Виды разрядов

Характеристика плазмы и ее параметры.

Источником частиц, бомбардирующих поверхность полупроводниковой подложки, является плазма.

Плазмой называют ионизированный газ, состоящий из ионов, электронов и нейтральных атомов. В целом плазма электронейтральна, а для описания ее состояния используются уравнения классической физики.

Электронейтральность может нарушаться в пределах малого объема с линейным размером, меньшим d_d, называемым дебаевским радиусом. Ионизированный газ называют плазмой, когда дебаевский радиус мал по сравнению с объемом, занимаемым газом.

Величину d_d можно оценить из выражения

d_d = 70(Т/n)^1/2,

n – концентрация заряженных частиц в плазме, см^-3, Т- температура.

Из-за пространственного разделения зарядов в пределах малого объема в плазме возникают собственные колебания, которые называются плазменными. При этом существенного изменения общего характера движения частиц не происходит.

Температуру плазмы Q обычно измеряют в эВ:

Q= Т/11600, Т – температура в К.

Различают электронную и ионную температуры, которые совпадают при равенстве кинетической энергии электронов и ионов. Так как энергия поля передается в основном электронам, то их температура, как правило, во много раз превышает температуру ионов. Равновесие устанавливается в результате многочисленных соударений частиц друг с другом. В целом равновесная температура плазмы может лежать в интервале 10¹ – 10⁵ К.

Обычно плазму получают с помощью внешних источников электрического напряжения за счет создания различных форм разрядов в газовой атмосфере. Тип разряда зависит от давления в газе, концентрации электронов, приложенного напряжения.

Все газовые разряды можно разделить на два вида: самостоятельные и несамостоятельные. Несамостоятельный разряд возникает только при подаче электронов в разрядный промежуток. Причем электроны могут подаваться от любого катода (термокатода, фотокатода). Как только электроны перестают эмиттироваться катодом, разряд гаснет.

Самостоятельный разряд развивается от «случайных электронов» (рентгеновское облучение) и горит только при подаче напряжения между анодом и катодом. Катоды в самостоятельном разряде, как правило, холодные.

Самостоятельный разряд можно разделить на тлеющий (возникает при среднем давлении до 10⁴ Па), дуговой (высокое давление, мощный источник питания), искровой разряд , коронный, факельный, ВЧ и СВЧ разряды.

Рассмотрим развитие лавины в несамостоятельном разряде. На катод падает поток света () и обеспечивает выход электронов с катода за счет фотоэмиссии. Электроны ускоряются в промежутке анод-катод () на расстоянии, равном средней длине свободного пробега, набирают энергию, достаточную для ионизации атомов. Происходит ионизация атомов, в результате появляется еще один электрон и ион. Ион движется к катоду, а два электрона – к аноду. В следующий акт ионизации образуются 4 электрона и 2 иона и т.д. Появляется так называемая лавина. Ионы, бомбардируя катод, вызывают дополнительную ионно-электронную эмиссию с катода, увеличивая число частиц в последующей лавине.

Соотношение между током, образованным эмитированными с катода частицами и током в цепи анода установил Таусенд, поэтому несамостоятельный разряд часто называют таунсендовским.

Таундсенд ввел коэффициент объемной электронной ионизации a, показывающий, сколько актов ионизации совершает один электрон на 1 м пути в газе. a – первый коэффициент Таундсенда.

b – второй коэффициент Таундсенда, это коэффициент объемной ионной ионизации, показывающий, сколько актов ионизации совершает один ион на 1 м пути в газе. Исследования показали, что этот коэффициент невелик, и его можно не учитывать.

g – третий коэффициент Таундсенда, коэффициент ионно-электронной эмиссии, показывающий, сколько электронов выбивает из катода один ион, пришедший на него. В результате Таундсенд получил уравнение газового усиления:

где – ток фотоэмиссии с катода;

– ток разряда.

Если уменьшить ток , то будет уменьшаться и анодный ток. При =0 будет и =0. Это характерно для несамостоятельного разряда.

Условием перехода несамостоятельного разряда в самостоятельный является равенство вида . Иными словами, разряд становится самостоятельным, если один из выходящих из катода электронов порождает такое количество ионов, которое, приходя к катоду, вновь выбивает из него не менее одного электрона.

Напряжение зажигания самостоятельного разряда зависит от давления и расстояния между электродами. Эта зависимость имеет вид кривой с минимумом и получила название кривой Пашена.

Рис.– Электрическая схема (а), вольт-амперная характеристика разрядов (б)

На рис. показан диод, на катод которого падает поток света (), между катодом и анодом приложено напряжение, которое можно изменять при помощи R_б. Жирная точка в диоде показывает, что это прибор ионный (он наполнен газом). Если менять напряжение Е_а, то можно получить полную ВАХ разрядов. По оси Х показано изменение I_{разряда} – I_a; по оси Y – U_a. Можно выделить 8 областей на характеристике разрядов. 1 – режим объемного пространственного заряда, 2 – режим насыщения. Эти области соответствуют режимам обычного диодного вакуумного промежутка. Надо отметить, что ток фотоэмиссии невелик и измеряется в микроамперах. При достижении определенного напряжения наступает пробой газового промежутка (область 3), создается режим газового усиления, образуются лавины, и ток растет при постоянном напряжении. Это темновой несамостоятельный разряд (область таунсендовского разряда).Ток измеряется сотнями микроампер.

Область 4 – режим перехода из несамостоятельного разряда в самостоятельный. Ток растет, а напряжение разряда падает. Режим неустойчивый, ибо динамическое сопротивление отрицательное. 5 – режим самостоятельного тлеющего разряда. Ток – мА, причем ток растет при постоянном напряжении между катодом и анодом. 6 – область аномального тлеющего разряда. Ток растет с ростом U_a. 7 – переходная область из тлеющего разряда в самостоятельный дуговой. 8 – самостоятельный дуговой разряд, U_a» U_i, ток может достигать сотен килоампер.

Прибор, как правило, работает в условиях одного вида разряда, что обеспечивается выбором номинала R_б, которое не дает перескакивать из одной области характеристики в другую.

Балластное сопротивление обязательно в схемах ионных приборов.

Наиболее часто приборы работают в области тлеющего разряда. На рис. показана ВАХ тлеющего разряда (а) и распределение потенциала между электродами в тлеющем разряде (б)

Рис.

Точка а на ВАХ – это точка зажигания разряда (), после зажигания разряда напряжение падает, а ток возрастает. Участок ВАХ (бс) – область горения нормального тлеющего разряда. Напряжение в этой области равно напряжению горения (). Как правило, >. Причем и и зависят от давления, рода газа, материала электродов, геометрии электродов, расстояния между катодом и анодом. Ток разряда растет от до при почти постоянном напряжении. Кроме постоянного , в тлеющем разряде на участке б-с остается постоянной плотность тока на катоде, а ток разряда растет за счет увеличения рабочей катодной поверхности (светящейся поверхности катода). Если в точке б будет светиться малая часть катода, то в точке с будет светиться весь катод.

Напряжение между электродами распределяется тоже неравномерно. Можно выделить три области: около катода _кп – область катодного падения. В этой области падает почти все приложенное между катодом и анодом напряжение, здесь электроны и ионы ускоряются, Это самая важная область разряда.

Вторая область – столб плазмы, в этой области напряженность поля почти не изменяется от точки к точке. Это область квазинейтральной плазмы, которая состоит из электронов, ионов и атомов, которые двигаются хаотически. В этой области интенсивно идет процесс возбуждения атомов среды, который всегда сопровождается выделением квантов света, поэтому область светится.

Третья область _ап – анодного падения. Величина анодного падения может быть положительной относительно плазмы, может быть равной потенциалу плазмы и может быть отрицательной относительно плазмы и составляет обычно единицы вольт. Потенциал горения тлеющего разряда составляет сотни вольт (100¸200 В), ток разряда измеряется в мА.

В тлеющем разряде давление газа велико, поэтому длина свободного пробега ионов мала по сравнению с расстоянием между электродами, что приводит к многочисленным столкновениям между частицами.

При низком давлении, что характерно для дугового разряда, длина свободного пробега растет, но снижается степень ионизации газа. При этом часто используют дополнительную ионизацию газа за счет электронного удара.

Типичные параметры плазмы следующие:

Ток разряда, мА – 5-100

Давление газа, Па – 0,1 – 1000

Концентрация ионов и электронов, см^-3 – 10¹⁰

Напряженность электрического поля В/см – 10 – 70.

Плазменные процессы используются как в технологии полупроводниковой электроники, так и в целом ряде приборов. При этом плазма, получаемая в газовом разряде, используется в основном в светоиндикаторных устройствах – газоразрядных лампах, плазменных панелях и т.д. В ускорительной технике наибольшее распространение получили импульсные плазменные переключатели - тиратроны. Принцип создания плазменной атмосферы за счет ионизации газовой среды электронным потоком применяется в источниках ионов.