Вакуумная и плазменная электроника. Вакуумная и плазменная электроника_курс_лекций. Курс лекций Тольятти 2006
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
Тольяттинский государственный университет Кафедра промышленной электроники Поносов С.В. Вакуумная и плазменная электроника Курс лекций Тольятти 2006 УДК 621.38(076.5) Рецензенты: Кафедра «Промышленная электроника» ТГУ (и.о. зав. кафедрой к.т.н., доцент Шевцов А.А); зав. кафедрой «Информационный и электронный сервис» ТГАС д.т.н., профессор Туищев А.И. С.В. Поносов. Вакуумная и плазменная электроника: курс лекций.- Тольятти: ТГУ, 2006. -110 с. Рассмотрены основы зонной теории кристаллов, виды эмиссии электронов в вакуум. Описаны общие закономерности движения заряженных частиц в вакууме в электрических и магнитных полях, основные виды электрических разрядов в газах, а также работа основных электронно- вакуумных и газоразрядных приборов. Предназначено в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности «Промышленная электроника» очной и заочной форм обучения, ТГУ. © Тольяттинский государственный университет, 2006 2 СОДЕРЖАНИЕ 1. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ ............................................................................. 4 1.1 Потенциальный барьер на границе твердого тела.................................... 4 1.2. Контактная разность потенциалов............................................................ 10 1.3 Явление термоэлектронной эмиссии.......................................................... 11 1.4. Влияние внешнего ускоряющего электрического поля на термоэлектронную эмиссию металлов. Эффект Шоттки. ........................... 16 1.5 Автоэлектронная эмиссия. ........................................................................... 20 1.6 Взрывная электронная эмиссия.................................................................. 21 1.7 Вторичная электронная эмиссия ................................................................ 22 1.8 Явление фотоэлектронной эмиссии............................................................ 25 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ......................................................... 27 2.1 Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитном полях .................................................................................................................................. 27 2.2 Движение электрона в однородном электрическом поле ...................... 30 2.3 Движение электрона в однородном магнитном поле.............................. 32 2.4 Электрический ток в вакууме при наличии объемного заряда ........... 35 2.5 Электронный поток, его формирование.................................................... 37 2.6 Преломление электронного луча ................................................................ 39 2.7 Фокусировка электронного потока ............................................................ 41 2.8 Электронные линзы....................................................................................... 42 3. ЭЛЕКТРОННО–ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ ....................................................... 48 3.1 Устройство электронно-лучевой трубки ................................................... 49 3.2 Модуляция электронного луча по плотности .......................................... 51 3.3 Электростатические отклоняющие системы ........................................... 54 3.4 Магнитная отклоняющая система ............................................................. 57 3.5 Экран................................................................................................................. 60 3.6 Осциллографические трубки....................................................................... 65 3.7 Радиолокационные трубки........................................................................... 66 3.8 Запоминающие трубки (потенциалоскопы) ............................................. 67 3.9 Кинескоп........................................................................................................... 69 3.10 Передающие телевизионные трубки ........................................................ 72 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ............................................................................... 75 4.1 Назначение электронных ламп ................................................................... 75 4.2 Двухэлектродные лампы .............................................................................. 79 4.3 Трехэлектродные лампы............................................................................... 85 5 ИОННЫЕ ПРИБОРЫ ......................................................................................... 93 5.1 Явление газового усиления .......................................................................... 93 5.2 Условие возникновения самостоятельного разряда ............................... 95 5.3 Свойства тлеющего разряда ........................................................................ 97 5.4 Общие сведения о газоразрядных прибороах........................................... 98 5.5 Газоразрядные приборы с горячим катодом............................................ 98 5.6 Газоразрядные приборы с холодным катодом....................................... 100 Источники информации для изучения дисциплины ..................................... 110 1. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ 1.1 Потенциальный барьер на границе твердого тела Для того чтобы выяснить, как влияет объединение атомов в кристалле на энергетические состояния и поведение входящих в них электронов, вначале рассмотрим в качестве примера одномерную цепочку атомов натрия; расположенных на больших расстояниях х друг от друга, заметно превышающих параметр а кристаллической решетки этого вещества. На рис. 1.1, а показаны два атома такой цепочки и изображены потенциальные воронки характеризующие потенциальную энергию электронов в атоме. Горизонтальными линиями показаны схематически энергетические уровни 1s, 2s, 2р и т. д. электронов, а точками на линиях — количество электронов в данном состоянии. Из рисунка видно, что у натрия, имеющего в электронном облаке 11 электронов (Z=11), уровни 1s, 2s, 2p укомплектованы полностью, а уровень 3s — только наполовину. На нем находится один валентный электрон. Рис. 1.1. Энергетические диаграммы атомов натрия: а) - при расстояниях между атомами х>а; б)- при сближении атомов в цепочку с расстоянием между ними порядка параметра а кристаллической решетки. Теперь сблизим атомы-цепочки на расстояния, равные параметру а кристаллической решетки натрия. Пусть цепочка атомов слева будет простираться (рис. 1,б) за пределы рисунка, а справа ограничиваться последним атомом. Теперь, как показано пунктиром, потенциальные воронки атомов перекрываются, т. е. электроны испытывают притяжение не только к своему ядру, но и к ядрам соседних с ним атомов. В результате кривая потенциальной энергии приобретает вид, показанный на рисунке сплошными линиями. Сопоставляя первоначальные уровни энергии электронов (нанесенные на рис. 1.1, б так же, как и на рис. 1.1, а) с этой кривой, все электроны кристалла можно разделить как бы на две группы: 1. Электроны внутренних оболочек атомов, которые и после сближения атомов находятся в глубоких потенциальных ямах. Электроны этой группы и в кристалле оказываются сильно связанными и локализуются около ядер своих атомов. 2. Валентные электроны (электроны уровня 3s). Из рисунка видно, что первоначальный уровень их энергии выше кривой потенциальной энергии внутри кристалла. В силу этого валентные электроны могут практически беспрепятственно перемещаться в кристалле и вероятность обнаружения их в любом участке кристалла одинакова. Такие слабо связанные, электроны часто называют свободными. Однако это название несколько условно. Как видно из рис. 1.1, б, на границе цепочки (кристалла) кривая потенциальной энергии поднимается вверх, образуя высокий потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из кристалла. Таким образом, свободное перемещение этих электронов ограничивается пределами кристалла. Таким образом, движение электронов в металле можно рассматривать, как движение в потенциальной яме глубиной Wo (рис. 1.2,а), причем при температуре Т=0 К энергия Ε F наиболее быстрых электронов меньше W 0 . Это означает, что при нулевой температуре электроны за счет имеющихся у них энергий не могут выйти из металла в окружающее пространство. Аналогичная картинанаблюдается в диэлектриках и полупроводниках. Даже относительно 5 высокая энергия электронов донорной примеси (рис. 1.2; б) оказывается недостаточной для преодоления потенциального барьера на границе кристалла. Рис. 1.2. Потенциальный барьер на границе металла Картина может измениться, если электронам сообщить дополнительную энергию, перевести их на энергетические уровни, расположенные выше W 0 . Электроны с энергиями Е>W 0 , двигаясь в твердом теле и подходя к его поверхности, смогут преодолеть потенциальный барьер W 0 и выйти за пределы тела. Выход электронов за пределы тела называется электронной эмиссией. Рис. 1.3. Распределение по энергиям электронов в металле: 1- при Т=0 К; 2-при Т>0 К; 3-при той же температуре согласно статистике Максвелла – Больцмана Энергия Ферми или уровень Ферми для металлов определяется по формуле 3 / 2 2 8 3 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = π n m h E эфф e f Величина его специфична для каждого металла, поскольку концентрация электронов валентной зоны зависит от структуры атомов и параметров кристаллической решетки. 6 Для металлов константа Е F имеет простой и наглядный физический смысл: это наибольшая энергия, которой обладают электроны при температуре абсолютного нуля. Определение, применимому не только к металлам, но также к диэлектрикам и полупроводникам: уровень Ферми — это такой уровень, вероятность заполнения которого электронами при любых температурах равна 1/2. Соответственно способам подведения дополнительной энергии различают несколько видов электронной эмиссии. Их изучению посвящены последующие параграфы этой главы. располагается множество атомов. Строгий расчет высоты и формы потенциального барьера на границе кристалла невыполним. Это заставляет искать приближенное решение задачи. Один из путей такого решения состоит в следующем. Из электростатики известно, что точечный заряд, расположенный на некотором расстоянии х отповерхности металла, притягивается к ней по закону зеркального отображения. Рассматривая выходящий за пределы металла электрон как такой точечный заряд, можно записать выражение для действующей на него силы зеркального отображения: 2 2 0 4 4 1 x е F о з ⋅ = πε (1.1) где е – заряд электрона, х – расстояние между электроном и поверхностью металла; ε 0 – электрическая постоянная. Однако такое представление о характере взаимодействия электрона с поверхностью металла возможно только при, расстояниях х, заметно превышающих межатомные расстояния в металле.. На расстояниях порядка постоянной кристаллической решетки а закон изменения силы F должен быть иным. Шоттки предложил, что электроны непрерывно вылетают за пределы граничного слоя узлов кристаллической решетки и возвращаются обратно. Таким образом, на границе металла образуется как бы двойной электрический 7 слой (пограничные узлы решетки и «электронное облако»), который препятствует вылету электронов. По Шоттки, двойной электрический слой можно рассматривать упрощенно как плоский конденсатор с расстоянием а между обкладками, ионным поверхностным зарядом на одной обкладке и электронным поверхностным зарядом на другой обкладке. Тогда напряженность поля в интервале значений х от 0 до а постоянна, и в предположении непрерывности силы на границе двойного электрического слоя можно записать 2 2 0 4 4 1 a е F с д ⋅ = πε (1.2) Следовательно, в приближении Шоттки зависимость F (х) выглядит так, как показано сплошной кривой на рис. 1.4, а. В интервале значений х от 0 до а сила F постоянна, а затем убывает обратно пропорционально квадрату расстояния х от поверхности. Рис. 1.4. Зависимость от расстояния x действующей на электрон силы (а) и его потенциальной энергии (б): ---- - в приближении Шоттки; - - - - - в приближении Ленгмюра. 8 Удаляясь от поверхности металла, электрон совершает работу, т.e. увеличивается его потенциальная энергия W. За нуль отсчета потенциальной энергии здесь, как и при описании энергетических состояний электронов в отдельных атомах, принимается потенциальная энергия свободного (удалившегося на расстояние х= ∞ ), покоящегося электрона. Увеличение потенциальной энергии электрона при его удалении на конечное расстояние х от поверхности определяется как ∫ = Δ x Fdx W 0 (1.3) На рис. 1.4 б сплошной кривой изображена соответствующая приближению Шоттки зависимость Δ W(x), характеризующая форму потенциального барьера. В интервале значений х от 0 до а величина Δ W изменяется линейно, а далее асиптотически приближается к величине W 0 характеризующей работу, которую должен совершать электрон, чтобы стать свободным. Величину W 0 называют полной работой выхода электрона. Заменив в (1.3) верхний предел интегрирования на ∞ и разбив интеграл на два интеграла в соответствии с различной зависимостью F(x) на двух участках пути электрона, получим 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 4 1 4 4 4 1 4 4 1 4 4 1 a e a e a e dx x e dx a e W a a ⋅ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = ⋅ + ⋅ = ∫ ∫ ∞ πε πε πε πε (1.4) Следует иметь в виду, что величина а, входящая в приведенные соотношения, в сущности, неизвестна. Можно лишь сказать, что она составляет, несколько межатомных расстояний кристалла. Поэтому количественные оценки величины полной работы выхода (высоты потенциального барьера) можно получить только опытным путем. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для разных металлов Wo=3,5—18 эВ. 9 1.2. Контактная разность потенциалов Пусть два бруска из разных металлов М 1 и М 2 расположены на большом расстоянии d друг от друга (рис. 1.4, а). Тогда, изображая их энергетические диаграммы и потенциальные барьеры у поверхности, необходимо расположить вершины барьеров на одном уровне W=0, соответствующем потенциальной энергии покоящегося свободного (удаленного от обоих металлов) электрона. Как видно из рисунка, уровни Ферми E F1 и E F2 металлов располагаются при этом на разной высоте и напротив заполненных электронами уровней металла М 2 размещаются свободные уровни металла M 1 . Однако перетекания электронов из одного металла в другой не происходит из-за наличия между ними потенциального барьера. Рис. 1.5. Образование контактной разности потенциалов U : крп а) – перекрытие потенциальных барьеров при сближении металлов; б) – энергетическая диаграмма контакта двух металлов. Теперь сблизим бруски вплотную, как показано на рис. 1.5 б. При таком сближении потенциальный барьер сужается, снижается и, в конечном счете, исчезает. При этом электроны, расположенные на верхних заполненных 10 уровнях металла М 2 , перетекают в металл M 1 , заполняя расположенные ниже свободные энергетические уровни. При этом металл M 1 заряжается отрицательно, т. е. его энергетические уровни поднимаются, а металл М 2 заряжается положительно, т. е. его энергетические уровни опускаются. Равновесие наступает тогда, когда в обеих частях системы уровни Ферми совпадут (рис. 1.5 б). При этом между металлами устанавливается разность потенциалов U крп , называемая контактной разностью потенциалов. Нетрудно видеть, что ее величина определяется относительным положением уровней Ферми E F1 и E F2 в контактирующих металлах: еU крп = E F2 -E F1 . Обозначив расстояния от уровней Ферми до верха потенциальных барьеров в металлах M 1 и М 2 соответственно через χ 01 и χ 02 , можно найти контактную разность потенциалов: е U крп 01 02 χ χ − = (1.5) Величину χ 0 называют эффективной работой выхода или просто работой выхода (в отличие от полной работы выхода W 0 ). Часто эффективную работу выхода удобно выражать в вольтах. При этом ее обозначают ϕ и определяют из равенства ϕ = χ 0 /е. Области приповерхностных объемных зарядов, возникающих в обоих металлах в результате перетекания электронов через контакт, имеют, как известно, очень малую толщину в силу высокой концентрации электронов в металле. По существу в месте контакта имеется скачок потенциала практически нулевой протяженности. Поэтому между любыми двумя точками металлов М 1 и М 2 существует одна и та же разность потенциалов U крп |