Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепло выми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10^б раз.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 319, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказыва ется лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного в § 242, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 319, 6). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии DE_D = 0,013 эВ. Так как DE_D < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная щшмесшш проводимость (проводимость л-тнпа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-тнпа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорнымн уровнями.

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 320, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.

Рис. 320

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии DE_D = 0,08 эВ (рис. 320, б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа).Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа).Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами - в случае донорной примеси, дырками - в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа - дырки, в полупроводниках р-типa - электроны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми Е_F. Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми Е_{F 0} при 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 321).

Рис. 321

С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуации, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника.

Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при 0 К Е_F0располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис. 322). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.

Рис. 322

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей - по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимость примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рис. 323 дан примерный график зависимости Ing от 1/Тдля примесных полупроводников.

Рис. 323

Участок АВописывает примесную проводимость полупроводника. Рост примесной проводимости полупроводника с повышением температуры обусловлен в основном ростом концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок CD описывает собственную проводимость полупроводника.

Полупроводники n — p типа

Чистые i - полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 10⁷…10⁸ атомов i - полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n– типа, а сам полупроводник – полупроводником n –типа.

При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторам и, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р –типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р –типа.

Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n –типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р –типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками.

Билет 42

Полупроводниковым p-n- переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (см. рис. 4.21). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.

Рис. 4.21.

В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области -типа может попасть в правую область -типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (см. рис. 4.21). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд. Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки - области от границы раздела полупроводников, а электроны -области - вправо от этой границы. С электрическим полем можно связать потенциальную энергию дырки и электрона в областях (см. рис. 4.21). Получается, что дырка для перехода из -области в -область должна "забраться" на потенциальный порог высоты . На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из -области в -область. Вероятность такого прохода пропорциональна множителю Больцмана:

.

(4.37)

Рассмотренные переходы основных носителей сформируют плотность тока основных носителей через переход:

(4.38)

В состоянии равновесия этот ток будет компенсироваться током неосновных носителей, формируемым неосновными носителями - дырками -области и электронами -области. Однако этих носителей очень мало, и ток неосновных носителей лимитируется именно их числом, хотя поле "содействует" этому току (см. рис. 4.21). Если к переходу приложить внешнюю разность потенциалов , как это показано на рис. 4.22 (а) (это - так называемое прямое включение перехода), то внешнее поле уменьшит существующее в кристалле поле , и высота порогов на рис. 4.22 уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет в соответствии с формулой:

 

.

(4.39)

Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. На рис. 4.23 изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при увеличении внешнего напряжения , а также построен участок вольтамперной характеристики (ВАХ) при .

 

Рис. 4.23. Зависимость тока основных и неосновных носителей через p-n- переход от напряжения на нем, ВАХ p-n- перехода

Если к переходу приложить внешнюю разность потенциалов "наоборот", как это показано на рис. 4.22 (б) (так называемое обратное включение перехода), то внешнее поле увеличит существующее на границе поле , и высота порогов на рис. 4.21 увеличится. Ток основных носителей от этого уменьшится в соответствии с формулой (4.38). Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. На рис. 4.23 изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при "обратном" включении внешнего напряжения , и построен участок ВАХ при .

Пробой перехода. Если продолжать увеличение напряжения обратной полярности, то при некотором напряжении , называемом напряжением пробоя, произойдет пробой перехода. Это связано с тем, что в закрытом состоянии перехода почти все приложенное напряжение действует в тонком пограничном слое. Поэтому в нем сформируется большая напряженность электрического поля, способная ускорить электрон на малом расстоянии до энергий достаточных для "выбивания" электрона из ковалентной связи; далее уже оба электрона будут ускорены, они выбьют еще электроны и так далее. Получится подобие электронной лавины, приводящей к пробою перехода. Пробою соответствует участок около на ВАХ (см. рис. 4.23). Этот участок при имеет участок плавного нарастания тока, что позволяет использовать явление пробоя, вернее предпробойное состояние для стабилизации напряжения (см. ниже).

ВАХ перехода получается нелинейной, а главное несимметричной: в одну сторону переход проводит ток очень хорошо, а в другую - очень плохо. Можно дать и простое, наглядное объяснение таких сильных отличий проводимости перехода в разных направлениях. Рассмотрим рис. 4.24.

Рис. 4.24а. Схема движения электронов и дырок при прямом (а) и обратном (б) включении p-n- перехода

 

Рис. 4.24b. Схема движения электронов и дырок при прямом (а) и обратном (б) включении p-n- перехода

При включении перехода в прямом направлении (см. рис. 4.24 а) дырки в левой области будут двигаться к границе раздела, и электроны из правой области также будут двигаться к границе раздела. На границе они будут рекомбинировать. Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями, сам переход обогащен носителями тока. Проводимость перехода будет большой.

При включении перехода в обратном направлении (см. рис. 4.24 б) и дырки в левой области будут двигаться от границы раздела, и электроны из правой области также будут двигаться от границы раздела. На границе раздела областей в итоге не останется основных носителей тока. Ток на этой границе будет обеспечивается очень малым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого перехода. Проводимость перехода будет малой. В итоге ВАХ примет асимметричный вид как на рис. 4.23.

Применения перехода в технике - очень многочисленны. Остановимся на некоторых из них.

Выпрямление тока и детектирование сигналов. Для этих целей используют деталь - полупроводниковый диод, главная часть которой переход. Используют схему подключения диода, изображенную на рис. 4.25. Если на вход подать синусоидальный сигнал, то диод "пропустит" только положительные полуволны синусоиды. На сопротивлении нагрузки (на выходе) сигнал будет иметь вид как на рис. 4.25. Чтобы получить огибающую сигнала, то используют дополнительный конденсатор , который, заряжаясь и разряжаясь, сгладит острые полуволны. По такой схеме работают простейшие выпрямители напряжения - устройства, преобразующие переменный ток в постоянный, и детекторы радиосигналов - устройства, позволяющие выделить огибающую высокочастотного сигнала, несущую полезную информацию.

Рис. 4.25. Схема включения p-n- перехода для выпрямления и детектирования токов и сигналов

Стабилизаторы напряжения. Явление пробоя перехода используют для стабилизации напряжения. Для этого к источнику нестабильного напряжения подключают цепь, состоящую из резистора и стабилитрона - перехода, рассчитанного на заданное напряжение пробоя и включенного в обратном направлении (см. рис. 4.26). Если напряжение на стабилитроне начинает превышать критическое, то стабилитрон приоткрывается, ток через него и через резистор увеличивается и падение напряжения на резисторе тоже увеличится. Из-за этого напряжение на стабилитроне не сможет превзойти критическое напряжение пробоя. При этом нестабильное напряжение окажется суммой двух: нестабильного на резисторе и стабильного на стабилитроне и нагрузке (см. рис. 4.26).

Рис. 4.26. Схема включения p-n- перехода для стабилизации напряжения

Стабилитроны на основе перехода изготавливаются промышленностью на разные напряжения стабилизации (пробоя): от порядка трех до сотен вольт.

Светоиспускающие диоды. Принцип работы светоиспускающих диодов - устройств, преобразующих энергию электрического тока в световую энергию, можно понять, рассмотрев изображенную на рис. 4.24 и 4.27 схему включения перехода в прямом направлении. На границе раздела дырки, поступающие из -области, рекомбинируют с электронами, поступающими из -области. При этом происходит фактически переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, что должно сопровождаться испусканием кванта электромагнитного излучения. Можно так подобрать ширины зон в полупроводнике, что будут испускаться кванты электромагнитного излучения требуемой частоты, а именно от инфракрасного до ультрафиолетового излучения.

Рис. 4.27а. Схема работы светоиспускающего (а) и лазерного (б) диода

 

Рис. 4.27b. Схема работы светоиспускающего (а) и лазерного (б) диода

Светоиспускающие диоды обладают очень высоким КПД, достигающим 80 процентов; КПД лучших ламп накаливания на порядок ниже. В самом деле, в удачно сконструированном светоиспускающем диоде каждый электрон, создающий ток через диод, обязан рекомбинировать с дыркой с испусканием кванта излучения. В таком случае незначительные потери связаны с джоулевым теплом, выделяющемся в материале диода и поглощением испущенных квантов излучения. Светоиспускающие диоды очень долговечны, так как не содержат нитей накаливания, катодов и других быстро изнашиваемых узлов, как, например, лампы накаливания или же газоразрядные лампы.

Светоиспускающие диоды широко используют как миниатюрные экономичные источники света, излучающие в заданном частотном диапазоне, как заменитель сигнальных лампочек, а последнее время и как экономичные осветительные приборы.

Лазерные светоиспускающие диоды. Принцип действия лазерных светоиспускающих диодов аналогичен принципам работы светоиспускающих диодов, с некоторыми отличиями. В них необходимо создать инверсную заселенность (много электронов в возбужденном состоянии и мало - в основном состоянии). Это удобно сделать в области перехода. Очень большая концентрация электронов проводимости (они соответствуют возбужденному уровню лазера) обеспечивается их поступлением из -области (см. рис. 4.27 б). Большая концентрация дырок, поступающих из -области, соответствует малому количеству электронов в основном состоянии перехода , используемого в лазере. В таком случае можно обеспечивать условие инверсной заселенности (много электронов в возбужденном состоянии и мало - в основном состоянии) в области перехода. В качестве зеркал лазерного резонатора используют отполированные торцы самого полупроводникового кристалла (см. рис. 4.27); одно из них делают частично прозрачным (нижнее на рис 4.27 б) для выхода излучения из резонатора.

Лазерные диоды - очень миниатюрны, экономичны, имеют размер порядка 1 см, обеспечивают весьма сильный световой поток, достаточный для оплавления полимерных пленок при записи информации. Лазерные диоды используют в оптических устройствах записи и чтения информации, лазерных принтерах, системах передачи информации по стекловолоконным кабелям и т.д.

Источники тока на переходе. В настоящее время широко применяются источники тока на переходе как генераторы электрического тока, в которых источником энергии служит: 1) энергия падающего на переход электромагнитного излучения - так называемые полупроводниковые солнечные элементы, или 2) тепловая энергия, подводимая к переходу - так называемые полупроводниковые тепловые элементы.

Полупроводниковые солнечные элементы. Принцип работы полупроводниковых солнечных элементов ясен из схемы, изображенной на рис. 4.28. На ней изображен переход, в котором из-за процессов, рассмотренных в начале этого параграфа, формируется электрическое поле и распределение энергии электронов и дырок, которые и используются для выработки тока. Поглощенный в области перехода квант создаст пару электрон - дырка, электрическое поле переместит дырку в -область, а электрон - в -область. Тогда при облучении перехода потоком квантов будут накапливаться дырки в -области, а электроны - в -области. Если теперь соединить через нагрузку точки 1 и 2, то потечет ток, который может быть использован.

 

Билет 43

Ток в газах

В обычных условиях газы являются диэлектриками, т.к. состоят из нейтральных атомов и молекул, и в них нет достаточного количества свободных зарядов.Газы становятся проводниками лишь тогда, когда они каким-то образом ионизированы. Процесс ионизации газов заключается в том, что под действием каких-либо причин от атома отрывается один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электрон.

§ Распад молекул на ионы и электроны называется ионизацией газа.

Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появляются отрицательно заряженные ионы.

Таким образом, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные.

Отрыв электрона от атома требует затрат определенной энергии — энергии ионизации W _i. Энергия ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме. Так, для отрыва первого электрона от атома азота затрачивается энергия 14,5 эВ, а для отрыва второго электрона — 29,5 эВ, для отрыва третьего — 47,4 эВ.

Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами.

Различают три вида ионизации: термоионизацию, фотоионизацию и ударную ионизацию.

§ Термоионизация происходит в результате столкновения атомов или молекул газа при высокой температуре, если кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц превышает энергию связи электрона в атоме.

§ Фотоионизация происходит под действием электромагнитного излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или γ-излучения), когда энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, передается ему квантом излучения.

§ Ионизация электронным ударом (или ударная ионизация) — это образование положительно заряженных ионов в результате столкновений атомов или молекул с быстрыми, обладающими большой кинетической энергией, электронами.

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического притяжения. Это явление называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе остается неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор).

При отсутствии внешнего поля заряженные частицы движутся хаотически.

Газовый разряд

При помещении ионизированного газа в электрическое поле на свободные заряды начинают действовать электрические силы, и они дрейфуют параллельно линиям напряженности: электроны и отрицательные ионы — к аноду, положительные ионы — к катоду (рис. 1). На электродах ионы превращаются в нейтральные атомы, отдавая или принимая электроны, тем самым замыкая цепь. В газе возникает электрический ток.

Рис. 1

§ Электрический ток в газах — это направленное движение ионов и электронов.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом.

Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду.

В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Таким образом, проводимость газов имеет ионно-электронный характер.

Несамостоятельный разряд

Рассмотренный выше механизм прохождения электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд, так как при прекращении действия ионизатора прекращается и ток в газе.

§ Несамостоятельный разряд - это разряд, который зависит от наличия ионизатора.

Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для этой цели удобно использовать стеклянную трубку с двумя впаянными в стекло металлическими электродами. Соберем цепь по схеме, изображенной на рисунке 2.

Рис. 2

Пусть с помощью какого-нибудь ионизатора, например за счет воздействия рентгеновских лучей, в газе образуется ежесекундно определенное число пар заряженных частиц: электронов и положительных ионов.

При отсутствии напряжения на электродах (U = 0) гальванометр, включенный в цепь (см. рис. 2), покажет нуль (I = 0). При небольшой разности потенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду (катоду), а электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, т. е. возникнет газовый разряд.

Однако вследствие рекомбинации не все образующиеся под действием ионизатора ионы доходят до электродов. Часть их, рекомбинируя, образует нейтральные молекулы. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается, т. е. сила тока в цепи возрастает (рис. 3). Объясняется это тем, что при большем напряжении между электродами ионы движутся с большей скоростью, поэтому им остается все меньше времени для воссоединения в нейтральные молекулы.

Рис. 3

Наконец, при некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток, как говорят, достигает насыщения (см. рис. 3, горизонтальный участок графика).

Таким образом, вольт-амперная характеристика при несамостоятельном разряде в газах является нелинейной, т. е. закон Ома для газов выполняется только при малых напряжениях.

Самостоятельный разряд

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать (рис. 4). Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор можно теперь убрать. Поскольку разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.

Рис. 4

Напряжение U = U _пр, при котором несамостоятельный электрический разряд переходит в самостоятельный, называют напряжением пробоя газа, а сам процесс такого перехода — электрическим пробоем газа.

Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами. В промежутках между двумя последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу W _i, которую нужно совершить, чтобы ионизовать нейтральный атом (или молекулу), то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его (ее) ионизация, называемая ионизацией электронным ударом.

В результате столкновения электрона с атомом образуется еще один электрон и положительный ион. Таким образом, вместо одной заряженной частицы появляются три — ион и два электрона. Эти электроны, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют новые атомы и т. д. Вследствие этого число заряженных частиц очень быстро возрастает. Описанный процесс имеет сходство с образованием снежной лавины в горах и поэтому получил название электронной (или ионной) лавины.

Лавинообразное нарастание числа заряженных частиц в газе может начаться под действием сильного электрического поля, если в газе окажется хотя бы один электрон. Ионизатор в этом случае не нужен. Так, например, в окружающем нас воздухе всегда имеется некоторое число ионов и электронов, возникающих под действием радиоактивных излучений земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также других излучений, проникающих в земную атмосферу из космического пространства.

Обратим внимание на то, что роль электронов и ионов в образовании лавинного разряда в газах неодинакова. Основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.

Но ионизация только электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Действительно, ведь все возникающие таким образом электроны движутся по направлению к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используют для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.