Физические процессы в газах.

Кроме электронных приборов, построенных на использовании возможности управления потоком электронов в вакууме, существуют приборы, где осуществляются процессы, протекающие в газах или парах при воздействии на них электрического напряжения. Такие приборы называются газоразрядными, ионными, плазменными приборами, в них при давлении газа от долей до десятков мм.рт.ст. возникают разного рода электрические разряды, обладающими определёнными свойствами для построения стабилизаторов напряжения, переключателей, разрядников, генераторов, индикаторов и т.д.

Рассмотрим процесс возникновения, свойства и разновидности электрического разряда в газе. Электрический разряд в газе – это совокупность явлений, сопровождающих прохождение тока через газ. При таком разряде протекает несколько основных процессов.

В любом газе всегда имеются ионизованные атомы – их ионизация происходит под действием температуры, света, внешних полей, излучений и других факторов. В результате любой газ при нормальных условиях представляет собой смесь нейтральных атомов и незначительного количества положительных ионов и отрицательных электронов. Если к газовому промежутку приложить некоторое напряжение, сообщающее электронам дополнительную энергию. То произойдёт возбуждение атомов под ударом электронов. При возбуждении атома под ударом электрона один из его электронов поднимается на более высокий энергетический уровень – переходит на более удалённую от ядра орбиту. Такое возбуждённое состояние длится обычно 10^-7 – 10^-9 сек, после чего электрон возвращается на нормальную орбиту, излучая энергию, которую атом поглотил при возбуждении. Излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые лучи относятся к видимой части спектра.

Для того, чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определённую энергию, называемую энергией возбуждения – для различных газов она составляет приблизительно 10 – 20 эВ.

Следующий этап – ионизация атомов ( или молекул ), которая происходит при энергии ударяющего электрона ( энергия ионизации ), большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будет уже два электрона и положительный ион, в который превратился атом. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, то каждый из них может ионизовать новый атом. Тогда свободных электронов будет уже четыре, а ионов – три. Таким образом, происходит лавинное нарастание числа электронов и ионов в газовом промежутке между двумя электродами.

Возможна также ступенчатая ионизация, когда от удара электрона атом возбуждается и не успев перейти в нормальное состояние, ионизируется от удара следующего электрона. Увеличение в газе числа заряженных частиц за счёт ионизации называют электризацией газа.

Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс – рекомбинация– процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов и восстановления нейтральных атомов. Положительные ионы и отрицательные электроны совершают в газе беспорядочное тепловое движение и, приближаясь друг к другу, могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение противоположных по знаку зарядов. Полученный в результате рекомбинации нейтральный атом может снова ионизироваться, а затем его составные части – положительный ион и электрон опять могут рекомбинировать и т.д.

Рекомбинация приводит к уменьшению числа заряженных частиц, т. е. к деионизации газа. В зависимости от перевеса ионизации и рекомбинации соответственно увеличивается или уменьшается число заряженных частиц. В установившемся режиме число электронов и ионов, возникающих за 1 сек. вследствие ионизации, равно числу нейтральных атомов, получающихся за тоже время в результате рекомбинации. При возникновении электрического разряда в газе ионизация имеет перевес над рекомбинацией. При уменьшении интенсивности электрического разряда рекомбинация перевешивает процесс ионизации. С прекращением разряда ионизация исчезает, и вследствие рекомбинации восстанавливается нейтральное состояние газа.

Поскольку на ионизацию затрачивается энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после ионизации, имеют в сумме энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается выделением лучистой энергии, что приводит к свечению газа.

Рекомбинация является довольно медленным процессом, поэтому деионизация в зависимости от рода газа и его давления совершается за 10^-5 – 10^-3 сек, поэтому газоразрядные приборы не работают на высоких частотах.

Различают самостоятельный и несамостоятельный разряды в газах. Самостоятельный разряд поддерживается только под действием электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что кроме электрического напряжения действуют ещё какие – либо внешние ионизирующие факторы – лучи света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накалённого эмиссия накалённого катода и др.

Напряжение возникновения самостоятельного разряда ( напряжение зажигания ) зависит от потенциала ионизации газа Uион и произведения давления газа p на расстояние между электродами d. Графики зависимости Uзаж. = f (pd) приведёны на рис.6.10. Они показывают, что напряжение зажигания разряда зависит кроме всего прочего от рода газа и от свойств (работы выхода электронов ) холодного катода. (Эти зависимости можно увидеть в аналитическом выражении для Uзаж., которое здесь на приводится). При некоторой величине произведения pd напряжение зажигания минимально. При меньшем, чем в этой точке давлении или расстоянии между электродами возникновение разряда затруднено вследствие того, что уменьшается вероятность столкновения электронов с атомами газа, а при большей величине p или d электроны набирают на пути свободного пробега слишком малую энергию, недостаточную для ионизации, и напряжение также увеличивается. Добавление примесей в газы может, как видно из рисунка, существенно изменять напряжение зажигания разряда; его величина значительно выше

Рисунок 6.10. Характеристики возникновения разряда Uзаж. = f (pd).

потенциала ионизации газа и достигает сотен вольт. Такой разряд называют тлеющим, потому что для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего угля. В стационарном состоянии существует динамическое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации и в разрядном промежутке устанавливается некоторая стационарная концентрация ионов и электронов, величина её достигает 10¹² см ^-3 , т.е. весьма значительна. Такой сильно ионизированный газ называется газовой плазмой. Плазма состоит из нейтральных атомов, положительных ионов и электронов. Некоторая часть атомов находится в возбуждённом состоянии. Количество электронов и ионов в плазме практически одинаково и пространственный отрицательный заряд электронов оказывается полностью компенсированным пространственным зарядом положительных ионов. Поэтому он не может оказывать ограничивающего действия на прохождение тока между электродами.

Вследствие высокой концентрации электронов и ионов плазма обладает малым сопротивлением и падение потенциала в ней в рабочих режимах оказывается очень малым ( 0,2 – 0,5 В на см длины разрядного промежутка ).

Благодаря высокой проводимости плазмы её потенциал примерно равен потенциалу анода, а основное падение потенциала сосредоточивается у катода в тонком слое порядка длины свободного пробега электронов ( область катодного падения потенциала – 1 на рис.6.11 – а ). Здесь выбиваемые из катода эле –

Рисунок 6.11. Распределение потенциала – а) и ВАХ тлеющего разряда – б).

ктроны получают скорость, достаточную для ударной ионизации газа, а ионы, двигаясь к катоду, приобретают скорость, необходимую для выбивания в достаточном количестве электронов из катода. Величина катодного падения Uк при нормальном тлеющем разряде несколько ниже напряжения зажигания и при давлении газа в несколько десятков мм.рт.ст. зависит только от материала катода и рода газа.

Другая часть разрядного промежутка ( 2 на рис. 6.11 – а) характеризуется небольшим изменением напряжения. Напряжённость поля в ней мала. Её называют областью электронно – ионной плазмы.

Полное падение потенциала на газовом промежутке равно сумме катодного падения и незначительного по величине падения в плазме, т.е. главным образом определяется катодным падением.

В режиме нормального тлеющего разряда плотность катодного тока является величиной постоянной, определяемой свойствами катода и газа. Поэтому при малых токах в разряде участвует лишь часть поверхности катода, хорошо видимая по покрывающему её свечению. При увеличении тока, проходящего между электродами, возрастание катодного тока происходит за счёт увеличения площади поверхности, эмитирующей электроны, а падение напряжения на газовом промежутке остаётся почти неизменным, что хорошо видно на его вольт – амперной характеристике ( 6.11 – б ).Когда вследствие увеличения тока, вся поверхность катода покроется свечением, то ток достигнет максимального значения Imax, которое тем больше, чем больше площадь поверхности катода. Дальнейшее увеличение тока возможно лишь за счёт увеличения плотности катодного тока т.е. за счёт увеличения количества электронов, выбиваемых с единицы поверхности катода. Для этого должна возрасти скорость ионов, бомбардирующих катод, следовательно, должно возрасти катодное падение. Поэтому при увеличении тока больше максимального напряжение анода с ростом тока быстро увеличивается. Катод в этом режиме, называемом аномальным тлеющим разрядом, интенсивно распыляется, что приводит к сокращению долговечности прибора.

Коротко ознакомимся с другими возможными видами разрядов в газе. Дуговой разряд получается при плотности тока, значительно большей, чем в тлеющем разряде; он может быть как самостоятельным, так и несамостоятельным.

При дуговом разряде плотность тока может доходить до сотен ампер на квадратный сантиметр, и объёмный заряд сильно влияет на процессы в газе. Ток дугового разряда поддерживается за счёт термоэлектронной эмиссии накалённого твёрдого катода или электростатической эмиссии жидкого ртутного катода. При дуговом разряде почти всё напряжение ( 10 – 20 В ) сосредоточено около катода. Малое падение напряжения при большом токе – особенность дугового разряда. Этот разряд сопровождается интенсивным свечением газа.

Искровой разряд имеет сходство с дуговым. Он представляет собой кратковременный ( импульсный ) электрический разряд при сравнительно высоком давлении газа, например при нормальном атмосферном. Обычно в искре наблюдается ряд импульсных разрядов, следующих друг за другом.

Высокочастотные разряды могут возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токопроводящих электронов (безэлектронный разряд).

Коронный разряд является самостоятельным. Он наблюдается при сравнительно больших давлениях газа в тех случаях, когда хотя бы один из электродов имеет малый радиус ( острие, заострённый край, тонкая проволока и т.д. ) Тогда поле между электродами получается неоднородным и около заострённого электрода, называемого коронирующим, напряжённость поля резко увеличивается. Коронный разряд возникает при напряжении в сотни или тысячи вольт и характеризуется малыми токами.

Разрядный промежуток при коронном разряде имеет две области: коронирующий слой около коронирующего электрода и остальную часть, называемую внешней областью. В коронирующем слое происходит возбуждение и ионизация атомов, а также свечение газа. Обычно коронирующим электродом является анод. На границе коронирующего слоя и внешней области возникают свободные электроны за счёт ионизации газа световыми квантами ( фотонами ), источником которых служит коронирующий слой. Поток электронов движется к аноду и на своём пути возбуждает и ионизирует атомы.

Во внешней области, которая остаётся тёмной, ионизация и возбуждение атомов отсутствуют вследствие малой напряжённости поля, а происходит лишь движение частиц, имеющих заряд того же знака, что и у коронирующего электрода. При коронирующем аноде во внешней области движутся положительные ионы.

Поскольку при коронном разряде возбуждение и ионизация охватывают лишь часть разрядного промежутка, этот разряд считают неполным пробоем газа ( полным пробоем являются дуговой и искровой разряды ). При увеличении напряжения ток растёт, коронирующий слой расширяется и разряд переходит в искровой, если давление газа значительно, или в тлеющий, если давление газа низкое.

Литература.

1. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин Материалы электронной техники : Учебник для студ. Вузов по спец. Электронной техники. 3-е изд. – СПб.; Издательство «Лань», 2001. – 368 с.

2. И.П. Жеребцов. Основы электроники. – 5–изд., перераб. И доп.- Л.: Энергоатомиздат. 1990. – 352 с.: ил.

3. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. Учебник для

ВУЗов, М., Высшая школа, 1986.

4. Морозова И.Г. Физика электронных приборов. М., 1980.

5. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы

(учебник для ВУЗов), М., Энергоатомиздат, 1990.

6. Батушев В.А. Электронные приборы. М., Высшая школа, 1980.

7. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.

М., Радио и связь, 1990.

8. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. Санкт-Петербург, 1998.

9. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые

приборы,М., Высшая школа, 1981.

10. С. Зи Физика полупроводниковых приборов, М., Мир, 1984.

11. Андрушко Л.М., Фёдоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы

СВЧ,М., Радио и связь, 1981.

12. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы, М., Высшая школа, 1979.