ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Предметом изучения газоразрядной электроники

ГАЗОРАЗРЯДНАЯ (ПЛАЗМЕННАЯ) ЭЛЕКТРОНИКА

Предметом изучения газоразрядной электроники являются движение заряженных частиц в газах физические процессы в плазме и различных видах разрядов, а так же физика работы газоразрядных приборов

ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ПЛАЗМА

Плазма - состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации и равенством концентраций положительных и отрицательных зарядов (квазинейтральностью). Плазма в стационарном состоянии может существовать только при наличии факторов, восполняющих убыль заряженных частиц. В газовом разряде плазма в стационарном состоянии поддерживается за счёт внешнего электрического поля, энергия которого расходуется на ионизацию газа.

Плазма делится на высокотемпературную и низкотемпературную. Высокотемпературная плазма – это сотни тысяч и миллионы градусов (плазма звезд и т. д. Низкотемпературной является плазма с температурой от сотен до десяти тысяч градусов. Низкотемпературная плазма в свою очередь делится на изотермическую и неизотермическую.

Изотермической плазме отвечает ионизированный газ при высокой температуре, когда энергии всех составляющих плазму частиц равны и все процессы обмена являются равновесными. Такая плазма находится в состоянии термодинамического равновесия. Неизотермическая плазма характеризуется тем, что средняя энергия электронов во много раз превышает энергию ионов и нейтральных частиц. Процессы обмена энергией в этом случае неравновесны и плазма поддерживается за счёт внешних факторов - например электрического поля.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТЕКАЮЩИХ В ПЛАЗМЕ ПРОЦЕСОВ

СТОЛКНОВЕНИЯ Плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц. Все протекающие в плазме процессы являются результатом столкновений входящих в ее состав частиц друг с другом или со стенками. Наиболее важную роль играют столкновения электронов с нейтральными частицами.

СЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СТОЛКНОВЕНИЙ Интенсивность потока электронов через газ: σ – полное сечение соударений электронов с атомами или молекулами Сечение любого процесса, например ионизации молекул газа при электронном ударе i, , определяется выражением: i = fi

Скорость протекания любого процесса, согласно уравнениям химической кинетики, пропорциональна концентрациям реагирующих частиц. Для процесса соударений электронов с тяжёлыми частицами можно записать: Г = K ne N Г - скорость процесса ne - концентрация электронов N - концентрация атомов или молекул газа K - коэффициент скорости процесса

Коэффициент скорости двухчастичного процесса с участием электронов представляет собой произведение сечения процесса на скорость электронов: К = v В этом уравнении сечения процесса и скорости электронов усреднены по всему энергетическому диапазону.

Поскольку в газоразрядной плазме обычно реализуется некоторое распределение электронов по энергиям, то строгое выражение для нахождения коэффициента скорости процесса имеет вид: f(E) - функция распределения электронов по энергиям (Е) - зависимость сечения процесса от энергии электронов (функция процесса) Е - энергия электронов Еа - пороговая энергия рассматриваемого процесса

Таунсендовский кинетический коэффициент, который представляет собой число актов данного процесса, совершаемое одним электроном на единице пути. Связь между коэффициентом скорости процесса и таунсендовским кинетическим коэффициентом. Г = j/e = nе Vдр К = Vдр/N /N – приведенный таунсендовский коэффициент

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ

Соударения электронов с атомами и молекулами газа l упругие l неупругие vнеупругие соударения первого рода: происходит передача энергии от электронов к атомам или молекулам газа vнеупругие соударения второго рода сопровождаются передачей энергии от возбуждённых атомов или молекул к электронам

При упругих соударениях происходит перераспределение кинетической энергии взаимодействующих частиц без изменения их внутренней энергии. Доля энергии, передаваемой при упругом соударении, пропорциональна отношению масс сталкивающихся частиц: me - масса электрона М - масса молекулы газа Это выражение справедливо, если молекула газа неподвижна.

Если при столкновении электронов с атомами или молекулами происходит изменение внутренней энергии последних, то соударение называется неупругим. Виды неупругих соударений: l возбуждение l ионизация l диссоциация l рекомбинация

ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ Возбуждение – это переход одного из электронов атома или молекулы из состояния с низкой энергией в состояние с более высокой энергией при электронном ударе или поглощении кванта света. Возбужденное состояние неустойчиво и через некоторое время электрон переходит в основное или одно из нижележащих возбужденных состояний с излучением кванта света.

Возбуждение Частота излучения фотона определяется выражением: h = Е 2 – Е 1 Е 2 и Е 1 - потенциальная энергия атома до излучения и после излучения

Возбуждение Средняя продолжительность жизни возбуждённых атомов: Аmn - вероятность перехода из энергетического состояния n в более низкое состояние m путём самопроизвольного (спонтанного) излучения. Излучение, энергия кванта которого равна энергии возбуждения, называется резонансным. При этом квант света может многократно поглощаться и переизлучаться: А ----А* ---- А + hv --- A* ---- A + hv----- ……. .

Возбуждение Если переход из возбужденного состояния вниз оптически запрещен, такое состояние называется метастабильным. Время жизни такого состояния по отношению к излучению составляет от 10 -6 до 1 с. Процессы с участием метастабильных частиц играют большую роль в газоразрядных электронных приборах.

Минимальная энергия, необходимая для возбуждения, носит название энергии возбуждения (или потенциала возбуждения). Функции возбуждения при электронном ударе с изменением (1) и без изменения (2) мультиплетности

Ионизация Процесс ионизации заключается в отрыве от атома или молекулы одного из валентных электронов, например: Аr + e = Ar+ + 2 e Ионизация в условиях разряда может осуществляться при электронном ударе, термически, под действием квантов излучения и другими способами.

Ионизация при электронном ударе Типичная функция ионизации при электронном ударе возрастает от энергии ионизации до 100 - 150 э. В, а затем медленно спадает:

Термическая ионизация заключается в отрыве электрона от атома или молекулы при нагревании газа в условиях термодинамического равновесия. При локальном термодинамическом равновесии степень ионизации определяется по формуле Саха: gi и g 0 - статистические веса ионов и атомов в нормальном состоянии, e. Ui- энергия ионизации атома, p - суммарное давление смеси нейтральных и заряженных частиц

Фотоионизация заключается в отрыве электрона от атома или молекулы под действием кванта излучения. Основное условие фотоионизации: h e. Ui Поскольку потенциалы ионизации большинства газов и паров довольно велики, то для фотоионизации необходимы кванты ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Функция фотоионизации (зависимость сечения процесса от энергии фотона) обычно представляет собой кривую с острым максимумом.

Ступенчатые процессы при возбуждении и ионизации молекул электронным ударом Ступенчатые процессы требуют для своего протекания меньших энергий, чем прямые, и идут наиболее эффективно в газах, где имеются высокие концентрации долгоживущих возбуждённых частиц (например метастабильных).

Принципиальная схема ступенчатого процесса

Очень важную роль в газовом разряде и низкотемпературной плазме играет ионизация при столкновении метастабильной частицы с частицей другого сорта, если потенциал ионизации второй частицы В меньше энергии возбуждения частицы А: А* + В А + В + + е Этот процесс носит название процесса Пеннинга и обуславливает медленную деионизацию плазмы после прекращения разряда, если в газе имеется легкоионизируемая примесь.

Образование и разрушение отрицательных ионов При образовании отрицательного иона выделяется энергия сродства к электрону. Для того, чтобы образовавшийся ион был устойчивым, необходимо эту энергию рассеять

Образование и разрушение отрицательных ионов l радиационный захват свободного электрона нейтральным атомом е + А А- + h l захват свободного электрона нейтральным атомом или молекулой с передачей избыточной энергии третьему телу е + А + В А- + В * l захват свободного электрона молекулой с колебательным возбуждением молекулярного иона и последующей диссипацией энергии е + ХУ (ХУ-)* ХУ-

Образование и разрушение отрицательных ионов l диссоциативный захват электрона е + ХУ Х + Уl образование ионной пары е + ХУ Х+ + Уl столкновение тяжёлых возбужденных частиц А* + В * А + + В -

Каждому из перечисленных выше механизмов захвата электронов соответствует обратный процесс отрыва электрона. а) столкновение отрицательного иона с возбужденным атомом; б) фотоотрыв; в) столкновение с электронами, быстрыми ионами или молекулами; г) столкновение с ионами и молекулами малой энергии; д) ассоциативный отрыв при столкновении с нейтральными атомами.

Диссоциация молекул l термическая диссоциация l фотодиссоциация l диссоциация при электронном ударе

К диссоциации при электронном ударе может приводить возбуждение электронных состояний молекул, при этом могут реализовываться три случая: 1. Возбуждение нестабильных состояний или переходов на отталкивательные ветви потенциальных кривых стабильных состояний. 2. Возбуждение стабильных состояний, из которых возможна предиссоциация в результате взаимодействия с нестабильными состояниями. 3. Возбуждение стабильных состояний с последующим каскадным переходом в состояние, принадлежащее первым двум типам.

Механизмы диссоциации молекул в плазме

Диссоциация молекул Образующиеся в результате диссоциации при электронном ударе свободные атомы и радикалы отличаются высокой химической активностью, что лежит в основе процессов плазмохимической очистки и травления в технологии производства микросхем.

Рекомбинация Под рекомбинацией понимают столкновение носителей противоположного знака, приводящее к их взаимной нейтрализации. Если оба носителя ионы, то рекомбинация называется ион-ионной, если же один из них электрон - то электрон-ионной. При рекомбинации выделяется энергия, которую необходимо рассеять.

Рекомбинация заряженных частиц характеризуется коэффициентом , который представляет собой кинетический коэффициент в уравнении:

Рекомбинация Предположив, что n+= n- = n и обозначив концентрацию при t=0 через n 0, решение уравнения можно получить в виде

Каналы рекомбинации заряженных частиц: 1. с передачей энергии третьему телу X+ + У - + Z X + У + Z * 2. с излучением кванта света X+ + У- X + У + h 3. с возбуждением образующихся нейтральных частиц X+ + У - X * + У 4. Если один или оба иона являются молекулярными, то возможна диссоциативная рекомбинация XУ+ + Z- X + У + Z

Движение электронов и ионов в газе

Дрейфовое движение электронов и ионов Пусть в некотором объёме движется электрон с хаотической тепловой скоростью Ve. Время пробега электрона t составит:

Средняя скорость направленного движения может быть найдена путём деления значения x на время пробега t:

Подвижность электронов: Подвижность положительных ионов: Отношение подвижностей:

Диффузия заряженных частиц в условиях разряда Подчиняется общим законам диффузии, известным из кинетической теории газов и описывается следующими уравнениями: n - концентрация частиц в элементарном объёме с координатой х; Vx - средняя скорость движения частиц в направлении диффузии; x - поток диффундирующих частиц; D - коэффициент диффузии.

Если направленное движение заряженных частиц происходит как под влиянием градиента концентрации, так и электрического поля, то результирующая скорость будет равна геометрической сумме скоростей:

Da - коэффициент амбиполярной (двуполярной) диффузии Так как bi << be, то уравнение для коэффициента амбиполярной диффузии можно упростить: При этом De и Di заменены исходя из соотношения Эйнштейна. В условиях неизотермической плазмы, Te >> Ti, тогда:

Тестовые задания При упругих соударениях электронов с атомами и молекулами изменяется l только кинетическая энергия тяжёлых частиц l только потенциальная энергия l и кинетическая, и потенциальная энергия

Тестовые задания Характерное время жизни возбуждённого атома при спонтанном излучении составляет l 0, 1 – 1 сек. l 10 -3 – 10 -4 с l 10 -7 – 10 -8 с

Тестовые задания Резонансным называется излучение, если энергия излучаемого кванта l больше энергии возбуждения l равна энергии возбуждения l меньше энергии возбуждения

Тестовые задания Зависимость сечения ионизации от энергии налетающих электронов имеет вид: l кривой с минимумом l кривой с максимумом l монотонно возрастающей кривой l монотонно спадающей кривой

Тестовые задания При прилипании электрона к молекуле выделяется энергия, равная энергии l разрыва связи в молекуле l сродства к электрону l возбуждения резонансного состояния

Тестовые задания При диссоциации молекул при электронном ударе в результате возбуждения электронных состояний пороговая энергия процесса равна l энергии разрыва связи l энергии возбуждения электронного состояния l энергии возбуждения первого колебательного состояния

Тестовые задания При рекомбинации электрона и положительного иона выделяется энергия, равная l энергии диссоциации молекулы l энергии ионизации l энергии сродства к электрону l разности энергий ионизации и сродства к электрону

Тестовые задания Коэффициент электрон–ионной рекомбинации с увеличением температуры l растёт l не изменяется l уменьшается

Тестовые задания Скорость дрейфа электронов – это l скорость теплового хаотического движения l скорость направленного движения вдоль силовых линий поля l скорость направленного движения перпендикулярно силовым линиям поля

Тестовые задания В условиях плазмы подвижность электронов l соизмерима с подвижностью ионов l много больше подвижности ионов l много меньше подвижности ионов

Тестовые задания l l Коэффициент амбиполярной диффузии больше коэффициентов свободной диффузии и электронов, и ионов меньше коэффициентов свободной диффузии и электронов, и ионов больше коэффициента свободной диффузии ионов, но меньше коэффициента свободной диффузии электронов больше коэффициента свободной диффузии электронов, но меньше коэффициента свободной диффузии ионов