공간전하: 정의, 예시, 그리고 효과

공간 전하(space charge)는 자유 공간이나 유전체 물질에서 전하가 축적되는 영역을 정의합니다. 전하는 양성 또는 음성이 될 수 있으며, 이동 가능하거나 불가능할 수 있습니다. 공간 전하는 전기장, 전위, 그리고 해당 영역에서의 전류 흐름에 영향을 미칠 수 있습니다.

공간 전하의 예

공간 전하는 다음과 같은 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다:

• 반도체 접합부: p형 반도체(여러 구멍이 있는)와 n형 반도체(여러 전자가 있는)가 접촉되면, 접합부 근처의 전자와 구멍이 재결합하여 이동 불가능한 이온만 남습니다. 이렇게 생성된 공간 전하 영역은 이동 가능한 전하 운반자가 없는 상태로, 전하의 추가 확산을 방지하는 전기장을 가집니다. 이 영역은 소진층 또는 소진 영역이라고도 합니다.

• 전자관: 전자관(예: 진공관 또는 열전자 변환기)에 전원이 공급되면, 캐소드(음극)에서 전자가 방출되어 아노드(양극)로 이동합니다. 그러나 전자는 관을 통과하는데 일정 시간이 걸리며, 캐소드 근처에 음전하의 구름을 형성할 수 있습니다. 이렇게 생성된 공간 전하 영역은 방출된 전자를 반발시키고 전류 흐름을 줄입니다. 이 영역은 캐소드 낙하 또는 가상 캐소드라고도 합니다.

  

공간 전하는 다양한 장치와 애플리케이션에 대해 긍정적 및 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다:

• 열전자 변환기: 열전자 변환기는 열전자 방출(열한 금속 표면에서 전자가 방출되는 현상)을 사용하여 열을 전기에 변환하는 장치입니다. 공간 전하는 방출된 전자의 추가 장벽을 생성하여 열전자 변환기의 효율과 출력을 감소시킵니다. 이를 극복하기 위해 더 높은 온도나 낮은 전압이 필요하며, 이는 열 손실을 증가시키거나 전압 출력을 감소시킵니다.

• 증폭기: 증폭기는 전자관이나 트랜지스터를 사용하여 입력 신호의 진폭을 증가시키는 장치입니다. 공간 전하는 일부 튜브에 음전압을 생성함으로써 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 음전압은 튜브에 음의 바이어스를 제공하는 것과 동일하며, 이는 증폭 과정을 제어하고 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 샷 노이즈: 샷 노이즈는 이산적인 전하로 인해 발생하는 전기 전류의 무작위 변동으로 인한 노이즈 유형입니다. 공간 전하는 전하의 경로를 따라 움직임을 영향을 미침으로써 샷 노이즈를 줄일 수 있습니다. 이는 특정 지점에 무작위로 도착하는 전하의 수를 줄이고, 그들의 통계적 변동을 줄이므로, 샷 노이즈를 줄입니다.

결론

      공간 전하는 자유 공간이나 유전체 물질에서 전하가 축적되는 현상을 말합니다. 열전자 방출, 반도체 접합부, 유전체 파괴, 혹은 물 트리 등 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 열전자 변환 효율 감소, 증폭기 성능 향상, 샷 노이즈 감소 등의 다양한 효과를 미칩니다.

출처: Electrical4u

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