ПлЭ_часть_1_2016

ВВЕДЕНИЕ

Электроника как наука занимается изучением процессов генерации, формирования, транспортировки и взаимодействия потоков заряженных частиц и плазмы с электромагнитными полями и конденсированными средами, а также созданием методов проектирования, разработкой технологии производства и применением приборов и устройств на базе указанных процессов.

В зависимости от среды, которая используется в электронном приборе или устройстве, различают вакуумную, плазменную и твердотельную элек-

тронику. Различие в свойствах используемых сред и условий реализации указанных процессов делают эти области электроники относительно самостоятельными в их развитии.

Плазменная электроника изучает процессы в среде, которая содержит разноименные заряженные частицы в значительных концентрациях. Одним из наиболее распространенных способов генерации такой среды является пропускание электрического тока через газ или пар, которое получило назва-

ние газовый разряд.

Газовый разряд – это комплекс явлений, наблюдаемых при протекании электрического тока между электродами, находящимися в газе или паре, когда к ним приложена некоторая разность потенциалов. При этих условиях в газе появляются свободные электрические заряды – электроны и ионы, перемещающиеся под действием электрического поля. Газ в этом случае называют ионизованным.

При достаточно высоком напряжении в газе заряженные частицы, и в первую очередь электроны, на длине свободного пути приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов или молекул. В газе концентрация заряженных частиц возрастает на несколько порядков. Происходит электрический пробой газа и газовая среда, которая в исходном состоянии практически являлась диэлектриком, становится проводником электричества.

Со временем газовым разрядом стали называть всякий процесс протекания электрического тока через ионизованный газ, а также любой процесс возникновения ионизации и приобретения газом свойства электропроводности под воздействием электрического поля. Поскольку ионизованный газ чаще всего светится, говорят, что разряд зажигается, горит, гаснет.

2

1. Ионизованный газ и плазма

Газ – это физическая система, состоящая из большого числа отдельных частиц, обладающих большой подвижностью. В этой системе атомы или молекулы ведут себя относительно свободно, а расстояние между ними существенно больше их размеров.

Газ как агрегатное состояние вещества характеризуется хорошей сжимаемостью и отсутствием способности сохранять как объем, так и форму, стремясь занять весь предоставленный ему объем. При движении молекул газа нет никаких преимущественных направлений, т. е. пространство газовых молекул изотропно.

При этом энергия взаимодействия частиц по сравнению с их кинетической энергией мала (средней мерой кинетической энергии молекул выступает температура 1 эВ = 11 600 К = 1.6·10 –19 Дж).

По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны, начиная от инертных малоактивных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe). К газам относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц, включая плазму.

Плазма – это ионизованный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, находящихся в среде нейтральных частиц, в котором электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов.

Плазма электрически нейтральна во времени и в каждом малом объеме пространства, для однозарядных частиц ene eni , а для многозарядных ионов ene eni , где – среднее зарядовое число.

При определенных условиях в газе может происходить ионизация атомов или молекул, при которой в газе появляются заряженные частицы: положительные и отрицательные ионы и электроны. Такой газ называют ионизованным. В частности, заряженные ионы генерируются в газе, как космическим излучением, так и за счет естественного радиоактивного фона Земли. Так в атмосфере на уровне поверхности Земли в каждом кубическом сантиметре в среднем происходит 4…10 актов ионизации в секунду, что обеспечивает концентрацию около 103 пар положительно и отрицательно заряженных частиц.

3

Низкотемпературная плазма – это ионизованный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, при этом энергии частиц достаточно для протекания реакций во внешних электронных обо-

лочках атомов или молекул: ионизация е А е е А ;

Температура газовой плазмы порядка 104 К (1 эВ =11600 К), а концентрация заряженных частиц составляет 1014…1021 м –3 (в F- слое ионосферы при температуре (3…5) 103 К концентрация частиц составляет примерно 1012 м –3).

Высотемпературная плазма – в установках для получения термоядерного синтеза температура плазмы превышает 108 К, а концентрация заряженных частиц, в зависимости от методов ее нагрева и удержания, составляет либо

1020…1021 м –3, либо 1028…1029 м –3.

4

2. Вольт-амперная характеристика газового разряда

Процессы, происходящие в газоразрядном объеме и на электродах, зависят от рода и давления газовой среды, материала, размеров и формы электродов, силы тока и его формы (постоянный, переменный, импульсный). Газовый разряд может существовать в интервале давлений от 10–3 до 104 Па, при этом разрядный ток изменяется от долей миллиампера до тысяч ампер, а напряжение, необходимое для возникновения и поддержания разряда, изменяется от сотни вольт до десятков киловольт.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику газонаполненного промежутка между двумя плоскопараллельными холодными электродами, включенными в электрическую цепь (рис. 2.1, а), состоящую из источника постоянного напряжения Uвх и балластного сопротивления Rб . Изменяя величину разрядного тока Iраз в цепи, можно наблюдать различные виды газового раз-

ряда, отличающиеся как физическими процессами в межэлектродном пространстве и на электродах, так и характером свечения и значением падения напряжения между электродами постоянного напряжения Uвх и балластного сопротивления Rб . Изменяя величину разрядного тока Iраз в цепи, можно

наблюдать различные виды газового разряда, отличающиеся как физическими процессами в межэлектродном пространстве и на электродах, так и характером свечения и значением падения напряжения между электродами.

Рис. 2.1. Схема включения (а)

и вольт-амперная характеристика газового разряда (б)

На рис. 2.1, б представлена обобщенная вольт-амперная характеристика газового разряда в широком диапазоне токов, где обозначены: АВ – несамостоятельный разряд; ВС – участок с поднормальным тлеющим разря-

5

дом; СD – нормальный, а DE – аномальный тлеющий разряды; ЕFG – дуговой разряд: ЕF – переход к дуговому разряду; FG – дуговой разряд.

Электрические разряды в газе подразделяют на несамостоятельные и самостоятельные. Это деление обусловлено тем обстоятельством, что в отсутствие внешних воздействий газ является диэлектриком.

К несамостоятельным относятся разряды (участок АВ, рис. 2.1, б), для поддержания которых кроме источника электрического питания требуется дополнительный источник энергии, который может обеспечить эмиссию электронов из катода или генерацию заряженных частиц в разрядном промежутке под действием внешних факторов.

Для поддержания самостоятельного разряда (участок ВG, рис. 2.1, б) не требуется образования заряженных частиц под влиянием внешних факторов, а генерация и движение зарядов в разрядном промежутке осуществляются исключительно за счет энергии электрического поля, действующего в промежутке между катодом и анодом.

Применение

СD – стабилизаторы напряжения, газоразрядные лазеры

DE – технологические системы ионно-плазменного нанесения покрытия и травления поверхностей

Среди различных способов генерации плазмы наибольшее прикладное значение имеют газовые разряды, в большинстве типов которых плазма занимает существенный объем межэлектродного пространства.

Газонаполненный промежуток может проявлять два вида нелинейности:

–в зависимости от внешних условий он может находиться как в проводящем, так и в непроводящем состоянии. Это его свойство может быть использовано для построения коммутирующих приборов различного назначения и мощности;

– нелинейность вольт-амперной характеристики газового разряда может выражаться в постоянстве разрядного напряжения при изменении тока разряда. Этот вид нелинейности можно использовать при построении параметрических стабилизаторов напряжения, способных работать в экстремальных условиях.

6

В плазме газовых разрядов при определенных условиях энергия источников электрического питания достаточно эффективно может расходоваться на возбуждение атомных частиц, что приводит к формированию линейчатого спектра излучения из плазменного образования в широком диапазоне длин волн.

Способность плазмы генерировать излучение в широком диапазоне длин волн используется при разработке газоразрядных источников излучения, газоразрядных лазеров, индикаторных приборов и устройств отображения информации, например плазменных панелей.

Плазма представляет собой субстанцию, в которой существенны концентрации электронов, однозарядных и многозарядных ионов, продуктов диссоциации молекул – химически активных и быстрых нейтральных частиц. В связи с этим газоразрядные структуры могут использоваться в качестве генераторов заряженных и нейтральных частиц указанных типов.

Среди столкновительных процессов, в большинстве ситуаций преобладают упругие соударения, в результате которых наблюдается нагрев нейтральной части плазмы. Особенно эффективен этот процесс при давлениях порядка атмосферного. Это свойство плазмы газовых разрядов широко используется в плазмотронах для проведения термических операций и в плазмохимии.

Значительная доля энергии, идущая на поддержание дуговых разрядов при давлениях порядка атмосферного, выделяется на электродах: аноде и катоде, что позволяет использовать их для дуговой сварки, резки, пайки и т. п..

3. Вакуум. Критерий Кнудсена

Состояние газа при давлениях ниже атмосферного называется вакуумом (от латинского vacuum – пустота). Понятие вакуума применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объѐм, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве, например в космосе. Вакуум количественно измеряется абсолютным давлением газа. Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного пути λ молекулы (или атома) и характерным размером L системы (рас-

7

стояние между стенками вакуумного объѐма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора).

Средней длиной свободного пробега частицы определенного типа является среднее расстояние, которое она проходит между двумя любыми столкновениями с молекулами газа. Согласно кинетической теории, средний свободный пробег частицы диаметром d1 (радиусом r1 ) и средней энергией

где k = 1.38·10 –23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – температура газа; d – поперечный размер частицы; p nkT – давление (1 мм рт. ст. = 1 торр = 133 Па (Н/м2));

Видно, что средняя длина свободного пути обратно пропорциональна их концентрации и давлению.

Отношение длины свободного пути молекулы к характерному размеру объема, в котором находится газ, называемое критерием Кнудсена ( Kn / L ), характеризует степень разреженности газа. В зависимости от этого значения различают вакуум: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.

Низкий вакуум (от 100 Па до 1 Па) – состояние газа, при котором частота столкновений между молекулами преобладает над частотой столкновений молекул газа со стенками, что соответствует условию Kn 1, а длина свободного пробега молекул газа намного меньше размеров вакуумной камеры

( L) .

8

Средний вакуум (от 1 Па до 10–2 Па) – состояние газа, при котором частоты соударений молекул друг с другом и со стенками одинаковы: L , а

Kn 1.

Высокий вакуум (от 10–2 Па до 10–5 Па) – состояние газа, при котором столкновения молекул со стенками вакуумной камеры преобладают над столкновениями между молекулами газа ( L) : Kn 1.

Сверхвысокий вакуум – ниже 10–5 Па, когда L .

Для создания и поддержания вакуума, а также для вакуумных измерений, используется совокупность взаимосвязанных устройств и связывающих их вакуумных трубопроводов, называемая вакуумной системой.

В высоком вакууме и при высоких температурах частицы настолько удалены друг от друга, что энергией их взаимодействия можно пренебречь. В этом случае газы подчиняются простым закономерностям, свойственным идеальному газу.

Идеальный газ – теоретическая модель газообразного состояния, в которой частицы газа представляют собой упругие материальные точки; взаимодействие между ними ограничиваются упругими столкновениями; пространство, занимаемое молекулами ничтожно мало по сравнению с пространством свободным от молекул.

Частицы классического идеального газа (описываются законами классической физики) движутся независимо друг от друга, так что давление идеального газа на стенку равно сумме импульсов, переданных за единицу времени отдельными частицами при столкновениях со стенкой, а энергия – сумме энергий отдельных частиц W ( p,V ,T ) 0

Состояние газа однозначно определяется значениями давления (p), объема (V) и температуры (T). Эти термодинамические параметры связывает уравнение Клапейрона: pV /T N k , k = 1.38 10–23 Дж/ К – постоянная Больцмана.

Закон Авогадро гласит, что при нормальных условиях, при давлении 1 атм (1.013 105 Па) и температуре 0 ºС (273.15 К), один моль идеального газа занимает одинаковый объем 22.4 литра.

Уравнение состояния газа или уравнение Клапейрона-Менделеева pV RT

обычно записывают, выражая количество вещества через массу и молярную массу

pV (m / )RT .

9

Закон Дальтона: полное давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных давление отдельных газов: p pi p1 p2 ... pn .

Объединенный газовый закон может быть записан в форме, удобной для решения задач: p1V1 / Т p2V2 / Т . Частными случаями этого уравнения являются законы:

– Гей-Люссака (изобарический процесс), при постоянной массе и давлении ( p const )

газа его объем прямо пропорционален его абсолютной температуре: p1V1 / Т p2V2 / Т , p const , V1 / Т1 V2 / Т2 , V / T const , V V0 (1 T ) ;

– Шарля (изохорический процесс), при постоянной массе и объеме (V const ), давление

Электрические свойства газов определяются возможностью ионизации атомов или молекул, при которой в газе появляются положительно и отрицательно заряженные частицы: положительные и отрицательные ионы и электроны. Такой газ называют ионизованным. При отсутствии заряженных частиц газы являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность газов увеличивается.

4. Процессы в разрядном промежутке

Средняя длина свободного пробега электронов в вакууме заметно превышает расстояние между электродами. При повышении давления движущиеся электроны начинают взаимодействовать (сталкиваться) с атомами газа, и длина свободного пробега у них становится меньше расстояния между электродами: катодом и анодом. Характер соударений между электронами и атомами во многом определяет особенности газового разряда.

Совокупность явлений, обусловленная прохождением электрического тока через газовый промежуток, характеризующийся слабыми связями между составляющими его частицами и большой их подвижностью, под действием электрического поля, сопровождающаяся изменением его состояния, называется электрическим разрядом в газе.

10

В обычных газах кинетическая энергия хаотического движения частиц мала по сравнению с энергией связи электронов внешних оболочек с ядрами, и в процессе столкновения внутренняя электронная структура частиц не изменяется. При повышении температуры кинетическая энергия сталкивающихся частиц увеличивается и может приводить к изменению внутренней электронной структуры и, в частности, к образованию заряженных частиц – ионов и свободных электронов; появлению возбужденных молекул и атомов, имеющих как электронное, так и колебательное и вращательное возбуждение.

Катод

Анод

Рис. 1.1. Физические процессы, протекающие в межэлектродном промежутке газового разряда

Явления, наблюдаемые в газонаполненном промежутке, определяются элементарными процессами, приводящими к изменению как энергетического, так и качественного состояния взаимодействующих частиц. Среди наиболее важных процессов в объеме выделяются: возбуждение, ионизация, перезарядка и рекомбинация (рис. 1.1).

Вразрядном промежутке наблюдается принципиальная разница в характере взаимодействия электрона и иона с атомом. Электроны, даже в слабых полях, имеют относительно большую скорость, и их взаимодействие с атомом носит характер удара, поэтому их взаимодействия могут быть описаны на основе классических законов сохранения энергии и импульса при соударениях.

Вкинетической теории газов объяснение газовых законов строится на предположении, что молекулы представляют собой не имеющие структуры упругие шарики, взаимодействие между которыми отсутствует за исключе-

11