Плазменная электроника / ПлЭ Часть 1

Следует знать общие определения

Специфические особенности плазмы проявляются тогда, когда распределение заряженных частиц в ней становится неоднородным, и возникают электромагнитные поля.

Электромагнитное поле – это совокупность переменных взаимосвязанных и влияющих друг на друга электрического Е и магнитного В полей.

Электрическое поле постоянного тока образуется внутри и вне про-

водников. При этом внутри однородного проводника отсутствует объемная плотность заряда ( div E 0 ), а линии вектора плотности тока замкнуты ( div J 0 ). Поле является потенциальным и для него справедливо уравнение

Лапласа 2 0 ( 2 дифференциальный оператор Лапласа, форма которого зависит от выбора координатной системы).

Магнитное поле постоянного потока проявляется в силовом воздей-

ствии на движущиеся в нем заряженные тела и на неподвижные контуры с постоянным током. Поле имеет вихревой характер – rot Н J .

Напряженность электрического поля Е – физическая характеристика электрического поля, определяющая силовое воздействие поля на положительный электрический заряд, когда величина внесенного заряда стремится к нулю: Е lim (F/Q) . За положительное направление вектора напряженности Е принято направление от положительного ( Q ) к отрицательному ( Q ) заряду. Сила электрического поля F eE , действующая на заряд, направлена вдоль вектора Е .

Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на 0 :

3

EdS E dS 1 n Q

n 0 i .

Уравнения Пуассона и Лапласа являются основными дифференциальными уравнениями электростатики и вытекают из теоремы Гаусса в дифференциальной форме.

Если величины Ex , Ey , Ez в уравнении

выразить через потенциал: Ex / x , E y / y , Ez / z , то получается дифференциальное уравнение – уравнение Пуассона:

где ( 2 / x2 ) ( 2 / y2 ) ( 2 / z2 ) – оператор Лапласа (лапласиан). Решением уравнения Пуассона для случая, когда заряды распределены в

конечной области пространства, а объемная плотность заряда в некоторой точке есть , является интеграл

и в этом частном случае представляет уравнение Лапласа.

При температуре абсолютного нуля электроны металла способны за-

нимать энергетические уровни лишь до энергии Ферми WF , поскольку вероятность заполнения этих уровней равна единице. При этом они не могут занимать уровни с более высокими значениями энергии, так как вероятность их заполнения в этом случае равна нулю. Следовательно, энергия W WF явля-

4

ется максимальной энергией электронов в металле при температуре абсолютного нуля.

34 Дж·с – редуцированная постоянная Планка или постоянная Дирака. Энергия Ферми является максимальной для электронов находящихся в

металле при температуре абсолютного нуля.

Плотность термоэлектронного тока (ТЭЭ), создаваемого электрона-

ми, выходящими с поверхности катода при температуре катода Тк:

от границы «металл–вакуум»; k 1.38 · 10–23 Дж / К – постоянная Больцмана;

еφ – работа выхода (Pt – 5.32, W – 4.54, Mo – 4.3, Ва – 2.11, Cs – 1.87 эВ), вы-

раженная в электронвольтах; – потенциал выхода; W0 – энергия дна зоны проводимости; WF – энергия Ферми.

Работа выхода e или эффективная работа выхода – это энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся внутри катода вблизи его поверхности, чтобы он мог оторваться от его поверхности.

Термоавтоэлектронная эмиссия. При отсутствии электрического поля ( Е 0 ) толщина потенциального барьера, окружающего электронную яму, неограниченна. Появление внешнего электрического поля ( Е 0) снижает потенциальный барьер на границе металл-вакуум на величину

e3E /(4 0 ) , уменьшает работу выхода и увеличивает эмиссионный ток.

Уменьшение работы выхода электронов из твердых тел под действием внешнего ускоряющего электрического поля называется эффектом Шотки.

5

ВВЕДЕНИЕ

Электроника как наука занимается изучением процессов генерации, формирования, транспортировки и взаимодействия потоков заряженных частиц и плазмы с электромагнитными полями и конденсированными средами, а также созданием методов проектирования, разработкой технологии производства и применением приборов и устройств на базе указанных процессов.

В зависимости от среды, которая используется в электронном приборе или устройстве, различают вакуумную, плазменную и твердотельную элек-

тронику. Различие в свойствах используемых сред и условий реализации указанных процессов делают эти области электроники относительно самостоятельными в их развитии.

Плазменная электроника изучает процессы в среде, которая содержит разноименные заряженные частицы в значительных концентрациях. Одним из наиболее распространенных способов генерации такой среды является пропускание электрического тока через газ или пар, которое получило назва-

ние газовый разряд.

Газовый разряд – это комплекс явлений, наблюдаемых при протекании электрического тока между электродами, находящимися в газе или паре, когда к ним приложена некоторая разность потенциалов. При этих условиях в газе появляются свободные электрические заряды – электроны и ионы, перемещающиеся под действием электрического поля. Газ в этом случае называют ионизованным.

При достаточно высоком напряжении в газе заряженные частицы, и в первую очередь электроны, на длине свободного пути приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул. В газе концентрация заряженных частиц возрастает на несколько порядков. Происходит электрический пробой газа и газовая среда, которая в исходном состоянии практически являлась диэлектриком, становится проводником электричества.

Со временем газовым разрядом стали называть всякий процесс протекания электрического тока через ионизованный газ, а также любой процесс возникновения ионизации и приобретения газом свойства электропроводности под воздействием электрического поля. Поскольку ионизованный газ чаще всего светится, говорят, что разряд зажигается, горит, гаснет.

6

1. Ионизованный газ и плазма

Газ – это физическая система, состоящая из большого числа отдельных частиц, обладающих большой подвижностью. В этой системе атомы или молекулы ведут себя относительно свободно, а расстояние между ними существенно больше их размеров.

Газ как агрегатное состояние вещества характеризуется хорошей сжимаемостью и отсутствием способности сохранять как объем, так и форму, стремясь занять весь предоставленный ему объем. При движении молекул газа нет никаких преимущественных направлений, т. е. пространство газовых молекул изотропно.

При этом энергия взаимодействия частиц по сравнению с их кинетической энергией мала (средней мерой кинетической энергии молекул выступает температура 1 эВ 11 600 К 1.6·10–19 Дж).

По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны, начиная от инертных малоактивных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe). К газам относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц, включая плазму.

Плазма – это ионизованный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, находящихся в среде нейтральных частиц, в котором электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов.

Плазма электрически нейтральна во времени и в каждом малом объеме пространства, для однозарядных частиц ene eni , а для многозарядных ионов ene eni , где – среднее зарядовое число.

При определенных условиях в газе может происходить ионизация атомов или молекул, при которой в газе появляются заряженные частицы: положительные и отрицательные ионы и электроны. Такой газ называют ионизованным. В частности, заряженные ионы генерируются в газе, как космическим излучением, так и за счет естественного радиоактивного фона Земли. Так в атмосфере на уровне поверхности Земли в каждом кубическом сантиметре в среднем происходит 4–10 актов ионизации в секунду, что обеспечивает концентрацию около 103 пар положительно и отрицательно заряженных частиц.

7

Низкотемпературная плазма – это ионизованный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, при этом энергии частиц достаточно для протекания реакций во внешних электронных оболочках ато-

мов или молекул: ионизация (однократная – е А е е А ); возбужде-

Температура газовой плазмы не превышает 104 К (1 эВ =11600 К), а концентрация заряженных частиц составляет 1014–1021 м–3 (в F- слое ионосферы

при температуре (3–5) 103 К концентрация частиц составляет примерно

1012 м–3).

Высокотемпературная плазма – плазма, получаемая в установках термоядерного синтеза, температура которой превышает 108 К, а концентрация

заряженных частиц, в зависимости от методов ее нагрева и удержания, составляет либо 1020–1021 м–3, либо 1028–1029 м–3.

8

2. Вольт-амперная характеристика газового разряда

Процессы, происходящие в газоразрядном объеме и на электродах, зависят от рода и давления газовой среды, материала, размеров и формы электродов, силы тока и его формы (постоянный, переменный, импульсный). Газовый разряд может существовать в интервале давлений от 10–3 до 104 Па, при этом разрядный ток изменяется от долей миллиампера до тысяч ампер, а напряжение, необходимое для возникновения и поддержания разряда, изменяется от сотни вольт до десятков киловольт.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику газонаполненного промежутка между двумя плоскопараллельными холодными электродами, включенными в электрическую цепь (рис. 1.1, а), состоящую из источника постоянного напряжения Uвх и балластного сопротивления Rб . Изменяя величину разрядного тока I раз в цепи, можно наблюдать различные виды газового раз-

ряда, отличающиеся как физическими процессами в межэлектродном пространстве и на электродах, так и характером свечения и значением падения напряжения между электродами постоянного напряжения U вх и балластного сопротивления Rб . Изменяя величину разрядного тока I раз в цепи, можно

наблюдать различные виды газового разряда, отличающиеся как физическими процессами в межэлектродном пространстве и на электродах, так и характером свечения и значением падения напряжения между электродами.

Рис. 1.1. Схема включения (а)

и вольт-амперная характеристика газового разряда (б)

На рис. 1.1, б представлена обобщенная вольт-амперная характеристика газового разряда в широком диапазоне токов, где обозначены: АВ –

9

несамостоятельный разряд; ВС – участок с поднормальным тлеющим разрядом; СD – нормальный, а DE – аномальный тлеющий разряды; ЕFG – дуговой разряд: ЕF – переход к дуговому разряду; FG – дуговой разряд.

Электрические разряды в газе подразделяют на несамостоятельные и самостоятельные. Это деление обусловлено тем обстоятельством, что в отсутствие внешних воздействий газ является диэлектриком.

К несамостоятельным относятся разряды (участок АВ, рис. 1.1, б), для поддержания которых кроме источника электрического питания требуется дополнительный источник энергии, который может обеспечить эмиссию электронов из катода или генерацию заряженных частиц в разрядном промежутке под действием внешних факторов.

Для поддержания самостоятельного разряда (участок ВG, рис. 1.1, б) не требуется образования заряженных частиц под влиянием внешних факторов, а генерация и движение зарядов в разрядном промежутке осуществляются исключительно за счет энергии электрического поля, действующего в промежутке между катодом и анодом.

Среди различных способов генерации плазмы наибольшее прикладное значение имеют газовые разряды, в большинстве типов которых плазма занимает существенный объем межэлектродного пространства.

Газонаполненный промежуток может проявлять два вида нелинейности:

–в зависимости от внешних условий он может находиться как в проводящем, так и в непроводящем состоянии. Это его свойство может быть использовано для построения коммутирующих приборов различного назначения и мощности;

– нелинейность вольт-амперной характеристики газового разряда может выражаться в постоянстве разрядного напряжения при изменении тока разряда. Этот вид нелинейности можно использовать при построении параметрических стабилизаторов напряжения, способных работать в экстремальных условиях.

В плазме газовых разрядов при определенных условиях энергия источников электрического питания достаточно эффективно может расходоваться на возбуждение атомных частиц, что приводит к формированию линейчатого спектра излучения из плазменного образования в широком диапазоне длин волн.

10

Способность плазмы генерировать излучение в широком диапазоне длин волн используется при разработке газоразрядных источников излучения, газоразрядных лазеров, индикаторных приборов и устройств отображения информации, например плазменных панелей.

Плазма представляет собой субстанцию, в которой существенны концентрации электронов, однозарядных и многозарядных ионов, продуктов диссоциации молекул – химически активных и быстрых нейтральных частиц. В связи с этим газоразрядные структуры могут использоваться в качестве генераторов заряженных и нейтральных частиц указанных типов.

Среди столкновительных процессов, в большинстве ситуаций преобладают упругие соударения, в результате которых наблюдается нагрев нейтральной части плазмы. Особенно эффективен этот процесс при давлениях порядка атмосферного. Это свойство плазмы газовых разрядов широко используется в плазмотронах для проведения термических операций и в плазмохимии.

Значительная доля энергии, идущая на поддержание дуговых разрядов при давлениях порядка атмосферного, выделяется на электродах: аноде и катоде, что позволяет использовать их для дуговой сварки, резки, пайки и т. д..

11

3. Вакуум. Критерий Кнудсена

Состояние газа при давлениях ниже атмосферного называется вакуумом (от латинского vacuum – пустота). Понятие вакуума применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объѐм, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве, например в космосе. Вакуум количественно измеряется абсолютным давлением газа. Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного путимолекулы (или атома) и характерным размером L системы (расстояние между стенками вакуумного объѐма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора).

Средней длиной свободного пробега частицы определенного типа является среднее расстояние, которое она проходит между двумя любыми столк-

новениями с молекулами газа. Согласно кинетической теории, средний свободный пробег частицы диаметром d1 (радиусом r1 ) и средней энерги-

где k 1.38·10–23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – температура газа; d –

поперечный размер частицы; d 2 2 эффективное поперечное сечение атома; p nkT давление газа; n – концентрация атомов.

Видно, что средняя длина свободного пути обратно пропорциональна их концентрации n (1/м3) и давлению p (1 мм рт. ст. = 1 торр = 133 Па (Н/м2)).

12