m12

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Ю.В. Мутовин

ВАКУУМНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Практикум

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета

2011

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Вакуумная, плазменная электроника» является важным звеном специальной подготовки бакалавров по направлению «Биомедицинская инженерия» и «Электроника и микроэлектроника», обеспечивая необходимую теоретическую базу для последующего изучения ряда дисциплин схемотехнического цикла.

Основная задача изучения дисциплины дать будущим специалистам необходимый объем знаний, обеспечивающий грамотное использование электронных и полупроводниковых приборов при проектировании электронных устройств и электрофизических установок различного назначения.

Развитие умения и навыков рационального выбора элементной базы и режима работы конкретного прибора, исходя из требований к проектируемому устройству, во многом определяет надежность, энергетические показатели, быстродействие, габариты, массу и другие техникоэкономические характеристики разрабатываемой электронной аппаратуры.

Предлагаемый лабораторный практикум посвящен изучению физических явлений в вакууме, газе и в твердом теле. В лабораторных работах исследуются физические процессы термоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и различные типы разрядов в газе, а также исследуются различные типы полупроводниковых приборов нашедших широкое применение на практике при создании различной электронной аппаратуры.

Практикум включает в себя восемь лабораторных работ с программой и методическими указаниями по их выполнению. Теоретические сведения, методические указания и контрольные вопросы по каждой лабораторной работе позволяют студентам более детально разобраться с принципом работы исследуемых приборов и приобрести практические навыки работы с измерительными приборами, сборки и настройки простейших электронных схем.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторные работы по дисциплине «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника» проводятся фронтально на шести универсальных стендах, содержащих наборные поля. Схемы собираются из соответствующих модулей с расположенными на них различными электронными элементами, соединения выполняются с помощью комплекта проводников. Каждое рабочее место, кроме стенда, укомплектовано

3

двухканальным осциллографом С1-69, генератором синусоидальных сигналов ГЗ-102 и генератором импульсов Г5-54.

Лабораторный стенд содержит комплект измерительных приборов установленных на вертикальной передней панели стенда, комплекта регулируемых и нерегулируемых источников напряжения, ручки управления которыми расположены на горизонтальной панели стенда, на которой собирается схема для проведения тех или иных измерений. Комплект измерительных приборов содержит два идентичных цифровых вольтметра и два широкодиапазонных амперметра.

Цифровой вольтметр предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения от 0,1 до 300 В с тремя поддиапазонами 3, 30, и 300 В. Разрешающая способность прибора равна 1, 10 и 100 мВ в зависимости от выбранного поддиапазона. Контроль за работой и выбор рода напряжений вольтметра осуществляется четырехклавишным переключателем. При нажатии верхней кнопки «Установка 0» вход вольтметра отключается от измерительной цепи и соединяется с общим проводом. При этом на цифровом табло высвечиваются нули. При показаниях прибора, отличных от нуля, расположенная рядом ручка переменного резистора позволяет выставить его. При нажатии нижней клавиши «Калибровка» на цифровом табло должно высвечиваться калибровочное число, нанесенное рядом с клавишей. На переднюю, панель также выведена ручка переменного резистора, позволяющая подстроить калибровку. Клавиши переключателя имеют независимую фиксацию, поэтому калибровку и установку «0» можно производить независимо от того, нажата или отпущена одна из кнопок «Постоянное напряжение», помеченная знаком (–) или «Переменное напряжение», помеченная знаком

(~).

Большинство измерений, проводимых в лабораторных работах, не требуют столь высокой точности и разрешающей способности, которую может обеспечить цифровой вольтметр. Поэтому рядом с цифровым табло расположен тумблер, позволяющий отключить индикацию младшего разряда. Это ускоряет процесс измерений и облегчает последующее построение графиков. Если измеряемая величина выходит за пределы измерения, то в знаковом разряде цифрового табло высвечивается буква (П). Можно порекомендовать следующий порядок работы с вольтметром. После сборки исследуемой схемы, установить род измеряемого напряжения и предел измерения, нажать копку «Установка 0» и включить тумблер «Сеть» вольтметра. Дать прогреться вольтметру 1–2 минуты, после чего произвести подстройку нуля, далее выполнить калибровку прибора и приступить к проведению измерений.

4

Амперметр предназначен для измерений величины постоянного тока. Выбор предела измерения осуществляется нажатием соответствующей клавиши, рядом с которой выгравировано конечное значение шкалы стрелочного прибора. Амперметр имеет ручку «Установка 0». Для проверки и коррекции нуля можно не отключая амперметр от измерительной схемы, отпустить все клавиши переключателя поддиапазонов. При этом вход амперметра замыкается накоротко.

Для облегчения измерений, при которых изменяется направление тока, амперметр снабжен переключателем полярности. Необходимо помнить, что знак (+) или (–) переключателя полярности соответствует истинному направлению тока, если вход амперметра подключен в соответствии с выбранным положительным направлением тока.

Лабораторный стенд содержит два мощных регулируемых и стабилизированных источника напряжения. Панели управления этими источниками расположены справа и слева от наборного поля. Справа расположен источник Е1 с диапазонами регулировки от 0 до 25 В и от 0 до 250 В. Переключение диапазонов регулировки напряжения осуществляется тумблером, а регулировка напряжения одним и тем же потенциометром. На передней панели этого источника расположен тумблер включения всего стенда. Расположенный слева источник Е2 имеет также два диапазона регулировки от 0 до 25 В и от 0 до 250 В, переключение диапазонов регулировки осуществляется тумблером, а регулировка напряжения одним и тем же потенциометром. Напряжения источников выведены на гнезда, также расположенные на панели управления. Источники Е1 и Е2 обеспечивают при 25 В ток до 1 А, а при 250 В до 70 мА. Начиная с этих значений, источники переходят в режим стабилизации тока, и при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток не меняется, а напряжение на выходе начинает падать.

Нерегулируемые источники постоянного и переменного напряжений, а также маломощный регулируемый источник напряжения с диапазоном изменяемого напряжения ±12 В выведены на гнезда, расположенные в нижней части наборного поля. Последний источник удобен тем, что позволяет получить знакопеременное напряжение. Он предназначен для питания баз и затворов транзисторов, его ток нагрузки не должен превышать 1 мА.

Наборное поле позволяет быстро собрать исследуемую схему, элементы которой смонтированы на микромодулях с контактами. Этими контактами микромодули соединяются с гнездами наборного поля. Гнезда наборного поля объединены в группы, состоящие каждая из трех горизонтально электрически соединенных гнезд. Один горизонтальный ряд с гнез-

5

дами желтого цвета, которые соединены между собой. Этот ряд гнезд рекомендуется использовать в качестве общего провода. Такая структура наборного поля позволяет собирать требуемые схемы с минимальным количеством внешних соединительных проводов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ТЕРМОЕЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ И ПРОХОЖДЕНИЕ ТОКА

В ВАКУУМЕ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение явления термоэлектронной эмиссии и закономерностей прохождения термоэлектронного тока в тормозящих и ускоряющих электрических полях, знакомство с методикой исследования термоэлектронной эмиссии.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода (эмиссии) электронов из нагретых тел. Этот вид эмиссии был открыт в 1883 году Т.А. Эдисоном и широко используется в современных вакуумных и газонаполненных электронных приборах, в промышленных и исследовательских установках с применением электронных пучков. Первоначально для изготовления эмиттеров-катодов использовали чистые металлы, имеющие высокую температуру плавления (главным образом вольфрам). В настоящее время вольфрамовые катоды применяются лишь в некоторых электронных приборах. На смену вольфрамовым катодам пришли более эффективные пленочные и полупроводниковые катоды.

2.1.Работа выхода электронов с поверхности твердого тела

Вотсутствии внешних воздействий свободные электроны в металле совершают хаотическое тепловое движение но, несмотря на слабую связь с атомами, все, же не выходят за пределы объема тела. Выходу электронов из металла при этих условиях препятствуют следующие причины.

Во-первых, у поверхности металла образуется двойной электрический слой. Свободные электроны металла даже при температуре абсолютного нуля обладают значительной энергией и стремятся покинуть металл. Поэтому поверхность металла оказывается всегда окутанной

6

электронами, образующими над ней тонкий отрицательно заряженный слой.

Непосредственно под поверхностью образуется положительно заряженный слой. Это положительные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки вблизи поверхности. Этот двойной электриче-

ский слой образует для электронов потенциальный барьер – i Wi / e .

Где Wi – максимальное значение энергии электрона в металле при тем-

пературе абсолютного нуля (уровень Ферми); e – заряд электрона. Только при этом условии наиболее быстрые электроны, не будут выле-

тать из металла. Значение энергии Wi иногда называют внутренней работой выхода металла, которое равно:

электронов в металле, зависящая от рода металла.

Во-вторых, когда электрон приближается к поверхности металла, равнодействующая сил притяжения электронов к ионам, находящимся в узлах кристаллической решетки, в среднем равная нулю при нахождении электронов внутри металла, становится уже отличной от нуля и направлена внутрь металла. Поэтому для выхода за пределы металла электрон должен обладать энергией, достаточной для того, чтобы совершить

работу W0 по преодолению этих сил. Следовательно, величина полной энергии, которой должен обладать электрон для того, чтобы вылететь из металла (полная работа выхода), равняется Wa Wi W0 .

Энергия W0 Wa Wi , необходимая электрону для преодоления

сил притяжения к граничным ионам решетки, называется внешней работой выхода (или работой выхода).

Ее величина может быть подсчитана, если силу притяжения между электроном и ионам металла представить, согласно теории электрических отображений, как силу притяжения между электроном, находящимся на расстоянии – x от поверхности металла, и индуктированным положительным зарядом, расположенным внутри металла на таком же расстоянии x от поверхности (рис. 2.1). Эта сила, согласно закону Ку-

7

лона, равна F 4ex22 и работа, совершаемая против этой силы на пути

dx , равна dW 4ex22 dx .

Полученным выражением для элементарной работы dW можно воспользоваться для подсчета работы на пути равным x = r0 до беско-

нечности, где r0 представляет величину порядка расстояния между атомами. Эта работа будет равна:

Для подсчета работы, затрачиваемой на участке пути от x = 0 до x = r0 , предположим постоянство силы, действующей на электрон на

8

Следовательно, вся работа выхода будет равна

Измеряя работу выхода в электровольтах и обозначая ее в этом через произведение – e 0 , будем иметь

Из выражения (2.5) видно, что величина работы выхода обратно пропорциональна междуатомному расстоянию r0 . Это подтверждается

данными экспериментального определения работы выхода, показывающими, что у металлов щелочных и щелочноземельных, имеющих боль-

шее значение r0 , величина работы выхода меньше, чем у других метал-

лов. Вследствие того, что электрон, выходя из металла, должен совершить некоторую работу, следует, что потенциал внутри металла не

равен потенциалу внешнего пространства около поверхности металла. Поэтому на границе металл-вакуум имеет место скачок или более или менее быстрое изменение потенциала. Графическое изображение распределения потенциала в пространстве около поверхности металла показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3

Непосредственно на поверхности металла имеется относительно большое изменение потенциала (участок АВ), соответствующее паде-

нию потенциала в двойном электрическом слое ( i ) . В левой части рисунка (т. е. внутри металла) для области значений от нуля до энергии Wi

9

показаны уровни энергии занятые электронами. Выше энергии Wi рас-

положены уровни, не занятые электронами при T 0 . Вне металла кривая BC показывает изменение потенциала поля электрического изображения. Полная кривая АВС показывает форму потенциального барьера.

Высота потенциального барьера a определяет полную энергию, которую электрон должен иметь для вылета из металла. Потенциал

0 a i определяет работу выхода электрона.

2.2. Уравнения и константы термоэлектронной эмиссии

При нагревании металла или полупроводника скорости и соответственно энергии некоторых электронов проводимости увеличиваются настолько, что эти электроны оказываются в состоянии преодолеть силы, удерживающие их, и, совершая требуемую работу выхода, вылетают с поверхности. Чем выше температура твердого тела, тем большее количество электронов имеет значительную энергию и в состоянии покинуть твердое тело. Следовательно, с повышением температуры растет количество испускаемых электронов, иначе говоря, увеличивается ток электронной эмиссии.

Если считать, что твердое тело (катод) нагрет равномерно и все электроны, эмитируемые катодом, участвуют в создании тока термоэмиссии (так называемый ток насыщения), а внешнее электрическое поле не очень велико и не влияет на работу выхода, то для чистых металлов плотность термоэмиссионного тока описывается уравнением Ри- чардсона-Дэшмана:

T – абсолютная температура; 0 – работа выхода в вольтах; e – заряд электрона; k – постоянная Больцмана.

Постоянные A и 0 характеризуют металл, из которого изготовлен катод, и не зависят от других факторов. Например, для вольфрама они соответственно равны 75 104 A / м2 К2 и 4.54 В.

10