3450

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

«210100.62 – Электроника и наноэлектроника»

2013

Аксенов, Александр Иванович

Вакуумная и плазменная электроника = Вакуумная и плазменная электроника: методические указания к практическим занятиям для студентов направления 210100.62 – Электроника и наноэлектроника / А.И. Аксенов; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Кафедра электронных приборов. - Томск: ТУСУР, 2013. - 38 с.

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

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9);

способностью 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).

Пособие предназначено для студентов очной формы, обучающихся по направления 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника».

© Аксенов Александр Иванович, 2013

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

«___» ________ 2013 г.

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к практическим занятиям для студентов направления

210100.62 – «Электроника и наноэлектроника»

Разработчик Доцент каф. ЭП

______ А.И. Аксенов

«____»__________2013 г

2013

		Содержание
Введение ...........................................................................................................			5
Практическое занятие 1.Термоэлектронная эмиссия .....................................			6
1.1	Примеры решения задач по теме ........................................................		6
Практическое занятие 2.		Фотоэлектронная эмиссия......................................	7
2.1	Примеры решения задач по теме ........................................................		7
Практическое занятие 3.		Автоэлектронная (электростатическая)	эмиссия . 8
Практическое занятие 4.		Вторичная электронная эмиссия...........................	9
4.1	Примеры решения	задач по теме ...........................................................	9
Практическое занятие 5.		Методы измерения параметров плазмы ..............	10
5.1	Примеры решения задач ......................................................................		10
Задачи для проработки тем ............................................................................			11

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

1.1Примеры решения задач по теме

Зад ач а 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

D0,95 .

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

e эфф

1,5 1,6 10 19

1,38 10 23 900 3,85 103 А/м2,

j

Э

A

D T

e

k Tк

120 104 0,95 9002 e

0

к

где

A0 120 104

А

– универсальная постоянная термоэмиссии;

м2град 2

e 1,6 10 19 Кл – заряд электрона;

k1,38 10 23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Зад ач а 2 . Определить эффективную работу выхода материала термокатода эфф , если температура катода Tк 900 К, проницаемость

потенциального						барьера D 0,95, а плотность тока			термоэмиссии
j	Э	3,85 103			А/м2.			Определить ток эмиссии термокатода,	если площадь
катода S			к	0,1		см2.
		Ре 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 A D T e				k Tк .
	Э	0	к
							эфф 1,6 10 19
							1,3810 23 900 ;
	3,85 103 120 104 0,95 9002 e
	3,85 103	205,2 109		e 12,88 эфф ;

Дж = 1,5 эВ.

Постоянные представлены в задаче 1.

6

Практическое занятие 2. Фотоэлектронная эмиссия

2.1 Примеры решения задач по теме

З ад ач а 1 . 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.

Р е 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;

m 9,1 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:

h

mv2

.

0

эфф

2

З ад ач а 2 . 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.

Ре ш е н и е . Энергию кванта можно найти из уравнения: h h c mv2 2 эфф 5,7 0,5 6,2 эВ.

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: h c эфф 1, 24 0,5 0,74 эВ.

7

Практическое занятие 3. Автоэлектронная (электростатическая) эмиссия

3 . 1 Примеры решения задач по теме

З ад ач а 1 . Определить плотность тока термоэмиссии (в А/м2), если температура катода Tк 2000 К, эффективная работа выхода материала

катода эфф 2 эВ, проницаемость D 1, а напряженность электрического поля у поверхности катода составляет E 8 107 В/м.

Р е ше н ие . Электрическое поле уменьшает потенциальный барьер у поверхности катода на . Эту величину можно определить по формуле:

		3								3
		e2								(1,6 10 19 )2			8 107					64 10 30 8,94 103
								E
																		10,54 10 6
		4
					0						4 3,14 8,85 10 12

0,54310 19 Дж = 0,34 эВ,

где e 1,6 10 19 Кл – заряд электрона;

3,14;0 8,85 10 12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Для определения плотности тока термоэмиссии используем формулу Ричардсона Дэшмана:

				e( эфф )								1,6 10 19 (2 0,34)
jЭ A0 D T	2	e			120 10		4	2000		2		1,38 10 23 2000
				k T							e
	4,8 1012 e 9,6					3,24 108			А/м2.

8

Практическое занятие 4. Вторичная электронная эмиссия

4.1Примеры решения задач по теме

Зад ач а 1 . 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.

З ад ач а 2 . 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.

Ре 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.

9

Практическое занятие 5. Методы измерения параметров плазмы

5.1 Примеры решения задач

З ад ач а 1 . В диодный промежуток (см. задачу 1) напустили газ, потенциал ионизации которого Ui 19 В, а сечение ионизации электрона

Qei 8 103 1/м. Определить сможет ли электрон ионизировать атомы газа.

Ре ш е н и е . Сечение ионизации характеризует число ионизаций, совершаемых электроном на 1 м его пути. Эта величина обратно

пропорциональна средней длине свободного пробега электрона e .

				1		1	1, 25 10 4 м.
						8 103
	e			Q
				ei

Электрон, двигаясь в газе, набирает энергию на расстоянии равном средней длине его пробега. После взаимодействия с атомом изменяется и энергия электрона, и траектория движения. Определим какую энергию

наберет электрон в электрическом поле анода на расстоянии равном e .

E e 8 104 1,25 10 4 10 В.

Электрон в электрическом поле анода набирает на расстоянии e

энергию 10 эВ, а чтобы ионизировать атом газа, нужна энергия 19 эВ. Электрон не сможет ионизировать атомы газа.

10