WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 2 04;12 Самоподдерживающиеся колебания в слаботочном разряде с полупроводником в роли катода и балластного сопротивления.

I. Эксперимент © Е.Л. Гуревич,1,2 Ю.П. Райзер,3 Х.-Г. Пурвинс1 1 Institute fr Angewandte Physik, D-48149 Mnster, Germany 2 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 3 Институт проблем механики РАН, 119526 Москва, Россия e-mail: Evgeny.Gurevich@mpi-sf.mpg.de (Поступило в Редакцию 25 марта 2005 г.) Представлены результаты экспериментального исследования самоподдерживающихся колебаний тока в тонком плоском газоразрядном промежутке, где горит однородный вдоль электродных поверхностей таунсендовский разряд. Катодом для разряда, балластным сопротивлением и дополнительной емкостью в цепи, питаемой источником постоянного напряжения, служит тонкая пластина из полупроводника.

Установлены область существования, частоты и форма колебаний в широком диапазоне давлений.

PACS: 52.80.Tn Введение ющиеся, в дальнейшем автоколебания тока (и напряжения), колебания в таунсендовском разряде исследоПри очень большом сопротивлении цепи, с газораз- вались на установках с металлическими электродами, рядным промежутком, в газе после пробоя зажигается балластным сопротивлением обычного типа, а также послаботочный таунсендовский разряд, который горит при стоянном приложенном напряжении [3–6]. Как правило, напряжении на электродах V, весьма близком к напря- в таких экспериментах параллельно разрядному промежению пробоя VT. Это обстоятельство, а также способ- жутку приходится включать большую емкость, иначе ность полупроводника менять свою проводимость s под колебания подавляются. В устройстве с тонким полудействием инфракрасного излучения, использованы в проводником в качестве сопротивления его собственная приборе, который преобразует инфракрасное излучение емкость оказывается достаточно большой. Колебания в в видимое [1]. этом устройстве, в принципе, не отличаются от колебаний в газовых разрядах с обычными сопротивлением и В этом устройстве плоский промежуток длиною d 0.03-0.05 cm заполняется азотом под давлени- емкостью. Во многих случаях колебания имеют характер ем p 20-50 Torr (pd 1cm· Torr). Катодом и од- релаксационных, будучи по форме далекими от гармониновременно балластным сопротивлением служит тон- ческих.

кая полупроводниковая пластина из арсенида галлия. Основной целью настоящей работы, которая состоит Это придает сопротивлению распределенный харак- из двух частей, является прояснение механизмов и тер, что способствует стабилизации разряда. Изоб- установление факторов, управляющих возникновением ражению в инфракрасном свете на полупроводни- и стабилизацией автоколебаний в слаботочном разряде ке отвечают определенные распределения s, плотно- при различных pd и других условиях. Этому будет сти разрядного тока j и свечения разряда. Видимое посвящена ее вторая, теоретическая, часть [7]. В первой изображение можно наблюдать через полупрозрачный части представлены результаты экспериментов в устройанод.

стве с полупроводником: новые данные о колебаниях, В действительности таунсендовский разряд обла- их частотах и области существования для диапазона дает слегка падающей вольт-амперной характеристи- pd 0.25-12.5cm· Torr, гораздо более широкого, чем кой (ВАХ), что, как известно, предрасполагает к в предыдущих работах. Эти данные служат ориентинеустойчивости. Если поднимать приложенные к устрой- ром для рассмотрения, проведенного во второй части, ству постоянное напряжение V0 и ток, появляются и в полной мере смогут быть использованы лишь в незатухающие колебания тока и напряжения на разряде, последующих исследованиях. Из-за сложности явления, потом возникают токовые шнуры, часто образующие теория, развитая здесь, скорее призвана дать ответы на упорядоченные на плоскости структуры, что нарушает общие вопросы физического характера, нежели обеснормальное функционирование прибора. Эти эффекты печить возможность количественного сопоставления с были экспериментально изучены [2]. Самоподдержива- экспериментом. Надо полагать, данные новых экспеСамоподдерживающиеся колебания в слаботочной разряде с полупроводником в роли катода... риментов будут полезны и для практических целей. так же как и изменения тока во времени, контролироВ частности, на основе эффекта можно сделать гене- валась по излучению разряда. Излучение регистрироратор колебаний с перестраиваемой частотой с токами валось фотоумножителем 931A фирмы RCA с разрепорядка 0.1 A.

шением 1 ns, а также с помощью съемки на скоростную камеру Proxitronic 1000 FPS Camera с временем экспозиции до 5 ns и частотой выборки 3000 кадров в 1. Установка, условия и техника секунду. Разрядные токи, обычно I 0.1-1 mA, измеизмерений рялись по падению напряжения на постоянном сопротивлении 100, включенном в цепь последовательно, Катодом для плоского разрядного промежутка и на 3-4 порядка меньшем балластного сопротивления (рис. 1) служит пластина из кристалла GaAs толщиR 1M, задаваемого полупроводником. Осциллограмной ds = 0.12-0.15 cm. При комнатной температуре ма тока считывалась при помощи АЦП.

и без освещения кристалл обладает проводимостью Представленные измерения сделаны с азотом при s 10-8 ( · cm)-1. В экспериментах полупроводник давлении от 4 до 250 Torr и d = 0.03-0.08 cm (pd освещался через полупрозрачный золотой контакт лам 0.2-12 cm · Torr). Внешним освещением в полупропой накаливания, отчего проводимость повышалась на воднике при слабом токе устанавливалась проводимость порядок. Проводимость определялась интенсивностью s =(0.7-0.8)10-7 ( · cm)-1. Из-за небольшой неуоблучения, которая изменялась вариацией напряжения странимой нелинейности ВАХ полупроводника к моменна лампе и контролировалась фотодиодом. Известно, что ту начала осцилляций тока проводимость повышалась до ВАХ GaAs бывает немотононной, что само по себе моs =(1.2-1.3)10-7 ( · cm)-1. Значения s с точностью жет вызвать осцилляции тока [8]. Чтобы исключить этот до 10% определялись из измеряемой ВАХ V0(I) системы эффект, использовался полупроводник с монотонной, пополупроводник–разрядный промежуток при известном чти линейной, ВАХ. Кстати сказать, частота осцилляций, напряжении на промежутке, близком к пробивному VT.

связанных с немонотонностью ВАХ GaAs, на порядки После начала осцилляций точно измерить проводименьше наблюдаемой в опытах с разрядом. Анодом мость полупроводника не представляется возможным, служила тонкая пленка In2O+Sn2O (ITO), нанесенная но, судя по всему, в области существования однородных на стеклянную пластину. Пленка обладает омическим колебаний тока s если и изменяется, то не сильно.

сопротивлением, не нарушающим однородного распреОтносительная диэлектрическая проницаемость полуделения потенциала вдоль поверхности анода.

проводника s = 11-13.

Газоразрядный промежуток формировался спейсером фиксированной толщины d (0.01-0.1cm) и с фик- В ходе эксперимента постепенно поднималось напрясированным диаметром внутреннего отверстия D жение V0, приложенное к системе. Скорость разделе(1.5-4.0cm), которыми задавалась площадь разря- ния зарядов в полупроводнике, даже при его слабой да S = D2/4. Однородность разряда вдоль плоскости, проводимости, неизмеримо больше скорости подъема напряжения. Поэтому пока промежуток не пробился, все напряжение V0 оказывается приложенным к газовому промежутку. Когда V0 достигает VT, зажигается разряд, о чем свидетельствуют появление слабого свечения и тока в несколько µA/cm2. Так измеряется VT. При последующем повышении напряжения ток в цепи растет.

При не слишком больших превышениях V0 над VT ток постоянен во времени. Разряд при этом однороден по всей площади S. То что это —истинная однородность, а не результат усреднения по времени, проверялось с помощью скоростной фотосъемки.

При некотором пороговом напряжении V0t ток, оставаясь однородным в пространстве, начинает осциллировать около среднего значения. Это происходит при сравнительно слабых токах, далеких по плотности от предельных для таунсендовского разряда [9]. Значит, напряжение на промежутке остается близким к пробиваРис. 1. Экспериментальная установка. 1 — полупроводникоющему VT, что позволяет связать пороговые для начала вый катод (полуизолирующий арсенид галлия), 2 —полупроколебаний значения тока It и напряжения V0t соотнозрачный золотой кантакт, 3 —ITO, 4 — стеклянная пластина, шением V0t = VT + ItR, где R = ds/(s S) и использовать 5 — контактное кольцо, 6 — спейсер, Ri —измерительего или всю ВАХ для измерения s. Пороговые значеное сопротивление, V0 — источник постоянного напряжения (Stanford PS 325). ния It 1mA, jt = It/S 100 µA/cm2.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 38 Е.Л. Гуревич, Ю.П. Райзер, Х.-Г. Пурвинс 2. Результаты экспериментов Из табл. 1 видно, как меняются пороговые значения V0t и jt и частота колебаний при изменении проводимости полупроводника s, но фиксированных условиях разряда (p и d). Данные приведены для различных давлений. Частота колебаний возрастает с ростом тока при p = const, она немного уменьшается с ростом давления при неизменной плотности тока. Последнюю в эксперименте удобно менять, изменяя освещенность полупроводника, т. е. его проводимость. От площади разряда частота, так же как и пороговая плотность тока jt, не зависят, что естественно, поскольку D d.

С частотой тока осциллирует и интенсивность свечения разряда, повторяя форму колебаний тока. Данные о Рис. 2. Осциллограмма колебаний тока в разряде в азоте.

p = 10 Torr, d = 0.08 cm, V0t = 510 V. Амплитуда осцилляций растет с напряжением.

Таблица 1. Напряжения и токи, пороговые для возникновения колебаний (азот, GaAs, d = 0.05 cm, ds = 0.12 cm, D = 1.5cm) p, pd, VT, V0t, Rs, s, 10-7 jt, f, частоте могут представлять интерес для практики при Torr cm · Torr V V M ( · cm)-1 µA/cm2 kHz использовании эффекта в генераторах колебаний тока с перестраиваемой частотой.

25 1.25 400 1100 1.25 0.544 318 Как видно из рис. 2, уже при сравнительно небольшом 25 1.25 400 770 0.851 0.799 246 25 1.25 400 680 0.691 0.984 229 595 превышении V0 над V0t амплитуда колебаний тока стано25 1.25 400 640 0.587 1.16 231 вится большой, сравнимой со средним током. При даль44 2.2 500 1050 1.11 0.613 280 нейшем повышении напряжения колебания становятся 44 2.2 500 820 0.825 0.824 219 неустойчивыми, на фоне периодических изменений тока 44 2.2 500 760 0.703 0.967 209 в произвольные моменты времени появляются пики 44 2.2 500 710 0.561 1.21 211 (рис. 3), при еще больших напряжениях нарушаются 75 3.75 600 1020 1.26 0.540 188 пространственная однородность разряда.

75 3.75 600 920 1.00 0.680 180 В табл. 2 представлены данные о порогах пробоя VT, 75 3.75 600 860 0.833 0.816 176 возникновения колебаний V0t и пределов существова75 3.75 600 820 0.710 0.958 175 ния устойчивых пространственно однородных колеба100 5.0 740 980 0.811 0.838 167 150 7.5 1050 1170 0.418 1.63 162 370 ний тока V0m для широкого диапазона p или pd и 188 9.4 1170 1230 0.255 2.67 133 при неизменном сопротивлении полупроводника Rs (его 250 12.5 1350 1390 0.199 3.42 113 проводимости s ), что удобно для сопоставления с теорией. Более наглядное представление о том же дает рис. 4, соответствующий несколько другим условиям.

Таблица 2. Область существования однородных Колебания существуют при pd, лежащих по обе стороны колебаний (азот, GaAs, d = 0.05 cm, ds = 0.15 cm, от минимума кривой Пашена.

s = 1.0 · 10-7 ( · cm)-1, D = 1.5cm) Не следует сильно удивляться расхождению измеренных порогов пробоя VT при одинаковых pd, но разных d p, pd VT, V0t, V0m, jt, или в разных экспериментах, как в табл. 1 и 2. Закон Torr cm · Torr V V V µA/cmподобия для кривой Пашена VT (pd) в действительности 5 0.25 270 404 89 нарушается, особенно в области минимума, — это 6 0.3 245 328 55.известный факт. Кроме того, на напряжения пробоя даже 8 0.4 206 275 280 при одинаковых p и d влияет много других факторов 12 0.6 199 269 274 46.(не всегда предсказуемых). Например, VT зависит от 20 1.0 213 289 294 50.количества и частоты пробоев, в которых участвовал 30 1.5 235 309 313 данный образец полупроводникового катода (эффект 40 2.0 256 322 327 „тренировки“), чистота его поверхности и газа, и т. д., 64 3.2 312 353 357 27.это отмечалось в [4–6]. То же относится и к порогам 90 4.5 358 380 386 14.для возбуждения колебаний, различие которых также 121 6.05 394 406 414 8.бросается в глаза при сопоставлении данных табл. 1 и 2.

150 7.5 416 430 436 9.218 10.9 487 501 505 9.3 Следует отметить, что в эксперименте проявилась 240 12.0 498 513 517 10.прямая зависимость тока, порогового для возбуждения Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Самоподдерживающиеся колебания в слаботочной разряде с полупроводником в роли катода... колебаний от балластного сопротивления цепи при неизменных (p и d) (см. табл. 1). Это не совпадает с тем, что наблюдается в опытах с металлическими электродами [3,6], где пороговый ток падает при росте сопротивления цепи, и с тем, что следовало бы ожидать из физических соображений. Этот результат остается не объясненным. Причиной его может являться то, что в эксперименте пороговый ток определялся как ток, при котором амплитуда колебаний превосходит амплитуду шума. При увеличении сопротивления шум, возможно, возрастал, затрудняя определение истинного порога. При низких значениях балластного сопротивления (Rs < 0.7M в табл. 1), пороговый ток немного возрастает при уменьшении балластного сопротивления, Рис. 5. Зависимость частоты осцилляций от среднего точто ближе к теории и ранним работам. Заметим, что ка в азоте при d = 0.05 cm, ds = 0.125 cm при различных подсветка полупроводника вряд ли существено влиядавлениях. Пунктир на графике — линейная аппроксимация ет на процессы катодной эмиссии с его поверхности, экспериментальных данных.

обращенной к разряду. Все явления в разряде и их параметры остаются теми же, если подобрать те же значения проводимости полупроводника, не пользуясь подсветкой.

Частота колебаний в устройстве с неизменными геометрическими параметрами определяется в основном плотностью тока, монотонно нарастая с ее увеличением (рис. 5). Она несколько падает с ростом давления при неизменном среднем токе и при увеличении расстояния между электродами. Ток и частоту в эксперимете удобно менять, изменяя освещенность полупроводника, это может оказаться полезным при создании генератора колебаний с перестраиваемой частотой.

Список литературы [1] Astrov Yu.A., Portsel L.M., Teperick S.P., Willebrand H., Purwins H.-G. // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 74. P. 2159–2166.

Рис. 3. Осциллограмма колебаний тока в разряде в азоте.

[2] Strmpel C., Astrov Yu.A., Purwins H.-G. // Phys. Rev. E. 2000.

p = 10 Torr, d = 0.08 cm, V0 = 750 V.

Vol. 62. N 4. P. 4889–4897.

[3] Мелехин В.Н., Наумов Н.Ю. // ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 8.

С. 1521–1529.

[4] Мелехин В.Н., Наумов Н.Ю., Ткаченко Н.П. // ЖТФ. 1987.

Т. 57. С. 454.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.