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 U_K.

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 разряда лежит в основе работы стабилитронов.

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 электронов. В результате число электронов резко возрастает.

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

Виды электронных приборов и технологий на основе электрического разряда в вакууме

Стабилитрон (газовый стабилизатор напряжения) – газоразрядная двухэлектродная лампа с холодным катодом, работающая в режиме нормального тлеющего разряда. 1 – катод с активированным внутренним слоем; 2 – анод; 3 – стеклянный баллон с инертным газом (P=10 3 Па); 4 – никелевая проволока;

	Стабилизация напряжения основана на том, что напряжение на стабилитроне UСТ остается постоянным, пока величина тока I не выходит за пределы допустимых значений (Iс.max  I Iс.min).
	Rогр – ограничительный (балластный) резистор; RHАГР – сопротивление нагрузки. Величина Rогр выбирается такой, чтобы при номинальных значениях U0 и RH ток I через стабилитрон был равен IСТ СР

При изменениях напряжения питания U₀ или сопротивления нагрузки R_H ток I через стабилитрон меняется, но напряжение стабилитрона остается постоянным U_СТconst. Не меняется соответственно и напряжение на нагрузке R_H. U_СТ зависит от материала катода (работы выхода электронов) и рода газа.

Обычно U_СТ = 70…150 В  2…6 %; I=3…40 мА.

Газотрон (ионный диод) – газоразрядная двухэлектродная лампа с накаливаемым катодом, работающая в режиме дугового несамостоятельного разряда.

1 – катод прямого накала; 2 – анод; 3 – стеклянный баллон с инертным газом (P=102 Па) или парами ртути (P=1 Па); – тепловой экран Газотрон применяется для выпрямления переменного тока и имеет большой к.п.д (до 98…99%), т. к. внутреннее сопротивление газотрона мало. Выпрямляет большие токи, т. к. .

Для газотрона могут применяться катоды прямого или косвенного накала (в основном, оксидные катоды).

Разряд дуги в газотроне зажигается при помощи электронного тока с катода при напряжении UЗ. Затем анодный ток IА возрастает за счет повышения эффективности ионизации газа (при незначительном изменении UA=UГ.Д.). UЗ – напряжение зажигания разряда; UГ.Д. – напряжение горения дуги; UН1,2 – напряжение накала катода

При выпрямлении переменного тока в газотроне наблюдается обратный ток I_ОБР. Он возникает за счет того, что для рекомбинации электронов и ионов требуется некоторое время. Однако, при номинальных параметрах U_A, U_H принимают, что I_ОБР=0.

Тиратрон (от греческого слова «тира» - дверь) – ионный прибор, содержащий анод, катод и одну или две сетки. Тиратроны могут быть двух видов:

1. С накаливаемым катодом, работающие в режиме дугового несамостоятельного разряда;

2. С холодным катодом, работающие в режиме нормального тлеющего разряда.

Тиратрон с накаливаемым катодом

1 – анод; 2 – катод; 3 – сетка с экраном; – подогреватель В тиратроне могут быть два состояния: Анодный ток равен нулю, когда лампа заперта; 2. Анодный ток достаточно велик (IA – до 100 А), когда лампа отперта.

Роль сетки тиратрона - при отсутствии дугового разряда сетка действует так же, как управляющая сетка электровакуумного триода.

Отрицательный потенциал сетки (-U_{C 1, 2}) может полностью запереть тиратрон. Чем выше потенциал анода U_A1, тем выше отрицательное напряжение запирания сетки –U_C1.

При возникновении дугового разряда в тиратроне сетка теряет управляющие свойства, так как она экранируется положительным анодным зарядом ионов около сетки. При дуговом разряде I_A=const и не зависит от U_C. Таким образом, сетка управляет только моментом зажигания дугового разряда. Чтобы погасить тиратрон необходимо разорвать анодную цепь или уменьшить U_A (U_A<U_Г.Д. – напряжение горения дуги).

-UC 1, 2 – сеточные напряжения зажигания тиратрона	h - ширина области зажигания (зависит от ряда факторов: t окружающей среды, состояния поверхности катода и т.д.). UAЗ – анодное напряжение при котором происходит зажигание дугового разряда в тиратроне.

Вторая (экранирующая) сетка применяется в тиратроне для устранения тлеющего самостоятельного разряда между управляющей сеткой и анодом при больших U_A.

Тиратроны используются для выпрямления переменного тока и в схемах электронных реле, позволяющих при малых токах управления включать и выключать сильноточные схемы.

Тиратрон с холодным катодом

1 – катод; 2 – анод; 3 – управляющий электрод (сетка) Тиратрон наполняется инертным газом при давлении P=103 Па. Анод 2 изготовляется из никелевой проволоки (с большой работой выхода AВЫХ), катод 1 в виде никелевого цилиндра покрывается изнутри цезием или BaO (с малой работой выхода АВЫХ).

В тиратроне с холодным катодом могут быть также два состояния:

1. I_A=0 – тиратрон заперт;

2. I_A>0 – тиратрон открыт;

Роль управляющего электрода

При подаче положительного импульса на управляющий электрод, ток I_У в этой цепи возрастает. При достаточной величине этого тока I_У между анодом и катодом возникает тлеющий разряд.

UА.З. – напряжение зажигания тиратрона; IУ – ток между катодом и управляющим электродом; UГ.Т. – анодное напряжение горения тлеющего разряда

При возникновении тлеющего разряда управляющий электрод теряет свои управляющие свойства (аналогично тиратрона с накаливаемым катодом).

Чтобы выключить тиратрон надо уменьшить U_A<U_Г.Т.

Тиратроны обладают большой экономичностью и используются в электронных схемах в качестве бесконтактных реле.

Технология ионного травления

Ионное травление – разрушение и удаление обрабатываемого материала за счет физического взаимодействия (бомбардировки) ускоренных ионов инертного газа с поверхностью материала (например, полупроводниковой кремниевой подложки). Энергия ионов составляет при этом 0,5…10 кэВ.

Давление инертного газа (Ar) P=1…100 Па, напряжение катода U_K=-1…10 кВ, катод – холодный.

Плотность ионного тока на мишени невелика I_ИОН=1…5 мА/см², поэтому скорость травления материала обычно мала V=1нм/с.

1 – катод – мишень; 2 – корпус – анод; 3 – натекатель; 4 – полупроводниковая подложка; 5 – газовый разряд (тлеющий)

Технология ионного распыления 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.

1 – катод; 2 – анод; 3 – полупроводниковая подложка; 4 – атомы и молекулы материала мишени; 5 – ионы инертного газа; 6 – натекатель

Газовый разряд (тлеющий или аномально тлеющий) зажигается при напуске через натекатель 6 рабочего инертного газа и активных газов (O₂, N₂ и др.) до давления P=1…100 Па и подаче напряжения на катод – мишень U_K=-1…5 кВ (катод – холодный).

Выбиваемые с поверхности мишени атомы и молекулы покидают её и осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложек 3. Активные газы, взаимодействуя с осаждаемым материалом, образуют нужные химические соединения (окислы, нитриды и др.).

Использование газоразрядной плазмы для формирования ионных пучков

Газоразрядная плазма при давлениях P=10³…10^-1 Па может быть использована для различных технологических процессов: ионного травления поверхности, ионного распыления материалов, ионной имплантации (легирования), формирования ионных пучков большой интенсивности и т.д.

Рассмотрим различные типы ионных источников.

1. Ионный источник с горячим катодом

1 – накаливаемый катод; 2 – анод; 3 – экстрактор; 4 – система подачи газа; 5 – разрядная (ионизационная) камера

Ионный источник 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.

1. Ионный источник с холодным катодом и разрядом Пеннинга

1 – катод; 2 – антикатод; 3 – анод; 4 – соленоид; 5 – система экстракции

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

Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда U_З зависит от рода газа и произведения pd, где p - давление в разрядной камере; d – расстояние между электродами. Эта зависимость иллюстрируется кривыми Пашена.

1. Жидкометаллический источник ионов

Жидкометаллический источник ионов содержит два электрода: острие и заземленный экстрактор, между которыми приложено напряжение 4…10 кВ. Острие выполнено в виде тонкой вольфрамовой трубки с капиллярным отверстием  50 мкм, через которое поступает жидкий металл. При давлении жидкого металла  1 МПа и напряженности электрического поля E=10¹⁰ В/м на конусе капилляра образуется выступ жидкого металла в виде конуса, с вершины которого эмиттируется пучок положительных ионов.

1 – острие и резервуар; 2 – экстрактор; 3 – нагреватель

Формирование пучков электронов в электронно-лучевых приборах и для электронных технологий