konspekt_vpe

1

Вакуумна та плазмова електроніка (конспект лекцій)

Вступ

Ціль викладання дисципліни «Вакуумна і плазмова електроніка» полягає в наданні майбутньому фахівцеві електроніки знань в області будови, принципів дії і основ експлуатації технічних засобів вакуумної та плазмової електроніки, а також сформувати подання про місце електровакуумних і іонних процесів у сучасному виробництві.

Основні завдання дисципліни: вивчення основних закономірностей проходження електричного струму у вакуумі і в іонізованому газі; вивчення способів створення потоку електронів (іонів) і його керування; вивчення улаштування, принципу дії, основних параметрів і характеристик електровакуумних і газорозрядних (іонних) приладів, а також їх застосування.

Із другої половини ХХ століття починається розвиток електронно-променевих і іонно-променевих технологій. Керовані потоки електронів й іонів використовують для одержання інформації про сполуки і властивості речовин (прискорювачі заряджених частинок, просвічування променями Рентгена, електронна та тунельна мікроскопія, масспектрометрія). За допомогою приладів НВЧ реалізовані телекомунікаційні технології, промислові технологічні процеси. Широке застосування набули електровакуумні прилади в медицині (дослідження біологічних об‗єктів, рентгеноскопія, терапія, комп‗ютерна томографія, гамма ножі та прискорювачі заряджених часток, фотометричні та радіометричні прилади і інші). Отримала розвиток космічна геологічна та біологічна розвідка, плазмові двигуни для космічних апаратів, термоемісійні та газодинамічні перетворювачі енергії. Електровакуумні прилади зберігають своє значення у складі радіопередавачів і високочастотних генераторів великої потужності. Газорозрядні та вакуумні прилади є ефективними джерелами світла. Багато видів оптичних квантових генераторів є приладами вакуумної та плазмової електроніки, або використовують їх в своєму складі. Сучасні засоби відображення інформації такі як проекційні кінескопи та проектори, плазмові панелі, квант оскопи, кінескопи з використанням польової емісії також є приладами вакуумної та плазмової електроніки. Важливу роль відіграють і фотоелектронні прилади перетворення та посилення зображень в побуті, промисловості, медицині, науці та військовій техніці.

Якщо застосувати системний підхід, то будь-який прилад вакуумної та плазмової електроніки можна представити як прилад, що складається з окремих загальних систем або елементів.

1.Носій інформаційного сигналу – ансамбль електронів або іонів в залежності від типу приладу.

2.Генератор вільних носіїв зарядів (іонів або електронів). В якості емітерів використовуються як найпростіші катоди, так і складні гармати зі своєю власною електронно- (іонно)оптичною системою, що створюють потоки заряджених часток з необхідними параметрами.

3.Континуальне середовище в якому будуть розповсюджуватися носії інформаційного сигналу (вакуум, розряджений газ, плазма).

4.Пристрої керування потоком носіїв інформаційних сигналів – електронно-оптичні системи, що створюють керуючі поля необхідних конфігурацій.

5.Детектори інформаційних сигналів або пристрої відбору енергії від електронного (іонного) потоку.

Електронними називають прилади, принцип дії яких оснований на фізичних процесах, пов‗язаних з рухом заряджених часток у вакуумі, газі або у твердому тілі.

Вакуумна електроніка – це розділ електроніки, який включає в себе дослідження взаємодії потоку вільних електронів з електромагнітними полями у вакуумі, а також методи створення електронних приладів та пристроїв, в яких ця взаємодія використовується.

Вакуумом називають континуум (середовище) в якому тиск газів менший за атмосферний. Під тиском газу розуміють середній імпульс, що передається молекулам газу одиниці площі балона за одиницю часу. Існує загальна характеристика ступеня вакууму за допомогою тиску, що представлена в табл. 1.

Таблиця 1

Також ступінь вакууму можна якісно визначити за допомогою середньої довжини вільного пробігу атомів газу між зіткненнями та частотою зіткнень. Низьким, середнім та високим ступенем вакууму називають сан газу якщо середня довжина вільного пробігу є меншою, приблизно рівною та більшою, відповідно, за ефективний діаметр балону, в якому знаходиться газ, або частота зіткнень між атомами газу буде більшою, рівною або меншою, відповідно, за частоту їх зіткнень зі стінками балону.

В електровакуумних приладах робоча речовина ізольована від оточуючого середовища газонепроникною оболонкою – балоном. Електричні процеси у цих приладах відбуваються в середовищі розрядженого газу з тиском

2

порядку 10-3 10-6 мм. рт. ст. Їх розділяють на такі загальні групи: електронні лампи, електронно-променеві прилади, НВЧ прилади, фотоелектронні прилади та рентгенівські прилади.

В свою чергу, плазмова електроніка – це розділ електроніки, в якому вивчають процеси колективної взаємодії потоків заряджених часток з плазмою та іонізованим газом, що приводять до збудження в системі хвиль і коливань, а також використання ефектів такої взаємодії для створення приладів та пристроїв електроніки.

Плазмою, за Люнгмюром, називають частково або повністю іонізований газ в якому густини позитивних (іонів) і негативних зарядів (електронів) практично однакові. Під іонізованим газом розуміють газ, в якому значна частина атомів втратили або отримали по одному чи декілька електронів та перетворилися в іони.

У іонних приладах електричні процеси відбуваються в атмосфері інертних газів, водню, ртутних парів і т. д. Ці прилади, як правило, класифікують у відповідності з видом газового розряду, конструкцією та призначенням.

КАТОДНА ЕЛЕКТРОНІКА

У всіх електровакуумних приладах, як безпосередньо вакуумних так і газонаповнених, особливу роль відіграють процеси електронної емісії — вихід електронів з матеріалу катода у вакуум або в газове середовище. Електронна емісія з катоду є необхідною умовою проходження електричного струму скрізь вакуум, а також скрізь гази, за винятком тихого (коронного) розряду і деяких видів високочастотних електричних розрядів. Крім емісії електронів, на катоді при певній природі газу і поверхні катоду можуть виникати процеси поверхневої іонізації – іонізації молекул або атомів газу, що вдаряються об катод. У деяких випадках, крім електронної емісії з катода, відбувається емісія позитивних іонів з аноду або відрив негативних іонів, адсорбованих на катоді.

Процеси електронної емісії можна умовно класифікувати наступними основними типами:

електрони з катода виходять у навколишнє середовище при термоелектронній емісії завдяки енергії їх теплового безладного руху усередині катода;

при холодній емісії внаслідок так званого тунельного ефекту, не сумісного з поданнями класичної електродинаміки і механіки, але поясненого у квантовій механіці;

при зовнішньому фотоефекті за рахунок енергії світлових квантів, що поглинаються електронами;

при вторинній електронній емісії — за рахунок енергії, що вдаряються об поверхню катода і проникаючих усередину його електронів, а також ударів інших часток (позитивних іонів, швидких нейтральних часток, збуджених або метастабільних атомів)

екзоелектрона емісія – емісія за рахунок виникнення механічних напружень в твердому тілі (використовується для дослідженні властивостей твердого тіла).

газовий розряд (емісія електронів та іонів при різних газових розрядах).

Окремі види електронної емісії можуть виникати та існувати одночасно з іншими типами емісій.

1.1Робота виходу

Валентні електрони у твердому тілі або досить тісно зв'язані зі своїми атомами як у напівпровідниках і діелектриках, або, утворюючи електронний газ (метали), вільно переміщаються між вузлами кристалічної решітки. Ці електрони, при нормальних умовах, не залишають фізичних меж твердого тіла.

Виходу електронів із твердого тіла перешкоджають електричні сили взаємодії електрона з твердим тілом. Енергія Фермі Еф (енергія електронів при 0 К, що залежить, в першому наближенні, тільки від концентрації електронів) недостатня для подолання цих сил. Приймемо за нульовий рівень енергію електрона у вакуумі, нескінченно вилученого від поверхні твердого тіла, що і визначає висоту потенційного бар‘єра. Енергетичні стани електронів у твердому тілі повинні знаходитись нижче цього рівня (мал. 1.1). Різниця повної енергії потенційного бар‘єра Е0 та енергії Фермі ЕФ в металі, називається роботою виходу електрона.

3

Рисунок 1.1 - Енергетичний бар'єр на границі твердого тіла (металу) і вакууму.

Фізична природа сил, що перешкоджають виходу електрона з металу і визначають величину роботи виходу електрона, досить складна. На електрон що вийшов з металу діють поле об‘ємного заряду, створене електронами, що вже вилетіли, некомпенсованих позитивних зарядів на поверхні тіла, а також сили взаємодії між електронами, що вийшли, і наведеними у тілі позитивними електричними зарядами.

Обчислення роботи виходу для металу з урахуванням цих сил приводить до наступного результату

Звідси видно, що робота виходу для металів зменшується зі збільшенням міжатомної відстані. Величина роботи виходу виміряється декількома електрон-вольтами. Значення роботи виходу для основних речовин, що використовуються для створення катодів приведені в таб.1.

Таблиця 1

У випадку емісії електронів з поверхні напівпровідників необхідно враховувати те, що рівень Фермі в них знаходиться не в зоні провідності як у металів, а посередині забороненої зони. Тому повна робота виходу напівпровідника складається з суми різниці величини потенційного бар‘єру та енергії Фермі і на півширини забороненої зони.

Вплив активованого шару. Робота виходу може значно змінитися, якщо на поверхню емітера з металу або напівпровідника (керну), нанести тонкий шар іншої речовини, що називається активованим шаром.

Атоми адсорбованої на поверхні речовини можуть відбирати або віддавати електрони керну. Внаслідок цього на поверхні розташовується шар іонів, які разом з їх дзеркальним відображенням у керні створюють шар диполів. На поверхні емітерів наносяться шари речовин які є електропозитивними щодо основного металу. Такі речовини називаються активаторами.

Величина E0 зменшення роботи виходу залежить не тільки від фізичних властивостей керна та активатора, а також і від товщини адсорбованого шару. Найбільша величина E0 виходить при нанесенні одноатомного шару. Так, наприклад, для вольфраму, активованого барієм, E0 1,56 еВ, а при активуванні вольфраму торієм E0 2,63 еВ.

При виході з металу або напівпровідника електрон повинен виконати роботу за рахунок отриманої їм додаткової енергії E0 . Ця додаткова енергія може бути тепловою (при нагріванні твердого тіла),

випромінювальною (при його опроміненні, наприклад, світловим потоком), енергією зовнішнього електричного поля та ін.

Залежно від виду наданої тілу додаткової енергії розрізняють термоелектронну, фотоелектронну,

вторинну електронну і електростатичну електронну емісію та екзоелектронну емісію. Число електронів, що

4

залишають тіло, їхня швидкість у вакуумі залежать від кількості отриманої ним енергії, а також від фізичних властивостей самого емітера.

1.2 Електронна емісія

1.2.1Термоелектронна емісія

Термоелектронна емісія – це такий вид емісії, при якому додаткова енергія надається емітеру та електронам у вигляді тепла. Термоелектронна емісія отримала найбільш широке застосування в електровакуумних та газорозрядних приладах.

На рис.1.1 по осі ординат відкладена величина енергії E . Однак у ряді випадків, наприклад при розгляді електричних полів, у міжелектродному просторі приладів, виявляється більше зручним користуватися поняттям потенційного бар'єра. Тоді по осі ординат відкладається величина потенціалу Ee .

На рис. 1.2 показана функція розподілу електронів по енергіях для металу відповідно до квантової статистики Фермі–Дирака. При T 0 К найвища енергія електронів у металі відповідає значенню енергії Фермі. При підвищенні температури тіла найбільш швидкі електрони за рахунок теплової енергії можуть переміститися на більше високі вільні енергетичні рівні. Функція розподілу dNdE при T 0 К видозмінюється: імовірність заселення енергетичних станів, що лежать вище рівня Еф, стає відмінною від нуля. При кімнатній температурі енергія найбільш швидких електронів зростає на величину kT , рівну приблизно 0,03 еВ. При підвищенні

температури до T ~ 2000 К збільшення енергії досягає декількох електрон-вольтів. Енергія найбільш швидких електронів при цьому виявляється достатньої для подолання роботи виходу (рис. 1.2). Електрони будуть залишати метал, рухаючись у вакуумі з кінетичною енергією, величина якої виміряється перевищенням їхньої енергії над величиною роботи виходу Е0.

Рисунок 1.2 - Енергетичний бар'єр на поверхні і функція розподілу Фермі для металу.

Струм з одиниці поверхні катода – питомий струм термоелектронної емісії визначається вираженням (формулою Ричардсона-Дешмона):

Шотки, що визначає прозорість потенційного бар‘єру для електронів; e, m – заряд та маса електрона, відповідно; h, k – сталі Планка та Больцмана, відповідно.

Експериментальна перевірка формули (1.2) приводить до інших величин цієї постійної: для різних речовин стала A0 може приймати значення від 10 до 300. Данні для основних матеріалів приведені в таб.2.

5

Таблиця 2

струму емісії від температури для двох катодів площею 0,03см2, але з різною роботою виходу.

Рисунок 1.3 - Залежність струму емісії від температури для катодів.

Термоелектронна емісія – найпоширеніший вид емісії тому термоемітери використовуються майже у всіх електронновакуумних приладах.

1.2.2Термоелектронна емісія при зовнішньому електростатичному полі

Ми розглянули явище термоелектронної емісії в припущенні, що електричне поле у вакуумі відсутнє.

У більшості електронних приладів емітер або катод перебуває поблизу інших електродів, потенціал яких у загальному випадку відмінний від нуля. Тому електрони, залишаючи поверхню катода, попадають у зовнішнє електричне поле. Крива зміни енергії на поверхні емітера, а отже і умови емісії електронів при цьому відрізняються від розглянутих вище випадків.

На рис.1.4 а показана зміна енергії на поверхні катоду при наявності зовнішнього гальмівного електричного поля. Результуюча крива 3, отримана при додаванні кривої 1 і 2, визначає зміну потенціалу між емітером і

електродом a з потенціалом - U a . Електрон, що має власну енергією Еф, при видаленні від катода на відстань ra

7

виникнення електростатичної емісії при менших значеннях напруженості зовнішнього поля, ніж це необхідно для металів.

Електростатична емісія лежить в основі роботи багатьох вакуумних і іонних приладів. З розвитком мікрата нанотехнологій, які дозволяють виготовляти автоелектронні емітери з малим радіусом кривизни, в деяких приладах вона успішно замінює термокатоди. Також необхідно враховувати вплив зовнішнього електричного поля

0

де – частка енергії електрона, пов'язана з компонентом його імпульсу, нормальним до поверхні емітера (енергетичний спектр); – напруженість електричного поля на поверхні; e – заряд електрона; D – прозорість енергетичного бар‘єру, який залежить від його висоти і форми.

Найбільш повно вивчена тунельна емісія металів у вакуум. У цьому випадку величина щільності струму польової емісії j визначається законом Фаулера - Нордхейма:

(величини j, і відповідно в A/см2, B/см і В).

Формула (1.6) отримана для випадку нульової температури T 0 К і що поза металом, під час відсутності поля, на електрони діють тільки сили дзеркального зображення. Форма потенційного бар'єра для цього випадку показана на мал.1.4,б. Прозорість бар'єра D може бути розрахована по методу Венцеля – Крамерса - Бриллюэна. Незважаючи на спрощення, теорія Фаулера-Нордхейма добре співпадає з експериментом.

На практиці вимірюють залежність струму I jS ( S — площа поверхні, що емітує) від U напруги

U ( - так званий польовий множник). Тунельна емісія металів характеризується високими граничними густинами струму до величин j ~ 1010 A/см2, що пояснюється теорією Фаулера - Нордхейма. Лише при

j ~ 106 109 A/см2 мають місце відхилення від формули (1.6), пов'язані із впливом об'ємного заряду або з особливостями форми потенційного бар'єра поблизу поверхні металу. Необмежене підвищення напруги приводить при j ~ 108 1010 A/см2 до електричного пробою вакуумного проміжку і руйнування емітера, якому передує

інтенсивна короткочасна вибухова емісія електронів.

Якщо на поверхні металу є адсорбовані органічні молекули (або їхні комплекси), то для електронів вони відіграють роль хвилеводів відповідних хвиль де Бройля. При цьому спостерігаються типові для хвилеводів розподілу електронної щільності по перетині хвилеводу. Енергетичні спектри електронів у цьому випадку відрізняються аномаліями.

Відбір струму при низьких температурах приводить до нагрівання емітера, тому що електрони, які емітують, забирають енергію в середньому меншу, ніж енергія Фермі, тоді як електрони, що входять у метал, мають саме цю енергію (ефект Ноттингема). Зі зростанням температури T , нагрівання змінюється охолодженням (інверсія ефекту Ноттингема) при досягнені температури, що відповідає симетричному (щодо енергії Фермі)

8

розподілу емітованих електронів по повних енергіях. При великих струмах, коли емітер розігрівається, інверсія ефекту Ноттингема частково перешкоджає лавинному саморозігріву і стабілізує струм тунельної емісії.

Автоелектронні емітери виготовляють у вигляді поверхонь із великою кривизною (вістря, леза, шорсткуваті краї фольги, напилені мікракатоди і т.п.). У випадку, наприклад, вістря з радіусом закруглення 0,1–1 мкм напруги

порядку 1–10 кВ звичайно буває досить для створення біля поверхні вістря поля ~ 107 B/см. Для відбору великих струмів та зменшення теплового навантаження на мікракатоди застосовуються багатовістрійні емітери.

1.2.4Вторинна електронна емісія

Вторинною електронною емісією називають емісію електронів з поверхні тіла при його бомбардуванні електронами або іонами. Вона була відкрита у 1902 р. німецькими фізиками Аустином і Г.Штарке. Тіло, що піддається бомбардуванню, називають вторинно-електронним емітером, або мішенню. Частина електронів, що падають на поверхню мішені (первинних електронів n1), випробовує пружне відбиття і рухається у зворотному напрямку; інша частина проникає в товщу тіла і розсіює там свою енергію при взаємодії із кристалічною решіткою і електронами мішені. У результаті цієї взаємодії первинний електрон може або повністю розсіяти свою енергію і залишитися в тілі, або, затративши частину енергії, змінити напрямок руху і знову вийти за межі твердого тіла. Останній випадок, відповідає непружньому відбиттю первинних електронів. Енергія, що розсіюється первинним електроном у тілі, може перейти в кінетичну енергію внутрішніх електронів, і вони можуть покинути межі мішені (безпосередньо вторинні електрони).

Таким чином, у результаті бомбардування мішені первинними електронами утвориться зустрічний потік вторинних електронів, що містить пружно відбиті електрони, електрони непружнього відбиття і вторинні електрони. Відносна кількість електронів цих трьох видів, а також загальне число вторинних електронів залежать від енергії первинних електронів, фізико-хімічних властивостей мішені, чистоти її поверхні, кута падіння первинних електронів та інших факторів.

У тонких плівках вторинна електронна емісія спостерігається не тільки з поверхні, що піддається бомбардуванню (емісія на відбиття, рис. 1.5 а), але і із протилежної поверхні (емісія на простріл, рис. 1.5 б).

де j2 — струм, утворений вторинними електронами, j1 — струм первинних електронів.

Кількісно вторинна електронна емісія крім коефіцієнта вторинної емісії характеризується коефіцієнтами пружного r jr j1 і непружнього j j1 відбиття електронів, а також коефіцієнтом емісії безпосередньо

9

вторинних електронів j j1 ( jr , j , j — струми, що відповідають пружно відбитим, непружньо відбитим і істинно вторинним електронам, j2 jr j j ).

У металах щільність електронів провідності велика тому вторинні електрони мають малу імовірність вийти назовні. У діелектриках, де концентрація електронів провідності мала, імовірність виходу вторинних електронів більше. Разом з тим імовірність виходу електронів залежить від висоти потенційного бар'єра на поверхні. У результаті в ряду неметалічних речовин (окисли лужноноземельних металів, лужногалоїдні сполуки) 1

(рис.1.6).

Рисунок 1.6 — Залежність коефіцієнта вторинної електронної емісії від енергії первинних електронів

En .

Рисунок 1.7 Залежність коефіцієнта вторинної емісії від енергії первинних електронів: а - для металів; б - для напівпровідників і діелектриків.

У спеціально виготовлених ефективних емітерах (інтерметалеві сполуки типу сурьмянолужних металів, активовані сплави CuAlMg, AgAlMg, AgAlMgZn і ін.) ~ 1. У металів і власних напівпровідниках значення порівняно невелике (рис.1.7). У вуглецю (сажі) і окислів перехідних металів 1, і вони можуть застосовуватися як анти емісійні покриття.

На рис.1.8 показані крива розподілу загальної кількості вторинних електронів по енергіях у відсотках до енергії первинного електрона. Перший максимум кривої відповідає безпосередньо вторинним електронам. Полога частина кривої між першим і другим максимумами визначається в основному електронами, що утворилися в результаті непружнього відбиття. І, нарешті, другий максимум створюється за рахунок пружно відбитих електронів, енергії яких близькі до енергій первинних електронів.

10

Рисунок 1.8 - Крива розподілу вторинних електронів по енергіях.

Зі збільшенням енергії E1 первинних електронів спочатку зростає (рис. 1.6–1.7). Це відбувається доти, поки збудження електронів тіла відбувається поблизу поверхні на відстані меншому, ніж їх довжина пробігу. При подальшому рості E1 загальна кількість збуджених електронів продовжує рости, але основна частина їх народжується на значній глибині і кількість електронів, що виходять назовні, зменшується. Аналогічно пояснюється ріст зі збільшенням кута падіння пучка первинних електронів.

Монокристали анізотропні відносно руху електронів. При русі електронів уздовж каналів, утворених щільно впакованими ланцюжками атомів, імовірність розсіювання електронів і іонізації атомів підвищується (каналювання). Спостерігається також дифракція електронів у кристалічній решітці, що використовується для дослідження властивостей матеріалів засобами електронної мікроскопії.

Вторинна електронна емісія реалізується за час, менший, ніж 10 12 сек, тобто є практично без інерційним процесом.

Самостійне значення одержало дослідження і застосування вторинної електронної емісії в сильних електростатичних полях і електричних полях надвисоких частот. Створення в діелектрику сильного електричного

поля (105 106 В/см) приводить до збільшення до 50–100 (вторинна електронна емісія, посилена полем). Крім того, у цьому випадку величина істотно залежить від пористості діелектричного шару. Наявність пор збільшує ефективну поверхню емітера а поле сприяє ―витягуванню‖ повільних вторинних електронів, які вдаряючись об стінки пор, можуть викликати вторинну електронну емісію з 1 і виникнення електронних лавин. Розвиток лавин за певних умов приводить до холодної емісії, що може самопідтримуватися на протязі багатьох годин після припинення бомбардування електронами.

Вторинна електронна емісія застосовується в багатьох електровакуумних приладах для посилення електронних потоків (фотоелектронні помножувачі та підсилювачі зображень і т.д.) і для запису інформації у вигляді потенційного рельєфу на поверхні діелектрика (електронно-променеві прилади). У ряді приладів вторинна електронна емісія є ―шкідливим‖ ефектом (динатронний ефект в електронних лампах, поява електричного заряду на поверхні скла і діелектриків в електровакуумних приладах).

У високочастотному електричному полі E E0 cos t , внаслідок вторинної електронної емісії, на

поверхнях електродів спостерігається явище лавиноподібного розмноження електронів (вторинно-електронний резонанс). Це явище відкрите Х.Э. Фарнсуортом в 1934 р. Для виникнення резонансу необхідно, щоб час між двома послідовними зіткненнями електронів з поверхнями електродів (рис.1.9а) дорівнював непарному числу напівперіодів високочастотного поля E (умови синхронізму). Розмноження електронів відбувається на поверхнях двох електродів, між якими прикладене високочастотне електричне поле, або на одній поверхні, поміщеної в схрещені електричне і магнітного поля (рис.1.9б).

Рисунок 1.9 — Розмноження електронів у високочастотному електричному полі (а) і в схрещених

електричному E і магнітному H полях (б). Поле H перпендикулярно площини креслення; стрілками показані траєкторії електронів.