Вакуумная и плазменная электроника.-3

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к практическим занятиям для студентов направления подготовки

«11.03.04 – Электроника и наноэлектроника» Профиль: Микроэлектроника и твердотельная электроника;

Профиль: Промышленная электроника

28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника Профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике

2018

Автор и составитель: Аксенов, Александр Иванович

Вакуумная и плазменная электроника = Вакуумная и плазменная электроника: методические указания к практическим занятиям для студентов направлений подготовки: 11.03.04– Электроника и наноэлектроника (профиль Микроэлектроника и твердотельная электроника, Промышленная электроника); 28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника (профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике).

Томск 2018. - 39 с.

Материал пособия поможет в закреплении теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой ЭП

________С.М. Шандаров

«___» ________ 2018 г.

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к практическим занятиям для студентов направления подготовки

«11.03.04 – Электроника и наноэлектроника» Профиль: Микроэлектроника и твердотельная электроника;

Профиль: Промышленная электроника

28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника Профиль: Нанотехнологии в электронике и микросистемной технике

Разработчик Доцент каф. ЭП

______ А.И. Аксенов

«____»__________2018 г

2018

3

	Содержание
Введение...............................................................................................................		5
Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная
эмиссия, вторичная эмиссия ..............................................................................		6
1.1	Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии .....................	6
1.2	Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии .......................	7
1.3	Примеры решения задач по вторичной эмиссии ..................................	8
Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный и ионный
фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ.................................................................		9
2.1	Примеры решения задач..........................................................................	9
Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и
магнитном полях .................................................................................................		9
3.1	Примеры решения задач..........................................................................	9
Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы,
токопрохождение в ЭЛТ...................................................................................		10
4.1	Примеры решения задач........................................................................	10
Практическое занятие 5. Тлеющий разряд .....................................................		13
5.1	Примеры решения задач........................................................................	13
Задачи для проработки тем ..............................................................................		13

4

Введение

Материал пособия должен помогать закреплению теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

В результате решения задач студент приобретает способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9); способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).

Прежде чем решить задачу или ответить на поставленный вопрос, надо понять их сущность, физический смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические решения следует проводить, используя общеизвестные физические законы, физические постоянные и физические системы единиц. Сначала надо написать исходные формулы, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и найти результат. Помните, что все физические величины в формуле должны быть в одной системе единиц. Не забывайте в ответе давать размерность полученной величины.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать до третьего знака, а в ряде случаев и до второго.

Полученный в виде числа ответ надо постараться проверить какимлибо способом. Полезно обратиться к справочной литературе и сравнить полученную величину с известными подобными величинами в справочнике. Если отличие в несколько порядков, то ищите ошибку в своем решении.

Ответы на вопросы следует давать кратко, но ясно и точно.

5

Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия, вторичная эмиссия

1.1Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии

Зада ча 1 . Определить плотность тока термоэмиссии (в А/м2), если материал термокатода имеет эффективную работу выхода эфф 1,5 эВ,

температура катода Tк 900 К, проницаемость потенциального барьера

D 0,95.

Ре ше н ие . Плотность тока термоэмиссии можно определить, используя уравнение Ричардсона-Дэшмана:

e эфф

1,5 1,6 10 19

23 900

k T

4

2

1,38 10

3

2

j

A D T e

120 10

0,95 900

e

3,85 10

,

Э

к

А/м

0

к

где

A0 120 104

А

– универсальная постоянная термоэмиссии;

м2град2

e 1,6 10 19

Кл – заряд электрона;

k 1,38 10 23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Зада ча

2 .

Определить эффективную работу выхода материала

термокатода эфф

,

если температура катода Tк 900 К, проницаемость

потенциального

барьера

D 0,95, а

плотность

тока

термоэмиссии

jЭ 3,85103

А/м2.

Определить ток эмиссии термокатода, если площадь

катода Sк 0,1 см2.

Р е ш е н и е . Ток эмиссии термокатода можно определить из

уравнения:

j

Э

S

к

3,85 103 10 5 3,85 10 2 А = 38,5 мА.

Для определения эфф используем уравнение Ричардсона-Дэшмана:

						e эфф
	j	Э	A D T e			k Tк .
			0	к
								эфф 1,6 10 19
								1,38 10 23 900 ;
	3,85 103 120 104			0,95 9002 e
	3,85 103 205,2 109				e 12,88 эфф ;
				6

эфф = 2,4∙10 -19 Дж = 1,5 эВ.

Постоянные представлены в задаче 1.

1.2Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии

Зада ча 3 . Найти максимальную энергию (в эВ), выходящих с поверхности фотокатода под действием монохроматического пучка света с длиной волны 2 10 7 м, если эффективная работа выхода фотокатода

эфф 0,5 эВ.

Ре ше н ие . Фотон имеет энергию h и, попадая на фотокатоду, всю энергию отдает электрону в кристалле. Электрон, получив энергию h , покидает кристалл фотокатода, если этой энергии достаточно для выхода. При выходе из кристалла электрон теряет энергию, равную эффективной работе выхода кристалла ( эфф ).

Выйдя из кристалла фотокатода, электрон в вакууме имеет

кинетическую энергию, равную

mv2

. В результате можно записать

2

уравнение:

mv2

h

c

6,626 10 34

3 108

0,5 1,6 10 19

9,139 10 19 Дж=

2

эфф

2 10 7

= 5,7 эВ,

где

h 6,626 10 34 Дж – постоянная Планка;

с 3108 м/с – скорость света в вакууме;

m9,1 10 31 кг – масса электрона;

с – связь между частотой и длиной волны кванта.

Если известна начальная энергия электрона в кристалле ( 0 ), то уравнение баланса энергий можно записать:

0 h эфф mv2 2 .

Зада ча 4 . Электрон фотокатода получил энергию кванта, покинул кристалл и имеет энергию в вакууме 5,7 эВ. Эффективная работа выхода фотокатода эфф 0,5 эВ. Какой станет энергия электрона в вакууме (в эВ),

если длину волны кванта увеличить в 5 раз.

Р е ш е н и е . Энергию кванта можно найти из уравнения:

h h	c		mv2			5,7 0,5 6, 2	эВ.
					эфф
		2

При увеличении длины волны в 5 раз энергия кванта уменьшается в 5 раз и становится равной 1,24 эВ.

Теперь можно найти энергию электрона в вакууме:

7

hc эфф 1,24 0,5 0,74 эВ.

1.3Примеры решения задач по вторичной эмиссии

Зада ча 5 . Динод имеет коэффициент вторичной эмиссии 3,5. На этот электрод падает поток первичных электронов, и во внешней цепи

электрода протекает ток I 5 мА. Каким станет этот ток (в мА), если

2?

Ре ше н ие . Динод (вторичный электрод) в приборах предназначен для того, чтобы умножать ток первичных электронов. Первичные электроны падают на поверхность динода, выбивают вторичные электроны, которые все уходят на следующий динод. Ток в цепи динода можно записать:

I g Ie2 Ie1, а Ie2 Ie1 ;

I g Ie1 ( 1) , 5 Ie1(3.5 1) ;

Ie1 2 мА, Ie2 Ie1 7 мА,

где – коэффициент вторичной эмиссии; Ie1 – ток первичных электронов;

Ie2 – ток вторичных электронов; I g – ток динода.

Если 2, то I g 2 (2 1) 2 мА.

Зада ча 6 . Диод работает в режиме насыщения. На анод падает поток первичных электронов, то во внешней цепи анода Ia 1 мА, при

этом коэффициент вторичной эмиссии материала анода 3. Определить ток первичных электронов.

Р е ш е н и е . Диод – это прибор, в котором два электрода: катод и анод. Режим насыщения в диоде, когда все электроны, вышедшие из катода, ускоряются полем анода и приходят на анод, вызывая появление тока первичных электронов. Вторичные электроны, покинув анод, попадают в ускоряющее поле анода и захватываются им снова. Поэтому ток во внешней цепи анода будет определяться потоком первичных электронов:

Ia Ie1 1 мА.

8

Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный

иионный фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ.

2.1Примеры решения задач

Задача 1. В электронном фотоэлементе интегральная чувствительность К = 50 мкА/Лм, на фотокатод падает световой поток Ф = 6 Лм. Чему равен ток фотоэмиссии (в мА)?

Решение. Ток фотоэмиссии можно найти:

Iф КФ 50 6 300 мкА 0,3 мА.

Ответ: 0,3мА.

Задача 2. В ФЭУ чувствительность катода К = 10 мкА/Лм, световой поток Ф = 4 Лм, число каскадов n = 5, коэффициент вторичной эмиссии = 3, коэффициент передачи тока = 0,8. Определить ток в цепи анода Ia (в мкА). Как изменится , если световой поток уменьшить в два раза?

Решение. Определим фототок с катода:

Iф КФ 10 4 40 мкА 0,04 мА.

Определим коэффициент усиления ФЭУ:

М n n 35 0,85 79,6.

Определим ток анода:

Ia IфМ 40 79,6 3184 мкА 3,2 мА.

Коэффициент вторичной эмиссии не зависит от светового потока, поскольку фотон всю свою энергию отдает одному электрону.

Ответ: 3,2; «не изменится».

Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

3.1 Примеры решения задач

Задача 1. Электрон прошел разность потенциалов 200 В. Определить скорость электрона (в м/с) у поверхности положительного электрода, если начальная скорость электрона V0=0.

Решение. Электрон у поверхности анода будет иметь энергию,

соответствующую потенциалу электрода

Еа еUа . Это

кинетическая

энергия, выраженная формулой Е

mV 2

. Учитывая, что

mV 2

еU

, можно

а

к

2

2

определить скорость электрона:

2 1,6 10 19

200

2eUa

6

V

8, 4 10 м / с ,

m

9,1 10 31

где m = 9,1∙10–31 кг – масса электрона.

9

Ответ: 8,4 ∙ 106 м/с

Задача 2. Каким полем ускорялся ион, имеющий массу протона, если его скорость V = 106 м/с? Ответ дать в кВ.

Решение.

	mprV 2		1, 7		10 27 1012
U						5,3кВ,
					1, 6 10 19
	2e		2

где mpr = 1,7∙10–27 кг – масса протона.

Ответ: U= 5,3 кВ.

Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы, токопрохождение в ЭЛТ

4.1 Примеры решения задач

Задача 1. В электронно-лучевой трубке отклоняющие пластины по оси Х имеют размеры: d = 5 мм; l = 10 мм; L = 30 см; напряжение на втором аноде Ua2 = 3 кВ. Определить чувствительность к отклонению (в мм/В). Какой величины сигнал подан на пластины, если луч отклонился на 2 см на экране?

Решение. Чувствительность к отклонению можно найти из выражения:

		l L		10 300	0,1 мм / В.
		2Uad		2 5 3000

Учитывая, что размерность в мм/В, все размеры подставляем в мм, а напряжение в В.

На экране луч отклонился на l1 = 2 см, тогда напряжение, поданное на пластины:

Uпл l1 20 200 В.

0,1

Ответ: U= 200 В.

Задача 2. В кинескопе магнитная отклоняющая система. На экране видна горизонтальная линия в центре длиной l = 25 см. При этом ток в катушке 50 мА, а число витков 2000. Определить чувствительность к отклонению (в мм/А∙вит). Как запитаны катушки, отклоняющие по Y? Как изменится чувствительность к отклонению, если напряжение на третьем аноде увеличить в 1,5 раза?

Решение. Чувствительность можно определить из выражения:

	l		250	2,5мм / А вит.
	nI		2000 50 10 3
			10