Учебное пособие 717

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Электронное машиностроение») очной формы обучения

Воронеж 2018

УДК 621.382(075.8) ББК 32.85:32.86я7

Составитель канд. техн. наук, доц. Г.И. Липатов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника» для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Электронное машиностроение») очной формы обучения/ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г.И. Липатов. Воронеж, 2018. 49 с.

В методических указаниях изложены необходимые теоретические сведения, содержание, варианты заданий и методика выполнения лабораторных работ «Изучение явления термоэлектронной эмиссии», «Исследование распределения фотоэлектронов по энергиям», «Исследование газоразрядной плазмы», «Изучение высокочастотного емкостного разряда низкого давления». Тематика лабораторных работ подобрана так, что дает практические навыки в работе с приборами и устройствами вакуумной и плазменной электроники. Предназначены для студентов 4 курса, изучающих дисциплину «Вакуумная и плазменная электроника».

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле МУ ВПЭ.pdf.

Ил. 15. Библиогр.: 3 назв.

УДК 621.382(075.8) ББК 32.85:32.86я7

Рецензент канд. техн. наук, доц. Т.В. Свистова

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018

2

тенциалов U для компенсации поля объемного заряда описывается законом «трех вторых» (I~U3/2). С ростом напряжения на аноде ток на него увеличивается и при некотором напряжении U', соответствующем полной компенсации, достигает насыщения. При этом ток анода становится равным току эмиссии катода. Значение U' увеличивается с ростом тока насыщения (рис. 1).

Уравнение Ричардсона—Дешмана применимо и к полупроводниковым катодам. Однако, если у металлов положение уровня Ферми можно считать, в первом приближении, не зависящим от температуры и рассматривать как константу для данного металла, то у полупроводников положение уровня Ферми зависит от температуры. Учет этой зависимости приводит к уравнению

Величину , представляющую собой расстояние от нижней границы зоны проводимости до верха потенциального барьера, называют

внешней работой выхода или электронным сродством, а величину Ed/2 — внутренней работой выхода.

Согласно (2) ток эмиссии зависит от концентрации доноров, при этом зависимость оказывается не линейной, а более слабой (Nd1/2); величина температуры входит в уравнение не во второй степени, как в уравнение Ричардсона, а в более низкой степени из-за снижения уровня Ферми с ростом температуры; показатель степени экспоненты можно по аналогии с уравнением Ричардсона записать

как /kT; где = +ΔEd/2.

Существует несколько методов определения констант уравнения термоэлектронной эмиссии.

Метод прямой Ричардсона. Если обе части уравнения (1)

разделить на Т2 и прологарифмировать, то получим

2

Зависимость ln(j/T2) от 1/T представляет собой прямую линию (рис. 2). Эта прямая наклонена к оси абсцисс под углом , удовлетворяющим соотношению tg = /k, откуда

=ktg . (3)

Прямая Ричардсона отсекает на оси

ординат отрезок ОK=lnA. Это позво- Рис. 2. Прямая Ричардсона ляет определить одновременно и

константу A. Таким образом, определение констант A и при этом методе сводится к измерению плотности тока эмиссии при нескольких температурах катода и построению зависимости ln(j/T2)=f(1/T).

Однако при проведении такого эксперимента необходимо применять исключительно чистые металлы и строго соблюдать правила вакуумной гигиены. Малейшее загрязнение поверхности металла сильно влияет на величину констант A и .

Температуру катода определяют либо оптическим пирометром с внесением поправки на степень черноты, либо путем измерения его электрического сопротивления в холодном и накаленном состояниях с последующим расчетом по известному температурному коэффициенту сопротивления. При этом методе возможны ошибки из-за неравномерного накала катода (охлаждения его концов вводами, к которым он приварен), а также из-за того, что температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры. Охлаждение концов нити катода вызывает трудности и при опреде-

тронной эмиссии

3

Нитевидный катод 1 окружен цилиндрическим анодом 2, охватывающим его среднюю равномерно нагретую часть. По краям анода расположены охранные кольца 3, принимающие ток эмиссии с более холодных, чем средняя часть концов катода. Измерительный прибор регистрирует только ток эмиссии с части нити, расположенной внутри анода. Плотность тока эмиссии определяют делением анодного тока на величину поверхности катода, заключенной внутри анода.

Калориметрический метод. Этот метод основан на том, что при отборе от катода тока эмиссии каждый уходящий к аноду электрон уносит энергию eφ. Кроме того, должна быть учтена кинетическая энергия уходящих электронов. При распределении атомов газа по скоростям по статистике Максвелла—Больцмана средняя энергия, приносимая атомом к стенке (или уносимая от нее), равна 2kТ. Это же справедливо для электронов, поскольку они имеют вне металла распределение по скоростям по статистике Максвелла— Больцмана. Обозначив через Tк температуру катода, через T0 — температуру провода, по которому электроны возвращаются в катод, и через Iа — анодный ток, можно записать выражение для мощности, уносимой с катода:

P=[ +2k(Tк–T0)/e]Iа. (4)

Эксперимент проводят следующим образом. Катод нагревают без отбора тока эмиссии до определенной температуры, измеряемой оптическим пирометром. Измеряют мощность накала. Затем подают анодное напряжение, измеряют анодный ток, и мощность накала увеличивают до тех пор, пока температура катода не станет равной температуре до отбора тока. Измеряют новую мощность накала и определяют P. По (3) определяют работу выхода .

Метод контактной разности потенциалов. Этот метод ос-

нован на измерении контактной разности потенциалов между испытуемым металлом и металлом с известной (эталонной) работой выхода э. Контактная разность потенциалов Uк..р определяется разностью работ выхода находящихся в контакте металлов. Искомую работу выхода определяют как = э–eUк..р. Контактную разность потенциалов измеряют методом задерживающего потенциала (см. работу № 2).

Перенесем в уравнении (2) член Т5/4 в левую часть и прологарифмируем полученное выражение

4

ln(j/T5/4)=lnB–(χ+ΔEd/2)/kT. (5)

Отсюда следует, что зависимость ln(j/T5/4) от 1/Τ должна изображаться на графике прямой линией. Прямая отсекает на вертикальной оси отрезок, равный lnB, и наклонена к горизонтальной оси под углом , определяемым соотношением

tg =(χ+ΔEd/2)/k= /k. (6)

Таким образом, определение констант уравнения термоэлектронной эмиссии оксидного катода сводится к измерению плотности

тока эмиссии катода при нескольких значениях температуры и построению прямой Ричардсона: ln(j/T5/4)=f(1/T).

При проведении такого эксперимента могут возникнуть трудности более серьезные, чем при исследовании термоэлектронной эмиссии металлов.

Измерение тока эмиссии по перегибу вольт-амперной характеристики, снятой на постоянном токе, оказывается невозможным, так как при нормальной рабочей температуре оксидный катод не дает достаточно выраженного насыщения по следующим причинам.

1.Поперечное сопротивление оксида велико. При отборе тока на нем создается падение напряжения и выделяется значительная мощность, приводящая к дополнительному нагреву катода. Кроме того, появление электрического поля в толще оксида приводит к изменению распределения электронов по энергиям (как бы нагреву электронного газа) и вследствие этого росту эмиссии.

2.Резко выраженный аномальный эффект Шотки усугубляется шероховатостью поверхности оксида, приводящей к увеличению напряженности электрического поля на выступах.

Измерения затрудняются также тем, что при отборе тока от катода наблюдается явление так называемого «отравления» катода током. Оно проявляется в спаде эмиссионного тока во времени. Скорость спада тем больше, чем выше температура катода и больше величина тока эмиссии. Если прекратить отбор тока, то эмиссионные свойства постепенно восстанавливаются. Причина отравления катода состоит в том, что при отборе тока в оксиде возникает электрическое поле, под действием которого ионы бария перемещаются вглубь катода, и происходит уменьшение концентрации доноров в поверхностном слое оксида. Отравление катода усугубляется тем, что в период протекания тока происходит заметное выделение из электродов лампы адсорбированных газов.

5

Измерение температуры оксидного катода также сопряжено с дополнительными трудностями. Использование для этой цели оптического пирометра дает большие погрешности из-за неопределенности величины коэффициента излучения оксидного покрытия. Надо иметь в виду, что коэффициент излучения оксида не только сильно зависит от вида оксида, величины зерен, способа нанесения оксида на керн, способа и степени активации, но и изменится с изменением температуры катода и продолжительностью его работы.

Определение температуры катода прямого накала путем измерения сопротивления керна или катода косвенного накала с помощью приваренной к керну термопары также может привести к большим ошибкам, так как оксид имеет малую теплопроводность и перепад температуры от керна к поверхности оксида может дости-

гать 50—100 С.

Из-за указанных трудностей на практике применяют следующие методы измерения тока эмиссии оксидного катода.

Измерение тока эмиссии при температурах значительно более низких, чем нормальные рабочие температуры оксидного като-

да. В этом случае ток насыщения настолько мал, что не происходит заметного подогрева катода. Ток насыщения достигается при сравнительно малых анодных напряжениях, а потому и эффект Шотки проявляется слабее. И, наконец, отравление сказывается слабее при малых анодных токах.

Практически используют интервал температур 450—700 °С, которому соответствуют плотности тока эмиссии порядка 10–8—10–4 А/см2. Недостаток метода состоит в том, что нет уверенности в идентичности структуры, и, следовательно, параметров катода при низких и высоких (рабочих) температурах, поскольку с увеличением температуры происходит перекристаллизация оксида, приводящая к изменению эмиссионных свойств.

Измерение тока эмиссии в импульсном режиме. Применение импульсов анодного напряжения длительностью 1—5 мкс при частоте порядка 50—100 с–1 позволяет исключить нагрев катода и обнаружить ток насыщения при рабочих температурах катода. Следует иметь в виду, что при импульсном режиме, когда мгновенно отбираются большие токи, наблюдается значительно более быстрый спад тока во времени, чем при непрерывном режиме.

Причины «отравления» катода в импульсном режиме отличаются от причин спада тока при непрерывной нагрузке катода и свя-

6

заны, по мнению одних исследователей, с химическим запорным слоем на границе оксид—керн, выполняющем как бы роль конденсатора, который заряжается по мере прохождения тока и принимает на себя значительную часть анодного напряжения. Другие связывают спад тока в импульсе с мгновенным охлаждением поверхностного слоя оксида при импульсном отборе тока.

При измерении работы выхода φ оксидного катода указанными методами получают величины порядка 0,95—1,2 эВ. При этом измерения в импульсном режиме дают несколько большую величину, чем измерения в режиме недокала. Величина константы B порядка 10–2—10–1 А см–2 гpaд5/4.

Определение внутренней работы выхода оксида. Построе-

нием прямых ln(j/T5/4)=f(1/T) можно определить работу выхода= +Ed/2 катода. Имеется возможность определить отдельно внутреннюю работу выхода Ed/2, и, следовательно, найти . Для этого используют зависимость электропроводности оксида от температуры.

Концентрация электронов в зоне проводимости полупроводника n-типа определяется расстоянием от уровня Ферми до нижней границы зоны проводимости Ec–EF. Для не слишком высоких температур можно полагать c– F εd/2 и, поскольку электропроводность электронного полупроводника пропорциональна концентрации электронов зоны проводимости, можно записать

Прологарифмировав (7), получим уравнение прямой

ln =ln 0–(ΔEd/2k)/T. (8)

Эта прямая наклонена к оси абсцисс под углом , определяемым соотношением tg =ΔEd/2k.

Значения электропроводности оксида при различных температурах, необходимые для построения такой прямой, определяют с помощью метода зондов. Сущность этого метода состоит в следующем. На керн катода наносят тонкий слой оксидной пасты. После просушки на этот слой наматывают тончайшую проволоку или ленту, затем снова наносят слой оксида, еще одна спираль—зонд и, наконец, последний слой оксида. Катод монтируют в колбу, обрабатывают на вакуумной установке и активируют. Электропроводность оксида определяют по разности потенциалов между зондами (или

7

керном и зондом), которая устанавливается при отборе определенного анодного тока.

Согласно исследованиям внутренняя работа выхода меняется в зависимости от степени активировки катода, снижаясь у хорошо активированных катодов ( ~1 эВ) до Ed/2 0,3 эВ. Детальное изучение изменения электропроводности оксида выявило, что кривые ln =f(1/T) имеют излом при температурах 900—1000 К (рис. 4). Кривая 2 соответствует лучшей активировке катода, чем кривая 1. При этом оказывается, что значение Ed/2, определяемое из наклона участков, соответствующих малым значениям 1/T (т. е. высоким температурам), оказывается близким к значению φ работы выхода, находимому из прямых Ричардсона.

Объяснение такого характера зависимости ln =f(1/T) состоит в следующем. В толще оксидного покрытия имеется большое количество микроскопических пор, которые при высоких температурах заполняются эмиттированными электронами. Таким образом, у оксидного катода существует два механизма электропроводности — по кристаллам оксида и по порам. Электропроводность за счет первого механизма пропорциональна концентрации электронов зоны проводимости и может быть описана уравнением (7), а вторая — пропорциональна току эмиссии; т. е. может быть описана уравнением вида = 0e–φ/kT. При низких температурах преобладает первый механизм электропроводности, при высоких температурах — второй.

2.Выполнение работы

1.Используя приведенную на рис. 3 схему включения экспериментальной лампы, снять семейство вольт-амперных характе-

8