Виды газового разряда и их применение. Понятие о плазме

Виды газовых разрядов.	В зависимости от напряженности электрического поля, давления газа, формы и материала электродов различают следующие виды газовых разрядов: темный, тлеющий, дуговой, коронный, искровой.
Темный разряд.	Темный разряд является несамостоятельным и возникает при малой напряженности электрического поля и характеризуется малой силой тока (). Для темного разряда выполняется закон Ома.
Тлеющий разряд.	Тлеющий разряд является самостоятельным, характеризуется небольшой силой тока () и относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт). При тлеющем разряде электроны, ионизирующие газ, возникают в результате фотоэмиссии с катода и столкновений положительных ионов с катодом трубки. Тлеющий разряд широко применяется как источник света в рекламных газосветных трубках, в газовых лазерах и т.д. Заполнив трубку различным газом, можно получить различную окраску свечения.
Дуговой разряд.	Дуговой разряд является самостоятельным. Он возникает в пространстве между сильно нагретыми электродами. Характеризуется очень большой силой тока ( А) и малым напряжением ( В). Дуговой разряд широко применяется в электропечах для плавки, сварки и резки металлов, в качестве мощных источников света (прожектора, проекционные киноаппараты).
Коронный разряд.	Коронный разряд также является самостоятельным. Его можно наблюдать вблизи заостренных проводников, которые находятся в электрическом поле напряженностью при давлении, близком к атмосферному. В естественных условиях коронный разряд возникает под влиянием атмосферного электричества на верхушках деревьев, корабельных матч (огни Святого Эльма), а также при больших напряжениях на проводах линий электропередач.
Искровой разряд.	Искровой разряд наблюдается при кратковременном лавинообразном увеличении числа ионов в газе вследствие ударной ионизации его молекул при высоких напряжениях. Он сопровождается свечением газа, звуковыми эффектами и излучением электромагнитных волн. При искровом разряде в газе возникают каналы с очень высокой степенью ионизации молекул – стримеры, вдоль которых происходит распространение искрового разряда. Разновидностью искрового разряда является молния. Его применяют для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и т.д.
Плазма.	При температурах, близких к абсолютному нулю, практически все вещества находятся в твердом состоянии. При повышении температуры происходит переход вещества сначала в жидкое, а затем в газообразное состояние. При достаточно высоких температурах в результате столкновения молекул или атомов газа между собой или под действием внешнего ионизатора происходит их ионизация. Поэтому газ при высокой температуре представляет собой смесь ионов, электронов и нейтральных атомов (молекул). Полностью или частично ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, называют плазмой. В зависимости от степени ионизации различают слабо ионизированную (доля ионизированных атомов составляет менее 1% из общего количества), средне ионизированную (ионизировано несколько процентов атомов) и полностью ионизированную плазму. Плазма – самое распространенное состояние вещества. Так, Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень низкая. Живописные северные сияния и светящийся газ в рекламных трубках также представляет собой «живую» плазму. Независимо от способа получения плазма является электронейтральной, потому что число положительных зарядов равно числу отрицательных (это следует из закона сохранения электрического заряда). Проводимость плазмы растет с ростом ионизации и полностью ионизированная плазма по проводимости приближается к сверхпроводникам.

Что же такое вакуум?	Вакуум – это состояние газа в сосуде, давление в котором ниже атмосферного. Различают низкий вакуум (длина свободного пробега молекул мала по сравнению с размерами сосуда); средний вакуум (длина свободного пробега молекул сравнима с размерами сосуда); высокий вакуум (длина свободного пробега молекул много больше размеров сосуда).
Ток в вакууме.	Если в вакуум поместить два (или более) металлических электрода, то в межэлектродном промежутке при определенных условиях может возникнуть электрический ток. Причем в случае низкого и среднего вакуума мы имеем дело с током в разряженном газе. При высоком вакууме концентрация молекул газа невелика, поэтому их ионизация не дает такого количества электронов и ионов, которое необходимо для электропроводности межэлектродного промежутка. Следовательно, возникновение тока в высоком вакууме возможно только за счет эмиссионных явлений на электродах, например за счет испускания электродами электронов при непосредственном их нагревании.
Термоэлетронная эмиссия.	Явление испускания веществом электронов при нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело - эмиттером.
Вакуумные приборы.	Поток электронов в высоком вакууме используется в электровакуумных приборах. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, триод, тетрод, пентод, электронно-лучевая трубка).
Диод.	Двухэлектродная электронная лампа – диод представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный или металлокерамический баллон, в который впаяно два электрода: катод и анод. Катодом является проводник из тугоплавкого материала, разогревающийся током. Анод изготавливают в виде цилиндра, по оси которого размещен катод. В результате термоэлектронной эмиссии вокруг катода образуется электронное облако, поэтому, если на анод подать положительное напряжение в межэлектродном промежутке диода возникнет ток. Поскольку ток в диоде возможен только в том случае, когда положительный полюс соединен с анодом, а отрицательный - с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Односторонняя проводимость диода используется в выпрямителях, предназначенных для преобразования переменного тока в постоянный.
Триод.	Трехэлектродная электронная лампа – триод отличается от диода наличием дополнительного электрода – сетки, представляющей собой спираль, размещенную между анодом и катодом. Изменение потенциала сетки относительно потенциала катода влияет на силу анодного тока. Поэтому сетку называют управляющей. При помощи ее можно управлять потоком электронов (тормозить либо ускорять их).
Тетрод и пентод.	Тетрод – четырехэлектродная электронная лампа которая состоит из катода, анода и двух управляющих сеток. Пентод – пятиэлектродная электронная лампа состоящая из пяти электродов: катода, анода и трех управляющих сеток.
Электронно-лучевая трубка.	Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой. Трубка представляет собой стеклянный баллон, откачанный до высокого вакуума, широкая задняя стенка которого покрыта люминофором и является экраном. В узком конце трубки находится источник быстрых электронов – электронная пушка. Между экраном и электронной пушкой находится система управления электронным пучком, с помощью которой можно изменять направление движения электронов (две пары плоскопараллельных пластин или катушка). В результате нагревания катода нитью накала на его поверхности происходит термоэлектронная эмиссия. Образовавшиеся в результате эмиссии электроны под действием поля анода ускоряются и движутся в направлении экрана. Попав на люминофор экрана, они вызывают свечение в виде светлого пятна. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок, а, изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом можно изменять интенсивность электронного пучка. Для того, чтобы производить смещение электронного пучка в плоскости экрана используют плоскопараллельные пластинки, между которыми установлена определенная разность потенциалов. Первая пара плоскопараллельных пластин позволяет смещать электронный пучок по горизонтали, а вторая пара – по вертикали (смещение пучка происходит под действием на него электрического поля образованного между пластинами). В современных электронно-лучевых трубках управление электронным пучком производится при помощи магнитного поля катушки. Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

Полупроводники	Полупроводниками называются вещества, которые могут проявлять свойства и проводников и диэлектриков. Удельное сопротивление по лупроводников с увеличением температуры не растет как у металлов, а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 178) Наиболее полно изучены и широко применяются такие полупроводники, как германий и кремний.
Проводимость	Полупроводники обладают электронной и дырочной проводимостью.
Электронная проводимость	Рассмотрим кристалл германия , который имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. В кристаллической решетке каждый атом германия связан с четырьмя соседними атомами парноэлектронными связями, называемыми ковалентной связью. При такой связи каждые два соседних атома имеют два общих электрона. Таким образом, на внешней оболочке каждого атома находятся восемь электронов, принадлежащих также и соседним атомам (рис. 179). При низких температурах парноэлектронные связи достаточно прочны, все электроны в кристалле связаны с атомами и свободных электронов нет. Поэтому при низких температурах чистый кристалл германия и кристаллы других полупроводников являются хорошими диэлектриками. При нагревании или освещении германия часть ковалентных связей разрывается за счет увеличения кинетической энергии частиц, и в кристалле появляются свободные электроны. Если к полупроводнику приложить электрическое поле, то свободные электроны под его действием будут перемещаться между узлами решетки, создавая электронный ток проводимости. Электронной проводимостью называют проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов.
Дырочная проводимость	При удалении электрона из атома в оболочке атома образуется вакантное место с недостающим электроном – дырка. Эта дырка может быть занята другими электронами, поскольку соседние атомы, имеющие общие электроны, постоянно ими обмениваются. При этом одного электрона не будет хватать уже в другом атоме. Т.к. до отрыва электрона атом был нейтральным, то недостаток электронов сообщает атому положительный заряд. Таким образом, дырка постоянно и беспорядочно перемещается по кристаллу, перенося тем самым положительный заряд, численно равный заряду электрона. При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют, и их движение прекращается. Непрерывные тепловые колебания атомов приводят к возникновению новых свободных электронов и дырок, которые снова начинают переносить заряд. Во внешнем электрическом поле электроны будут упорядоченно двигаться от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока, т.е. противоположно направлению вектора напряженности электрического поля. Под действием поля связанные электроны также начнут переходить с соседних атомов на пустые места, создавая тем самым перемещение вакантных мест (дырок) в направлении вектора напряженности поля. Таким образом, под действием поля возникает упорядоченное движение дырок, переносящих положительный заряд, т.е. создается дырочный ток проводимости. Дырочной проводимостью называют проводимость полупроводников, обусловленную наличием дырок (вакантных мест с избыточным положительным зарядом). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему кристаллу полупроводника. Свободными носителями заряда в чистом полупроводнике являются электроны и дырки. Проводимость чистых полупроводников называется собственной проводимостью полупроводника. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика. Она включает в себя электронную проводимость (осуществляется перемещением свободных электронов) и дырочную проводимость (перемещение связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей).
Примесная проводимость	Примесной проводимостью полупроводников называют проводимость, обусловленную внесением в их кристаллические решетки примесей. Добавление в кристалл атомов постороннего вещества называют легированием. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей электрического тока – электронов и дырок. Примесная проводимость является дополнительной к собственной проводимости полупроводника. Примеси делятся на доноры и акцепторы.
Донорные примеси	Доноры, или донорные примеси (от латинского donare – дарить, жертвовать), – это примеси, поставляющие электроны в объем полупроводника. Атомы этих примесей легко отдают электроны, увеличивая тем самым число свободных электронов. Типичные примеры доноров – примесные атомы элементов V группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb и др.) в кремний Si и германий . При внедрении, например, в решетку германия (четырехвалентного элемента) атома мышьяка, имеющего на внешней оболочке пять валентных электронов, четыре электрона примесного атома идут на образование ковалентной связи с четырьмя соседними атомами германия . Пятый валентный электрон атома мышьяка оказывается «лишним», он слабо связан с ядром, легко может покинуть атом и стать свободным электроном (рис. 180). Атом мышьяка при этом станет «неподвижным» положительным ионом. Хотя в кристалле кремния и существует некоторое количество свободных электронов и дырок за счет разрыва ковалентных связей, свободных электронов, полученных при добавлении примеси, значительно больше. Дырок в полупроводнике с донорной примесью может быть даже меньше, чем в чистом полупроводнике, т.к. здесь рекомбинация дырок и электронов протекает интенсивнее. В таком полупроводнике будет преобладать электронная проводимость. Полупроводники с преобладанием электронной проводимости над дырочной называется полупроводниками n-типа (от латинского negativus – отрицательный). В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, неосновными носителями заряда – дырки.
Акцепторные примеси	Акцепторы, или акцепторные примеси (от латинского acceptor – приемщик), – это примеси, захватывающие валентные электроны вещества и создающие тем самым дырки. Атомы III группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (бор B, алюминий Al, галлий Ga, индий In) являются типичными акцепторами в германий и кремний Si. При замещении в кристалле германия одного атома, например атомом индия In, имеющего на внешней оболочке три валентных электрона, для образования всех ковалентных связей с соседними атому индия не достает электрона (рис. 181). Атом индия может захватить недостающий электрон у ближайшего атома германия и превратиться в отрицательно заряженный ион. В месте захваченного электрона остается дырка, которая в свою очередь может быть заполнена электроном из следующего соседнего атома примеси, что значительно превышает число дырок и свободных электронов в чистом полупроводнике. Проводимость такого кристалла будет в основном дырочной. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называются полупроводниками p-типа (от латинского positivus – положительный). В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными носителями заряда – электроны.
p–n переход и его свойства	Электронно-дырочным переходом (p-n переходом) называется область полупроводника, в которой происходит пространственное изменение типа проводимости от электронной к дырочной (и наоборот). p-n переход часто образуется в кристалле полупроводника при введении в него акцепторной или донорной примесей. При образовании контакта двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой – n-типа, будет происходить взаимная диффузия носителей тока через контакт полупроводников. Электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать через этот контакт в полупроводник p-типа, а дырки – из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа. Процесс диффузии приводит к нарушению электрической нейтральности. Часть контакта, которая состоит из полупроводника n-типа, вблизи его границы оказывается заряженной положительно, т.к. с нее ушла часть электронов. Другая часть контакта, состоящая из полупроводника p-типа, оказывается заряженной отрицательно. Диффузия, происходящая несравненно быстро, приводит к тому, что на границе p-n-перехода образуется запирающий слой. Электрическое поле, возникающее в запирающем слое, препятствует дальнейшему перемещению электронов и дырок через контакт двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников (рис. 182). Включим полупроводник с p-n-переходом в электрическую цепь таким образом, чтобы полупроводник n-типа был соединен с отрицательным полюсом источника, а p-типа – с положительным (рис. 183). Под действием электрического поля напряженности электроны из области начнут двигаться в область (противоположно вектору напряженности) и, переходя границу раздела полупроводников, «заполнять» дырки (происходит рекомбинация). Дырки будут перемещаться из области в область , также нейтрализуя электроны на границе раздела полупроводников. Толщина запирающего слоя, а следовательно, и его сопротивление будут непрерывно уменьшаться. При этом ток через p-n-переход осуществляется основными носителями, и с увеличением разности потенциалов сила тока возрастает (рис. 184). Такой переход называют прямым. Если теперь переключить полюсы источника тока, то электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике p-типа будут перемещаться под действием электрического поля в противоположные стороны от границы раздела полупроводников. Это приводит к увеличению величины запирающего слоя и, следовательно, к увеличению его сопротивления. Под действием поля также начнут перемещаться через контакт полупроводников неосновные носители заряда в каждом полупроводнике: электроны идут из области в область , а дырки – из области в область . Т.к. число неосновных носителей заряда ничтожно мало, то сила тока в цепи окажется незначительной. Этот переход называется обратным (на рисунке 184 пунктиром изображена его вольт-амперная характеристика). p-n-переход обладает односторонней проводимостью: в прямом направлении сопротивление перехода мало и он пропускает ток, в обратном – ток практически не проходит, т.к. сопротивление перехода велико. Данное свойство p-n-перехода используют для выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый диод	Полупроводник с одним p-n-переходом называется полупроводниковым диодом. Основным рабочим элементом полупроводникового диода является кристалл кремния, германия, селена и других веществ, имеющий две области с различным типом проводимости. На границе раздела областей с дырочной и электронной проводимостью возникает p-n-переход, толщина которого не должна быть больше межатомных расстояний. Кристалл заключен в стеклянный или металлический корпус. К областям кристалла с различным типом проводимости присоединены выводы. Условное обозначение диода на схемах представлено на рисунке 185. Направление стрелки совпадает с направлением прямого тока через диод. Полупроводниковые диоды обладают рядом преимуществ перед электровакуумными диодами: экономия энергии для получения носителей тока, малые размеры и масса, миниатюрность, высокая надежность и механическая прочность, высокий коэффициент выпрямления (в хороших диодах он достигает порядка ) и большой срок службы. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работают (приблизительно от – до + для кремниевых диодов и от – до + – для германиевых диодов), поскольку с повышением температуры увеличивается концентрация неосновных подвижных носителей зарядов, что ухудшает выпрямительные свойства диода.
Полупроводниковые приборы	Широкое применение полупроводники нашли не только в диодах, но и в транзисторах, терморезисторах и фоторезисторах.

Дата добавления: 2015-07-15