МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Шовкун І.Д.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ

«ВАКУУМНА ТА ПЛАЗМОВА ЕЛЕКТРОНІКА»

для студентів напряму підготовки 6.050801 Мікро- та наноелектроніка

спеціальності «Фізична та біомедична електроніка»

Київ 2013

Вступ

Історія розвитку вакуумної електроніки охоплює все 20-те століття. За цей час вакуумна електроніка зібрала величезний науковий матеріал, на основі якого були створені та досягли широкого розвитку науковмістка електронна техніка і високотехнологічна електронна промисловість.

Сучасна електроніка – це складний комплекс науки, техніки, технології та промислового виробництва. Електроніка як наука займається вивченням:

- процесів одержання і взаємодії заряджених частинок з електромагнітними полями та речовиною в різних середовищах (вакуумі, газі, плазмі, твердих тілах та рідинах);

- розробкою методів створення електронних приладів і пристроїв різного призначення, які використовують вказані процеси.

У відповідності з назвою середовищ, в яких досліджуються процеси взаємодії, електроніку розділяють на такі області: вакуумна; плазмова; твердотільна; рідинна (хемотроніка)

Спільними для всіх областей електроніки є фундаментальні тенденції їх розвитку. Одна з них – прагнення до ефективного використання взаємодії заряджених частинок не тільки з макрополями в між електродному просторі електронних приладів, а також з мікрополями всередині атома, молекули та кристалічних решіток речовини (квантова електроніка).

Другою фундаментальною тенденцією є мініатюризація електронних приладів і пристроїв (мікроелектроніка).

Великі успіхи в вакуумній електроніці в значній мірі були досягнуті завдяки властивостям самого середовища – вакууму (1). В перекладі з латинської вакуум – це порожнеча. Практично це поняття означає розріджений газ, в якому концентрація молекул мала в порівнянні з їх концентрацією в атмосфері Землі. Завдяки малій концентрації будь-яка частинка (електрон, атом, молекула) може достатньо довго переміщуватись у просторі, не стикаючись з іншими частинками. Шлях, який частинка пройшла без зіткнень, називається довжиною вільного пробігу.

Вакуум в будь-якому замкненому об’ємі характеризується тиском газу, який вимірюється в паскалях (Па), а в техніці часто в міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст. = 133,32 Па);

В загальному випадку фізичні процеси в вакуумі залежать від співвідношення між середньою довжиною вільного пробігу частинок газу і розміром D, характерним для конкретного приладу або процесу: відстань між стінками вакуумної камери, діаметр вакуумного трубопровода, відстань між електродами вакуумного електронного приладу і т. ін. В залежності від цього співвідношення розрізняють низький (  << D), середній (  ~D) і високий (  >>D) вакуум. Низькому вакууму відповідає тиск Р>10^-2 Па, середньому – від 10² до 10^-1 Па і високому – від 10^-1 до 10^-6 Па.

В низькому вакуумі властивості газу визначаються частими зіткненнями між частинками, під час яких відбувається обмін енергіями. При цьому явища переносу (теплопровідність, дифузія, внутрішнє тертя) характеризуються плавною зміною градієнта величини, що переноситься, а також тим, що кількість тепла або речовини, що переноситься, не залежить від тиску. При протіканні електричного струму в низькому вакуумі значну роль відіграє іонізація газу(2).

У високому вакуумі властивості газу визначаються зіткненнями частинок із стінками. Частинки рухаються прямолінійно, не зтикаючись між собою, а кількість тепла або речовини, що переноситься, пропорційна тиску. Протікання струму в високому вакуумі можливе тільки у результаті випускання електронів або йонів електродами.

Властивості газу в середньому вакуумі є проміжними між його властивостями у низькому і у високому вакуумі.

Існує також поняття надвисокого вакууму ( Р < 10^-6 Па), яке пов’язане не з величиною відношення /D, а з часом τ, який необхідний для утворення мономолекулярного шару адсорбованих молекул газу на поверхні твердого тіла, розміщеного в вакуумі та початково вільного від адсорбованого газу. Величина τ обернено пропорційна тиску. При Р<10^-6 Па τ може перевищувати кілька десятків секунд. Прикладом надвисокого вакууму може бути середовище, що знаходиться на висоті понад 200км над поверхнею Землі.

Електронні прилади, що працюють з високим і надвисоким вакуумом, зазвичай називають вакуумними електронними приладами, а прилади, що працюють з середнім і низьким вакуумом – газорозрядними, йонними або плазмовими приладами.

Що дає електроніці використання властивостей вакуумного середовища?

Велика довжина вільного пробігу в вакуумі дозволяє формувати і використовувати довгі пучки(3) заряджених частинок без втрати їх енергії на взаємодію з молекулами газу. При цьому швидкості потоків заряджених частинок можуть досягати значень близьких до швидкості світла. Завдяки цьому, наприклад, можна створювати електронні генератори радіочастотних коливань, досягаючи величезної потужності (ГВт). В напівпровіднику через взаємодію з атомами кристалічної решітки гранична максимальна швидкість вільних заряджених частинок (носіїв заряду) на кілька порядків нижча.

Вакуумні міжелектродні проміжки мають високу електричну міцність і можуть самовідновлювати цю міцність після випадкових пробоїв. Це дозволяє створювати малогабаритні, але достатньо високовольтні і потужні електронні прилади.

Вакуумне середовище хімічноінертне. Всі хімічні реакції з участю залишкових молекул газу протікають повільно. Тому розжарені елементи конструкцій приладів (катоди, сітки та ін.), які на повітрі швидко окиснюються, в високому вакуумі в реакцію окиснення практично не вступають, що в значній мірі визначає стабільність і довговічність роботи приладів.

Розділ 1 Вакуумні електронні прилади

Тема 1. Основні групи електронних приладів.

На сьогодні існує велика різноманітність вакуумних електронних приладів (ВЕП). В залежності від принципу роботи і функціонального призначення ВЕП поділяють на такі основні групи.

Електронні лампи(1): діоди, тріоди, тетроди, пентоди. В цих приладах використовується управління густиною (інтенсивністю) електронного потоку. Вони призначені для генерування та підсилення електричних коливань з частотами до 3*10⁹ Гц (3ГГц), а також для роботи в якості модуляторних і перемикаючих приладів. Вони використовуються в установках зв’язку, радіомовлення і телебачення, а також в енергетиці для високочастотного (індукційного) нагрівання матеріалів і перетворення електричної енергії.

Мікрохвильові (надвисокочстотні) прилади (2): клістрони, лампи біжучої хвилі, магнетрони та ін. Ці прилади використовують швидкісну модуляцію електронного потоку і призначені для генерування, підсилення і перетворення електромагнітних сигналів в діапазоні частот від 3*10⁸ до 3*10¹² Гц. Основними областями їх застосування є: радіолокація, зв’язок, телебачення, телеуправління (наприклад, штучні супутники Землі та космічні кораблі), НВЧ-нагрівання в промисловості і побуті (мікрохвильові печі) та ін.

Електронно-променеві прилади (3): осцилографічні, приймальні телевізійні (кінескопи), радіолокаційні, індикаторні, запам’ятовуючі та інші пристрої, в яких використовується управління інтенсивністю і напрямом поширення тонкого електронного пучка (променя), і взаємодії його з флюоресцюючим екраном або мішенню приладу. Вони призначені для перетворення електричних сигналів у видиме зображення, а також для збереження і переробки різноманітної інформації; використовуються в пристроях випромінювальної техніки, телебачення, радіолокації, обчислювальної техніки.

Фотоелектронні прилади (4): вакуумні фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, електронно-оптичні перетворювачі, передаючі електронно-променеві прилади та ін., принцип дії яких засновано на використанні фотоефекту для перетворення видимого зображення в електричні сигнали, або невидимого (інфрачервоного) зображення у видиме. Застосовуються у пристроях автоматики, телебачення, астрономії, ядерної фізики, факсимільного зв’язку та ін.

Рентгенівські прилади (5): призначені для генерування рентгенівського випромінювання, яке виникає при бомбардуванні твердотільної мішені прискореним електронним пучком. Вони застосовуються для просвічування (дефектоскопії) матеріалів, для рентгеноструктурного і рентгеноспектрального аналізу, медичної діагностики і терапії та ін.

Особливу групу вакуумних електронних технічних пристроїв складає різноманітна технологічна електрофізична і аналітична електронно-променева апаратура. Це установки електронно-променевого зварювання матеріалів, прискорювачі заряджених частинок, електронні мікроскопи, електронно-променеві аналізатори тощо.

Тема 2. Принципи дії електронних ламп і лампових підсилювачів.

Діод.

Найпростішою електронною лампою є вакуумний діод з термокатодом. Діод вперше був застосований для випрямлення (детектування) високочастотних коливань в радіоприймачі в 1904 р. і з тих пір широко використовується в схемах радіотехніки та електроніки.

Умовне позначення діода:

Рис. 1.1.

Він складається з двох електродів: катода (К) і анода (А), розміщених всередині герметичного (зазвичай скляного) балона, з якого відкачане повітря до тиску порядка 10^-6 мм рт. ст.

В найпростішому випадку катод являє собою тонку металічну нитку з оксидним покриттям, що розігрівається до високої (робочої) температури електричним струмом від спеціального джерела.

На рис 1.1.б. зображено підігрівний катод: металічна трубка, зовні покрита шаром активної речовини, яка нагрівається до робочої температури за допомогою нагрівача, встановленого у середину катода. При нагріванні катода до робочої температури (для чистого вольфрамового катода Т_роб.~2500 К, для оксидного катода Т_роб.~1000 К), з його поверхні вилітають електрони, які при відсутності напруги на аноді концентруються у вигляді електронної хмарки переважно біля катода. Якщо до анода підвести позитивну напругу, то в міжелектродному просторі діода виникне електричне поле, яке притягне електрони до анода. Виникне анодний струм. Якщо на анод подати негативний потенціал відносно катода, тоді електричне поле буде відштовхувати електрони від анода, анодного струму не буде. Таким чином, головною властивістю діода є його одностороння (уніполярна) провідність електричного струму.

Залежність анодного струму Іа від анодної напруги Ua називається анодною характеристикою: Ia=f(Ua), Uр=const. На рис 2. показані анодні характеристики діода для різних напруг розжарення ( ).

Рис. 1.2.

Нелінійність залежності Ia=f(Ua) пояснюється тим, що провідність діода описується не законом Ома, а законом степеня «3/2»:

Іа=g*Ua^3/2;

g – коефіцієнт, що залежить від геометричних розмірів діода.

Електронна промисловість зараз випускає високовольтні вакуумні діоди – кенотрони (анодна напруга до 100 кВ і сила анодного струму до 500 мА). Застосовуються у випрямлячах радіолокаційних станцій, рентгенівських установках тощо.

Тріод.

На відміну від діода тріод має ще один електрод – сітку, розміщену між катодом і анодом. Тріод, як і діод, має односторонню провідність електричного струму.

Широке застосування тріода в радіоелектроніці визначила його властивість ефективно управляти величиною анодного струму за допомогою електричної напруги на сітці.

Якщо на анод подати позитивний потенціал Ua, а на сітку – потенціал Uc, близький до потенціалу катода, тоді електричне поле анода проникатиме крізь сітку в область катода і при розжареному катоді викличе появу анодного струму. Змінюючи потенціал сітки, можна ослаблювати або підсилювати дію поля анода і тим самим в широкому діапазоні регулювати анодний струм тріода.

Важливо і те, що управління струмом в тріоді за допомогою Uc можна здійснювати практично без затрат потужності в колі сітки (якщо Uc=<0), тому що при цьому відсутній струм сітки. З цієї причини тріоди назвали лампами з електростатичним управлінням і широко застосовували не тільки в якості електронних регуляторів струму, але і для побудови різних за потужністю генераторів і підсилювачів радіохвиль.