Вакуумная и плазменная электроника

УДК 621.38 
 
К89 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, долцент Ю.В. Осипов 

Кузнецов Г.Д., Курочка С.П., Лобачев И.В. 
К89  
Вакуумная и плазменная электроника: Лаб. практикум. – 
М.: МИСиС, 2005. – 83 с. 

Лабораторный практикум выполняется по курсу «Вакуумная и плазменная электроника». В нем рассматриваются основы физики газового электрического разряда, условия ускорения заряженных частиц, ионно-электронной 
эмиссии с поверхности материалов, принципы передачи телевизионного изображения, параметры кинескопов и их конструктивные особенности, а также 
принципы работы самосканирующейся газоразрядной матричной панели. 
Приводится методика расчета параметров газоразрядной плазмы, обеспечения заданной скорости заряженных частиц, коэффициента ионноэлектронной эмиссии. 
Дается методика определения основных параметров электронно-лучевой 
трубки и плазменной панели с помощью реальных испытательных стендов. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника» и направлению «Электроника и микроэлектроника». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Московский государственный институт

стали и сплавов (Технологический  
университет) (МИСиС), 2005 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
Лабораторная работа 1. Анализ условий зажигания газового разряда.....6 
1. Теоретическое введение...................................................................6 
1.1. Электрический ток при ионизации электронным ударом .....6 
1.2. Электрический ток при ударной ионизации электронами 
и ионами ..........................................................................................12 
1.3. Условие зажигания разряда и закон Пашена ........................14 
1.4. Полная характеристика газового разряда..............................16 
2. Порядок выполнения работы.........................................................18 
3. Оформление результатов ...............................................................19 
Контрольные вопросы........................................................................19 
Лабораторная работа 2. Исследование ускорения элементарных 
частиц электрическим полем.................................................................20 
1. Теоретическое введение.................................................................20 
2. Порядок выполнения работы.........................................................23 
3. Оформление результатов отчета...................................................25 
Контрольные вопросы........................................................................25 
Лабораторная работа 3. Исследование закономерности изменения 
коэффициента ионно-электронной эмиссии в зависимости  
от ионного воздействия на материал катода........................................25 
1. Теоретическое введение.................................................................25 
1.1. Модельные представления о выходе вторичных электронов ...25 
1.2. Методика определения коэффициента ионно-электронной 
эмиссии ............................................................................................31 
2. Порядок выполнения работы.........................................................33 
3. Оформление результатов ...............................................................36 
Контрольные вопросы........................................................................36 
Лабораторная работа 4. Исследование рабочих характеристик 
осциллографической электронно-лучевой трубки..............................37 
1. Теоретическое введение.................................................................37 
1.1. Принципы работы электронно-лучевой трубки ...................37 
1.2. Параметры кинескопов и их конструктивные особенности.......42 
2. Описание испытательного стенда.................................................46 
3. Порядок выполнения работы.........................................................47 
3.1. Последовательность включения испытательного стенда 
и снятие параметров трубки ..........................................................47 
3.2. Обработка результатов измерений.........................................48 
4. Оформление результатов ...........................................................49 
Контрольные вопросы........................................................................50 

Лабораторная работа 5. Исследование рабочих характеристик 
приемной телевизионной электронно-лучевой трубки.......................51 
1. Теоретическое введение.................................................................51 
1.2. Основные параметры кинескопов  и их конструктивные 
особенности.....................................................................................53 
2. Схема испытательного стенда.......................................................56 
3. Порядок выполнения работы.........................................................57 
4. Оформление результатов работы..................................................58 
Контрольные вопросы........................................................................60 
Лабораторная работа 6. Исследование яркостных характеристик 
газоразрядной панели постоянного тока..............................................61 
1. Теоретическое введение.................................................................61 
1.1. Механизм электрического разряда и эффект Пеннинга ......63 
1.2. Интервал памяти и подготовка ячейки..................................66 
1.3. Временнáя задержка при ионизации  и деионизации ..........68 
1.4. Яркость и эффективность газоразрядной матричной панели....71 
2. Конструкция газоразрядной матричной панели и принцип  
ее работы .............................................................................................72 
3. Конструкция и принцип работы самосканирующейся 
газоразрядной матричной панели .....................................................76 
4. Схема испытательного стенда.......................................................79 
5. Порядок выполнения работы.........................................................81 
6. Оформление результатов работы..................................................81 
Контрольные вопросы........................................................................82 
Библиографический список...................................................................82 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В связи с широким использованием вычислительной техники, автоматизированных систем управления, средств и систем массового 
обслуживания, а также электронных приборов индивидуального 
пользования все большее значение приобретают устройства отображения информации. 
В настоящее время известно и широко применяется на практике 
большое число разнообразных устройств отображения информации. Наибольшее распространение среди них получили электронно-лучевые трубки, газоразрядные индикаторные устройства 
(плазменные панели), светоизлучающие диоды и жидкокристаллические дисплеи. 
В лабораторном практикуме рассматриваются устройства, действие которых основано на использовании свободных электронов и 
ионов, т.е. на явлениях электрического разряда в вакууме или в газах. 
Рассматриваются основы физики газового электрического разряда, 
условия ускорения заряженных частиц в электрическом поле, ионноэлектронной эмиссии с поверхности материалов, принципы передачи 
телевизионного изображения, параметры кинескопов и принципы 
работы самосканирующейся газоразрядной матричной панели. 
Лабораторный практикум выполняется как на персональных 
ЭВМ, так и на современном измерительном оборудовании, выполненном в виде испытательных стендов. 

Лабораторная работа 1 

(2 часа) 

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО 
РАЗРЯДА 

Цель работы – установить оптимальные условия зажигания газового электрического разряда на основании закона Пашена. 

1. Теоретическое введение 

1.1. Электрический ток при ионизации 
электронным ударом 

Коэффициент ионизации Таунсенда 
и удельная ионизация 

Если электрон движется через газ под влиянием электрического 
поля, то на своем пути он претерпевает соударения с некоторым количеством молекул или атомов газа (число их определяется давлением газа). Даже если энергия электрона, приобретенная им в поле, будет меньше энергии, необходимой для ионизации (
i
i
eU
W =
) газа, тем 
не менее, он может полностью или частично передать свою энергию 
этому газу, переводя его в возбужденное состояние. В том случае, 
если энергия электрона равна или больше энергии ионизации, то 
атомы (или молекулы) газа могут быть ионизованы. 
Число пар носителей заряда, образующихся при ударной ионизации одним электроном на 1 см длины его пробега, называют коэффициентом ионизации Таунсенда α, 1/см. Величина α зависит от давления газа p , от рода газа, от потенциала ионизации 
i
U , а также от 
напряженности поля E  в разрядном промежутке. 
Пусть электрон после последнего соударения с нейтральной молекулой газа имеет скорость равную нулю. Тогда после прохождения 
пути x  в направлении поля он может снова ионизовать газ, если выполняется условие: 

 
i
eU
eEx ≥
 или 
E
U
x
i
≥
. 
(1.1) 

Следовательно, путь x  должен быть по крайней мере равен 
E
Ui
. Доля электронов, которые могут пройти путь x  без столкновения при данном давлении газа, (согласно закону Клаузиуса для 
распределения длин пробега) рассчитывается по формуле 

 
( )
e
x
x
e
x
f
N
N
λ

0

−
=
=
, 
(1.2) 

где 
0
N  – число электронов при 
0
=
x
, 
e
λ  – средняя длина свободного пробега электронов (т.е. средняя величина пути между двумя 
соударениями). 

Функция 
( )
x
f
 дает одновременно и долю электронов, длина свободного пробега которых превосходит x . Путем дифференцирования 
функции 
( )
x
f
 получают долю электронов, длина свободного пробега которых лежит в интервале от x  до 
dx
x +
, что соответствует числу соударений в этом интервале: 

 
( )
e
x

e
e
dx
x
df
λ
λ
1
−
=
. 
(1.2а) 

Число соударений на единице длины в точке 
E
U
x
i
=
 (когда 
энергия электрона достигает значения, соответствующего потенциалу ионизации 
i
U ) определяет коэффициент ионизации α. Тогда, используя соотношение (1.1), получим: 

 
e
i E
U

e
e
λ
λ
1
α
−
=
. 
(1.3) 

Как будет показано далее, средняя длина свободного пробега 
электрона в газе обратно пропорциональна давлению газа p . Следовательно, 
p
C
e
1
λ =
 (где 
1
C  – постоянная) и соотношение (1.3) можно записать следующим образом: 

 
1

1
α
EC
p
Ui
e
C
p
−
=
. 
(1.3а) 

Обозначив 
A
C =
1
1
 и 
B
C
Ui
=
1
, получаем: 

 
E
Bp
Ape−
=
α
. 
(1.4) 

Это и есть формула Таунсенда для ионизации. Она определяет коэффициент ионизации α для электродов любой формы как функцию 
давления p  и напряженности поля E  в газоразрядной лампе, в которой 
носители заряда образуются в результате ударной ионизации электронами. Коэффициент α, как функция давления, проходит при постоянной 
напряженности поля через максимум при 
B
E
p =
0
 («эффект Столетова»); при этом давлении 
e
Ap0
макс
α
α
=
=
. Характерные для каждого 
газа величины А, 1/см·мм рт. ст., и В, в/см мм рт. ст. называют постоянными Таунсенда; они связаны между собой соотношением 

 
A
U
B
i
=
. 
(1.5) 

Как показано в табл. 1.1, соотношение (1.5) только весьма приближенно согласуется с экспериментально найденными значениями. 
Причины такого расхождения заключаюся в следующем. 
Во-первых, в уравнении (1.1) принимается, что электрон способен 
ионизировать, если его кинетическая энергия 
i
W
E ≥
к
. В действительности вероятность ионизации при 
i
W
E =
к
 практически равна 
нулю, а далее растет постепенно с увеличением энергии электрона и 
достигает максимума при 
(
)
i
W
E
6
...
4
к ≈
. 
Во-вторых, в действительности электроны движутся не вдоль силовых линий электрического поля, а по довольно сложным траекториям, при этом скорость движения электрона по траектории будет на 
порядок больше, чем скорость их дрейфа в направлении поля. 
Несмотря на этот источник ошибок, уравнение (1.4) с достаточной 
степенью точности применимо для некоторой области значений 

p
E
(указаны в табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Связь потенциала ионизации с параметрами Таунсенда 

Тип газа 
А, 1/см мм рт. ст. 
В, В/см мм рт. 
ст. 

Область значений 

p
E
, 
В/(см мм рт. ст) 

i
U , В 

Воздух 
13,2 
278 
100…800 
(34) 

N2 
12 
342 
100…600 
15,5 

H2 
5 
130 
150…600 
15,4 

He 
3 
34 
20…150 
24,5 

Ar 
14 
180 
100…600 
15,7 

Xe 
26 
350 
200…800 
12,1 

Hg 
20 
370 
200 – 600 
10,4 

На рис. 1.2 представлен ход функции 
(
)
p
E
f
p =
α
 согласно 
уравнению (1.4). 

 

Рис. 1.1. Теоретический ход функции α/р = f(E/p) 

Отношение 
p
α
 при 
=
p
1 мм рт. ст. называют удельной ионизацией 
0
S , 1/(см мм рт. ст.). Она равна числу пар носителей, которое образуется одним электроном на 1 см длины свободного пробега при давлении 
1
=
p
 мм рт. ст. По уравнению (1.4) при 
1
=
p
 мм рт. ст. имеем 

 
( )
U
f
Ae
S
E
B
=
=
−
0
, 
(1.6) 

где U  – ускоряющее электроны напряжение.  

Теоретический ход функции 
( )
U
f
S =
0
 согласуется с точностью 
до постоянной величины с ходом кривой на рис. 1.2. Для сравнения 
на рис. 1.2 приведено несколько экспериментальных кривых для 
удельной ионизации 
0
S  как функции ускоряющего электроны напряжения для различных газов. 

0

0

0

 

Рис. 1.2. Зависимость удельной ионизации от ускоряющего напряжения 
для различных газов 

Падение ионизации при больших ускоряющих напряжениях U  
связано с уменьшением (не учтенном при теоретических расчетах) 
вероятности ионизации, которая, как сказано ранее, достигает максимума при 
(
)
i
W
eU
E
6
...
4
к
=
=
. 

Усиление тока 

Благодаря ударной электронной ионизации в газе непрерывно образуются новые электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, сами могут вызывать ионизацию нейтральных молекул газа. 
Благодаря этому электронный ток в направлении движения электронов растет лавинообразно. Увеличение числа носителей при образовании лавины обусловливает усиление тока. 
Для расчета коэффициента усиления тока принимают, что в газонаполненном диоде с плоскими электродами (например, в газонаполненном фотоэлементе – рис. 1.2) из катода (
0
=
x
) благодаря фотоэффекту испускается 
0z  электронов в секунду. 
Если число электронов, проходящих в секунду через плоскость, отстоящую от катода на расстоянии x , обозначить z , то в слое газа толщиной dx  благодаря ударной ионизации этими электронами образуется  

 
dx
z
dz
α
=
 
 (1.7) 

новых электронов и ионов в секунду. Интегрируя уравнение (1.7), 
при постоянной величине α получаем выражение 

 
x
e
z
z
α
=
0
. 
(1.7а) 

Число электронов, достигших анода (
d
x =
) за секунду, равно: 

 
d
e
z
z
α
=
0
a
. 
 (1.7б) 

Следовательно, число электронов растет экспоненциально (лавинообразно) с увеличением расстояния между анодом и катодом 
(справедливо при 
const
=
E
). 
Коэффициентом газового усиления тока 
1
η  называют соотношение 

 
d
e
I
I
z
z
α
=
=
=
η

0

a

0

a
1
, 
(1.8) 

где 
aI  – анодный ток; 
0I  – ток эмиссии катода.