3450
.pdfМинистерство 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