Физические основы электронных приборов

1.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Дисциплина:
Физические основы электронных приборов
Михайлов Валерий Павлович

2.

Структура курса
• Лекции (51 час):
Модуль 1 «Физические процессы в
электровакуумных приборах»
Модуль 2 «Электровакуумные приборы»
Модуль 3 «Физические процессы в
полупроводниковых структурах»
Модуль 4 «Полупроводниковые приборы»
• Тесты (4);
• Домашнее задание (1)
«РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК» + защита;
Зачет

3.

Рекомендуемая литература
1. Дулин В.Н. Электронные приборы. Учебник для вузов. М., Энергия, 1977.
2. Вакуумная техника: справочник / К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К.
Никулин, В.П. Михайлов и др.; под общ. ред. К.Е. Демихова, Ю.В.
Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2009. 590 с., ил.
3. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчёт вакуумных систем. М., Энергия,
1979.
4. Физические основы микро- и нанотехнологий: Учеб. пособие / С.П. Бычков,
В.П. Михайлов, Ю.В. Панфилов, Ю.Б. Цветков; Под ред. Ю.Б. Цветкова. –
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 176 с.: ил.
5. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для
вузов/ Под ред. проф. Н.Д. Федорова. –М.: Радио и связь, 1998.–560 с.
6. Жигарев А.А. Электронная оптика и электроннолучевые приборы. Учебник
для втузов. – М., “Высш. школа”, 1972. – 540 с.
7. Михайлов В.П. Физические процессы в вакууме и полупроводниковых
структурах и их использование в электронных приборах и технологиях. Уч.
пособие по курсу «ФОЭТ» в эл. виде., 2012. – 180 с.

4.

Модуль 1
Физические процессы в электровакуумных приборах
Лекция 1
Основные понятия и определения
Электроника – это научно-техническое направление, которое
объединяет методы исследования, разработки, производства
электронной техники и на основе которого развиваются
отрасли
производства,
такие
как
машиностроение,
приборостроение,
атомная
энергетика,
строительство,
художественное производство и т.д.

5.

Классификация составных частей современной электроники
Электронная
промышленность
Машиностроение
Приборостроение
Строительство
Художественное
производство
…………………
Отрасли
производства
Радиоприемники
Радиоприборы
Вакуумирование
Телевизионные
Телевизионные
приемники
приборы
Эл. и ионная обр.
ЭВМ
САУ
ЭС
ЭТ
ЭП
……………….
Прецизионная ТО
Микролитография
Нанесение плёнок
Сборка ЭП и ЭС
…………………
ЭВП
ПП
ИМС
Печатные платы
Газоразрядные
пр.
……………………

6.

Электровакуумный прибор (ЭВП) – это электронное
устройство, действие которого основано на использовании
электрических, тепловых, оптических и других явлениях в
твердом теле, вакууме или плазме.
Полупроводниковый прибор (ПП) – это электронное
устройство, действие которого основано на использовании
электрических, тепловых, оптических и других явлениях в
полупроводниковых материалах.
ЭВП и ПП относятся к электронным приборам (ЭП).
ЭП используются как элементы электронных систем и, как
правило, не подлежат сборке, разборке или ремонту.

7.

Электронные
системы
(ЭС)
-
это
электронные
устройства для выполнения определенных функций (передачи
изображения,
звука,
управления
объектами
и
т.д.),
представляющие собой совокупность ЭП.
Электронные технологии
обработки
материалов
(ЭТ)
– это процессы
высокоэнергетическими
потоками
частиц (электронами, ионами, молекулами, атомами), плазмой
и
различными
видами
рентгеновским и другими).
излучений
(оптическим,
гамма,

8.

Физическое единство электронных приборов и
технологий
При работе электронных приборов и реализации
электронных технологий используются, как правило, единые
физические процессы. Рассмотрим некоторые виды ЭП и ЭТ с
точки зрения общих физических признаков.
Измерительные электронные приборы.
Преобразователь манометрический ионизационный ПМИ-2

9.

Электронно-лучевые трубки

10.

Специальные электронно-лучевые трубки
Осциллографические ЭЛТ
Радиолокационные ЭЛТ

11.

Электронно-лучевые трубки для мониторов

12.

Рентгеновские трубки
1 – массивный медный чехол на аноде для уменьшения
интенсивности неиспользованного рентгеновского излучения

13.

Рентгеновские трубки

14.

Электронно-оптический преобразователь
1 – входное изображение; 2- фотокатод;
3 – экран; 4 – выходное изображение

15.

Электронно-оптический преобразователь

16.

Вакуумные СВЧ-приборы. Лампа бегущей волны (ЛБВ)

17.

Вакуумные СВЧ-приборы. Магнетрон для СВЧ-печи

18.

Вакуумные СВЧ-приборы. Магнетрон для СВЧ-печи
Схема многорезонаторного магнетрона

19.

Вакуумные СВЧ-приборы. Магнетрон для СВЧ-печи
Движение электронов в пространстве взаимодействия при
различной индукции магнитного, поля

20.

Газоразрядные приборы. Люминесцентная лампа
1 – лампа; 2- стартер;
3 – дроссель; 4,5,6 – конденсаторы

21.

Газоразрядные приборы. Плазменная панель

22.

Установка электронно-лучевой литографии
1 – вакуумная среда
2 – катодный узел
3 – магнитный узел
4 – полупроводниковая
подложка с резистом
5 – траектория электронов

23.

Полупроводниковые приборы. Биполярный транзистор
1 – п/п материал (Si, Ge и др.)
2 – эмиттер
3 – база
4 – коллектор
5 – траектории подвижных
носителей заряда
(электронов или дырок)
6 – эмиттерный переход
7 – коллекторный переход

24.

Полупроводниковые приборы. Светодиод

25.

Общая схема ЭП и технологического оборудования,
использующего ЭТ
1– среда (вакуум, полупроводник
и т.д.)
2 – источник заряженных
частиц (электронов, ионов)
или электромагнитного
излучения
3 – устройство управления
потоком заряженных частиц
или электромагнитного
излучения
4 – объект воздействия
5 – поток заряженных частиц
или электромагнитного
излучения

26.

Цель курса:
Изучение физических основ современных электронных
приборов (ЭП) и электронных технологий (ЭТ).
Задачи курса:
- изучение основных физических явлений, лежащих в основе
электроники (при работе электронных приборов и реализации
электронных технологий);
- изучение конструкции и принципа действия основных видов
электронных приборов.
Курс «ФОЭП» будет использоваться при изучении
дисциплины и выполнении курсового проекта «Технология и
оборудование микроэлектроники», дисциплин «Физика
вакуума», «Системы автоматического управления» и
дипломной работы.

27.

Откачка ЭВП и вакуумных камер
Вакуум - газовая среда с давлением ниже атмосферного
(P<Pатм), которая используется в технологии производства
практически всех ЭП (ЭВП, ПП, ИМС и др.) и других изделий
и которая необходима для работы ЭВП.
Согласно ГОСТ 8.417-81: 1Па=1Н/м2; 1бар=105Па
[Н/м2] = 750 мм рт. ст. =750 Торр; 1Торр=133,3Па.
Функции вакуума (с позиции его использования в ЭВП
и реализации в нем технологических процессов):
1. Вакуум предохраняет нагреваемые поверхности (нити
накала, катоды и др.) от окисления, перегорания;
2. Вакуум позволяет формировать потоки заряженных и
нейтральных частиц;

28.

3. Благодаря вакууму потоки заряженных частиц могут
беспрепятственно
преодолевать
межэлектродные
расстояния (при этом они могут ускоряться, фокусироваться и
отклоняться по заданной траектории);
4. Вакуум позволяет сохранить чистоту мишени или
обрабатываемой
поверхности
материала
(обеспечить
отсутствие сорбированных молекул газа, паров углеводорода и
воды, оксидов и др.) для обеспечения работы ЭВП, при
реализации
сварки,
технологических
выращивания
процессов
монокристаллов
(диффузионной
полупроводников,
формирования элементов топологии на полупроводниковой
пластине и т. д).

29.

Степени вакуума
1. Низкий вакуум НВ (105-102 Па);
2. Средний вакуум СВ (102-10-1 Па);
3. Высокий вакуум ВВ (10-1-10-5 Па);
4. Сверхвысокий вакуум СВВ (P<10-5 Па).

30. Требования ЭВП к вакууму

ЭВП
Давление, Па
Название вакуума
Газонаполненые лампы накаливания
104
НВ
Газотроны, люминесцентные лампы,
газовые лазеры
10-1
СВ
Электронно-лучевые трубки, приемноусилительные лампы
10-5
СВВ
Вакуумные СВЧ-приборы: лампы
бегущей волны, лампы обратной волны,
магнетроны, клистроны
10-7
СВВ
10-10
СВВ
Фотоэлектронные приборы:
электронно-оптические
преобразователи, фотоэлектронные
умножители

31. Требования ЭТ к вакууму

Технологический процесс
Давление,
Па
Название вакуума
Электронно-лучевая обработка
а) сварка
б) размерная обработка, резка
в) плавка, зонная очистка
г) электронная литография
10-3
10-3
10-3
10-5
ВВ (высокий)
ВВ
ВВ
СВВ
(сверхвысокий)
Ионная обработка
а) очистка
б) травление
в) имплантация
г) ионная литография
10-2
10-2
10-3
10-5
ВВ
ВВ
ВВ
СВВ
Выращивание монокристаллов
10-4
ВВ
10-3
10-6
ВВ
СВВ
10-9
СВВ
Нанесение тонких пленок
а) нанесение пассивных элементов
б) нанесение оптических
элементов
в) молекулярно-лучевая эпитаксия

32. Требования ЭТ к вакууму

Технологический процесс
Давление, Название вакуума
Па
Контроль качества поверхности в
вакууме
а) сканирующая СВВ туннельная
10-8... 10-10
микроскопия
б) атомно-силовая СВВ микроскопия 10-8... 10-10
СВВ
Сборка фотоэлектронных
приборов (приборы ночного
видения)
10-10
СВВ
Вакуумная сушка
101
СВ (средний)
Вакуумная упаковка продуктов
103
НВ (низкий)
СВВ

33.

Принципиальные схемы систем вакуумной откачки
а)
низковакуумная
откачка
(P 104Па)
газонаполненной
лампы накаливания:
1- лампа;
VT1 - вентиль тарельчатый;
VF1 – натекатель;
NI - насос механический
а)
высоковакуумная откачка
(P 10-3Па)
установки
для
нанесения тонких пленок:
1 - подложка;
2 – испаритель;
VT1, 2, 3 - вентили тарельчатые;
VF1 – натекатель;
ND, NI – насосы диффузионный и
механический;
CV - колпак вакуумный

34.

Получение вакуума
Вакуумные
насосы
следующим образом:
можно
классифицировать
а) по назначению:
сверхвысоковакуумные - СВВ, высоковакуумные - ВВ и
низковакуумные - НВ (форвакуумные);
б) по принципу действия:
механические - для низкого, среднего и высокого вакуума;
сорбционные - для среднего и высокого вакуума;
диффузионные, магнитные электроразрядные, геттерноионные, крионасосы - для высокого и сверхвысокого вакуума.

35.

Основные параметры
вакуумной системы:
Быстрота
откачки
объекта So – объём газа,
поступающий
в
единицу
времени из откачиваемого
объекта в трубопровод при
давлении РО [м3/с].
Быстрота
действия
насоса Sн – объем газа,
удаляемый насосом в единицу
времени
через
впускной
патрубок при давлении РН
[м3/с].

36.

Основные параметры вакуумной системы:
Производительность насоса Q – поток газа,
проходящий через его впускной патрубок [м3 · Па / с].
Проводимость трубопровода U – количество газа,
протекающего через трубопровод в единицу времени
при разности давлений на концах трубопровода, равной
единице [м3/с]:
U = Q /(PО – PH).
Определим взаимосвязь
идеальной вакуумной системы.
основных
параметров

37.

Для стационарного потока (Q = const) при откачке
вакуумной камеры выполняется условие сплошности
газовой среды:
Q = PoSo = PHSH = const.
Из этого уравнения следует:
SH = Q/PH = U(PО – PH) /PH;
SО = Q/PО = U(PО – PH) /PО;
1 / SH = PH / U(PО – PH);
1/ SО = PО / U(PО – PH)
1 / SО – 1 / SH = (PО – PH) / U(PО – PH) = 1 / U
или
1 / SО = 1 / S H + 1 / U

38.

Таким образом,
если (U –> ), то (So –> SH);
если (U –> 0), то (So –> 0).
Расчет времени откачки полностью герметичной,
идеально обезгаженной системы
Дано: V – объем камеры;
So – быстрота откачки
(принимается So = const);
Po, PK – начальное и конечное
давления.
Найти: время откачки to от Ро до РК.

39.

1. Определим количество газа dG, откачанное за время dt:
dG S o Pdt VdP
So
dP
dt
P
V
После интегрирования получим:
PK
to
So
dP
P P 0 V dt
O
So
ln P P t o
o
V
PK
или
PO S O
ln
to
PK
V

40.

2. Найдем время откачки to:
Po
V
- для идеальной системы (при t–> , PK –> 0)
to
ln
S o PK
Po
V
- для реальной системы (при t –> , PК–>P’)
to
ln
So
PK P
где
Р' – предельное давление системы
Qост.
P
So
Qост. – остаточное газовыделение в системе.

41.

3. Определим уравнения кривых откачки для идеальной и
реальной систем:
P Po e
So
t
V
P P Po e
- для идеальной системы
So
t
V
- для реальной системы
Перейдем к десятичным логарифмам:
Тогда:
ln x 2,3 lg x
Po
V
t o 2,3 lg
S o PK P

42.

Пример:
Дано: Объем камеры – 10 л (10-2 м3)
S o 5 с 0,005
л
м3
с
- (для насоса 2НВР-5ДM)
Po = 105 Па, PK = 101 Па, Р' = 1,3 10-2 Па
Найти: to
Решение:
Po
V
0,01
10 5
t o 2,3 lg
2,3
lg 1
2 = 18,4 c.
S o PK P
0,005 10 1,3 10

43.

Лекция № 2
Растворимость и диффузия газов в твердых телах.
Газопоглощение и газовыделение на границе “газ –
твердое тело”
Растворимость - свойство газа растворяться до
насыщения в определенном объеме твердого тела.
Растворимость зависит от свойств газа и материала.
В неметаллах газ растворяется в молекулярном состоянии и
объемная концентрация газа С пропорциональна давлению
p:
С = S · p, где S - коэффициент растворимости.
В металлах молекулы газа сначала диссоциируют на атомы,
а затем растворяются. Поэтому для двухатомных газов
объемная концентрация газа C пропорциональна p1/2:
C=S · p1/2.

44.

В общем случае С = S · p1/j, где j - число атомов в
молекуле газа при растворении газа в металле (закон
Фрейндлиха).
Коэффициент растворимости:
QS
S S0 exp(
)
jRT
где
S0 - константа растворимости;
j - число атомов в молекуле газа для металла j = 2, а для
неметалла j = 1;
QS - энергия активации растворимости (занак “+” - для
газов, образующих с материалом химические
соединения (H2 в Ti); знак “-” - для газов, образующих
истинные растворы (H2 в Fe, Cu, Ni, газы в неметаллах).

45.

Диффузия газов в твердых телах
Газ, растворенный в твердом теле, диффундирует из
области с большей концентрацией в область с меньшей
концентрацией за счет явления диффузии.
Стационарный процесс диффузии имеет место, когда
концентрация газа С неизменна во времени в каждой точке
твердого тела (С(t) = const). Этот процесс описывается 1-м
законом Фика. Удельный поток газа через единичную
площадку:
q ( DC ),
x
где
С - концентрация газа в точке на расстоянии Х от
начала координат; D - коэффициент диффузии, м2/с.

46.

Если D не зависит от Х, то:
C
q D
,
x
где
C - градиент концентрации газа в твердом теле.
x
На основании 1-го
закона Фика получим
выражение для удельного
потока
проницаемости
через стенку.
Распределение объемной концентрации газа в тонкой стенке

47.

Удельный поток проницаемости через тонкую стенку:
Cатм Cвак
C
q D
D
,
x
z
где Сатм - объемная концентрация газа в материале у
поверхности, соприкасающейся с атмосферой;
Свак - объемная концентрация газа в материале у
поверхности, соприкасающейся с вакуумом;
Z - толщина стенки.
Перейдя от С к коэффициенту растворимости S получим:
q DS
1/ j
атм
p
p
z
1/ j
вак
.

48.

Если pвак << pатм , то:
1/ j
q DSpатм z .
Коэффициент диффузии D определяется как:
QD
D D0 exp(
),
jRT
где QD - энергия активации диффузии.
Таким образом:
q Пp
1/ j
атм
z.

49.

Здесь П - коэффициент проницаемости
QП
( П П 0 exp(
)),
jRT
П0 - константа проницаемости
( П0 D0 S'0 )
QП - энергия активации проницаемости.
QП = QD QS ,
где
“+” – для химического соединения газа и
материала,
“-” - для истинного раствора.

50.

Нестационарный процесс диффузии наблюдается при
обезгаживании материала или, напротив, при поглощении им
газа и описывается 2-м законом Фика:
C
C
(D
)
t x
x
или если D - не зависит от X:
C
C
D 2
t
x
2
При
этом,
обычно,
полубесконечное тело.
рассматривают
плоское

51.

Распределение концентрации в твердом теле для
различных значений времени С=f(x,t)
Толщину
обезгаженного
слоя можно
определить как:
Dt .
a) газопоглощение
б) газовыделение
(t1 < t2 < t3)

52.

Геттерные материалы
Геттеры, или газопоглотители, применяются
для
поддержания низкого давления и определенного состава
остаточного газа в электровакуумных приборах, а также в
качестве активных элементов в геттерных и геттерно-ионных
насосах.
По способу перевода в активное состояние геттеры
разделяют на распыляемые и нераспыляемые.
При геттерной откачке газ сначала адсорбируется на
поверхности материала геттера, последовательно проходя
стадии физической и химической адсорбции, затем
диффундирует в объем материала, образуя твердый раствор
или химическое соединение.
На поверхности геттера адсорбируется примерно 1% всей
массы поглощаемого газа, в объеме абсорбируется остальные
99%. Для увеличения сорбционной ёмкости геттеры
изготавливаются в виде пористого тела.

53.

Распыляемые геттеры
Это, как правило, щелочно-земельные металлы:
кальций, стронций или барий (Ca, Sr, Ba). При испарении в
вакууме атомы этих металлов конденсируются и образуют
химически активную пленку конденсата, на которой
сорбируется газ. В магнитных электроразрядных насосах
используют Ti, распыляемый при помощи ионной
бомбардировки.
Нераспыляемые геттеры
Представляет собой пористое тело (пористость 15 … 70%),
обычно изготавливаемое холодным прессованием или
свободной засыпкой с последующим спеканием порошков
титана, циркония, алюминия (Ti, Zr, Al). Такой геттер
химически инертен. Для активирования его нагревают, при
этом атомы химически активного металла диффундируют из
объема на поверхность, образуя «ювенильный» монослой.
При сорбции газов на этом монослое по мере снижения
химической
активности
металла
геттера
операцию
активирования повторяют.

54.

Пример 1 (1-й закон Фика)
Дано: сильфон со следующими параметрами
D = 63мм; d = 55 мм; z = 0,2 мм; L = 88,5 мм;
Материал: 12Х18Н10Т
T1 = 293K;
T2 = 693K
Найти: поток газопроницаемости водорода Qп через
сильфон для температур T1,T2.

55.

Согласно 1-му закону Фика:
1
1
j
j
P
P
QП
'
q П
П0
exp(
)
z
z
jRT
Константа проницаемости стали 12Х18Н10Т по H2 П0=1,4 ·10-4
Па1/2м2/c.
Энергия активации проницаемости по H2 Qп=8,04 ·104кДж/кмоль.
R=8.31кДж/кмоль·К; j=2; площадь поверхности сильфона
Ac=0,062м2.
а) для Т1=293К
3
105
8, 04 104
5 м Па
q 1, 4 10
exp(
) 1, 4 10
3
0, 2 10
2 8,31 293
м2с
4
3
м
Па
2
5
7
QП АС q 0, 062 м 1, 4 10 8, 68 10
с

56.

В случае максимально допустимого давления в вакуумной
камере [рвак] = 10-2 Па требуемая скорость откачки:
QП
8, 68 10 7
S0
0, 087 л с
2
[ pвак ]
10
Назначаем вакуумный насос НМД - 0,0063 (масса насоса
2,9 кг).
б) для T2=693K
5
4
3
10
8,
04
10
м
Па
1
q 1, 4 10 4
exp(
)
2,
06
10
0, 2 10 3
2 8,31 693
м2с
1
QП 0, 062 м 2, 06 10 1, 2 10
2
2
м3 Па
с

57.

В случае [рвак]=10-2Па
вакуумной камеры:
требуемая
скорость
откачки
QП
1, 2 10 2
2
S0
1,
2
м
с
2
[ pвак ]
10
Назначаем насос НМД-1 (SH=1,2м3/с), масса 290 кг.
Пример 2 (2-й закон Фика)
Дано: пластина площадью А=100 см2 и толщиной z = 8 мм
из стали 20.
Найти: поток газовыделения N2 из пластины в вакууме
через 1800с при Т=1293К

58.

1. Критерий применимости закона Фика.
Закон применим, если z>2 , где - толщина обезгаженного
слоя.
Dt ,
D 13,5 10 12 м2 с
T=1293K
13,5 10 12 1800 276,3 10 6 м 0, 276 мм
Неравенство z = 8мм > 2 ·2,276 = 0,552 – выполняется.
2. Удельный поток газовыделения из пластины:
c0 c1
q D
,
Dt
где
с0 - начальная концентрация N2 в пластине (с 0 = 29 ·103
м3Па/м3);
c1 - концентрация N2 на поверхности пластины,
обращенной в вакуум (с1 0).

59.

q c0
12
3
D
13,5
10
м
Па
3
3
23 10
1, 41 10
t
1800
м2с
3. Поток газовыделения Q с поверхности пластины:
3
м
Па
3
4
5
Q А q 1, 41 10 2 100 10 2,83 10
с
В случае [рвак]=10-2Па требуемая скорость откачки вакуумной
камеры:
Q
2,83 10 5
S0
2,83 л с
2
[ pвак ]
10
Назначаем насос НМД - 0,0063 (SН = 6,3 л/с).

60.

Лекция № 3
Формирование потоков заряженных частиц в
вакууме
Электронная эмиссия
Рассмотрим явление надбарьерной эмиссии электронов на
границе «металл-вакуум».
В соответствии с квантовой статистикой Ферми-Дирака
электроны в металле распределены по энергетическим уровням
так, как показано на рисунке.
Энергия Ферми EF - максимальная энергия электронов в
металле при Т=0 К.
При увеличении Т электроны могут перемещаться на
более высокие свободные энергетические уровни.

61.

Явление надбарьерной эмиссии электронов на границе
«металл-вакуум»
а) Функция распределения электронов в
б) Энергетический барьер для
металле по энергетическим уровням для
электронов на границе «металл-
Т=0 К и Т>0 К
вакуум»

62.

На графиках:
Е - энергия электронов;
dn/dE – количество электронов в единице объема металла,
приходящееся на единичный энергетический интервал.
При некоторой температуре Т энергия электронов начинает
превышать энергетический барьер Е0 на границе “металлвакуум” и электроны начинают эмитировать в вакуум.
Работа выхода электронов Авых – энергия, равная
разности энергии Е0 бесконечно удалённого от поверхности
металла покоящегося электрона и энергии Ферми ЕF:
Авых = Е0 - ЕF

63.

Физическая сущность работы выхода электронов Авых
Согласно квантовой теории при абсолютном нуле Т=0 К:
• электроны с энергией Ферми ЕF могут выходить на
некоторое время из кристаллической решётки металла.
• Они образуют возле поверхности слой электронов с
отрицательным зарядом.
• При этом на проводящей поверхности металла наводится
слой с положительным зарядом, т.е. на границе “металл –
вакуум” образуется двойной электрический слой шириной r0.
• После прохождения двойного электрического слоя на
электрон
действует
сила
от
наведённого
заряда
электрического зеркального изображения q.

64.

Схема
образования
двойного Энергетический
электрического слоя 1 шириной r0 и электронов
на
барьер
границе
для
«металл-
заряда 2 электрического зеркального вакуум» с учётом сил со стороны
изображения
двойного
заряда
электрического
электрического
изображения
слоя
и
зеркального

65.

Энергия электрона вблизи поверхности металла с учётом
электрических сил описывается следующим образом:
E = E0 - q2/(2x),
где q – заряд, равный заряду электрона; х – расстояние от
электрона до поверхности металла.
Работа выхода электрона Авых равна работе по
преодолению силы со стороны двойного электрического слоя
и силы со стороны заряда электрического зеркального
изображения.
Значения работы выхода Авых для различных металлов
МЕТАЛЛ
W
Mo
Ba
Cs
Авых, эВ
4.6
4.1
2.4
1.8

66.

Виды электронных эмиссий
В зависимости от вида сообщаемой телу энергии
различают следующие виды электронных эмиссий:
термоэлектронная, автоэлектронная, вторичная электронная,
фотоэлектронная и т.д.
Термоэлектронная эмиссия
Процесс эмиссии электронов описывается законом
Ричардсона:
je A0T e
2
( E0 EF ) / kT
2 ( Aвых / kT )
A0T e
где je – плотность электронного тока с катода, А/см2;
А0 – термоэлектронная постоянная (А0=10…300 А/(см2К2));
Т – абсолютная температура тела, К;
k – постоянная Больцмана, Дж/К.

67.

С учетом внешнего электрического поля E уравнение
Ричардсона преобразуется в уравнение Ричардсона-Дэшмана:
Aв ых e eE
j e AoT (1 r ) exp
kT
2
где r - коэффициент отражения электронов от потенциального
барьера.
Значения плотности электронного
тока je для W
Т, К
je, А/см2
2600
0,7
2300
0,04
1000
10-5
300
0

68.

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия
Потенциальная энергия электрона во внешнем
электрическом поле напряжённостью E равна q E x , а
полная энергия потенциального барьера электрона:
2
q
E E0 q E x
2x
В результате действия внешнего поля E работа выхода
электронов Авых уменьшается на величину E0 и при значениях
E 106 В/см начинается эмиссия электронов с поверхности
металла.
Это
явление
называется
электростатической
(автоэлектронной) эмиссией.

69.

Энергетический барьер для электронов при действии внешнего
электрического поля E :
1– энергетический барьер в отсутствии внешнего электрического поля;
2– потенциальная энергия электронов во внешнем поле
E;
3– результирующая кривая энергетического барьера

70.

Формирование пучков электронов в ЭВП
Электронные пучки используются в различных типах
ЭВП: рентгеновских трубках, электронно-лучевых трубках
(ЭЛТ)
различного
назначения,
вакуумных
сверхвысокочастотных (СВЧ) приборах и др.
В ЭВП используются пучки электронов с энергией от
0,1 кэВ до 100 кэВ. При этом минимальный диаметр пучка
равен 10 нм и определяется рассеянием электронов.

71.

Физические процессы в межэлектродном
пространстве
Электровакуумный диод – электронная лампа, содержащая
два электрода: катод и анод. Термоэлектронный катод служит для
эмиссии электронов. Анод является коллектором, т.е. электродом,
который собирает электроны. Оба электрода размещены в
стеклянном, металлическом или металлокерамическом баллоне.

72.

Распределение потенциала в межэлектродном
пространстве
Представим катод и анод в виде неограниченных
плоскостей.
Начальные условия: UK = 0, UA = const, UH – принимает
различные значения.
Распределение потенциала при UA=const

73.

При нулевом напряжении накала UH=0 – эмиссии
электронов нет и диод можно рассматривать как плоский
конденсатор (прямая 1).
При повышении UH эмитирующие электроны создают в
межэлектродном
пространстве
объемный
отрицательный
заряд, который изменяет распределение U (кривая 2). Однако
вектор направлен в любой точке кривой 2 от анода к катоду,
поэтому все эмиттирующие электроны перемещаются к аноду,
т.е. IA=Ie. Этот режим называется режимом насыщения.

74.

При дальнейшем повышении UH
эмитирующие
электроны увеличивают объемный отрицательный заряд.
Электронное “облако” образует область отрицательного
потенциала Umin, находящегося на расстоянии Xmin
(Xmin 0,01…0,1 мм). Таким образом, вблизи катода (0 < X <
Xmin) существует тормозящее электронное поле и вектор
направлен от катода к аноду (кривая 2). Для преодоления этого
потенциального барьера Umin начальная скорость электрона
должна превышать следующее значение:
2 U min e
Vo
m
где e, m – заряд и масса электронов.

75.

Электроны с меньшей скоростью не могут преодолеть
этот барьер и возвращаются на катод, т.е. IA < Ie. Таким образом,
диод работает в режиме ограничения тока IA объемным зарядом,
или в режиме объемного заряда.
Начальные условия: UK = 0, UH = const, UA – принимает
различные значения.
Распределение U при UH = const

76.

UA1 = 0 – эмитирующие электроны образуют в
межэлектродном пространстве объемный отрицательный
заряд (кривая 1).
При повышении UA2
вблизи катода сохраняется
отрицательный потенциальный барьер (Umin), который
препятствует движению электронов к аноду (IA<Ie). Диод
работает в режиме объемного заряда (кривая 2).
При UA3 >UA2 – наступает режим насыщения (кривая 3),
когда в каждой точке вектор направлен от анода к катоду, т.е. все
эмитирующие электроны достигают анода. При этом IA=Ie.
Режим объемного заряда (Р.О.З.) является основным
режимом работы в диоде и других ЭВП. Все ЭВП работают, как
правило, при UH=const и IA регулируется за счет изменения UA.
Этим достигается безинерционность ЭВП.

77.

Зависимость анодного тока IA от анодного напряжения UA
В режиме объемного заряда (Р.О.З.) анодный ток IA для
диода,
образованного
двумя
плоскими
электродами,
определяется по “закону степени 3/2”:
3
I A G U A2
где G – постоянная величина G = 2,33 10-6 ПА/XA2;
ПА – эффективная площадь поверхности анода (та часть
поверхности анода, куда попадают электроны); XA – расстояние
от катода до анода (IA – [A], UA –[B], ПА – [см2], XA –[см]).

78.

Анодные характеристики идеального диода
В режиме насыщения IA не зависит от UA и определяется
только напряжением накала UH.

79.

Модуляция электронного пучка по плотности тока
Управление интенсивностью электронного пучка
осуществляется изменением электрического поля в модуляторе
в прикатодной части электронного прожектора, между
катодом и первым анодом.
Модулятор выполнен в виде цилиндра с небольшим
отверстием – диафрагмой в центре.

80.

Модулятор по отношению к катоду имеет небольшой
отрицательный потенциал (Uм = 0…-60 В). Действие
модулятора сходно с действием управляющей сетки в триоде:
при
увеличении
отрицательного
потенциала
возрастает
потенциальный барьер для электронов.
Ток катода Iк зависит от напряжения Uм на модуляторе
в соответствие с законом “степени 3/2”:
I K b(U M U M 0 )
3/ 2
где Uм0 – запирающее напаряжение на модуляторе; b –
коэффициент пропорциональности.

81.

Эквипотенциальные поверхности между
катодом, модулятором и первым анодом
Модуляционные характеристики ЭЛТ
При уменьшении по
модулю
отрицательного
потенциала модулятора Uм Iк
возрастает
быстрее
т.к.
увеличивается эмиттирующая
поверхность катода (--- линия
эквипотенциальной
поверхности).
Модуляционная
характеристика
ЭЛТ
–
зависимость катодного тока Iк
от напряжения модулятора Uм
аналогична
анодно-сеточной
характеристике триода.

82.

Iк определяется как:
UM UM 0
3/ 2
UM 0
I K b
U
M0
где Iк –[мкА]; Uм , Uм0 – [В];
b = 2,3…3; γ = 2,5…3,5.
Фокусирующие системы
Принцип фокусировки потока электронов в узкий луч
основан на законах движения электрона в электрических и
магнитных полях. Эти законы изучаются в специальном разделе
физики – электронной оптике, в которой используется
терминология геометрической оптики.

83.

Лекция № 4
Электронные линзы
Неоднородные
аксиально-симметричные
электрические
поля
называются
электронными
линзами.
В качестве линз также используют однородные и
неоднородные аксиально-симметричные магнитные
поля.
В электронной оптике различают линзы – диафрагмы,
одиночные
линзы,
иммерсионные
линзы
и
иммерсионные объективы.

84.

Электронные линзы в электронно-лучевой трубке
1 – подогреваемый оксидный катод;
2 – управляющий электрод (модулятор);
3, 4 – первый и второй аноды (образуют иммерсионную линзу);
Электроды 1,2,3 образует иммерсионный объектив
5 – отклоняющая система;
6 – токопроводящий слой;
7 – экран;
8 – анодный вывод

85.

Распределение потенциала вдоль
оси линзы
Линза-диафрагма
–
электрод
с
круглым
отверстием,
расположенный
между
катодом
и
анодом.
Различают собирающие
и рассеивающие линзы
диафрагмы.
В собирающей линзе в
плоскости диафрагмы:
2U Д
x
2
0
в рассеивающей линзе:
а) – собирающая б) – рассеивающая
--- - распределение потенциала на
расстоянии от оси, большем или равном
радиусу отверстия
2U Д
x
2
0

86.

Одиночные линзы
Одиночные линзы
образуются
системой линз –
диафрагм
и
характеризуются
постоянными
и
равными
потенциалами по
обе стороны линз.
потенциал
вдоль оси линзы;
- потенциал на
расстоянии от оси,
большем
или
равном
радиусу
отверстия.

87.

Иммерсионные линзы и объективы
Иммерсионные линзы образуются цилиндрическими
электродами равных или разных диаметров, потенциалы
остаются постоянными, но разными по величине.
Систему, состоящую из катода (объекта изображения),
диафрагм и цилиндров, создающих у катода ускоряющие поля,
называют иммерсионным объективом.

88.

Схемы иммерсионных линз и распределения потенциала

89.

Закон Лагранжа-Гельмгольца для электронных линз
Как известно из геометрической оптики для сферической
линзы:
1n1
y2 y1
2 n2
где y1,y2 – размеры объекта и изображения; θ1,θ2 - апертурные
углы; n1,n2 – показатели преломления двух сред.

90.

Для электронно-оптической системы границей раздела
двух сред служит эквипотенциальная поверхность, форма которой
приближается к сферической.
В качестве показателя преломления n используется
отношение
v
e
c
где ve – скорость движения электрона, с – скорость света.
Поскольку
то
ve
2Ue
m
U1
n1 ve1
n2 ve 2
U2

91.

Таким образом, для электронных линз:
y 2 y1
1 U1
2 U2
Это
выражение
Гельмгольца.
Для
называется
уменьшения
законом
размера
Лагранжа-
изображения
y2
необходимо уменьшить размеры объекта (эмиттирующей
поверхности катода), отношение углов
и соотношение
скоростей электронов до и после электронной линзы.
Выполнить все эти условия при помощи одной линзы
сложно, поэтому в ЭЛТ применяют фокусирующие системы
из двух или трех линз.

92.

Первая линза должна быть электростатической, т.к. она
не только фокусирует электронный луч, но и ускоряет
электроны с катода.
Вторая линза в двухлинзовом прожекторе и третья в
трехлинзовом (главная проекционная линза) служит для
создания
изображения на экране. Она может быть как
электростатической, так и магнитной.
Современные фокусирующие системы обеспечивают
диаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм.

93.

Типы электронных прожекторов с
электростатической фокусирующей системой
Триодный электронный прожектор образован тремя
электродами:
модулятором,
Электростатическая
первым
система
и
вторым
фокусировки
анодами.
состоит
из
иммерсионного объектива (катод – модулятор - первый
анод) и иммерсионной линзы (первый анод - второй анод) –
главной проекционной линзы.
Основной недостаток триодного прожектора – взаимное
влияние
процессов
регулировки
тока
(яркости)
и
фокусировки луча. Этот недостаток устраняется в ЭЛТ более
сложных конструкций.

94.

Схема триодного прожектора

95.

Типы электронных прожекторов
с электростатической фокусировкой
М
УЭ
А1
А2
UA2
UA1
UM
а) с ускоряющим электродом

96.

В электронном прожекторе с ускоряющим электродом (а)
между модулятором М и первым анодом
А1 расположен
ускоряющий электрод УЭ.
Таким образом, прожектор состоит из иммерсионного
объектива (К-М-УЭ) и одиночной линзы (УЭ-А1-А2).
Первый анод, служащий для регулировки фокусировки луча
(потенциал UA1 - несколько сот вольт), отделен от модулятора
экранирующим
ускоряющим
электродом
(с
постоянным
положительным потенциалом UA2 до нескольких киловольт),
поэтому
значительно
уменьшается
взаимное
регулировок тока (яркости) и фокусировки луча.
влияние

97.

Электронный прожектор с нулевым током первого анода
М
УЭ
А1
А2
UM
UA1 UA2
б) с нулевым током первого анода

98.

В электронном прожекторе с нулевым током первого
анода (б) между модулятором и первым анодом также
располагают ускоряющий электрод с постоянным потенциалом
UA2,
который
является
электрическим
экраном
между
иммерсионным объективом (К-М-УЭ) и одиночной линзой (УЭА1-А2).
При этом значительно уменьшается влияние линз
друг на друга. Вторым важным преимуществом прожектора
является то, что ток первого анода практически равен 0, т.к. А1
выполнен в виде диафрагмы большого диаметра. Таким
образом, при изменении UA1 отсутствует взаимное влияние
потенциалов различных электродов.

99.

Прожектор тетродного типа
УЭ2
UA2
М
УЭ1
А1
UМ
UУЭ1
UA1
А2

100.

Прожектор тетродного типа является трехлинзовым и
содержит: иммерсионный объектив (К-М-УЭ1), иммерсионную
линзу (УЭ1-УЭ2) и главную проекционную (одиночную) линзу.
Потенциал первого ускоряющего электрода UУЭ1 невысок
(несколько сот вольт) и определяет напряжение запирания на
модуляторе
UМЗ.
Преимущество
тетродного
прожектора
-
значительно более низкое напряжение запирания UМЗ (по
сравнению с триодным прожектором).

101.

Электронный прожектор с магнитной линзой
М
А
а)триодного типа
М
УЭ
А
б) тетродного типа
В
электронных
прожекторах с магнитной
линзой
используется
неоднородное аксиальносимметричное магнитное
поле короткой катушки.
В триодном электронном
прожекторе
(а)
есть
иммерсионный объектив
(К-М-А), в тетродном (б)
– иммерсионный объектив
(К-М-УЭ) и иммерсионная
линза (УЭ-А). Главной
проекционной линзой в
обоих случаях является
магнитная линза.

102.

Магнитная линза. Принцип фокусировки луча
С
а)
б)
в)
На
электрон,
движущийся
со
скоростью
ve
в
магнитной
линзе
(схема а) действует
сила FМ в результате
взаимодействия
с
радиальной
составляющей
вектора магнитной
индукции (схема б).
Эта тангенциальная
сила FМ направлена
перпендикулярно
к
плоскости схемы.

103.

Под действием этой силы FМ возникает тангенцальная
составляющая скорости электрона v .
На электрон, движущийся со скоростью v во внешнем
магнитном поле Ba (схема в) действует сила FМr , которая
направлена по радиусу к оси линзы. Таким образом, в
неоднородном магнитном поле линзы электрон движется по
спирали с уменьшающимся радиусом и в некоторой т. С его
траектория пересекает ось линзы. Регулируя ток в катушке и
меняя тем самым величину можно регулировать фокусное
расстояние линзы.
Типы магнитных фокусирующих катушек и их магнитные
поля
Для увеличения фокусирующего действия магнитной линзы,
а также для концентрации магниного поля в ограниченном
пространстве
фокусирующие
катушки
содержат
магнитопроводы. Такие катушки называются “панцирными”.

104.

Преимуществами магнитных фокусирующих систем
являются лучшие фокусирующие свойства и меньшие
искажения изображения.
Недостатки: необходим мощный источник питания
фокусирующих катушек.
Магнитные системы находят широкое применение в
радиолокационных трубках.

105.

Лекция № 5
Электронные пушки
Электронные пушки – электроннолучевые приборы,
предназначенные для получения высокоэнергетических пучков
электронов для электронных приборов и электронных
технологий.
Электронные пушки можно разделить на две большие
группы: маломощные (электронные прожекторы) и мощные
(с высокой интенсивностью электронного пучка).
Параметром интенсивности электронного пучка является
первеанс:
P
где
I
U
3/ 2
А
I – ток электронного пучка;
UА – анодное напряжение.

106.

Маломощные электронные пушки имеют первеанс
Р 0,1 мкА/В3/2 и используются в электронных
технологиях: электронной литографии, при размерной
обработке материалов и других; в электроннолучевых
приборах.
Мощные электронные пушки (Р 0,1 мкА/В3/2)
применяются в электронных технологиях: резки, плавки,
сварки, распыления материалов; в электронных приборах: СВЧ
– приборах (клистронах, лампах бегущей волны, лампах
обратной волны) и других.
В таких пушках существенное влияние оказывает
собственный объемный заряд электронного пучка.
Расталкивающее
действие
электронов
должно
быть
скомпенсировано полем фокусирующих электродов.

107.

Важнейшей характеристикой
является их яркость:
источников
электронов
= I/( S),
где I – ток эмиссии;
S – площадь эмиттирующей поверхности;
– телесный угол, в который проходит эмиссия.
При разработке электронных пушек используются два
основных метода: метод анализа и метод синтеза.
Метод анализа (метод проб и ошибок) состоит в
последовательном изменении геометрии электродов пушки
и конфигурации электрического и магнитного полей до тех
пор, пока параметры пучка не будут близки к заданным.
Этот процесс включает в себя: выбор исходного варианта
геометрии, расчет электрических и магнитных полей,
построение траекторий и определение параметров электронной
пушки и пучка.

108.

В методе синтеза определяется геометрия электродов
пушки и их потенциалы по заданным параметрам пучка.
Сущность метода заключается в том, что по заданной
траектории электронного пучка
находится конфигурация
поля, а затем геометрия электродов. Задача синтеза (прямая
задача проектирования пушек) чрезвычайно сложна и
аналитически может быть решена для сравнительно простых
случаев с прямолинейной границей пучка.
Форму электродов пушки можно определить с помощью
метода электролитической ванны. При этом граница
электронного пучка в электролитической ванне моделируется
изоляционной поверхностью, погруженной в электролит. На
пластинах закрепляются два электрода, моделирующие
фокусирующий электрод и анод. С помощью зонда можно
измерить распределение потенциала вдоль моделируемой
границы потока и обеспечить его в соответствие с требуемой
зависимостью.

109.

Конфигурации электронных пучков
Для ряда конфигураций электронных потоков задача
определения формы электродов может быть решена
аналитически.
а)
б)
в)
г)
а) ленточный; б) клиновидный; в) цилиндрический; г) конический

110.

Допущения методики Пирса:
1. Начальные тепловые скорости электронов несущественно
искажают форму электронного пучка;
2. Влияние отверстия в аноде пушки учитывается как действие
рассеивающей апертурной линзы, не имеющей аберраций.
Формирование ленточного пучка
Ленточный пучок электронов может быть получен путем
использования части потока в идеальном плоскопараллельном
диоде. Для такого диода плотность тока в некотором сечении,
расположенном на расстоянии Z от катода, с потенциалом U
этого сечения:
3/ 2
U
j 2,33 10
2
Z
6

111.

Граничные условия на поверхности ленточного пучка
U=AZ4/3
dU/dу=0 | у=0
У
Граница пучка
0
Z
Электронный пучок
Это выражение может быть переписано в виде:
3/ 2
а
2
U
j 2,33 10
d
6

112.

Отсюда получаем распределение потенциала по координате Z:
U=AZ4/3,
где А = Uа / d4/3.
Для сохранения параллельного движения электронов
такого потока необходимо, чтобы на его границе сохранилось
полученное распределение потенциала и отсутствовала
нормальная к границе составляющая напряженности поля.
Для определения формы катода, фокусирующего
электрода и анода, при помощи которых можно создать такое
распределение потенциала, необходимо решить уравнение
Лапласа как функции комплексного переменного в области
внешней к потоку при указанных граничных условиях:
U = A(Z + iу)4/3.

113.

Эквипотенциальные поверхности вблизи ленточного пучка

114.

Для определения формы электродов пушки Пирса,
формирующей ленточный поток достаточно выбрать два
электрода – прикатодный фокусирующий (ФЭ) и анодный (А) с
формой, совпадающей с найденными эквипотенциалями, с
потенциалами 0 и Uа соответственно.
Для случая, когда ширина потока много больше толщины
2xn 2уn , краевые эффекты не будут оказывать
значительного влияния. Связь между электрическими и
геометрическими параметрами пушки устанавливаются
формулой:
I P U
где
3/ 2
а
I – ток катода; Р – первеанс пушки.
Первеанс определяется как:
4 xn yn
P 2,33 10
d2
6

115.

Угол расхождения пучка на выходе пушки можно
определить следующим образом:
2 yn
3d
Рекомендуемая форма электродов для формирования
ленточного пучка

116.

Формирование клиновидного пучка
Клиновидный пучок электронов может быть получен
путем
использования
части
потока
в
идеальном
цилиндрическом диоде.

117.

Распределение потенциала U на границе потока вдоль
радиуса:
3/ 2
R
2
(
)
R
U f ( R) U а К
Rа ( 2 )
а
RК
где
Uа – потенциал анода;
(- 2) – функция отношения RК/R.

118.

Для
сохранения
конфигурации
клиновидного
электронного пучка необходимо на его границе обеспечить
следующие условия:
U = f(R);
dU/d = 0.
Для заданных геометрических параметров электронной
пушки ток в пучке:
I P U
3/ 2
А
где первеанс определяется как:
l
2
P 14,66 10
2
о
Rа ( а ) 360
6
где l – ширина пучка.
о

119.

Реальная электронная пушка имеет щелевую
диафрагму величиной rа для прохождения пучка и которая
является рассеивающей диафрагмой.
Угол схождения пучка на выходе пушки:
arcsin(rа / b)
где b находится из соотношения
1 1
1
b Rа | f |
f – фокусное расстояние щелевой
диафрагмы.

120.

Эквипотенциальные поверхности вблизи
клиновидного пучка:
а) = 30о;
б) = 20о
а)
б)
В случае, когда радиус кривизны анода Rа совпадает по
величине с фокусным расстоянием, угол становится равным
нулю и тогда пучок на выходе пушки будет параллельным. Это
является преимуществом пушки со сходящимся пучком.

121.

Формирование цилиндрического пучка
Цилиндрический пучок электронов может быть получен
путем
использования
части
потока
в
идеальном
плоскопараллельном
диоде.
Граничные
условия
в
цилиндрическом пучке по аналогии с ленточным можно
записать следующим образом:
U=AZ4/3, где А = Uа / d4/3.
dU/dr = 0 при r = rа ,
где rа – радиус пучка.
Для заданных геометрических
параметров электронной пушки rа , d ток в пучке:
I P U
P 2,33 10
3/ 2
А
2
r
а
6
d2
где d – расстояние между катодом и анодом.

122.

Эквипотенциальные поверхности вблизи цилиндрического
пучка

123.

Рекомендуемая форма электродов электронной пушки
для цилиндрического пучка
Угол расхождения пучка на выходе пушки:
rа
3d
Наличие этого угла является недостатком пушек данного типа.

124.

Формирование конического пучка
Конический
пучок
формируется
в
идеальном
сферическом диоде. Распределение потенциала вдоль границы
конического пучка и в нормальном направлении определяется
следующим образом:
( )
U Uа
2
( а )
2
dU
0
d
где (- )2 – функция отношения RК/R.
2/3

125.

Функция (- )2 для сферического диода
Для геометрических параметров RК , Rа ,
коническом пучке:
I P U
3/ 2
А
ток в
2
sin
( / 2)
6
P 29,34 10
2
( а )

126.

Эквипотенциальные поверхности вблизи конического пучка

127.

Рекомендуемая форма электродов электронной пушки
Угол расхождения пучка на выходе пушки:
Rа
(1
)
/f/
где f – фокусное расстояние щелевой диафрагмы анода. Для Rа =
/ f / пучок на выходе пушки будет иметь параллельную
цилиндрическую форму, т.е. = 0.

128.

Лекция № 6
Отклоняющие системы (ОС)
Электростатические ОС
Простейшая ОС состоит из двух пар плоских
параллельных пластин. Если пренебречь краевым эффектом, то
E=Uпл/d.
Рассмотрим движение электрона. Начальная
скорость электрона:
2e
v0
U A2
m
где UA2 - напряжение на втором аноде электронного
прожектора.
Уравнение движения электронов между пластинами:
x v0 t
Ee 2
z 2m t
Решая систему уравнений, получаем:
z
Ee
2mv0
2
x
.
2

129.

Осциллографическая электронно-лучевая трубка

130.

131.

Электрон, двигаясь по параболе, к моменту выхода из
пластин отклоняется на величину z1 и далее движется по
касательной к экрану, отклоняясь на величину z2. Суммарное
отклонение равно: z=z1+z2.
Определим z1:
Ee 2
z1
l
2 1
2mv0
Подставляя выражения для Е и v0 , получим:
U пл
2
z1
l1 .
4dU A2

132.

Найдем отклонение:
z 2 l 2 tg
dz
Ee
Ee
tg
x
l
x l1
2
2 1
dx
mv0
mv0
Подставляя выражения для E и v0, получим:
U пл
tg
l1
2dU A2
U пл
z2
l1l 2
2dU A2
Таким образом:
U пл l1 l1
U пл l1 L
z
l2
2dU A2 2
2dU A2
где L - расстояние от середины пластины до экрана.

133.

Чувствительность к отклонению
Чувствительность к отклонению – это коэффициент
пропорциональности
в
функции
z=f(Uпл), который
характеризует отклонение луча при разности потенциалов на
отклоняющих пластинах Uпл=1В.
l1 L
Э
2dU A2
т.е. z=εЭUпл;
В действительности, если не пренебрегать краевыми
эффектами, электрическое поле у краев пластин искривлено и
электрон подвергается его воздействию еще на некотором
расстоянии от пластин, поэтому εЭ приблизительно на 15%
выше расчетной.

134.

а)
б)
в)
Максимальный угол отклонения max определяется
геометрическими параметрами l1 и d пластин. Для увеличения
применяют: а) косо расставленные, б) изломанные и в)
изогнутые пластины.
Если принять εЭ ЭЛТ с изогнутыми пластинами за 1,
то
для
изломанных,
косо
расставленных
и
плоскопараллельных пластин соответственно будут 0.95;
0.84 и 0.51.

135.

Магнитная отклоняющая система
Магнитная
отклоняющая система
содержит две пары
катушек, надеваемых
на горловину трубки и
образующих магнитные
поля
во
взаимно
перпендикулярных
направлениях.
Рассмотрим
движение электрона под
действием
магнитной
отклоняющей системы.

136.

Электронно-лучевые трубки для мониторов

137.

В зоне действия вектора магнитной индукции В электрон
движется по окружности радиусом r:
mv0
r
eB
где v0 – начальная скорость электрона. При выходе из
магнитного поля электрон продолжает движение под углом α.
Отклонение электрона от оси:
z Ltg L
при малых α. Величина центрального угла:
α=S/r l1/r,
где S - длина дуги.

138.

Расположение отклоняющих катушек
eB
l1
mv0
Т.к.
eB
z
l1 L
mv0
и
2U Ae ,
vo
m
то
e
z
m
2U A e
m
Bl1 L =
e
Bl1L
2mU A 1

139.

Учитывая, что B=kwI, где w - число витков в катушке, I
- сила тока, запишем:
z
e
kwIl1 L
2mU A
Чувствительность к отклонению для магнитной
системы
Чувствительность к отклонению для магнитной
системы – это коэффициент пропорциональности между
отклонением луча и индукцией магнитного поля:
M
e
l1 L ,
2mU A
т.е.
z=εM B .

140.

Достоинства и недостатки электростатической
и магнитной систем отклонения
Достоинства магнитных систем:
•отклонение луча в меньшей степени зависит от скорости
электрона ( 1 ) в отличие от электростатической системы ( 1 );
v0
v0 2
•внешнее расположение магнитных катушек относительно ЭЛТ,
что позволяет применять вращающиеся вокруг оси трубки ОС
(например, в радиолокационных ЭЛТ).
Недостатки магнитных ОС:
•невозможность их использования при частотах отклоняющих
напряжений более 10…20 кГц;
•потребление значительного тока и необходимость применения
мощных источников питания.

141.

Достоинства электростатических ОС:
- возможность работы при высоких частотах напряжений (до
десятков МГц);
- более высокая экономичность по сравнению с магнитными
ОС.
Недостатки электростатических ОС:
- большая зависимость отклонения луча от скорости электронов
( 1 ).
v0
2
В связи с этим магнитные ОС находят применение в
трубках с высоким анодным потенциалом для получения
большой яркости свечения экрана.

142.

Экраны электронно-лучевых трубок (ЭЛТ)
Экран ЭЛТ – тонкий слой люминофора, нанесенный на
внутреннюю поверхность торцевой части трубки методом
напыления в вакууме.
Люминофоры – вещества, способные интенсивно
светиться в результате бомбардировки их электронами. В
качестве люминофоров используются окиси и сульфиды цинка,
магния, кремния и др. Эти вещества легируются серебром,
хромом, марганцем и другими элементами. Поглощая энергию
электронов проникающих в тело люминофора, электроны
вещества переходят на более высокие энергетические уровни.
При возвращении электронов на стационарные уровни
происходит излучение атомами квантов света.

143.

Экран в электронно-лучевой трубке
1 – подогреваемый оксидный катод;
2 – управляющий электрод (модулятор);
3, 4 – первый и второй аноды (образуют иммерсионную линзу);
Электроды 1,2,3 образует иммерсионный объектив
5 – отклоняющая система;
6 – токопроводящий слой (аквадаг);
7 – экран;
8 – анодный вывод

144.

Требования к люминофорам:
высокая светоотдача;
хорошие
вакуумные
характеристики
газосодержание, возможность обезгаживания);
термостойкость;
высокий срок службы.
(малое
Потенциал экрана
При бомбардировке экрана электронами происходит
вторичная электронная эмиссия с коэффициентом
n2
n1
где n1, n2 - количество первичных и вторичных электронов. От
величины σ зависит потенциал экрана.

145.

Кривая зависимости σ отUА2
Участок ОА: при небольших значениях ускоряющего
напряжения UA2 σ<1 (энергия первичных электронов
недостаточна для эмиссии вторичных электронов). На
поверхности экрана скапливаются электроны и его потенциал
стремится к потенциалу катода (UK=0)
и свечение
прекращается.

146.

Потенциал UA2’ называют первым критическим
потенциалом.
Участок А-Б. σ>1 и потенциал экрана примерно равен
UA2, т.к. число уходящих с экрана электронов равно числу n1
первичных электронов луча (устанавливается динамическое
равновесие). При этом часть вторичных электронов n2
возвращается на положительно заряженный экран, а часть
отводится при помощи токопроводящего слоя (аквадага),
нанесенного на стенки ЭЛТ и соединенного со вторым анодом.
Участок
UA2>UA2”.
Происходит
накопление
отрицательного заряда на экране и снижение потенциала
экрана до значения UA2”, при котором σ=1. Потенциал UA2”
называют
вторым
потенциалом экрана.
критическим
или
предельным

147.

Яркость свечения
B Aj (U U 0 )
n
[кд/м2] – Закон Ленарда,
где j -
плотность электронного луча; U - разность потенциалов; U0 наименьшая разность потенциалов, при которой начинается
свечение экрана (U0 =10…300 В); А,n - константы, зависящие
от свойств люминофора (n=1…3).
Светоотдача
Светоотдача – к.п.д. люминофора, равный отношению
мощности излучения в видимой части спектра к мощности,
затраченной на возбуждение атомов люминофора (от 0,1 до 10
кд/Вт). Значительная часть энергии первичных электронов
затрачивается на нагрев экрана, вторичную эмиссию
электронов и излучения в невидимой части спектра.

148.

Длительность послесвечения
Кинетическая энергия электронов превращается в
энергию видимого излучения не мгновенно, а в течение
конечного интервала времени (~10-7с).
Уменьшение яркости свечения люминофора по
окончании возбуждения происходит по экспоненциальному
закону.
Время послесвечения экрана – это время, в течение
которого яркость свечения уменьшается до 1% от
максимального значения.
Все экраны разделяются на экраны: с очень коротким
(менее 10-5с), коротким (10-5…10-2с), средним (10-2…10-1с),
длительным (10-1…16 с) и очень длительным (более 16 с)
послесвечением.
Трубки с коротким и очень коротким послесвечением
широко применяются в осцилографах, со средним – в
телевидении, с длительным – в радиолокационных
индикаторах.

149.

Алюминированные экраны
На слой люминофора методом испарения в вакууме
наносится алюминиевая пленка толщиной 0,15…0,25 мкм,
которая обычно соединяется со вторым анодом (UA2). Таким
образом, потенциал экрана всегда равен потенциалу UA2 и не
эависит от коэффициента вторичной эмисии σ.
Алюминиевая
пленка
обладает
высокой
электропроводностью, проницаемостью для электронов,
непроницаемостью для ионов остаточных газов и
повышенной отражающей способностью.

150.

1-стекло
2-люминофор
3-алюминиевая пленка
Она выплняет три основные функции: 1) повышает
потенциал экрана за счет непосредственного отвода
электронов; 2) предохраняет люминофор от бомбардировки
ионами остаточных газов; 3) увеличивает яркость
изображения.

151.

Лекция № 7
Газовый разряд в вакууме, основные явления
Газовый
разряд
в
вакууме наиболее легко
зажигается при низком и среднем вакууме (P=103…10-1 Па)
и, как правило, в среде инертных газов (аргона, неона,
криптона), водорода или паров ртути.

152.

Схема подключения баллона для формирования
газового разряда
Пусть баллон содержит два
электрода: анод и катод (холодный
ненакаливаемый) и заполнен газом
при давлении P=103…10-1 Па.
К электродам через переменный
резистор R подключен источник
постоянного напряжения U.

153.

Рассмотрим различные начальные условия:
1.
R , UA = 0. В разрядном промежутке всегда существует
небольшое количество электронов и ионов, возникающих в
результате ионизации газа за счет естественной радиоактивности,
светового или другого электромагнитного излучения.
Наряду с процессом ионизации протекает и обратный процесс
- рекомбинация свободных электронов и ионов. Эти два процесса
находятся в динамическом равновесии и число заряженных частиц
неизменно, система в целом нейтральна, ток отсутствует.

154.

2. R , UA>0.
Под действием небольшого анодного напряжения UA в
межэлектродном пространстве протекает ток в результате
дрейфа электронов и ионов, равный:
| I | | I e | | I ион |
Из-за различия в массах скорость ионов намного меньше
скорости электронов и | I ион | | I e | .
Поэтому из межэлектродного пространства в единицу
времени уходит больше электронов, чем ионов и в баллоне
образуется объемный положительный заряд.
При небольших скоростях и энергиях электронов
происходят их упругие соударения с молекулами газа и энергия
частиц не изменяется.

155.

3. R ,
UA UВОЗБ.
При большой скорости электронов возможны неупругие
соударения, в результате которых изменяется внутренняя
энергия атомов и электроны могут перейти на уровни
возбуждения (более высокие энергетические уровни).
Напряжение возбуждения UВОЗБ. – анодное напряжение,
при котором электроны приобретает энергию, достаточную для
возбуждения атомов, соударяющихся с ними.
Возбужденное
состояние
неустойчиво
и
электрон
возвращается на прежний энергетический уровень, испуская
квант энергии.

156.

4. R , UA UИОН.
При
дальнейшем
повышении
энергии
электронов
происходит ионизация атомов газа.
Напряжение ионизации UИОН. – анодное напряжение, при
котором электроны приобретает энергию, достаточную для
ионизации атомов газа.
Объемная ионизация – ионизация атомов газа при их
столкновении с электронами.
Коэффициент объемной ионизации - число свободных
электронов,
электрона.
полученных
на
единице
пути
первичного

157.

Поверхностная
ионизация
–
ионизация
атомов
поверхности движущимися ионами газа.
Коэффициент поверхностной ионизации - число
свободных электронов, полученных одним ионом.
Состояние сильно ионизированного газа, при котором
плотности
отрицательных
зарядов
электронов
и
положительных зарядов ионов почти равны, называется
газовой плазмой.

158.

Вольтамперная характеристика газового разряда в вакууме
1. Область соответствует несамостоятельному разряду. Число
электронов, уходящих с катода, мало, ионизация незначительна ( и
- небольшие), через прибор протекает незначительный ток.

159.

2. Область начальной стадии самостоятельного разряда –
область темного разряда. Ток, , - небольшие.
3. Переходная область от темного разряда к тлеющему.
При
этом
ионизация
напряжении
газа.
происходит
Поскольку
ионы
более
интенсивная
двигаются
медленнее
электронов, вблизи катода скапливается большое число ионов и
формируется положительный объемный заряд (ПОЗ), который
уменьшает потенциальный барьер и способствует дальнейшей
эмиссии электронов с катода. Для поддержания разряда теперь
требуется меньшая разность потенциалов U.

160.

4. Область тлеющего разряда. Газ в приборе начинает
интенсивно светиться в результате излучения энергии при
переходе
электронов
из
возбужденных
состояний
в
стационарные.
При тлеющем разряде процесс формирования ПОЗ
стабилизируется. У катода образуется катодная область с
катодным падением потенциала UK.
Затем увеличение I происходит за счет увеличения
площади сечения ионизированного столбика газа, т. е.
плотность тока и U остаются постоянными. Это свойство
(U=const)
тлеющего
стабилитронов.
разряда
лежит
в
основе
работы

161.

5. Область аномального тлеющего разряда. После того,
как сечение ионизированного столбика газа будет равно
площади катода для увеличения I необходимо увеличить U,
т.
е. увеличить и .
6. Переходная область от аномального тлеющего разряда
к дуговому разряду. Напряжение велико, скорость ионов
возрастает, катод разогревается и возникает термоэлектронная
эмиссия. Кроме того, при напряженности поля E=106…108 В/см
возникает
электростатическая
эмиссия
результате число электронов резко возрастает.
электронов.
В

162.

7.
Область
дугового
разряда.
Для
этого
разряда
характерны малое напряжение U и большой ток I. Различают
две
формы
дугового
несамостоятельный.
разряда:
самостоятельный
Самостоятельный
дуговой
и
разряд
поддерживается за счет явлений, происходящих в самом
разряде. Несамостоятельный дуговой разряд поддерживается
посторонним источником электронной эмиссии (например,
термокатодом).

163.

Основными участками тлеющего разряда являются
катодная область I, столб разряда (плазма) II, анодная область
III.

164.

Катодная область с катодным падением потенциала UК
является источником электронов (за счет поверхностной
ионизации).
Столб разряда представляет собой плазму, в которой
концентрации
электронов
и
ионов
равны,
а
падение
напряжения мало. В анодной области наблюдается небольшое
падение U.

165.

Газоразрядная плазма, состоящая из электронов, ионов и
электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов,
генерирующая различные виды излучений, также может
служить инструментом для обработки материалов.
С ее помощью можно осаждать металлические и
диэлектрические
пленки,
вытравливать
материал
через
резистивную маску после операций микролитографии, а также,
получать
ионные
интенсивности.
и
электронные
Плазменная
пучки
обработка,
большой
заменившая
жидкостное травление, получила название "сухое травление".

166.

Ионное
травление
–
разрушение
и
за
физического
обрабатываемого
материала
взаимодействия
(бомбардировки)
инертного
газа
с
поверхностью
счет
удаление
ускоренных
материала
ионов
(например,
полупроводниковой кремниевой подложки). Энергия ионов
составляет при этом 0,5…10 кэВ.
Давление инертного газа (Ar) P=1…100 Па, напряжение
катода UK=-1…10 кВ, катод – холодный.
Плотность ионного тока на мишени невелика IИОН=1…5
мА/см2, поэтому скорость травления материала обычно мала
V=1нм/с.

167.

Установка ионного
травления диодного типа
1 – катод – мишень; 2 – корпус – анод; 3 – натекатель; 4 –
полупроводниковая подложка; 5 – газовый разряд (тлеющий)

168.

Ионное распыление для осаждения тонких пленок
При осаждении тонких пленок в вакууме существуют
различные методы генерации потока частиц: метод
термического испарения, метод распыления материалов
электронной бомбардировкой или ионной бомбардировкой.
Газовый разряд (тлеющий или аномально тлеющий)
зажигается при напуске рабочего инертного газа и активных
газов (O2, N2 и др.) до давления P=1…100 Па и подаче
напряжения на катод – мишень UK=-1…5 кВ (катод –
холодный).
Выбиваемые с поверхности мишени атомы и молекулы
покидают её и осаждаются в виде тонкой пленки на
поверхности подложек. Активные газы, взаимодействуя с
осаждаемым материалом, образуют нужные химические
соединения (окислы, нитриды и др.).

169.

Схема установки ионного
распыления диодного типа
1 – катод; 2 – анод; 3 – полупроводниковая подложка; 4 – атомы
и молекулы материала мишени; 5 – ионы инертного газа; 6 –
натекатель

170.

Плазменная обработка осуществляется при давлении
ниже
атмосферного
и
поэтому
совместима
с
другими
"вакуумными" процессами - электронно- и ионнолучевыми,
лазерными, рентгеновскими и др.
Формирование микротопологии или микрорельефа на
обрабатываемых изделиях осуществляется повторением цикла,
включающего три группы операций: 1) получение тонких
пленок и слоев; 2) микролитография (фото-, электроно-, ионо-
и рентгенолитография); 3) травление топологического рисунка
или
микрорельефа.
Благодаря
использованию
"сухого
травления” геометрические размеры рисунка могут быть
получены с погрешностью менее 0,1 мкм.

171.

Использование газоразрядной плазмы для
формирования ионных пучков
Газоразрядная плазма при давлениях P=103…10-1 Па
может быть использована для формирования ионных пучков
большой интенсивности. Рассмотрим различные типы
ионных источников.
Ионный источник с горячим катодом состоит из
разрядной камеры 5, источника электронов - накаливаемого
катода 1, анода 2, экстрактора 3 (устройства для вывода ионов
из разрядной камеры и их ускорения), системы подачи газа при
давлении P=103…10-1 Па (Ar, N2, O2 и т.д.).
Основным достоинством таких источников является
возможность получения высокоинтенсивных пучков ионов (с
энергией до 105 эВ), главным недостатком – быстрое
разрушение термокатода при использовании химически
активных газов.

172.

Ионный источник с горячим катодом
1 – накаливаемый катод; 2 – анод; 3 – экстрактор; 4 –
система подачи газа; 5 – разрядная (ионизационная)
камера

173.

Ионный источник с холодным катодом
и разрядом Пеннинга
Источник ионов с холодным катодом и разрядом
Пеннинга содержит соленоид для повышения эффективности
ионизации
электронов).
(за
счет
Ионы
самостоятельного
удлинения
траектории
«вытягиваются»
газового
разряда
через
из
движения
плазмы
отверстие
в
антикатоде и ускоряются системой экстракции.
Срок
службы
катода
превышает
1000
часов.
Недостатками источника являются малая величина ионного
тока IИОН пучка (до 100 мкА), большие пульсации тока и
возможность
использования
газообразных веществ.
для
ионизации
только

174.

Ионный источник с холодным катодом
и разрядом Пеннинга
1 – катод; 2 – антикатод; 3 – анод; 4 – соленоид; 5 – система
экстракции

175.

Параметрами
газоразрядной
плазмы
являются:
состав и концентрация частиц, температура электронов и
ионов, плазменное давление и др.
В плазменных технологиях в качестве рабочего газа
для обработки материалов чаще других используются Ar, O2,
N2, H2, CF4, CCl4, SiH4, различные углеводородные соединения
CxHy при давлении от 0,65 до 250 Па; концентрация ионов в
плазме составляет порядка 1010 ион/см3, а электронов - 108 1010 эл/см3; энергия электронов может составлять 1,2 - 30 эВ,
а частота ВЧ-плазмы может изменяться в диапазоне 3,5 - 27
МГц.

176.

Явления в газоразрядной плазме
и ее энергетические характеристики
U0
kTe
1 2
e e
Плазма
4
3
+
e
e
ne ni
8
+
ne<<ni
5
+
e
6
+
7
e
h
e
+
+
+
Uм
U0 – прикатодный потенциал; h – толщина прикатодной области –
темного катодного пространства; ne и ni – концентрация
соответственно электронов и ионов; kTe – энергия электрона; Um –
потенциал мишени.

177.

Виды плазменной обработки материалов зависят от
энергетических характеристик плазмы и доминирующего
влияния одного из эффектов в пространстве между областью
газового разряда и электродами:
1 – уход быстрого электрона; 2 – отражение медленного
электрона; 3 – инжекция иона; 4 – отражение отрицательного
иона; 5 – рассеяние на нейтральной частице; 6 – обмен заряда
иона с нейтральной частицей; 7 – эмиссия вторичного
электрона; 8 – ионизация электронным ударом.

178.

Распределение энергии электронов в плазме
и вероятность образования ионов аргона
f(Ee)
lg f (Ee > E иониз . )
0
-1
-3
-5
Ee
а)
2 эВ
0
2
4
б)
6
8
kTe, эВ
10
Важным параметром плазмы является энергия электронов
Ee (kTe), которая имеет нормальное распределение и от которой
зависит вероятность образования ионов аргона - коэффициент
ионизации.

179.

Длина свободного пробега электрона в плазме:
=1/(Se .N),
где Se – площадь сечения цилиндра при столкновении
электрона с атомами плазмообразующего газа, м2 (для Ar при
Ee=2 эВ
Se = 3.10-16 см2); N - концентрация атомов или
молекул газа (м-3), равная N=p/(kT)=2,5.1016 атом/см3 (при
давлении аргона p=100 Па и температуре стенок вакуумной
камеры T=293К). При этих параметрах плазмы =0,13 см.

180.

Uз, В
Кривые Пашена
CO2
Воздух
H2
104
103
Ne
Ar
102
10-1
100
Напряжение
зажигания
101
102
p.d, Па.м
самостоятельного
газового
разряда Uз зависит от рода газа и произведения давления p на
расстояние
между
электродами
иллюстрируется кривыми Пашена.
d.
Эта
зависимость

181.

Схема формирования высокочастотной плазмы
электрод
d + e e
мишень
Высокочастотная
ВЧ
+
плазма
формируется
исходя
из
условия, что длина свободного пробега электронов равна
расстоянию между электродами d, а пробег значительно более
тяжелых ионов намного меньше.

182.

Необходимая
частота
изменения
полярности
на
электродах рассчитывается из неравенства f > 1/te, где время
пробега электронов te = d/ve (при ve=106 м/с и d=0,1 м te=10-7с, а
f > 107 Гц). Наиболее распространена стандартная частота
f=
13,56 МГц, при которой время пробега ионов ti расстояния d
равно ti = d/vi (при vi 500 м/с, ti = 2.10-4 с), а величина пробега
ионов за ti составляет di = vi /f (di =3,7.10-5 м или 37 мкм).

183.

Модуль 2
Электровакуумные приборы
Лекция № 8
Измерительные электровакуумные приборы.
Преобразователь манометрический ионизационный ПМИ-2

184.

Полное
состоящими
давление
из
измеряют
преобразователя
вакуумметрами,
давления
(ПД)
и
измерительного блока (ИБ).
В качестве примера рассмотрим термоэлектронный
(ионизационный) преобразователь для измерения давления
высокого вакуума (Ризм. = 10-1…10-5 Па).

185.

Термоэлектронный (ионизационный) преобразователь
Ризм. = 10-1…10-5 Па
A
mA
1 – вольфрамовый катод; 2 – сетка анод; 3– коллектор ионов

186.

Найдем уравнение ионизационного преобразователя.
Число образованных ионов:
nu P ne l
где
Р – давление, Па;
ne – число электронов;
– эффективность ионизации, м-1 Па-1;
l – длина траектории, м.
Эффективность
ионизации
- кол-во ионов,
образованных электроном при давлении 1 Па и длине
траектории электрона равной 1 м.

187.

Разделив уравнение на время t, получим уравнение
ионизационного преобразователя:
nu
где
t
kPne
t
I u kPIe
Iu,Ie – ионный и электронный ток, А;
k – чувствительность ионизационного
преобразователя (k= ·l, Па-1).
Чувствительность ионизационного преобразователя
k – количество ионов, образованных электроном при
давлении 1 Па.
I
I
и
u
Таким образом:
P
k Ie
Ka
где Ка–постоянная ионизационного преобразователя, A Па-1.

188. Чувствительность К ионизационного преобразователя ПМИ-2 к различным газам

Газ
N2
O2
Ar
He
H2
CO
К, Па-1
0,22
0,23
0,27
0,025
0,082
0,24
Массовый состав атмосферного воздуха и
парциальные давления компонентов (Т = 298 К)
Газ
N2
O2
Ar
He
H2
CO2
Массовая
75,5
23,1
1,28
7,2 10-5
3 10-6
5 10-2
7,9 104
21 104
9,4 102 5,5 10-1 5,1 10-2 3,3 102
доля, %
Парц.
давления, Па

189.

Специальные электронно-лучевые трубки
Осциллографические ЭЛТ

190.

Осциллографические трубки – предназначены для
получения
изображения
электрических
процессов,
меняющихся во времени. Для этой цели обычно используются
ЭЛТ
с
электростатическим
отклонением
луча.
Электростатическая ОС позволяет работать с высокими
частотами сигналов (до десятков МГц) и потребляет малое
количество энергии.

191.

Напряжения на отклоняющих
пластинах ЭЛТ в осциллографе

192.

На одну пару пластин (горизонтальную) подается
напряжение развертки Up (пилообразное), под действием
которого
электронный
луч
прочерчивает
на
экране
горизонтальную линию (время tп.х. – время прямого хода) и
возвращается в исходное положение (tо.х. – время обратного
хода).
На вертикальную пару пластин подается напряжение
исследуемого сигнала Uc. Таким образом, на экране отразится
форма исследуемого процесса. Такое изображение называется
линейной разверткой сигнала. При записи изображений
сигнала
важно
получить
наибольшую
особенно при быстрых развертках.
яркость
свечения,

193.

ТРУБКИ С ПОСЛЕУСКОРЕНИЕМ ЛУЧА
U3>U2>U1
U1 U2 U3
ЭЛТ с послеускорением луча:
1-эл. прожектор
2- отклоняющие пластины
3-кольцевые ускоряющие аноды
Поскольку
повышать
скорость
электрона
за
счет
повышения
UA2
невыгодно
(понижается
чувствительность
ОС
(~ 12 ),
v0 то
применяются
трубки
с
послеускорением луча.
Они
имеют
дополнительные
ускоряющие аноды в виде
токопроводящих колец на
широкой части баллона
трубки с возрастающими
потенциалами.

194.

Приёмная цветная электронно-лучевая трубка (ЦЭЛТ)
1. ЭОС 2.Магнитная ОС 3.Покрытие люминофора (мозаичный
или штриховой экран) 4. Алюминиевая плёнка 5. Маска 6. Рама
7. Анодный вывод 8. Электромагнитная система сведения лучей
9. Аквадаг

195.

Стеклянная колба кинескопа состоит из трех частей:
экрана, конуса и цилиндрической части (горловины). На
внутренней поверхности экрана методом фотолитографии
нанесено покрытие люминофора. Для мозаичного экрана это
точки красного, зелёного и синего цвета (триады), для
штрихового экрана – вертикальные полосы также красного,
зелёного и синего цвета.
Для правильного воспроизведения изображения и его
цветности необходимо, чтобы при развертке электронных лучей
по экрану каждый из них попадал только на свой участок
люминофора. Для этого в кинескопе есть цветоделительное
устройство - теневая маска (тонкий отформованный стальной
лист толщиной 0,15…0,20 мм), расположенная на расстоянии
8…12 мм от экрана.

196.

Цветоделение в кинескопах
а) с мозаичным экраном и апертурной маской
б) со штриховым экраном и щелевой маской
1. Покрытие люминофора 2. Маска 3. Электронные лучи

197.

При
правильной
установке
маски
центр
каждого
отверстия маски (для мозаичного экрана) должен совпадать с
центром соответствующей триады.
Люминофор
покрывается
алюминиевой
пленкой
толщиной 0,15…0,25 мкм методом испарения в вакууме.
ЭОС предназначена для получения и формирования трех
электронных
лучей с независимым управлением их
интенсивностью. ЭОС состоит из трех электронных пушек,
расположенных по окружности под углом 120 и наклоненных к
оси кинескопа под углом 1 (дельтообразная
ЭОС – для
мозаичных экранов). Этот наклон обеспечивает сходимость
электронных лучей в одном из отверстий маски.

198.

Схема электронной пушки:
UУЭ = 400В, UA1 = 5кВ, UA2 = 25кВ

199.

Для штрихового экрана и щелевой маски используется
компланарная ЭОС, в которой все три пушки располагаются в
одной горизонтальной плоскости. При этом оси крайних пушек
наклонены к центральной оси под углом 1 .
Электронная пушка состоит из иммерсионного объектива
(К-М-УЭ), иммерсионной линзы (УЭ-А1) и главной
проекционной линзы (А1-А2) – иммерсионной линзы.
Изображение на экране должно быть достаточно ярким и
контрастным,
что
достигается
большой
мощностью
электронных лучей (до нескольких Вт), высокой светоотдачей
люминофоров
(2…5
кд/Вт).
Четкость
изображения
обеспечивается необходимым количеством строк. При размерах
экрана порядка 0,5 м по диагонали число строк – 625. При этом
угол разрешения составляет 1,5 . Диаметр пятна на экране от
электронного луча – не более 0,1...0,2 мм.

200.

Рентгеновские трубки
Рентгеновская
трубка
электровакуумный
высоковольтный
прибор,
предназначенный
для
генерирования
рентгеновского
излучения
за
счет
бомбардировки
мишени
анода
пучком
электронов,
эмитированных катодом, сфокусированных и ускоренных
приложенным к электродам напряжением.

201.

Рентгеновская трубка ТРТ70/500 с чехлом на аноде.
1 – массивный медный чехол на аноде для уменьшения
интенсивности неиспользованного рентгеновского излучения
Верхняя граница рабочих напряжений двухэлектродных
конструкций в настоящее время не превышает 160 кВ.

202. Общие сведения

Параметры секционированной рентгеновской трубки :
• размер фокусного пятна не более 1.5 мм;
• диаметр и длина трубки не более 32 и 400 мм
соответственно;
• вес трубки не более 0.8 кг;
• режим работы кратковременно-прерывистый со временем
экспозиции не более 15 мин и паузой, равной времени
экспозиции.
Малогабаритный
рентгеновский генератор
РАПАН 300/150
Напряжение до 300 кВ
Максимальная
мощность на аноде
рентгеновской трубки
ТРТТ191 до 150 Вт.

203. Схема секционированной трубки ТРТТ 191

В рентгеновской трубке используется катодный узел с
диафрагмой в виде круглого отверстия диаметром 1 мм для
формирования максимально тонкого пучка при заданном токе
около 1 мА. Геометрия управляющего электрода подбирается
для формирования минимального расхождения пучка в
прикатодной области.
В качестве катода в трубке применен катодноподогревательный
узел.
Он
представляет
собой
металлопористый титановый катод косвенного накала с
плоской эмитирующей поверхностью диаметром 3 мм. Для
уменьшения работы выхода поверхность катода покрыта тонким
слоем осмия.

204.

Катодный узел
1 – электрод
2 – ножка
3 – экран

205. Анодный узел

1 – вольфрамовый антикатод
2 – газопоглотитель 3 –
защитный экран 4 – титановый цилиндр 5 – медный корпус

206.

Анодный узел должен обеспечивать постоянный отвод
тепла на уровне 150 Вт и максимальную защиту от
неиспользованного и фонового рентгеновского излучения.
Отвод тепла от антикатода в масло осуществляется через
медный
корпус
5.
Герметизация
внутренней
камеры
осуществляется титановым цилиндром 4. Этот цилиндр также
выполняет функцию выходного окна толщиной 0,5 мм для
рентгеновского излучения.

207.

Форма электронного пучка должна быть обеспечена
электродами
простой
геометрической
формы
с
использованием поверхностей тел вращения не более второго
порядка, создаваемых при изготовлении на стандартном
технологическом оборудовании.
Форма электронного пучка фактически полностью
определяется катодной секцией, поскольку уже на второй
ускорительной секции при 75 кВ скорость электронов достигает
0.72 от скорости света и электростатическая фокусировка при
таких энергиях становится практически невыполнимой.
Особое внимание должно быть обращено на расчет
электронно-оптической системы катодного узла, которая
позволяла бы формировать пучок с минимальным угловым
расхождением для уменьшения количества рассеянных
электронов.

208. Форма электронного пучка в прикатодной области

209.

Зоной наибольшего нагрева внутри трубки является
антикатод, на поверхности которого в зоне диаметром около
1мм непрерывно выделяется мощность до 150 Вт. Верхним
пределом безопасных температур для вольфрама и меди
считаются приблизительно 2000 С и 600 С соответственно. На
рис. показано распределение температуры от центра фокусного
пятна по поверхности антикатода и в глубину для мощности
200 Вт и размера фокуса 0.8 мм.
В качестве оптимальной толщины для мишени была
выбрана величина в 1 мм, что обеспечивает безопасные
температуры как на поверхности, так и в спае вольфрам-медь.

210. Распределение температуры в антикатоде

1200,00
1200,00
1000,00
1000,00
800,00
температура, С
температура, С
800,00
600,00
600,00
400,00
400,00
200,00
200,00
0,00
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00
0,00
расстояние по поверхности, мм
Распределение температуры от центра
фокуса по поверхности антикатода.
Мощность 200 Вт, фокус 0.8 мм
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
глубина, мм
Распределение температуры от центра
фокуса в глубину
антикатода.
Мощность 200 Вт, фокус 0.8 мм

211.

Лекция № 9
Вакуумные СВЧ-приборы. Лампа бегущей волны (ЛБВ)

212.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — электровакуумный
прибор, в котором для генерирования или усиления СВЧ
электромагнитных
колебаний
используется
взаимодействие
бегущей электромагнитной волны и электронного потока,
движущихся в одном направлении.
В ЛБВ происходит преобразование кинетической
энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате
торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких
лампах направлено вдоль направления распространения пучка и
служит лишь для фокусировки последнего.

213.

Принцип действия ЛБВ основан на механизме
длительного взаимодействия электронного потока с полем
бегущей электромагнитной волны. Электронная пушка
формирует электронный пучок с определенным сечением и
интенсивностью.
Скорость
электронов
определяется
ускоряющим напряжением U0. С помощью фокусирующей
системы,
создающей
продольное
магнитное
поле,
обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на
всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная
пушка, спиральная замедляющая система и коллектор
размещаются в металлостеклянном или металлическом баллоне,
а фокусирующий соленоид располагается снаружи. Спираль
крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны
обладать
малыми
потерями
на
СВЧ
и
хорошей
теплопроводностью.

214.

Параметры и характеристики
Параметр усиления
Параметр усиления - безразмерный коэффициент:
где
RСВ - сопротивление связи между входным и выходным
каналами СВЧ колебаний,
I0 -ток катода и
последнего анода электронной пушки ЛБВ.
Значения С составляют ~ 0,1—0,01.
U0 - потенциал

215.

Коэффициент усиления
Коэффициент усиления ЛБВ в линейном режиме прямо
пропорционален параметру C.
Реально достижимое значение коэффициента усиления
ЛБВ средней и большой мощности составляет 25-40 дБ. В
маломощных ЛБВ коэффициент усиления может достигать 60
дБ.
Коэффициентом усиления определяется как
KУ = UВЫХ / UВХ ,
где UВХ ,UВЫХ - входное и выходное СВЧ напряжение.
Коэффициент
передачи
часто
выражают
логарифмическом виде, как 20 lg (UВЫХ / UВХ) [дБ].
в

216.

Диапазон частот
Особенно ценным свойством ЛБВ является их
широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при
неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти
неизменным в широкой полосе частот - порядка 20 … 50 % от
средней частоты. Средняя частота - от 10 до 100 ГГц.
Выходная мощность
В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на
выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и
малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт
(выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в
непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном
режиме работы.
Реальная величина КПД у ЛБВ составляет 30…40 %.

217.

Вакуумные СВЧ-приборы. Магнетрон.
Магнетро́н (от греч. - магнит и электрон) электровакуумный прибор для генерации СВЧ радиоволн, в
котором
взаимодействие
электронов
с
электрической
составляющей СВЧ поля происходит в пространстве, где
постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному
электрическому полю. Наиболее известным применением
магнетронов являются радары и бытовые микроволновые
печи.
Магнетроны могут работать на частотах от 0,5 до 100
ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в
непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном
режиме при длительностях импульсов от долей до десятков
микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

218.

Магнетрон для СВЧ-печи

219.

Схема многорезонаторного магнетрона

220.

Магнетрон
состоит
из
анодного
блока,
который
представляет собой, как правило, металлический толстостенный
цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих
роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую
колебательную систему. К анодному блоку закрепляется
цилиндрический
катод.
Внутри
катода
закреплён
подогреватель.
Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся
внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода
СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля
закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из
резонатора наружу цилиндра.

221.

Резонаторы
магнетрона
представляют
собой
замедляющую систему, в них происходит взаимодействие
пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта
система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на
себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах
колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот
вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух
соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.

222.

Движение электронов в пространстве взаимодействия без
резонаторов при различной индукции магнитного поля

223.

Вращающееся электронное облако в пространстве
взаимодействия без резонаторов

224.

Форма вращающегося электронного облака в работающем
магнетроне

225.

Характеристики магнетронов
Основными параметрами магнетронов являются: рабочая
частота,
выходная
мощность,
ко-
эффициент полезного действия (КПД), рабочие токи и
напряжения. Частота магнетронов для микроволновых печей
составляет 2,45 ГГц. Отклонение от этой частоты в ту или иную
сторону может быть вызвано изменением анодного напряжения
или параметрами нагрузки. Величина смещения частоты
составляет несколько мегагерц. Мощность магнетронов
лежит в пределах от 500 Вт, до 1 кВт, а КПД составляет до 80%
в наиболее удачных конструкциях. Анодный ток магнетронов
для микроволновых печей обычно составляет 250 — 300 мА.

226.

Газоразрядные приборы. Люминесцентная лампа
1 – лампа; 2- стартер;
3 – дроссель; 4,5,6 – конденсаторы

227.

Люминесцентная лампа представляет собой запаянную
с обоих концов стеклянную трубку, внутренняя поверхность
которой покрыта люминофором. Лампа заполнена аргоном при
давлении 400 Па с добавлением капельки ртути (60-120 мг),
которая при нагревании превращается в ртутные пары.
Внутри трубки на ее концах в стеклянных ножках впаяны
электроды с вольфрамовой нитью, покрытой слоем оксидов
щелочноземельных металлов (бария, кальция, стронция),
способствующих более интенсивной эмиссии электронов.
Когда к противоположным электродам подводится
напряжение, возникает газовый разряд, с выделением теплоты,
под действием которой ртуть испаряется. Такой разряд
сопровождается ультрафиолетовым излучением, часть
которого люминофор преобразует в видимое излучение.
Выбором и качеством люминофора определяется цвет
излучаемого света и эффективность работы лампы.

228.

Для зажигания и горения ламп необходимо включение
последовательно с ними пускорегулирующих аппаратов
(балластов), например, электромагнитного балласта с
неоновым стартером.
Стартер тлеющего разряда с биметаллическим
контактом представляет собой небольшую газоразрядную
лампу тлеющего разряда в стеклянной колбе, заполненную
смесью инертных газов (60 % аргона, 28,8 % неона и 11,2 %
гелия).
В момент включения схемы в сеть к электродам лампы 1
и стартера 2 приложено полное сетевое напряжение, так как
тока в цепи нет и потеря напряжения на дросселе 3 отсутствует.
Пока электроды лампы не нагрелись, напряжения сети
недостаточно для зажигания лампы, однако достаточно для
зажигания стартера. В стартере возникает разряд и в схеме
протекает ток.

229.

Значение тока в этот момент составляет всего лишь сотые
доли ампера, поэтому электроды лампы сильно разогреться не
могут. Но для нагрева биметаллического электрода в стартере
достаточно теплоты, выделяющейся при разряде. В результате
нагрева биметаллическая пластина изгибается и замыкает
стартер накоротко.
При этом ток в цепи возрастает до 0,5-0,6 А и электроды
лампы быстро разогреваются. Поскольку тлеющий разряд,
сопровождающийся выделением теплоты, в стартере при
замыкании электродов прекращается, электроды стартера
начинают остывать и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи
вызывает появление ЭДС на дросселе в виде мгновенного
пика напряжения. При этом лампа, электроды которой уже
раскалены, зажигается. После зажигания лампы в ее цепи
устанавливается рабочий ток.

230.

Напряжение на зажимах лампы составляет около
половины подведенного, остальная часть напряжения теряется
на дросселе. Следовательно, в нормальном режиме работы
лампы на зажимах стартера напряжение составляет примерно
половину напряжения сети, что недостаточно для его
повторного срабатывания.
Параллельно
электродам
стартера
включается
конденсатор 4, назначение которого состоит в увеличении
длительности импульса напряжения, что способствует
надежному зажиганию лампы. Кроме того, этот конденсатор
снижает уровни радиопомех, возникающих при включении
лампы. Параллельно лампе включаются конденсаторы 5, 6. Они
предназначены
для
подавления
радиопомех,
распространяющихся по сети.

231.

Газоразрядные приборы. Плазменная панель

232.

Газоразрядный экран (плазменная панель) устройство
отображения
информации,
монитор,
основанный на явлении свечения люминофора под
воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих
при разряде в ионизированном газе (плазме).

233.

Плазменная панель представляет собой матрицу
газонаполненных
ячеек,
заключенных
между
двумя
параллельными стеклянными пластинами, внутри которых
расположены прозрачные электроды, образующие вертикальные
фронтальные шины и горизонтальные шины адресации.
Разряд в газе протекает между фронтальным электродом на
лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней
стороне.
Особенности конструкции:
• субпиксель плазменной панели обладает следующими
размерами 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм;
• для создания плазмы ячейки обычно заполняются газом неоном или ксеноном (реже используется гелий или аргон,
или, чаще, их смеси).

234.

Субпиксель плазменного дисплея
Принцип работы плазменных дисплеев довольно прост:
каждый субпиксель представляет собой микроскопическую
флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных
цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость
свечения лампы можно получить различные оттенки.

235.

Пиксель плазменного дисплея

236.

Каждый
пиксель
состоит
из
трёх
идентичных
микроскопических полостей, содержащих инертный газ и
имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к
электродам будет приложено напряжение, зажигается плазма.
При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на
рисунке
фиолетовым
цветом),
который
попадает
на
люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры
излучают один из основных цветов: красный, зелёный или
синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в
глаз зрителя.

237.

Схема расположения фронтальных и задних шин

238.

Одной из проблем является адресация пикселей,
поскольку чтобы получить требуемый оттенок нужно менять
интенсивность цвета независимо для каждого из трёх субпикселей.
На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует
примерно три миллиона субпикселей, что даёт шесть миллионов
электродов.
независимого
Проложить
шесть
управления
миллионов
субпикселями
дорожек
для
практически
невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать.
Передние дорожки обычно выстраивают в столбцы, а задние –
в строчки.

239.

Лекция № 10
Физические процессы в полупроводниковых
структурах
Полупроводники
–
вещества,
удельное
электрическое
сопротивление которых лежит в диапазоне ρ =10-4.. 1010 Ом см.
У проводников (металлов) -
ρ ≤ 10-4 Ом см, у изоляторов
(диэлектриков) ρ ≥ 1010 Ом см. Основные полупроводниковые
материалы – германий (Ge), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs).

240.

Зонная теория твердых тел
Согласно квантово - механической теории твердого тела
электроны в атоме не могут иметь произвольную энергию, а
обладают строго определенными дискретными значениями
энергии, т. е. располагаются на определенных энергетических
уровнях.
В твердом теле возникают зоны разрешенных значений
энергии электронов (валентная зона и зона проводимости) и
запрещенные зоны.
Для идеального кристалла запрещенная зона – диапазон
значений энергии, которую не может иметь электрон в атоме.
Валентная зона – зона энергетических уровней, полностью
занятых
электронами.
Зона
проводимости
–
зона
энергетических уровней, не заполненных электронами.

241.

Зонные диаграммы материалов
Е Ес Еv - ширина запрещенной зоны,
где
E c - минимальная энергия электрона в зоне
проводимости; E v - максимальная энергия электрона в
валентной зоне.

242.

Различие
механизмов
электрической
проводимости
металлов и полупроводников проявляется в температурной
зависимости. Для металлов характерно повышение ρ при
повышении
T
за счет рассеяния энергии электронов на
тепловых колебаниях кристаллической решетки:
T
0
T0
, где
0
при комнатной температуре (
- удельное сопротивление
T0 300K
).

243.

Для полупроводников при повышении температуры
удельное сопротивление снижается за счет возникновения
подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в
результате теплового возбуждения, т. е. электроны из валентной
зоны могут переходить в зону проводимости. Так, для чистых
полупроводников:
0e
/T
где β – постоянная положительная величина.

244.

Собственные и примесные полупроводники
Проводимость в полупроводниках создается не только
электронами
в
зоне
проводимости.
После
перехода
электронов в зону проводимости в валентной зоне остаются
вакантные состояния, называемые «дырками», которые ведут
себя как положительно заряженные частицы. Таким
образом, в валентной зоне проводимость осуществляется
дырками.

245.

Зонные диаграммы полупроводников
а) собственный полупроводник; б) полупроводник n-типа;
в) полупроводник p-типа

246.

Собственный полупроводник – полупроводник в
котором подвижные носители заряда образуются только в
результате переноса электронов из валентной зоны в зону
проводимости. В этом случае концентрация электронов равна
концентрации дырок (схема а).
Примесной
полупроводник
–
полупроводник,
содержащий примесные атомы, имеющие свои энергетические
уровни (примесные уровни).

247.

Если такой уровень располагается вблизи дна зоны
проводимости, то электроны с него могут легко переходить в
эту зону. Полупроводник n-типа – полупроводник, у которого
подвижные электроны возникают вследствие их перехода с
примесных уровней в зону проводимости (схема б). Уровни,
поставляющие электроны в зону проводимости, называют
донорными.
Если примесный уровень, не занятый электронами,
расположен вблизи потолка валентной зоны, то электроны из
этой зоны могут легко перейти на этот уровень, образуя в
валентной зоне подвижные дырки. Полупроводник p-типа –
полупроводник, у которого подвижные носители заряда –
дырки образуются за счет захвата электронов примесными
уровнями (схема в). Уровни, захватывающие электроны и
генерирующие
дырки
в
валентной
зоне
называют
акцепторными.

248.

Кристаллические структуры «типа алмаза» и
«типа цинковой обманки»
Монокристаллические полупроводниковые материалы,
используемые при изготовлении интегральных микросхем
(ИМС), имеют кристаллическую решетку типа алмаза или
цинковой обманки. В такой решетке каждый атом окружен
четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах
тетраэдра. Валентную связь между парой соседних атомов
образуют
два
электрона
с
двумя
противоположно
ориентированными спинами.
Для германия Ge и кремния Si (IV группы таблицы
Менделеева) характерны решетки типа алмаза, т. е. в этих
материалах все валентные связи существуют только между
атомами одного элемента.

249.

Арсенид галлия GaAs (A III B V) обладает решеткой
типа цинковой обманки, т. е. кристаллическая решетка
образована атомами галлия – элемента III группы (A III), и
мышьяка – элемента V группы (B V).
Кристаллы полупроводниковых материалов обладают
анизотропией,
т.
е.
неоднородностью
механических
и
электрофизических свойств в различных направлениях. В
технологии
производства
кристаллографических
Миллера.
ИМС
плоскостей
для
обозначения
используют
индексы

250.

Индексы Миллера
Для
кубических
кристаллов
индексы
Миллера
представляют собой три цифры, относящиеся к прямоугольной
системе координат.
Кристаллографические оси, определяемые индексами
Миллера,
перпендикулярны
соответствующим
кристаллографическим плоскостям.
Важнейшим
параметром
кристаллической
решетки
полупроводников является ее постоянная «а» – расстояние
между двумя атомами, расположенными в соседних вершинах
куба.

251.

Основные кристаллографические плоскости
кубической решетки

252.

Лекция № 11
Статистика подвижных носителей заряда
Для
определения
важнейших
параметров
полупроводниковых материалов (например, электрической
проводимости) необходимо знать концентрацию подвижных
носителей заряда: электронов - в зоне проводимости и
дырок в валентной зоне.

253.

Концентрация подвижных электронов с энергией от
Е1 до Е2 определяется как:
E2
n N ( E ) f ( E , T )dE
E1
где N(E) – плотность квантовых состояний электронов
(энергетических уровней), т. е. количество квантовых состояний
электронов, приходящихся на единицу объема полупроводника
и единицу энергетического интервала dE;
f(E,T)
–
функция
распределения,
определяющая
вероятность того, что энергетические уровни с энергией E при
некоторой температуре Т являются занятыми электронами.

254.

Функция распределения f(E,T) для E ≈ EF описывается
квантово-механической функцией Ферми-Дирака:
1
f (E, T )
1 exp(( E E F ) kT )
где -
E F уровень
энергетического уровня.
(энергия)
Ферми;
Е
–
энергия

255.

Функция распределения Ферми-Дирака

256.

При Т=0К
электроны находятся на самых низких
энергетических уровнях. Если
Е EF
,то вероятность
заполнения этих уровней f(E) равна 1.
Если E E , то f(E)=0.5 (при T 0K ).При T 0K
F
функция
Ферми-Дирака
размывается,
но
остается
симметричной относительно уровня Ферми. При этом
электроны в результате теплового возбуждения переходят на
более высокие энергетические уровни (
E EF
).

257.

В
некоторых
частных
случаях
функция
Ферми-Дирака
преобразуется в классическую функцию распределения
Максвелла-Больцмана:
E
f ( E , T ) C exp( )
kT
где
С
–
постоянная
величина
для
определенного
полупроводника и фиксированной Т. Эта функция применяется
для
определения
вероятности
квантовых состояний с энергией
заполнения
E EF .
электронами

258.

В этом случае функция Ферми-Дирака:
1
f (E, T )
1 exp(( E E F ) kT )
принимает вид:
E EF
E
f ( E , T ) exp(
) C exp( )
kT
kT
Проводник с энергией квантовых состояний E EF
называется невырожденным и описывается функцией
Максвелла-Больцмана. Полупроводник, для которого не
выполняется условие E E
, называется вырожденным и
F
описывается функцией Ферми-Дирака.

259.

Функция распределения Максвелла-Больцмана

260.

Для нахождения концентрации подвижных носителей
заряда по формуле:
E2
n N ( E ) f ( E , T )dE
E1
необходимо определить плотность квантовых состояний N(E)
для зоны проводимости и валентной зоны.
N ( E ) An ( E EC )
где E - энергия дна зоны проводимости, A - постоянная
C
n
Для зоны проводимости:
величина.
Для валентной зоны:
где
Ev
величина.
1/ 2
N ( E) Ap ( Ev E )
- энергия потолка валентной зоны, -
1/ 2
A pпостоянная

261.

Определим
графо-аналитическим
методом
концентрацию электронов для всей зоны проводимости
невырожденного полупроводника n-типа
(
E EF ):
n N ( E ) f ( E , T )dE
Eс
где
Тогда
- энергия дна зоны проводимости.
EC
dn
N ( E ) f ( E , T ) - концентрация электронов в
dE
элементарном интервале энергии dE. Интегралом произведения
N(E)
f(E,T)
будет
площадь
ограниченной кривой dn/dE.
заштрихованной
области,

262.

263.

Пользуясь
статистикой
Ферми-Дирака,
можно
определить концентрацию электронов в зоне проводимости
E EF
вырожденного полупроводника n-типа (условие
не выполняется). При этом уровень Ферми
выше дна зоны проводимости E
Концентрация электронов равна:
C
E F располагается
(при низких
T 0K
).
EF
n N ( E ) f ( E , T )dE
EС
т.
е.
определяется
ограниченной кривой
площадью
заштрихованной
dn
N (E ) f ( E, T )
dE
области,

264.

265.

В
общем
случае,
для
собственного
полупроводника
концентрацию электронов в зоне проводимости можно
определить следующим образом:
EC E F
n N C exp(
)
kT
где
NC -
эффективная
плотность
квантовых
состояний в зоне проводимости (постоянная величина для
данного полупроводника).

266.

Концентрация подвижных дырок в валентной зоне:
E F EV
p N v exp(
)
kT
N v - эффективная плотность квантовых состояний в
где
валентной зоне полупроводника.
Для собственного (беспримесного) полупроводника:
2
i
n p n
где
n i-
собственная
концентрация
собственной концентрации дырок
pi
электронов,
равная

267.

Таким образом, для собственного полупроводника:
E
ni N C N V exp(
)
2kT
где E- ширина запрещенной зоны ( E E E ).
C
V
Отсюда
следует,
что
концентрация
подвижных
носителей заряда: электронов ( n ) и дырок ( p )
i
i
в
собственном полупроводнике зависит от температуры Т и
ширины запрещенной зоны
E .
При этом подвижные электроны и дырки возникают в
результате теплового возбуждения и переноса валентных
электронов в зону проводимости через запрещенную зону .

268.

В примесном полупроводнике подвижные электроны
и дырки возникают в основном за счет ионизации примесных
донорных и акцепторных атомов.
Если концентрация примесных атомов превышает
концентрацию основных носителей заряда (n и p), то тип
электропроводности полупроводника
определяется видом
введенных примесных атомов.
Для донорных атомов – это n-тип электропроводности
для акцепторных атомов – p-тип электропроводности.
Поставляемые
примесными
атомами
носители
называются основными (электроны или дырки).
заряда

269.

Обычно, в качестве донорных примесных
атомов
используются атомы фосфора Р – элемента V группы таблицы
Менделеева, имеющего на внешней оболочке пять электронов.
При этом четыре электрона используются для образования
химической связи с атомами полупроводника (Si, Ge), а пятый
электрон может переместиться в зону проводимости.
В
качестве
акцепторных
примесных
атомов
используются атомы бора В – элемента III группы таблицы
Менделеева. Все три электрона на его внешней оболочке
образуют химическую связь с атомами полупроводника.
Химическая
связь
с
четвертым
атомом
полупроводника
образует вакансию – дырку, которая может переместиться в
валентную зону.

270.

Концентрация носителей зарядов в примесных
полупроводниках
Напомним, что для собственного (безпримесного)
полупроводника:
ni
E
N C N V exp(
)
2kT
где E - ширина запрещенной зоны ( E E
C EV
).

271.

Зависимость концентрации носителей заряда в
собственных полупроводниках

272.

Пусть концентрация донорных примесных атомов в
полупроводнике n-типа равна
ND ,
а
концентрация
акцепторных примесных атомов в полупроводнике p-типа
равна
N A . Определим выражения для концентраций
основных и неосновных носителей заряда, соотношение
которых оказывает серьезное влияние на ряд важнейших
параметров полупроводниковых приборов.

273.

Зависимость концентрации основных носителей заряда в
примесных полупроводниках

274.

В области низких температур
(участок
Т 0...TS ,
К
АВ) концентрация основных носителей заряда
равна:
nn
E Д
NC N D
exp(
) - для полупроводника n-типа,
2
2kT
Nv N A
E A - для полупроводника p-типа,
pp
exp(
)
2
2kT
где
эффективные
плотности
NC и N v квантовых состояний в зоне проводимости и в валентной зоне;
E Д - энергия ионизации доноров ( E Д E C E Д );
E А - энергия ионизации акцепторов ( E A E A EV ).

275.

При
низких
температурах
(участок
АВ)
неосновные
носители зарядов практически отсутствуют, растет только
концентрация основных носителей
При температуре
TS
nn
(температура
pp
.
насыщения)
все
и
примесные атомы оказываются ионизированными и на
участке ВС
n n и p p остаются постоянными
nn const N D , p p const N A
Участок ВС называется областью насыщения примесей.

276.

При дальнейшем росте температуры T ( T> Ti
pp
)
nn и
растут за счет переноса электронов из валентной зоны в
зону проводимости (участок CD).
На участке BC в интервале рабочих температур T TS ...Ti
наряду с основными носителями заряда появляются неосновные
носители заряда.
Используя выражение:
где
nn
и
носителей заряда;
pp
nn p n p p n p n
2
i
-
n p , pn
концентрации
основных
- концентрации неосновных
носителей заряда; n - концентрации носителей заряда в
i
собственном полупроводнике, можно записать:

277.

n
n
N C NV
E
pn
exp(
)
nn N D
ND
kT
2
i
2
i
n
n
N C NV
E
np
exp(
)
pp N A
NA
kT
где
ND
2
i
2
i
и
NA
акцепторных атомов;
полупроводника.
-
концентрации
донорных
и
E - ширина запрещенной зоны

278.

Лекция № 12
Идеальный p-n – переход
Электронно-дырочный переход или p-n - переход – это
переход между двумя областями полупроводника, одна из которых
имеет электропроводность p- типа, а другая - n-типа.
Предположим, что p-n - переход образован в кристалле
полупроводника, одна часть которого легирована акцепторными
примесями (p-область), а другая донорными (n-область),
причем концентрации примесей равны: NA=ND. При этом pобласть
характеризуется
равновесными
концентрациями
основных носителей заряда pP и неосновных носителей nP.
Соответственно в n-области существуют основные носители nn и
неосновные носители pn. При этом pp>>np и nn>>pn, а также pp=nn
и np=pn. Такой p-n - переход называют симметричным.

279.

Зонные диаграммы полупроводников до контакта

280.

Будем считать p-n - переход идеально резким и примем
границу за начало отсчета координаты X. Поскольку pp>>pn и
nn>>np по обе стороны границы, то градиенты концентраций
отличны от 0:
dp
dx
0
и
dn
dx
0 . В результате возникает
диффузионное движение частиц: дырки движутся из p-области
в n-область, а электроны – в обратном направлении.
В результате диффузии частиц происходит искривление
энергетических зон вблизи границы p-n перехода (рис. а) на
величину потенциального барьера e k, где k – контактная
разность потенциалов. Приграничную область шириной d
называют запирающим слоем. В этой области происходит
перераспределение:

281.

Симметричный
p-n - переход

282.

Концентраций основных pp, nn и неосновных np, pn
носителей заряда (рис. б);
Потенциала (рис. в), равного Aвых/e, где Aвых –
работа выхода электрона с уровня Ферми на нулевой уровень
энергии;
Напряженности электрического поля (рис. г);
Плотности объемного заряда (рис. д).

283.

В процессе диффузии электроны перемещаются в p - область
и
рекомбинируют
с
дырками,
образуя
нескомпенсированный отрицательный объемный заряд
(рис. д), а дырки перемещаются в n-область, рекомбинируют
с
электронами
и
образуют
нескомпенсированный
положительный объемный заряд (рис. д). Этот двойной слой
электрических объемных зарядов создает вблизи границы
электрическое поле напряженностью
препятствует процессу диффузии.
(рис.
г), E которое

284.

Под действием E происходит дрейфовое движение
через границу неосновных носителей зарядов pn и np. Таким
образом, через границу p-n перехода наблюдаются встречные
потоки
одноименно
диффузионного тока:
заряженных
частиц.
Величина
jD jDp jDn , где jDp
и
jDn - дырочная и электронная составляющие диффузионного
тока.
Дрейфовый ток:
jd jdp jdn
, где j
dp
дырочная и электронная составляющие дрейфового тока.
иj dn

285.

Равновесие на переходе устанавливается при условии:
j j D jd 0 ,
j 0
Ферми
где
j
- полный ток. При
p-n - переход характеризуется единым уровнем
E Fp E Fn (а).
Определим
основные
физические
величины
барьера
определяется
идеального p-n перехода:
1.Высота
потенциального
разностью уровней Ферми для областей p- и n-типа:
e k EFn EFp kT ln kT ln
Pp
Pn
nn
np

286.

e k
Пример: определить
легированного бором B (
N D 10 см
16
3
для германия,
N A 10 см
16
3
) и фосфором P (
).
Концентрация собственных носителей заряда Ge
ni pi 1013 см 3 (для T=300 К). Если учесть, что все
примесные атомы ионизированы, то p p nn 10
16
Концентрации неосновных носителей n
Таким образом
e k 8,62 10
5 эВ
К
p
300 К ln
ni2
pp
1016
1010
и
см
pn
0,36 эВ
3
ni2
nn

287.

2. Соотношение концентраций по обе стороны перехода:
Потенцируя выражение для e k , получаем:
и
nn n p e
Запирающий
подвижными
e k
kT
слой
носителями
p p pn e
e k
kT
.
(p-n
-
переход)
обеднен
заряда и его сопротивление
значительно выше сопротивления p- и n-областей. Поэтому его
иногда называют обедненной областью.

288.

3.Напряженность электрического поля - определяется
из уравнения Пуассона ,
д 2
2
дx
( x)
0
плотность объемного заряда в p-n - переходе;
относительная
диэлектрическая
полупроводника;
0
-
где ( x )
-
-
проницаемость
электрическая
постоянная.
Предполагая, что объемные заряды в p-n переходе образуются
ионизированными примесными атомами, запишем:
Таким образом,
p ( x) e N A
n ( x) e N D
д 2
д 2
дx
2
e N A
0
дx
2
e N D
0

289.

Интегрируя эти выражения, получим:
x
E
e N A
0
dx
e N A
0
( x ( xP ))
e N A
0
( x xP ) ( xP 0)
xP
xn
E
e N D
0
dx
e N D
0
( xn x )
( xn 0)
x
Максимальное значение напряженности
При x=0
| Emax |
e N A xP
0
| E max |
e N D xn
0
:

290.

4. Ширина p-n перехода.
Интегрируя дважды уравнение Пуассона, получим:
d
где
k
2 0 k
e
N A ND
N A N D
- контактная разность потенциала.

291.

Прямое включение внешнего источника напряжения
Прямым
напряжения
называется
U,
при
такое
котором
его
включение
полярность
внешнего
обратна
контактной разности потенциалов k p-n - перехода.
Под воздействием U потенциальный барьер уменьшается
до величины e (
k
U ) , равновесие нарушается и через
переход течет диффузионный ток основных носителей заряда
(электронов и дырок). Переходя границу p-n - перехода, они
становятся неосновными. Этот процесс называется инжекцией
неосновных носителей заряда.

292.

Прямое включение
внешнего источника
напряжения

293.

Уменьшение
вызывает
высоты
уменьшение
потенциального
ширины
p-n
-
барьера
перехода
d
и
напряженности электрического поля E в соответствии с
ранее полученными формулами.
При
этом
концентрации
неосновных
носителей
возрастают с увеличением U:
где
pn pn 0 e
pn 0 , n p 0
e U
kT
n p n p0 e
-
неосновных носителей заряда.
равновесные
e U
kT
концентрации

294.

Уровень инжекции.
концентрации
инжектированных
используется уровень инжекции:
где
nn 0
,
p p0
n p
pn ,
Для определения приращения
неосновных
носителей
n p
pn
nn 0
pp0
- равновесные концентрации
основных носителей.
При 1 – уровень инжекции считают средним, при >1
– высоким. В этих случаях в p- и n-областях возникают
нескомпенсированные
объемные
заряды
и
электронейтральность p- и n-областей нарушается.
Мы будем полагать, что <<1, то есть
уровень
инжекции низкий и p- и n-области за границами p-n перехода электрически нейтральны.

295.

Обратное включение напряжения
Обратным
называется
такое
включение
внешнего
напряжения U, при котором его полярность совпадает с
электрическим полем контактной разности потенциалов pn - перехода.
Под действием U потенциальный барьер возрастает до
величины
( jD jd )
e ( k U )
и
через
переход
, равновесие нарушается
течет
дрейфовый
ток
неосновных носителей заряда: дырок из n-области в pобласть и электронов - в обратном направлении.

296.

Обратное включение
напряжения

297.

Вследствие
ухода
неосновных
носителей
их
концентрации в p-n - переходе снизятся до значений, близких к
нулю.
Это
явление
называют
экстракцией
неосновных
носителей заряда.
Ток, возникающий при обратном включении напряжения,
называют обратным током насыщения I0. При возрастании
напряжения обратный ток практически не меняется и может
возрастать лишь за счет увеличения концентраций неосновных
носителей заряда np и pn, то есть, при увеличении T. Поэтому I0
называют тепловым током.

298.

ВАХ идеального p-n перехода
ВАХ определяется уравнением:
где
I I 0 (e
I 0 - обратный ток насыщения.
e U
kT
1)
При достаточно больших положительных U (прямая ветвь) I
возрастает по экспоненциальному закону.

299.

Лекция №13
Физические процессы в диоде
Полупроводниковый
диод
–
полупроводниковый
прибор с одним p-n - переходом, имеющий два вывода. При
этом одна из областей p-n - перехода имеет более высокую
концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая область
– базу.
ВАХ идеального диода описывается уравнением:
I I 0 (e
e U
kT
1)
Однако, в реальных диодах протекают физические процессы,
неучтенные при анализе идеального p-n - перехода.

300.

Диод при подключении обратного напряжения
Рассмотрим обратную ветвь ВАХ реального диода (см. рис.).
Полный обратный ток определяется суммой составляющих:
I обр I 0 I g I у
Тепловой ток
В реальных диодах тепловой ток I0 (обратный ток насыщения)
является частью полного обратного тока Iобр и определяется
как:
I 0 (T ) I 0 (T0 ) exp ( T )
где T0=300K, T T T0 ,
- постоянный
коэффициент.

301.

Обратную ветвь ВАХ

302.

Ток генерации
В реальных диодах в p-n - переходе происходит
генерация и рекомбинация носителей заряда.
Генерация носителей заряда происходит под действием
контактной разности потенциалов и внешнего обратного
напряжения U. Ток генерации можно записать так:
Ig e S d
ni
n p
где e - заряд электрона, S - площадь поперечного сечения p-n перехода, d - ширина p-n - перехода, ni - концентрация
собственных носителей заряда,
и p - время жизни
n
носителей заряда. Как видно из уравнения, ток Ig
пропорционален ширине запирающего слоя d, поэтому Ig растет
пропорционально
| k U |

303.

Ток
генерации
Ig
представляет
собой
скорость
образования собственных носителей заряда.
Ток утечки
Ток
утечки
Iу
определяется
поверхностными
явлениями и пропорционален обратному напряжению U.

304.

Диод при подключении прямого напряжения
При подключении к диоду прямого напряжения
уменьшается потенциальный барьер
e ( k U ) ,
нарушается равновесие и возникает диффузионный ток
jD ,
при котором начинается инжекция неосновных носителей
заряда. Наряду с диффузионным током в p-n - переходе
возникает также ток рекомбинации носителей заряда:
Ir e s d
ni
p n
exp ( 2e k U T )

305.

Объемное сопротивление базы
В
случае
низкого
уровня
инжекции
( <<1)
концентрация подвижных носителей заряда в базе диода
меняется мало и объемное сопротивление базы равно:
n
rб 0 б S
где
б - удельное сопротивление базы, n - длина
базы (n - области).
При
невысокой
(ND<<NA)
ее
степени
объемное
легирования
базы
сопротивление
(n-области)
сравнимо
с
сопротивлением p-n - перехода. В этом случае необходимо
учитывать падение напряжения на базе:
U U пер U б

306.

ВАХ кремниевого (Si) и германиевого (Ge) диодов
13
3
n
2
,
5
10
см
Ge – i
; Si
–
ni 2 10 см
10
3

307.

308.

Биполярный транзистор
Транзистор
-
полупроводниковый
прибор
с
несколькими электрическими переходами, имеющий три или
более выводов (термин транзистор происходит от английского
слова “transfer of resistor”- преобразователь сопротивления).
Биполярный транзистор - транзистор, в котором
используются носители зарядов обеих полярностей.

309.

Устройство транзистора, выполненного по планарной
технологии (n-p-n транзистор)
1-коллектор;
2-база;
3-эмиттер

310.

Схема включения p-n-p транзистора с общей базой

311.

Рассмотрим работу p-n-p транзистора, включенного по
схеме с общей базой. Пусть NА.Э. = NА.К. и NД.Б. << NА.Э. Тогда
большая
часть
запирающего
слоя
эмиттерного
dэ
и
коллекторного dк переходов находится в базовой области.
Система
находится
в
состоянии
равновесия
и
характеризуется единым уровнем Ферми ЕFp= ЕFn.
Контактные разности потенциалов и потенциальные
барьеры соответственно равны: эб, кб, е эб, е кб.

312.

Энергетическая диаграмма и распределение потенциала
в p-n-p - транзисторе без внешнего напряжения

313.

При работе транзистора в активном режиме на
эмиттерный переход подается прямое напряжение (Uэ>0), на
коллекторный переход - обратное (Uk<0).
Таким образом, контактная разность потенциалов,
потенциальный барьер и ширина эмиттерного перехода
уменьшаются [( эб-Uэ), е( эб-Uэ), dэ], а на коллекторном
переходе - увеличиваются [( кб+Uэ), е( кб+Uэ), dk].

314.

Энергетическая диаграмма и токи в транзисторе при
включении внешнего напряжения

315.

В результате на эмиттерном переходе начинается
диффузионное
движение
основных
носителей
зарядов
(дырок), происходит инжекция дырок из эмиттера в базу.
Ширина базы выбирается такой, что время жизни неосновных
носителей - дырок р >> времени движения в базе. Таким
образом, ~99% дырок не успевают рекомбинировать
с
электронами в базе и втягиваются в коллектор. Происходит
экстракция дырок из базы в коллектор, т.е. возникает
коллекторный ток IК.
Таким
образом,
ток
эмиттера
Iэ
является
управляющим током, а ток коллектора IК - управляемым.
Ток базы представляет собой Iб = IЭ - IК и возникает за счет
рекомбинации дырок и электронов.

316.

Токи в транзисторе
Многие
физические
процессы
в
транзисторе
аналогичны процессам в полупроводниковом диоде:
инжекция неосновных носителей в базу, экстракция из базы,
изменение потенциального барьера p-n - переходов и т.д.
Отличием транзистора является взаимосвязь p-n
переходов, т.е. изменение тока в эмиттерном переходе Iэ влияет
на изменение тока в коллекторном переходе Iк.
На основании закона Кирхгофа: Iэ = Iк +Iб.
Ток эмиттера. Iэ= Iэр +Iэn +Iэr , где Iэр,Iэn - токи
инжекции дырок из эмиттера в базу и электронов - из базы в
эмиттер; Iэr - ток рекомбинации дырок в эмиттерном переходе.
Т.к. ррэ>>nnб, то Iэр>>Iэn. При рабочих напряжениях в
транзисторе Iэр>>Iэr. Таким образом Iэ Iэр.

317.

Ток коллектора. Ik = Ikp + Iобр., где Ikp - ток
экстракции дырок из базы в коллектор; Iобр. - обратный ток в
коллекторном переходе.
Ток Iобр.= I0+Ig+Iy (по аналогии с обратным током в
полупроводниковом диоде).
Для
кремниевых
транзисторов Ig >>I0>>Iy.
Таким образом Ik = Ikp + Ikg, где Ikg - ток генерации
носителей заряда в коллекторном переходе.
Коэффициент передачи тока эмиттера
Ток коллектора Ik можно записать: Ik = Ikp + Iобр.= Iэ
+ Iобр., где - коэффициент передачи тока эмиттера. Таким
образом: = (Ik - Iобр.)/ Iэ. Обычно 0,95 0,99.
Коэффициент передачи тока базы
= /(1- ). Поскольку 0,95 0,99, то 20 100.

318.

Лекция № 14
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, в
которых ток через канал управляется электрическим полем,
возникающем при приложении напряжения между затвором и
истоком.
Канал - это область кристалла, в которой поток носителей
заряда регулируется изменением ее поперечного сечения или
концентрации носителей заряда в этой области.
Исток - электрод полевого транзистора, через который в
канал втекают носители заряда.
Сток - электрод, в который из канала вытекают носители
заряда.
Затвор - электрод, к которому прикладывается управляющее
напряжение.

319.

Полевые транзисторы называют также униполярными, т.к.
токи в них образованы носителями зарядов одного знака
(основными носителями).
Чаще используются полевые транзисторы с изолированным
затвором:
МДП
-
транзисторы
(металл
-
диэлектрик
-
полупроводник) и МОП - транзисторы (металл - окисел -
полупроводник).
МОП - транзистор с индуцированным р-каналом работает
лишь при подаче на затвор отрицательного напряжения
Uз<0 относительно истока Uи=0 и подложки Uп=0.

320.

Схема МОП - транзистора с индуцированным р-каналом
1 - подложка; 2 - исток; 3 - сток; 4 - затвор; 5 – окисел ( SiO2 )

321.

Рассмотрим
работу
и
физические
процессы,
происходящие в МОП - транзисторе с индуцированным р каналом.
Предположим, что напряжения на электродах равны нулю,
т.е. Uз = Uи= Uс= Un=0.
На границах И-П и С-П существуют p-n - переходы, а на
границе SiO2-П - потенциальный барьер e k. Этот барьер
образуется вследствие того, что в пленке SiO2 существует
некоторое количество положительных ионов, а на
поверхности полупроводниковой подложки существуют
ловушки, захватывающие электроны. Этот двойной
электрический слой и создает потенциальный барьер e k.
На поверхности n-области формируется отрицательный
объемный заряд (толщиной dn) с электронной проводимостью
и более высокой концентрацией электронов. В этом случае при
Uз=0 и подаче отрицательного напряжения на сток Uc<0 ток
через МОП - транзистор не потечет - Ic =0, т.к. к переходу СП приложено обратное напряжение.

322.

Рабочая область МОП-транзистора с
индуцированным каналом при U з = 0

323.

Энергетическая диаграмма МОП-транзистора с
индуцированным каналом при U з = 0

324.

При подаче на затвор отрицательного напряжения
Uз<0 электрическое поле отталкивает электроны от
поверхности n-области вглубь полупроводника.
При этом уровень Ферми ЕF оказывается ниже середины
запрещенной зоны, т.е. у поверхности n-области образуется
инверсный слой с дырочной проводимостью. В этом слое
между И и С формируется р-канал. Этот канал имеет толщину
в несколько нанометров и отделен от n-полупроводника
областью положительного объемного заряда.

325.

Изменяя -Uз, можно регулировать концентрацию
дырок
в
р-канале,
управляя
таким
образом
его
проводимостью.
Пороговое напряжение Uз пор. - напряжение затвора, при
котором в МОП-транзисторе формируется канал.
Если при условии |Uз|>|Uз пор.| подать отрицательное
напряжение на сток Uc<0 , то в р-канале появится продольное
электрическое поле и возникнет дрейфовое движение дырок
от И к С, т.е. потечет ток Ic.

326.

Рабочая область МОП-транзистора с
индуцированным каналом при U з 0

327.

Энергетическая диаграмма МОП-транзистора с
индуцированным каналом при U з 0

328.

Выходные характеристики МОП-транзистора с
индуцированным каналом
Пусть Uп=0, Uи=0.
Покажем выходные (стоковые) зависимости Ic= (Uc)
при фиксированных значениях Uз=const.
Ток стока Ic можно регулировать, меняя напряжение
на затворе Uз . При этом меняется концентрация дырок в
канале. Ток стока Ic можно регулировать также при помощи
напряжения Uc . В этом случае будет меняться дрейфовая
скорость движения дырок в канале.

329.

Выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с
индуцированным каналом

330.

МДП - транзисторы со встроенным каналом
Электрическое поле затвора (+) выталкивает дырки
из канала, обедняя его основными носителями заряда
(режим обеднения канала - режим а).
В
режиме
обогащения
канала
(режим
б)
электрическое поле (-) втягивает дырки в канал, обогащая
его основными носителями заряда.
Таким образом, меняя величину и полярность U3 ,
можно регулировать проводимость канала, а следовательно
величину тока стока Ic за счет изменения концентрации
дырок.

331.

Устройство и схемы включения МДП транзистора
а) в режиме обеднения канала

332.

б) в режиме обогащения канала
Uз < 0
Uи =0
Uc < 0
p+
p+
4
n
5
Uп =0
1 – исток; 2 – затвор; 3 – сток; 4 – р – канал; 5 – подложка

333.

Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со
встроенным каналом
Ic
0
Uз < 0
Uз = 0
Uз > 0
- Ucu
Режим обогащения
Режим обеднения

334.

Характеристика передачи (стоко-затворная) МДПтранзистора
Ic
Режим обеднения
Uзотс
Режим обогащения
0
- Uз
Напряжение на затворе, при котором транзистор
запирается
называется напряжением отсечки МДП
транзистора Uз отс. .

335.

Полевые транзисторы с управляющим p-n - переходом
Uз < 0
3
p
Uи = 0
p
1
n
Uc > 0
2

336.

При подаче на затвор отрицательного напряжения Uз 0
ширина запирающего слоя p-n перехода увеличится, а
поперечное сечение n-канала уменьшится и, следовательно,
увеличится его электрическое сопротивление.
При подключении к стоку положительного напряжения Uс
0 возникает дрейфовое движение электронов от истока
через канал к стоку, т. е. возникает ток стока Ic.

337.

При Uс 0 изменяется также конфигурация канала.
Вблизи истока потенциал n-канала равен нулю, а вблизи стока
Uс. Напряжение на p-n-переходе вблизи истока равно /Uз /,
вблизи стока /Uз / + Uс и ширина запирающего слоя растет, а
поперечное сечение n-канала сужается.
Таким образом, током стока Ic можно управлять, меняя Uз
или Uс . При некотором отрицательном напряжении затвора Uз
0 запирающие слои верхнего и нижнего переходов могут
сомкнуться и транзистор оказывается запертым: Ic = 0 .
При этом напряжение на затворе равно напряжению отсечки Uз
= Uз отс.

338.

Лекция №15
Статические характеристики транзистора с управляющим
p-n-переходом
Схема включения полевого транзистора с управляющим p-nпереходом с общим истоком

339.

Для полевого транзистора с управляющим p-nпереходом обычно используются две характеристики:
-
выходная (стоковая) Ic = f1(Ucи);
-
характеристика
прямой
затворная) Ic = f2(Uзи).
передачи
(стоко
-

340.

Выходные (стоковые) характеристики: Ic = f1(Ucи)
IU''зиI>IU'зиI>IUзиI
Ic
Uзи = 0
Uзи < 0
U'зи < 0
U''зи < 0
Пробой p- n перехода
Режим насыщения
0
U''СИна
зинас
U’’
с
U'СИна
зинас
U’
с
Ucu

341.

Характеристика прямой передачи (стоко - затворная)
Ic = f2(Uзи)
Ic
- Uз u Uз uотс
0
Ток в полевом транзисторе возникает при условии:
/Uзи/ /Uзи отс./

342.

Иногда используется входная характеристика:
Iз = (Uзи), которая представляет собой обратную ветвь
ВАХ p-n-перехода.
Iз
- Uзu
0

343.

Температурная стабильность диодов, биполярных и
полевых транзисторов
Напомним, что диод – это двухвыводной прибор, его
вольтамперная
характеристика
и
обозначение
на
принципиальных электрических схемах представлены на
рис.1. Имеется две ветви вольтамперной характеристики,
прямая, когда положительное напряжение подано на вывод,
помеченный знаком «+» (на р-вывод p-n перехода или анод) и
обратная.

344.

Вольтамперная характеристика диода

345.

На прямом участке зависимость представляет собой
экспоненту и ток, начиная с некоторого значения Uд резко
возрастает. Это напряжение называют прямым падением
или
«пяточкой»
диода,
для
кремниевых
диодов оно
составляет около 0,6…0,7 В. Оно существенно зависит от
температуры перехода и падает примерно на 0,2 В при
повышении
температуры
на
100
градусов.
Причем,
характеристика достаточно линейна. При такой высокой
чувствительности диод может быть отличным датчиком
температуры и часто используется для этих целей. Однако
недостатком является нестабильность чувствительности.

346.

В экспоненциальной характеристике p-n перехода
присутствует резистивная составляющая, обусловленная
резистивным сопротивлением выводов и кремния.
Причем, температурный коэффициент сопротивления
(ТКС) обычно положителен. Это приводит к разбросу
чувствительности от прибора к прибору, поэтому диод в
качестве
температурного
датчика
должен
быть
предварительно протарирован.
Стандартными характеристиками выпрямительных
диодов, применяемых в САУ является номинальное и
предельное значение прямого тока диода Iпр, иногда в
зависимости от температуры корпуса. Важным также является
и предельное значение обратного напряжения Uобр.

347.

Фактически, биполярный транзистор представляет из
себя два встречно включенных диода. Такое диодное
представление n-p-n транзистора представлено на рис 5. На
коллектор
подается
положительный
потенциал,
на
эмиттер – отрицательный. Если базу подсоединить к
коллектору – транзистор будет открыт, к эмиттеру – закрыт,
–
так
простейшим
образом
можно
описать
работу
биполярного транзистора. Для p-n-p транзистора диоды
будут включены противоположно и на коллектор следует
подавать
отрицательное
остается справедливым.
напряжение,
все
остальное

348.

Два встречно включенных диода

349.

Уравнение Эберса-Молла связывает коллекторный ток
с напряжением на переходе база-эмиттер UБЭ и Т и описывает
работу
транзистора
в
достаточно
широком
диапазоне
напряжений, токов и температур:
U БЭ
I К I НАС (exp(
) 1)
UТ
где IНАС – ток насыщения (обратный ток) эмиттерного
перехода; UT =kT/e – энергетический барьер для носителей
заряда: k – постоянная Больцмана (k=1,38·10-23 Дж/К); Т -
абсолютная температура; e– заряд электрона (e = 1,6 · 10 -19 Кл).

350.

Коллекторный ток существенно больше тока насыщения
эмиттерного перехода, поэтому:
U БЭ
I К I НАС exp(
)
UТ
Казалось бы, согласно уравнению Эберса-Молла ток
коллектора должен убывать с повышением температуры,
причем экспоненциально, однако это не так. Ток коллектора
при постоянном напряжении UБЭ растет пропорционально
температуре. Или, при постоянном коллекторном токе,
напряжение
на
переходе
база-эмиттер
UБЭ
падает
практически линейно, приблизительно на 0,2 В на каждые
сто градусов.

351.

Это происходит, потому что ток насыщения IНАС
настолько круто возрастает с повышением температуры,
что
компенсирует
уменьшение
экспоненциальной
составляющей:
eU БЭ
exp(
)
kT
Это явление приводит к неустойчивости теплового
равновесия биполярного транзистора. При повышении
температуры в какой-либо зоне эмиттерного перехода
биполярного транзистора локально возрастает плотность
протекающего тока в этой зоне, что приводит к еще
большему разогреву рассматриваемого участка и может
вызвать выход транзистора из строя.

352.

По этой причине, для повышения управляемого тока
нельзя включать параллельно несколько биполярных
транзисторов, хотя полевые транзисторы можно включать
параллельно.
С неустойчивостью теплового равновесия биполярного
транзистора конечно борются, в частности, в транзисторную
структуру
включают
положительным
резистивные
температурным
участки
с
коэффициентом
сопротивления (ТКС), поэтому рекомендуется в качестве
ключей
для
коммутации
нагрузки
применять
только
биполярные транзисторы, рекомендованные для этих
целей.

353.

Полевые или униполярные транзисторы – это
приборы, управляемые напряжением, а не током, в
отличие от биполярных транзисторов.
По физике своей работы полевой транзистор проще
биполярного, но получилось так, что практически они были
созданы и нашли широкое применение на два - три
десятилетия позже. Причина в высочайших требованиях к
чистоте поверхности и параметрам слоя оксида кремния,
отделяющего затвор от канала в подложке.

354.

И сейчас,
когда
технология
производства
МОП
транзисторов насчитывает уже несколько десятилетий, по
технологическому
разбросу
параметров
МОП
транзисторы существенно отстают от биполярных.
МОП
потенциалом
транзистор
ведет
переменное
себя,
как
сопротивление.
управляемое
Что
самое
важное, ТКС канала положителен, поэтому тепловое
равновесие внутри прибора устойчиво!

355.

Технология изготовления интегральных
микросхем (ИМС)
МОП-транзисторы или МДП-транзисторы являются
одними из основных элементов ИМС. Рассмотрим на их
примере технологию изготовления планарных ИМС.
Этапы
технологического
процесса
изготовления
ИМС
I этап. Изготовление полупроводниковых пластин:
Выращивание
монокристаллического
слитка
расплава;
Резка слитка на полупроводниковые пластины;
Шлифовка и полировка пластин.
из

356.

II этап. Формирование структуры прибора:
Вакуумное
нанесение
тонких
пленок,
окисление,
эпитаксия;
Микролитография
(формирование
топологического
рисунка);
Диффузия, ионная имплантация примесей.
III этап. Сборка приборов:
Скрайбирование и разделение пластин на кристаллы;
Установка кристаллов в корпус и разварка выводов;
Герметизация, контроль и маркировка.

357.

Рассмотрим более подробно II этап технологического
процесса
на
примере
МОП
-
транзистора
с
индуцированным каналом р – типа.
В качестве заготовки используется Si - пластина,
легированная очень незначительным количеством атомов
фосфора - Р. На ней формируют пленку SiO2 (окисление Si),
вскрывают заданные участки методом фотолитографии (а) и
проводят легирование пластины атомами Р (б), образуя n область МОП - транзистора.

358.

Формирование структуры прибора

359.

Далее снова происходит формирование пленки SiO2,
вскрытие заданных участков (в) и ионная имплантация
атомов Р (г). В результате образуется защитное кольцо n+ типа (г) для предотвращения утечек носителей заряда на
поверхность подложки.
Затем на пластине формируется двухслойное покрытие
из SiO2 и Si3N4 (д), после чего проводится термическое
окисление пластины для получения толстого слоя SiO2 (е).
Затем слои SiO2 и Si3N4 удаляют и проводят тонкое
окисление (ж).

360.

Формирование структуры прибора

361.

Для получения затвора на пластину наносят слой
поликристаллического
Si
(проводника)
и
методом
фотолитографии стравливают лишние участки, оставляя в
нужном месте участок затвора (з).
Далее проводится имплантация бора В через тонкий
слой SiO2 и образование областей р+ - типа (истока и стока
МОП - транзистора) (и).
Затем наносят слой SiO2, формируют в нем отверстия
для
подвода
алюминия
Al
электрических
контактов,
и
лишние
стравливают
наносят
участки,
слой
образуя
токоведущие дорожки (к).
В
результате
на
пластине
сформирован
транзистор с индуцированным каналом р - типа.
МОП
-

362.

Полупроводниковые приборы. Биполярный транзистор
1 – п/п материал (Si, Ge и др.)
2 – эмиттер
3 – база
4 – коллектор
5 – траектории подвижных
носителей заряда
(электронов или дырок)
6 – эмиттерный переход
7 – коллекторный переход

363.

Полупроводниковые приборы. Светодиод

364.

Схема работы светодиода
На границе p-n – перехода, включенного в прямом направлении,
происходит рекомбинация электронов и дырок. При этом
происходит переход электрона из зоны проводимости в
валентную зону (на стационарный энергетический уровень). Этот
переход
сопровождается
испусканием
кванта
электромагнитного излучения. Требуемая частота излучения
(видимого) задается за счет подбора ширины запрещенной зоны
(материала полупроводника, например, нитрида индия-галлия
InGaN, который дает синий цвет).
Светодиоды обладают высоким К.П.Д. (до 80%) и
долговечностью. Незначительные потери энергии связаны с
выделением тепла при протекании тока и частичным поглощением
квантов излучения.