Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 21 (всего у книги 47 страниц)
Электронная пушка
Электро'нная пу'шка, устройство для получения потоков (пучков) электронов в объёме, из которого удалён воздух (в вакууме). Электроны в Э. п. вылетают из катода и ускоряются электрическим полем (рис. 1 ). Испускание электронов из катода происходит главным образом в процессах термоэлектронной эмиссии , эмиссии из плазмы , автоэлектронной эмиссии (см. Туннельная эмиссия ) и фотоэлектронной эмиссии , формирование заданного распределения электронного пучка на выходе из Э. п. осуществляется подбором конфигурации и величины электрического и магнитного полей и является предметом электронной оптики (см. Электронная и ионная оптика ). Термин «Э. п.» применяют как к устройствам для формирования высокоинтенсивных электронных пучков (сильноточные Э. п.), так и к более простым совокупностям электродов для получения пучков малой интенсивности (используемых в клистронах , магнетронах , электроннолучевых приборах ); последние часто называются электронными прожекторами. Конструкции и параметры слаботочных Э. п. весьма разнообразны. Схема одной из них приведена на рис. 2 . Э. п. находят широкое применение в технике и научных исследованиях, в частности в телевизионных системах, электронных микроскопах, электроннооптических преобразователях, аппаратах для плавки и сварки металлов, возбуждения газовых лазеров и т. д. Токи электронных пучков в слаботочных Э. п. могут иметь значения в пределах от десятков мка до десятков а, а энергии электронов доходить до сотен кэв.
В сильноточной Э. п., являющейся двухэлектродным прибором (диодом), генерируются электронные пучки с существенно большими токами – до 104 – 107 а, энергией ускоренных электронов до 10—20 Мэв и мощностью £ 1013вт. Обычно в сильноточной Э. п. при плотностях тока ³ 1 ка/см2 используются холодные катоды со «взрывной эмиссией». Взрывная эмиссия возникает при нагреве и взрыве микроострий на поверхности катода током автоэлектронной эмиссии (см. Туннельная эмиссия ). Ионизация паров приводит к формированию у поверхности катода плотной плазмы и увеличению средней плотности тока эмиссии в 103 —104 раз. Прикатодная плазма расширяется к аноду со скоростью v = (2—3)×106см/сек и замыкает состоящий из катода и анода диод за время d/v (d — расстояние катод – анод), что ограничивает длительность тока пучка через диод временами ~ 10-8 – 10-6сек.
При малых токах и отсутствии разреженной плазмы между катодом и анодом движение электронов в сильноточной Э. п. с учётом релятивистских поправок подобно движению в слаботочной Э. п. Отличительная особенность Э. п. в режимах с большими токами состоит в сильном влиянии магнитного поля пучка на траектории электронов. Как показывает расчёт, при токе диода 
(ка ) (рис. 3 , – полная энергия электронов у анода, mc2 – энергия покоя; см. Относительности теория ) собственное магнитное поле потока электронов заворачивает электроны к оси этого потока и сжимает поток к центру анода. Это сжатие пучка у анода приводит к экранировке центральной области катода пространственным зарядом пучка, вследствие чего электроны испускаются главным образом кромкой катода, что хорошо видно на рис. 3 . Эффект сжатия наиболее ярко проявляется, если пространств, заряд и его электрическое поле частично компенсируются ионами плазмы, заполняющей приосевую область диода или покрывающей поверхность анода. Плазма в диоде создаётся либо с помощью внешних источников, либо в результате нагрева анода электронным пучком. При этом на аноде плотность тока сфокусированного пучка достигает 106 —108 а/см2, а плотность потока энергии £ 1013вт/см2. Представление о пучке в этом случае условно, т. к. поперечная скорость электронов сравнима с продольной.
Если на аноде есть слой плотной плазмы, то ионы ускоряются электрическим полем к катоду, а ток в диоде переносится и электронами, и ионами. Теория и расчёт, подтверждаемые экспериментами, предсказывают, что в результате взаимодействия магнитного поля с электронами их ток с увеличением R/d (в отличие от ионного) перестаёт нарастать. Это открывает возможность получения в сильноточных Э. п. ионных пучков с током ³ 106 а. Эффект подавления электронных токов на периферии диода магнитными полями, называется магнитной изоляцией, используется в вакуумных передающих линиях, соединяющих источник питания с диодом Э. п. и выдерживающих без пробоя напряжённость электрического поля £ 4×106в/см.
Сильноточные Э. п. используются для нагрева плазмы, коллективного ускорения заряженных частиц, получения тормозного излучения и потоков нейтронов, генерации СВЧ-колебаний и лазерного излучения, в исследованиях по физике твёрдого тела.
Лит.: Алямовский И. В., Электронные пучки и электронные пушки, М., 1966; Месяц Г. А., Генерирование мощных наносекундных импульсов, М., 1974; Смирнов В. П., Получение сильноточных пучков электронов, «Приборы и техника эксперимента», 1977, в. 2.
В. П. Смирнов.
Рис. 1. Схема электронной пушки: 1 – катод; 2 – модулятор; 3 – первый анод; 4 – второй анод; е – траектории электронов.
Рис. 3. Схема сильноточного диода: 1 – катод; 2 – слой катодной плазмы; 3 – типичная траектория электрона в диоде, имеющая спиралеобразную форму; 4 – типичная траектория иона в диоде; 5 – слой анодной плазмы; 6 – анод.
Рис. 2. Структурная схема осесимметричной электронной пушки, используемой в клистронах (показана в разрезе).
Электронная спектроскопия
Электро'нная спектроскопи'я для химического анализа (ЭСХА), то же, что фотоэлектронная спектроскопия .
Электронная теория
Электро'нная тео'рия, классическая (неквантовая) теория электромагнитных процессов, в основе которой лежат представления о строении вещества из электрически заряженных частиц – электронов и атомных ядер (см. Лоренца – Максвелла уравнения ).
Электронная терапия
Электро'нная терапи'я, применение пучков ускоренных электронов с лечебными целями: один из видов лучевой терапии .
Электронная фотовспышка
Электро'нная фотовспы'шка, см. в ст. Лампа-вспышка .
Электронная фотография
Электро'нная фотогра'фия, метод воспроизведения изображения объекта на фотоэлектронной эмульсии (так называемая электронно-графическая пластинка) с помощью электронных пучков, испускаемых фотокатодом, на который проецируется световое изображение объекта. Э. ф. применяется в астрономии для изучения структуры слабых протяжённых объектов (туманностей, галактик) и их спектров, для исследований двойных звёзд, астрофотометрических измерений и др. См. также Электронная камера .
Лит.: Курс астрофизики и звездной астрономии, под ред. А. А. Михайлова, 3 изд., т. 1, М., 1973.
Электронная эмиссия
Электро'нная эми'ссия, испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Э. э. возникает в случаях, когда под влиянием внешних воздействий часть электронов тела приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе тела, или если под действием электрического поля поверхностный потенциальный барьер становится прозрачным для части электронов, обладающих внутри тела наибольшими энергиями. Э. э. может возникать при нагревании тел (термоэлектронная эмиссия ), при бомбардировке электронами (вторичная электронная эмиссия ), ионами (ионно-электронная эмиссия ) или фотонами (фотоэлектронная эмиссия ). В определённых условиях (например, при пропускании тока через полупроводник с высокой подвижностью электронов или при приложении к нему сильного импульса электрического поля) электроны проводимости могут «нагреваться» значительно сильнее, чем кристаллическая решётка, и часть из них может покинуть тело (эмиссия горячих электронов).
Для наблюдения Э. э. необходимо создать у поверхности тела (эмиттера) внешне ускоряющее электроны электрическое поле, которое «отсасывает» электроны от поверхности эмиттера. Если это поле достаточно велико (³ 102в/см ), то оно уменьшает высоту потенциального барьера на границе тела и соответственно работу выхода (Шотки эффект ), в результате чего Э. э. возрастает. В сильных электрических полях (~107 в/см ) поверхностный потенциальный барьер становится очень тонким и возникает туннельное «просачивание» электронов сквозь него (туннельная эмиссия ), иногда называемое также автоэлектронной эмиссией. В результате одновременного воздействия 2 или более факторов может возникать термоавто– или фотоавтоэлектронная эмиссия. В очень сильных импульсных электрических полях (~ 5×107в/см ) туннельная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы . Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера вызывает резкое увеличение тока Э. э. до 106 а при длительности импульсов тока в несколько десятков нсек (взрывная эмиссия). При каждом импульсе тока происходит перенос микроколичеств (~ 10-11г ) вещества эмиттера на анод.
Лит.: Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Бугаев С. П., Воронцов-Вельяминов П. Н., Искольдский А. М., Месяц С, А., Проскуровский Д. И., Фурсей Г. Н., Явление взрывной электронной эмиссии, в сборнике: Открытия в СССР 1976 года, М., 1977.
Т. М. Лифшиц.
Электронноакустический преобразователь
Электронноакусти'ческий преобразова'тель, устройство для преобразования акустических сигналов в электрические. Э. п. представляет собой электроннолучевой прибор с экраном в виде металлического диска с отверстиями, в которые впаяны тонкие остеклованные (для изоляции от диска) проволочки. Внутренняя поверхность диска отшлифована и покрыта слоем диэлектрика с большим коэффициентом вторичной эмиссии. С внешней стороны диска проволочки электрически соединены с элементами матрицы из пьезоэлектрического материала. Под действием акустической волны на элементах матрицы возникают электрические потенциалы, которые по проволочкам передаются на внутреннюю поверхность диска (экрана), при этом распределение зарядов на слое диэлектрика соответствует распределению амплитуд звукового давления в плоскости матрицы. Электронный луч, обегая поочерёдно все участки экрана (так же, как в передающей телевизионной трубке), «считывает» электронное изображение акустического поля и преобразует его в последовательность электрических сигналов.
Э. п. используют в устройствах ультразвуковой дефектоскопии и подводного звуковидения, в приборах медицинской диагностики, как быстродействующие электронные коммутаторы и т. д.
Лит.: Грасюк Д. С. [и др.], Ультразвуковой интроскоп с новым электронно-акустическим преобразователем «У-55», «Акустический журнал», 1965, т. 11, в. 4; Прохоров В. Г., Семенов С. П., О построении систем акустической голографии, в сборнике: Современное состояние и перспективы развития голографии, Л., 1974.
В. Д. Свет.
Электронно-дырочная жидкость
Электро'нно-ды'рочная жи'дкость, конденсированное состояние неравновесной электронно-дырочной плазмы в полупроводниках (см. Плазма твёрдых тел ). Э.-д. ж. образуется, когда концентрация электронов и дырок (свободных или связанных в экситоны ) превышает некоторое, зависящее от температуры критическое значение nkp. Эта концентрация легко достигается с помощью инжекции носителей, освещения полупроводника и т. п. При достижении nkp система неравновесных носителей тока претерпевает фазовый переход, подобный переходу газ – жидкость, в результате которого она расслаивается на две фазы: капли относительно плотной Э.-д. ж., окруженные газом экситонов, и свободных носителей. При этом плотность и кристаллическая структура полупроводника практически не затрагиваются. В отличие от обычных жидкостей, в Э.-д. ж. отсутствуют тяжёлые частицы (ионы, атомные ядра). Поэтому Э.-д. ж. обладает сильно выраженными квантовыми свойствами: она не может кристаллизоваться, а остаётся жидкостью вплоть до самых низких температур (см. Квантовая жидкость ); она не может быть жидкостью молекулярного типа, т. е. состоять из экситонов или экситонных молекул, а состоит из квазисвободных электронов и дырок, т. е. подобна жидкому металлу .
Кулоновское взаимодействие, связывающее частицы в Э.-д. ж., ослаблено диэлектрической проницаемостью кристалла. Поэтому по сравнению с обычными жидкостями энергии связи частиц E и их концентрации по в Э.-д. ж. весьма малы (E ~ 10-2 – 10-1эв, п ~ 1017 – 1019см-3 ). Область температур Т, при которых возможно существование Э.-д. ж., по порядку величины определяется соотношением: Т ³ (0,1 E /к ) ~ 10—100 К (к — Больцмана постоянная ).
Диаметр капель обычно ~ 1—10 мкм, однако удаётся наблюдать капли с диаметрами до 1 мм. Капли можно ускорять до скоростей порядка скорости звука в кристалле, т. е. это подвижные области высокой металлической проводимости внутри практически не проводящего (при низких Т) кристалла. Э.-д. ж. можно рассматривать как устойчивые макроскопические «сгустки» введённой в кристалл энергии возбуждения. Эта энергия выделяется в процессе рекомбинации электронов и дырок частично в виде электромагнитного излучения (излучательные переходы), так что Э.-д. ж. являются интенсивными источниками света. Э.-д. ж. наиболее полно изучена в Ge и Si, однако есть указания на её существование и в других полупроводниках.
Лит. см. при ст. Экситон .
Л. В. Келдыш.
Электронно-дырочный переход
Электро'нно-ды'рочный перехо'д (p —n -переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p ). Поскольку в р -области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n -области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р -область. Однако после ухода дырок в n -области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n -области – положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. п. образуется двойной слой пространственного заряда – отрицательные заряды в р -области и положительные заряды в n -области (рис. 1 ). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д. п.; в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю. Т. о., в Э.-д. п. существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р -области и дырками в n -области), течёт к Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n -области и дырками в р -области), протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер ). Разность потенциалов, возникающая между p- и n -областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положит. потенциал приложен к р -области, то внешнее поле направлено против контактного, т. е. потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны Э.-д. п. увеличивается (инжекция неосновных носителей), одновременно в р- и n -области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через Э.-д. п. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает. Наоборот, приложение положит, потенциала к и-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через Э.-д. п. становится пренебрежимо малой.
В то же время потоки неосновных носителей не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э.-д. п. течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения. Т. о., зависимость тока 1 через Э.-д. п. от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2 ). При изменении знака напряжения ток через Э.-д. п. может меняться в 105 —106 раз. Благодаря этому Э.-д. п. является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод ). Зависимость сопротивления Э.-д. п. от U позволяет использовать Э.-д. п. в качестве регулируемого сопротивления (варистора ).
При подаче на Э.-д. п. достаточно высокого обратного смещения U = Uпр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток (рис. 2 ). Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решётки, туннельный (зинеровский) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект ), и тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода от Э.-д. п., работающего в режиме больших токов.
От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и ёмкость Э.-д. п. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между п- и р- областями полупроводника и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды являются неподвижными и связанными с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости Э.-д. п. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (называется также зарядной ёмкостью) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. п. приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. п. в качестве варактора – прибора, ёмкостью которого можно управлять, меняя напряжение смещения (см. Параметрический полупроводниковый диод ).
Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. п. находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при различных внешних воздействиях – тепловых, механических, оптических и др. На этом основаны различного рода датчики: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. Э.-д. п. используется также для преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея ).
Э.-д. п. являются основой разного рода полупроводниковых диодов, а также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы – транзисторы , тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. п. используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах .
Э.-д. п. может быть создан различными путями: 1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (р -область), а в другой – акцепторной (n -область); 2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (см. Полупроводниковый гетеропереход ); 3) вблизи контакта полупроводника с металлом , если ширина запрещенной зоны полупроводника меньше разности работ выхода полупроводника и металла; 4) приложением к поверхности полупроводника с электронной (дырочной) проводимостью достаточно большого отрицательного (положительного) потенциала, под действием которого у поверхности образуется область с дырочной (электронной) проводимостью (инверсный слой).
Если Э.-д. п. получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник (например, акцепторной примеси в кристалл с проводимостью n -типа), то переход от n- к р -области происходит скачком (резкий Э.-д. п.). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный Э.-д. п. Плавные Э.-д. п. можно получать также выращиванием монокристалла из расплава, в котором постепенно изменяют содержание и характер примесей. Получил распространение метод ионного внедрения примесных атомов, позволяющий создавать Э.-д. п. заданного профиля.
Лит.: Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, 2 изд., М., 1970; СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение, пер. с англ., М., 1972; Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977.
Э. М. Эпштейн.
Рис. 1. Схема p-n -перехода: чёрные кружки – электроны; светлые кружки – дырки.
Рис. 2. Вольтамперная характеристика р – n-перехода: U – приложенное напряжение; I – ток через переход; Is – ток насыщения; Unp – напряжение пробоя.
