Глава 3 плазменная электроника

3.1. Электрический разряд в газах

Плазменная электроника существует и как раздел физики плаз­мы, однако будем в основном интересоваться приборами и устрой­ствами электроники.

Плазма (от греч. plasma — вылепленное, оформленное) пред­ставляет собой частично или полностью ионизированный газ, в ко­тором плотности положительных (ионов) и отрицательных зарядов (электронов, ионов) практически одинаковы. Это название было предложено в 1923 г. американским физиком и химиком И. Лен- гмюром.

Под ионизированным газом понимается газ, в котором значи­тельная часть атомов потеряли или приобрели по одному или по несколько электронов и превратились в ионы. В зависимости от количества потерянных или приобретенных ионов различают раз­личные степени ионизации газа.

Существуют различные механизмы ионизации газа, основные из которых термическая ионизация при нагреве газа, ионизация светом — фотоионизация, бомбардировка газа заряженными части­цами. Ионизированный газ превращается в четвертое агрегатное ^состояние вещества.

Если пространственные заряды электронов и положительных ионов компенсируют друг друга, тогда плазму считают квазинейт- ралъной. Самый простой способ получить плазмы — зажечь газовый разряд.

Электрический разряд в газах возникает при прохождении электрического тока через ионизированные газы.

В зависимости от характера приложенного поля, от давления газа, формы и расположения электродов различают различные типы разрядов. При небольшом напряжении (примерно 100 В) на­блюдается прохождение тока через газ (примерно 1 • 10^-15 А). Ви­димо, этот ток обусловлен слабой ионизацией газа космическими лучами. Разряды в постоянном поле возникают при прохождении тока в газе и могут быть представлены в виде вольт-амперной ха­рактеристики (рис. 3.1).

При увеличении напряжения ток резко возрастает (участок 1—2 кривой на рис. 3.1) и достигает определенной степени насыщения (участок 2—3). При небольших давлениях (примерно 1 • 10^_1..Л0 тор) и большом ограничительном сопротивлении R внешней цепи при

токе около 1 • 10 ⁶ А зажигается темный, или таунсендовский разряд (участок 2—3).

Этот процесс характеризуется полным вытягиванием всех обра­зовавшихся в газе зарядов. Двигаясь под действием электрического поля в газовой среде, электроны производят на своем пути иониза­цию молекул газа. Мерой такой ионизации является степень иони­зации а.

Вторичные электроны, появившиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле и также ионизируют газ. Ла­винообразное размножение электронов приводит к тому, что поток в конце разрядного промежутка значительно больше потока элек­тронов в его начале. Коэффициент к такого газового усиления в однородном поле определяется как к = ехр(аd), где d — ширина разрядного промежутка.

Положительные ионы, возникшие в результате ионизации, вы­бивают на отрицательном электроде дополнительное количество электронов.

В зависимости от типа газа, конфигурации электродов и рас­стояния между ними при дальнейшем небольшом увеличении на­пряжения наблюдается возникновение самостоятельного разряда. Далее идет переходная область. Этот тип разряда не зависит уже от внешних факторов и не нуждается во внешнем источнике иониза­ции (участок 3—4). При этом резко падает напряжение разряда. Возникают новые электроны, которые под действием поля набира­ют энергию и ионизируют газ (участок 4—5). Возникает нормальный тлеющий разряд при небольшом внешнем сопротивлении R и при токе 1 • 10^-6...1 • 10"' А и напряжении до 10³ В. При этом образуется однородный светящийся столб. Это так называемый положительный столб разряда, представляет собой плазму тлеющего разряда, которая является неравновесной с электронной температурой Т_е я 10⁴ К и невысокой степенью ионизации.

Если повышать напряжение дальше, то после газового пробоя зажигается дуговой разряд. Для него характерно высокое значение тока и достаточно низкое напряжение (участок 7—8). Дуговой раз­ряд визуально представляет собой ярко светящийся газовый столб.

В дуговом разряде плазма уже равновесная и такая, что темпе­ратура электронов примерно равна температуре ионной составляю­щей Т_е = Т,«10⁴ К при достаточно высокой степени ионизации.

При резко неоднородном поле возникает коронный разряд. Ио­низация и возбуждение молекул газа в коронном разряде наблюда-

ется только в области, где поверхность электродов искривлена и возникает наибольшая напряженность электрического поля.

На рис. 3.1 приведена нагрузочная прямая Е — E/R, с помощью которой путем подбора сопротивления нагрузки R_H в нагрузочной прямой можно получить определенный тип газового разряда.

Разряды можно классифицировать по состоянию плазмы разря­да и частоте электрического поля.

Характер ионизационного состояния газа: пробой газа;

поддержание электрическим полем неравновесной плазмы; поддержание равновесной плазмы.

Электрические поля в зависимости от частоты могут быть: постоянные, включая низкочастотные; высокочастотные,/» 10⁵...10⁸ Гц; сверхвысокочастотные, /«10⁹...10^и Гц; оптические (от ультрафиолета до инфракрасного диапазона). Если разрядный промежуток достаточно велик, то основную его часть занимает плазменный столб. Это относится как к тлеющему, так и к дуговому разряду. Параметры тлеющего столба зависят от условия стационарности, заключающегося в том, что должно со­блюдаться равенство средней частоты ионизации и обратного вре­мени жизни заряженных частиц.

Ионизация происходит под действием электронных ударов, а распределение электронов по энергии экспоненциально спадает. Средняя энергия электронов в столбе составляет порядка несколь­ких электрон-вольт.

При комнатной температуре ионов и малых давлениях и токах плазма становится неравновесной, для нее характерны неустойчи­вости. Эти неустойчивости выражаются в формировании страт — чередующихся светлых и темных полос в разряде. Неустойчивости можно избежать, варьируя напряженность электрического поля и его частоту. Для создания электронных плазменных приборов важ­но создать стационарный газовый разряд с равновесной плазмой.

3.2. Процессы в плазме

Плазму можно получить при разогреве вещества, находящегося в газообразном или твердом состоянии. Плазму называют четвер­тым состоянием вещества. Состояние равновесной плазмы, как и всякого газа, определяется ее составом, концентрацией компонент

и температурой. Обозначим парциальные концентрации компо­нент плазмы «_а, придавая индексу а значения а (нейтральные час­тицы), i (ионы), е (электроны). Вообще говоря плазма может со­держать различные виды (сорта) атомов и ионов. В большинстве случаев будем рассматривать так называемую простую плазму, со­стоящую из нейтральных частиц одного сорта, однозарядных ионов того же сорта и электронов. Тогда степень ионизации а можно оп­ределить как отношение концентрации ионов и нейтральных ато­мов: а = «//(я/ + п_а).

Температуру плазмы Т будем выражать в энергетических едини­цах. Она связана с обычно используемым определением температу­ры соотношением: Т— кТ&, где 7к — температура, к — постоянная Больцмана.

В равновесной плазме параметры концентрации и температуры полностью характеризуют ее состояние. Температура такой плазмы определяет не только среднюю энергию, но и распределение час­тиц по скоростям (максвелловское распределение). По концентра­ции и температуре плазмы можно определить степень ионизации, концентрацию ионов, возбужденных атомов, фотонов и т.п. Одна­ко далеко не всегда плазму можно считать равновесной. В частно­сти, газоразрядная плазма, получаемая обычно в лаборатории, да­лека от равновесия. В некоторых случаях встречается так называе­мое частичное равновесие, при котором распределение скоростей заряженных и нейтральных частиц — максвелловское. Температу­ры, определяющие это распределение для электронов и тяжелых частиц, различны. Для такой неизотермической плазмы можно ввести отдельно электронную и ионную температуры Т_е, T_t. В об­щем случае неравновесной плазмы распределение скоростей заря­женных частиц может существенно отличаться от максвелловского. Однако и здесь будем говорить о температуре компонент плазмы, определяя ее как меру средней энергии хаотического движения частиц. Разумеется, для получения полной информации о поведе­нии неравновесной плазмы сведений о средних энергиях (темпера­туре) компонент недостаточно — необходимо знать функцию рас­пределения частиц по скоростям.

Характерной особенностью плазмы является ее макроскопиче­ская нейтральность, поддерживающаяся вследствие взаимной ком­пенсации пространственного заряда положительных ионов и элек­тронов. Однако такая компенсация усредненная и имеет место в Достаточно больших объемах и на достаточно больших интервалах времени. Поэтому говорят, что плазма — квазинейтральная среда. Размеры областей и промежутки времени, в пределах которых мо-

жет нарушаться компенсация объемного заряда, называют пр₀ странственным и временным масштабами разделения зарядов.

При нарушении квазинейтральности плазмы в объеме возника­ют пространственные электрические поля и пространственные за­ряды. Как правило, возникают процессы, приводящие к восстанов­лению квазинейтральности плазмы.

Степенью ионизации плазмы называют число а, определяемое в условиях термодинамического равновесия формулой Саха

а = где K-NxtxpJ/kT; /—энергия ионизации, эВ, Л^ =

у1\+К

, h ⁼ tik_e — число всех частиц в кубе с ребром к_е = --■==; к -

■у]2п/ mqkT

постоянная Больцмана, h — постоянная Планка; Т — температура плазмы, К.

В зависимости от а говорят о слабо, сильно или полностью ио­низированной плазме. Различают высокотемпературную плазму с Т> 10^б...10⁸ К и низкотемпературную плазму с Г< 10⁵ К.

Свойства плазмы отличаются от свойств нейтрального газа:

1. Взаимодействие частиц в плазме определяется кулоновскими силами притяжения или отталкивания, а не только температурны­ми процессами. Такое взаимодействие электрически заряженных частиц является коллективным.

2. Электрические и магнитные поля сильно действуют на плаз­му, формируя в ней электрические заряды и токи.

Квазинейтральность плазмы соблюдается в том случае, когда линейные размеры области плазмы много больше дебаевского ра­диуса экранирования. Физический смысл дебаевского радиуса эк­ранирования заключается в том, что он является пространствен­ным масштабом в плазме (или полупроводниках), который экрани­рует поле заряженной частицы. Причиной экранирования како­го-либо заряда является процесс преимущественного группирова­ния заряженных частиц противоположного знака.

Если заряженная частица с зарядом Z создает электрический по­тенциал Ф, то дебаевский радиус экранирования r_D определяется из выражения Z= (Фq/r) exp{-r/r_D), где г — расстояние между частица­ми. При этом происходит нейтрализация заряда системы на расстоя­нии примерно r_D. В этом случае плазму можно представить как ква- зинейтральный коллектив, содержащий большое число заряженных частиц и занимающий область с линейными размерами L» fD- Дебаевский радиус определяют по формуле

%

Пассивные методы основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерения характеристик окружающих полей.

Активные методы базируются на измерении характеристик внешнего зондирующего излучения при его прохождении через плазму на отклике плазмы на зондирующий луч.

Целенаправленное создание в плазме возмущений и исследова­ние динамики их релаксации позволяют определить локальные ха­рактеристики плазмы. Динамика плазмы может быть исследована с помощью скоростной оптической развертки.

Спектроскопические исследования позволяют по излучению плаз­мы оценить значения концентраций электронов п_е, ионов я, и т.д.

Широко используют методы зондирования плазмы когерент­ным электромагнитным полем. Это может быть излучение СВЧ-диапазона, либо лазерное излучение в оптическом или ИК-диапазонах. В этом методе используют интерферометрические методы измерений в схемах типа интерферометров Маха — Ценде- ра, Майкельсона.

Зондирование плазмы является самостоятельной областью на­учных исследований.

Контрольные вопросы

1. Что такое плазменная электроника?

2. Какие типы газового разряда вы знаете?

3. Что такое плазма?

4. Что такое степень ионизации плазмы?

5. Какие свойства отличают плазму от нейтрального газа?

6. В чем физический смысл дебаевского радиуса экранирования?

7. Что такое идеальная плазма?

8. Какие силы действуют на частицу, дрейфующую в плазме?

9. Что такое тормозное излучение плазмы?

10. Что собой представляет синхротронное излучение плазмы?

11. Что представляют собой пассивные и активные методы измерения параметров плазмы?

ГЛАВА 4