los fototubos utilizados en instrumentos científicos y en los tubos intensificadores de imagen utilizados en las gafas de visión nocturna.
DiodosEditar
En un diodo semiconductor, el cátodo es la capa dopada con N de la unión PN con una alta densidad de electrones libres debido al dopaje, y una densidad igual de cargas positivas fijas, que son los dopantes que han sido ionizados térmicamente. En el ánodo ocurre lo contrario: Presenta una alta densidad de «agujeros» libres y, en consecuencia, de dopantes negativos fijos que han capturado un electrón (de ahí el origen de los agujeros).
Cuando se crean capas dopadas con P y N adyacentes entre sí, la difusión asegura que los electrones fluyan de las zonas de alta a las de baja densidad: Es decir, del lado N al P. Dejan atrás los dopantes fijos cargados positivamente cerca de la unión. Del mismo modo, los huecos se difunden de P a N dejando atrás los dopantes ionizados negativos fijos cerca de la unión. Estas capas de cargas positivas y negativas fijas se conocen colectivamente como capa de agotamiento porque están vacías de electrones y huecos libres. La capa de agotamiento en la unión es el origen de las propiedades rectificadoras del diodo. Esto se debe al campo interno resultante y a la correspondiente barrera de potencial, que inhiben el flujo de corriente en la polarización aplicada en sentido inverso, lo que aumenta el campo interno de la capa de agotamiento. A la inversa, lo permiten en la polarización aplicada hacia delante, donde la polarización aplicada reduce la barrera de potencial incorporada.
Los electrones que se difunden desde el cátodo a la capa dopada con P, o ánodo, se convierten en lo que se denomina «portadores minoritarios» y tienden a recombinarse allí con los portadores mayoritarios, que son huecos, en una escala de tiempo característica del material que es el tiempo de vida del portador minoritario de tipo p. Del mismo modo, los huecos que se difunden en la capa dopada con N se convierten en portadores minoritarios y tienden a recombinarse con los electrones. En equilibrio, sin polarización aplicada, la difusión asistida térmicamente de electrones y huecos en direcciones opuestas a través de la capa de agotamiento garantiza una corriente neta nula con electrones que fluyen del cátodo al ánodo y se recombinan, y huecos que fluyen del ánodo al cátodo a través de la unión o capa de agotamiento y se recombinan.
Al igual que un diodo típico, hay un ánodo y un cátodo fijos en un diodo Zener, pero conducirá la corriente en la dirección inversa (los electrones fluyen del ánodo al cátodo) si se supera su tensión de ruptura o «tensión Zener».