Скорости генерации и рекомбинации

Наряду с процессом ионизации в газе протекает противоположно направленный (обратный) процесс – процесс рекомбинации, когда встречаются две частицы разных знаков: электрон и положительно заряженный ион или отрицательно заряженный ион и положительно заряженный ион, в результате чего образуется нейтральный атом или молекула.

Рассмотрим, как протекает рекомбинация в объеме газа. Допустим, что источник ионизации (например, рентгеновские лучи) создает в единицу времени в единице объема g пар ионов. Допустим также, что в газе нет электрического поля и ионы не покидают данный объем за счет диффузии. Тогда единственным процессом потери ионов в газе будет рекомбинация.

Обозначим через n – число пар ионов и электронов (или ионов положительного и отрицательного знаков) в единице объема (то есть n – концентрация ионов одного знака).

Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с отрицательным ионом или электроном. Число таких встреч пропорционально как числу положительных (n), так и отрицательных ионов (или электронов) (n), то есть пропорционально произведению . Поэтому убыль ионов пропорциональна n² и скорость рекомбинации R должна быть записана как _.

Коэффициент пропорциональности здесь r называется коэффициентом рекомбинации.

11.Эффект Шоттки

Плотность тока насыщения с увеличением напряжения все же немного увеличивается. Это явление называется эффектом Шоттки. Эффект Шоттки обусловлен уменьшением высоты потенциального барьера в результате действия электрического поля.

Изменение высоты барьера вызвано наличием внешнего электрического поля, а изменение – уменьшением работы против сил электрического изображения . То есть, часть работы против сил электрического изображения теперь (при наличии поля) совершать не надо(!).

Рассчитаем величину :

Подставим сюда силу электрического изображения

и получим . Рассчитаем теперь величину : .

В выражениях для и не известно значение . Найдем его. На вершине потенциального барьера выдергивающая сила внешнего поля равна удерживающей силе электрического изображения : . Отсюда получаем и . Теперь найдем :

Запишем теперь формулу Ричардсона-Дешмена с учетом эффекта Шоттки:

, где .

20.Несамостоятельный разряд в газе. Экспериментальное определение коэффициента рекомбинации. Распределение электронов по длинам свободного пробега

Р ассмотрим газ, находящийся между плоскими электродами площадью S, расположенными на расстоянии l друг от друга, подвергающийся внешней ионизации (рентгеновское излучение, УФ-излучение и так далее).

Пусть ионизатор производит g-пар ионов (или положительных ионов и электронов) разного знака в секунду в единице объема V (то есть, g – скорость генерации). Пусть на электроды подано напряжение V (небольшое).

В цепи электродов, а, следовательно, и через газ, течет электрический ток – ток несамостоятельного разряда.

Всего число ионов (пар ионов) одного знака есть .

В единицу времени создается ионов одного знака (пар ионов) .

В единицу времени рекомбинирует ионов одного знака (пар ионов) .

В единицу времени уходит на электроды ионов одного знака (пар ионов)

Запишем уравнение баланса зарядов:

.

После деления на Sl получим

. (1)

Рассмотрим далее стационарное состояние.

В стационарном состоянии то есть и (1) должно быть переписано в виде

. (2)

Рассмотрим уравнение (2) в двух предельных случаях.

I. Пусть ток (хотя и не нулевой (!)) настолько мал, что членом в правой части уравнения (2) можно пренебречь. Тогда:

то есть скорость рекомбинации rn² равна скорости генерации, а концентрация n – есть величина постоянная, определяемая величинами g и r.

В этом случае плотность тока (в электрическом поле) есть

.

Поскольку n = const (ε), то это означает, что в данном случае (случае малых токов и, следовательно, малых напряжений V) выполняется закон Ома: i ~ ε (или I~V):

II. Пусть ток настолько велик, что, наоборот, членом rn² в (2) можно пренебречь. Тогда

( – плотность тока насыщения), то есть ) или I .

Объяснение. Физика явления заключается в том, что в случае сильных полей (больших напряжений V) за время пролета иона после его генерации до электрода он не успевает рекомбинировать. Это означает, что сколько зарядов образовалось в разрядном промежутке за время пролета, столько же зарядов и пришло на электроды.