Алексей В. Петренко

Физический факультет НГУ.

1. Введение.

 

 

    В настоящее время ведутся работы по исследованию физики газового разряда в системе с полым катодом. Это связано с разработкой ионных [4] и кластерных источников [10], а также совершенствованием источников излучения на основе полого катода.

С этой точки зрения представляет интерес определение параметров разряда, при которых распыление материала катода и оптические характеристики разряда обеспечивают стабильную работу источника частиц, лазера или ионного источника. [5],[2].

    При исследовании распыления поверхности полого катода в тлеющем разряде было обнаружено, что помимо кластеров из плазмы полого катода напыляются крупные каплеобразные частицы металла. Образование этих частиц по предположению связывалось с локальным переходом разряда в дуговую стадию. Кроме того, в разряде с сетчатым полым катодом были замечены характерные яркие вспышки по поверхности катода, что также связывалось с образованием микродуг. Возникла задача посмотреть зависимость разрядного тока от времени. Осциллограммы тока и напряжения между электродами показали, что эти параметры разряда одновременно испытывают хаотические скачки с амплитудой превышающей среднее значение.
 
    Данная работа посвящена определению связи между световыми вспышками по поверхности катода и осциллограммами токов и напряжений.
 

2. Теоретическая часть.



Краткая теория фотодиода

    При поглощении фотона в полупроводнике образуются пары электрон-дырка. При их разделении возникает фототок, причем электроны перемещаются к n-области, а дырки к p-области.

    Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае если эта пара образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием электрического поля (рис. 1). Альтернативой разделению является обычная рекомбинация пары электрон-дырка, при которой не происходит какого-либо смещения заряда и, таким образом, не вносится вклад в фототок.

    Электрическое поле распределено в кристалле полупроводникового диода неравномерно. В диффузионных областях p-типа, и n-типа поле намного слабее, чем о области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для Эффективной работы фотодиода необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в обедненном слое.

    Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины волны. Фотоны с малой длинной волны поглощаются вблизи поверхности, а фотоны с большой длинной волны могут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспечения широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень тонкий p-слой (для определенности предположим, что свет подает на поверхность кристалла, соответствующую p-области (см. рис. 4)), допускающий проникновение фотонов с малой длинной волны, и толстый обедненный слой, для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.

    Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника в этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, если обратное смещение не приложено. Напряжение обратного смещения расширяет обедненную область

    Для повышения чувствительности к фотонам с малой и большой длинами волн при низком обратном смещении предпочтительнее диод с p-i-p-структурой, чем диод с p-n-переходом. Диод с p-i-p-структурой имеет тонкую диффузионную p-область с передней стороны и более толстую диффузионную n-область с задней стороны высокоомной кремниевой пластины. Слой с высоким удельным сопротивлением между p - и n-областями называется областью собственной проводимости, или i-слоем.

3. Экспериментальная установка



    
   
    Схематический чертеж разрядного устройства и электрическая схема установки показана на рис. 2. Внутри вакуумной камеры, собранной из дюралюминиевого блока, стеклянных трубок и изолятора, находятся электроды. В экспериментах использовались полые катоды из алюминия, меди и железа, а также, катоды из стальной сетки.

    Потенциал на аноде измерялся при помощи делителя напряжения. Катод заземлен через низкоомное сопротивление, по напряжению на котором можно определить разрядный ток. Излучение газового разряда регистрировалось германиевым фотодиодом.

    Особенностью данной установки является то, что изменение тока через фотодиод вызванное световой вспышкой практически теряется на фоне сетевых помех и наводок, появляющихся из-за большой производной разрядного тока в начальный момент скачка. Поэтому при недостаточной экранировке фотодиода, вместо ожидаемого увеличения фототока можно наблюдать обратный эффект, определяющийся наводками от разрядного тока когда напряжение резисторе R₂ изменяется в отрицательную сторону, по форме напоминая скачек напряжения между электрродами.
 
    В силу этих причин в эксперименте помимо полной экранировки всей схемы с фотодиодом и использования коаксиальных кабелей для вывода сигнала на осциллограф и подачи обратного смещения на фотодиод, пришлось окружить разрядную трубку заземленной металлической сеткой, чтобы уменьшить наводки. Даже после принятия этих мер фотодиодный ток после перекрывания отверстия трубки из черной бумаги (см. рис. 2) испытывал небольшой скачек в отрицательную сторону (рис. 5).
 

4. Результаты измерений

 
    Осциллограммы напряжений на резисторах показали, что в газовом разряде напряжение на аноде, в среднем постоянное, испытывает случайные по времени скачки, со средним периодом порядка десятков миллисекунд. Катодный ток при этом тоже менялся скачкообразно.

    Если в ждущем режиме запускать развертку двухканального осциллографа от сигнала то на экране можно наблюдать устойчивую картинку, (получающуюся при наложении нескольких осциллограм) из которой следует, что скачки разрядного тока (рис. 6, 8), напряжения (рис. 10, 11) и фототока (рис. 7, 9) происходят одновременно и имеют приблизительно одинаковую длительность.

    Причем, в зависимости от вида разряда можно выделить два типа осциллограм.Первые (рис. 6, 8, 11), полученные в высоковольтной стадии разряда, отличаются гладкой формой скачков. Во втором случае, когда реализуется тлеющий разряд с полным проникновением плазмы внутрь катода (рис. 4), спустя 40:60 мсек после начала скачка наблюдались затухающие колебания(рис. 8, 9, 10).



5. Обсуждение результатов

 

 

    Механизм рассмотренного эффекта качественно представляется следующим. В газовом разряде из-за каких-либо неровностей поверхности катода и флуктуаций ионного тока происходит локальный переход разряда в дуговую стадию, что сопровождается образованием ярко светящегося катодного пятна. При этом разрядный ток резко увеличивается. Большая производная тока индуцирует скачек напряжения.

    С течением времени неровности катодной поверхности под действием микродуг сглаживаются, и частота вспышек уменьшается. Стабильность данного эффекта в случае разряда с алюминиевым катодом объясняется возможно тем, что на поверхности алюминия присутствует защитный слой оксида, затрудняющий сглаживание неровностей.

    Наличие затухающих колебаний на осциллограммах рис. 8, 9, 10 может быть объяснено взаимодействием сгустка электронов, вылетевших из катодного пятна, с плазмой, которая заполняет полость в случае тлеющего разряда. В высоковольтном разряде отсутствие этого эффекта (рис. 6, 8, 11), по-видимому, объясняется из обратных соображений.

6. Выводы


є Установлена связь между наблюдаемыми в разряде с полым катодом световыми вспышками и скачками разрядного тока и напряжения.

є Интенсивность и частота вспышек определяется свойствами материала катода.

7. Литература

[2] В.И. Кириченко и др. Влияние геометрических размеров, материала катода и рода газа на область оптимальных давлений тлеющего разряда с цилиндрическим полым катодом. -ЖТФ, 1976, т.46 ?9.

[3] С.П. Никулин. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1997, т.67, ?5.

[4] С.П. Никулин. Тлеющий разряд с полым катодом в длинных трубках. -ЖТФ, 1999, т.69, ?6.

[5] В.Г. Гречаный, А.С. Метель. Влияние граничных условий на характеристики тлеющего разряда с полым катодом. -ЖТФ, 1982, т.52, ?3.

[8] Б.И. Москалев. Разряд с полым катодом. "Энергия", М. (1969).

[9] В.С. Бородин и Ю.М. Каган. Исследование разряда в полом катоде. -ЖТФ, 1966, т. XXXVI, ?1.

[10] K. Ishii, K. Amato and H. Hamakake. "Hollow cathode sputtering cluster source for low energy deposition: Deposition of Fe small clusters." J. Vac. Science and Technol. A, 17/1999.

[11] С. Гейг, Д. Эванс, и др. Применение оптоэлектронных приборов. Радио и связь, 1981.