Что такое ударная ионизация кратко

Обновлено: 07.07.2024

Ударная ионизация происходит при столкновении электронов, движущихся с большой скоростью ( под действием электрического поля), с нейтральными атомами. Если электроны обладают при этом достаточной кинетической энергией, то они выбивают из нейтральных частиц электроны, превращая их в положительно заряженные ионы и свободные электроны, которые также начинают перемещаться к аноду, участвуя в процессе ударной ионизации. Чем больше давление газа, тем меньше длина свободного пробега электрона, тем меньше скорость, которую успевает набрать электрон до столкновения, и, следовательно, тем меньше кинетическая энергия электрона при столкновении. Таким образом, повышение давления газа в пространстве, окружающем дугу, ведет к ослаблению процесса ударной ионизации. [7]

Ударная ионизация начинает происходить, когда напряженность поля становится около 3 105 В / см. При увеличении электрического поля выше этого значения число пар электрон-дырка, генерируемых в ООЗ, растет очень быстро. Вследствие того, что генерируемые полем носители добавляются к создаваемым термогенерацией, увеличивая обратный ток утечки, обратная характеристика диода выглядит, как показано на рис. 2.1. Когда ударная ионизация достигает бесконечно большой скорости, говорят, что диод испытывает лавинный пробой. [9]

Ударная ионизация является одной из существенных причин пробоя электронно-дырочного перехода. [11]

Ударная ионизация в коллекторном переходе ( см. § 2.5) возникает при достаточно высокой напряженности поля. [12]

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов, движущихся под воздействием электрического поля вдоль столба дуги, с нейтральными молекулами и атомами газа в дуговом промежутке. [14]

Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина сама по себе еше не достаточна для образования пробоя, так как не создает проводящего пути между электродами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами должны иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс формирования разряда. Характер этих явлений, сопровождающих ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов. [15]

Связанные понятия

Рекомбинация — исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с выделением энергии.

Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов).

Подвижность носителей заряда — коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей и приложенным внешним электрическим полем. Определяет способность электронов и дырок в металлах и полупроводниках реагировать на внешнее воздействие. Размерность подвижности м2/(В·с) или см2/(В·с). Фактически подвижность численно равна средней скорости носителей заряда при напряженности электрического поля в 1 В/м. Стоит заметить, что мгновенная скорость может быть много больше дрейфовой. Понятие подвижности.

Упоминания в литературе

По-видимому, автору не известно, что коронный разряд с несущих энергию конструкций не зависит от каких-либо необычных концентраций атмосферных ионов и, наоборот, зависит только от достаточно сильных полей, в которых непрерывно освобождающиеся электроны (выбиваемые космическими лучами или радиоактивными источниками из нейтральных молекул) могут получить ускорение на одном и том же пути свободного пробега и приобрести при этом энергию, достаточную для инициирования дополнительной ударной ионизации . Ошибаясь в этом вопросе, Класс делает неверный вывод о коронных разрядах на линиях высокого напряжения в условиях избыточной ионизации воздуха.

Связанные понятия (продолжение)

Фотопроводи́мость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения, такого как видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение.

Электроны проводимости — это электроны, способные переносить электрический заряд в кристалле, отрицательно заряженные квазичастицы в металлах и полупроводниках, электронные состояния в зоне проводимости.

Пространственный заряд — распределённый нескомпенсированный электрический заряд одного знака. Пространственные заряды возникают в вакуумных и газоразрядных лампах в пространстве между электродами, а также в неоднородных областях полупроводниковых приборов, и сильно влияют на прохождение тока через эти области, приводя к нелинейным вольт-амперным характеристикам таких приборов.

Электро́нный га́з — модель в физике твердого тела, описывающая поведение электронов в телах с электронной проводимостью. В электронном газе пренебрегается кулоновским взаимодействием между частицами, а сами электроны слабо связаны с ионами кристаллической решетки. Соответствующим понятием для материалов с дырочной проводимостью является дырочный газ.

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью.

Носи́тели заря́да — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Магно́н — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, которое сопровождается.

Возбуждение в физике — переход системы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.

Ку́перовская па́ра — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году, рассмотревшим лишь упрощенную двухчастичную задачу. Коррелированные пары электронов ответственны за явление сверхпроводимости.

Ток смещения, или абсорбционный ток, — величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции. Это понятие используется в классической электродинамике. Введено Дж. К. Максвеллом при построении теории электромагнитного поля.

Межа́томное взаимоде́йствие — электромагнитное взаимодействие электронов и ядра одного атома с электронами и ядром другого атома. Межатомное взаимодействие зависит от расстояния между атомами и электронных оболочек атомов. Мерой межатомного взаимодействия является энергия взаимодействия атомов. Энергия взаимодействия атомов лежит в широком диапазоне. Энергия межатомного взаимодействия является отчётливо выраженной периодической функцией положительного заряда ядра атома.

Опти́ческий разря́д — вид высокочастотного разряда в газах, наблюдающегося для частот излучения, лежащих в оптическом диапазоне. Обычно оптические разряды инициируются мощным лазерным излучением. Различают два основных вида оптических разрядов: оптический пробой (или лазерная искра) и непрерывный оптический разряд.

Двумерный электронный газ (ДЭГ) — электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму. Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками. Если число заполненных энергетических подзон в ДЭГ превышает одну, то говорят о квазидвумерном.

Эффект Мейснера, эффект Мейсснера (от нем. Meißner) — полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Двойной электрический слой (межфазный) (ДЭС) — слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентирования полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью, называются потенциалоопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами.

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Поверхностные состояния, (англ. Surface states) (также поверхностные электронные состояния) — электронные состояния, пространственно локализованные вблизи поверхности твёрдого тела.

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Валентная зона — энергетическая область разрешённых электронных состояний в твёрдом теле, заполненная валентными электронами.

Циклотронный резонанс (ЦР) — явление поглощения или отражения электромагнитных волн проводниками, помещёнными в постоянное магнитное поле, на частотах равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда.

Антиферромагнетизм (от анти- и ферромагнетизм) — одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация элементарных магнитиков приводит к высокой намагниченности тела.

Эффе́кт Баркга́узена — скачкообразное изменение намагниченности (J) ферромагнитного вещества при монотонном, непрерывном изменении внешних условий, приводящих к изменению доменной структуры материала.

Суперпарамагнетизм — форма магнетизма, проявляющаяся у ферромагнитных и ферримагнитных частиц. Если такие частицы достаточно малы, то они переходят в однодоменное состояние, то есть становятся равномерно намагниченными по всему объёму. Магнитный момент таких частиц может случайным образом менять направление под влиянием температуры, и при отсутствии внешнего магнитного поля средняя намагниченность суперпарамагнитных частиц равна нулю. Но во внешнем магнитном поле такие частицы ведут себя как парамагнетики.

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость.

Сверхтонкая структура — структура уровней энергии атомов, молекул и ионов и, соответственно, спектральных линий, обусловленная взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов. Энергия этого взаимодействия зависит от возможных взаимных ориентаций спина ядра и спинов электронов.

Заря́женная части́ца — частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так составные: атомарные и молекулярные ионы, многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду (если не учитывать кварковую модель адронов).

Ды́рка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.

Дипо́ль — идеализированная система, служащая для приближённого описания поля, создаваемого более сложными системами зарядов, а также для приближенного описания действия внешнего поля на такие системы. Дипольное приближение, выполнение которого обычно подразумевается, когда говорится о поле диполя, основано на разложении потенциалов поля в ряд по степеням радиус-вектора, характеризующего положение зарядов-источников, и отбрасывании всех членов выше первого порядка. Полученные функции будут эффективно.

Фоно́н — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Индукти́вно-свя́занная пла́зма (ИСП), англ. inductively coupled plasma, ICP — плазма, образующаяся внутри разрядной камеры, горелки или иного плазменного реактора при приложении высокочастотного переменного магнитного поля.

Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 101000 до 1012—1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.

Поляро́н — квазичастица в кристалле, состоящая из электрона и сопровождающего его поля упругой деформации (поляризации) решётки. Медленно движущийся электрон в диэлектрическом кристалле, взаимодействующий с ионами решётки через дальнодействующие силы, будет постоянно окружён областью решёточной поляризации и деформации, вызванной движением электрона. Двигаясь через кристалл, электрон проводит решёточную деформацию, потому можно говорить о наличии облака фононов, сопровождающего электрон. Характер.

Ио́нные криста́ллы представляют собой кристаллы, состоящие из ионов, связанных между собой электростатическим притяжением. Примерами таких кристаллов являются галогениды щелочных металлов, в том числе фторид калия, хлорид калия, бромид калия, иодид калия, фторид натрия и другие комбинации ионов натрия, цезия, рубидия и лития с ионами фтора, брома, хлора и иода.NaCl имеет расположение ионов по системе 6:6. Свойства NaCl отражают сильные взаимодействия, которые существуют между ионами. В расплавленном.

Эффе́кт Оже́ (оже́-эффе́кт) — вылет электрона атомной оболочки вследствие безызлучательного перехода в атоме при снятии возбуждения, возникшего в результате образования по какой-либо причине на одной из внутренних оболочек вакансии. Вакансия может возникнуть при выбивании другого электрона рентгеновским или гамма-излучением, электронным ударом, а также в результате ядерных процессов — внутренней конверсии при переходе между уровнями ядра либо захвата электрона ядром (одного из видов бета-распада.

Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточ­ную для ионизации примеси или собственного атома полупровод­ника. Процесс ионизации атомов разогнавшимся в поле носите­лем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь спо­собом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.


Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемых первичным носи­телем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупро­водниках обозначают . Коэффициенты ударной иониза­ции очень сильно зависят от напряженности электрического поля. Для практических расчетов часто пользуются эмпириче­ской аппроксимацией


(1)

где т — довольно большой показатель степени, различный для разных материалов (от 5 до 8).

Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рисунок 4).


Рисунок 4. Туннелирование электронов из валентной зоны в зону проводимости при сильном электрическом поле в полупроводнике


При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (тол­щиной ) без изменения своей энергии — туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования про­исходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.

Вероятность перехода электронов из ва­лентной зоны в зону проводимости и, наобо­рот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из ва­лентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимо­сти. Поэтому концентрация носителей заряда растет при туннелировании.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжен­ностях электрического поля: в кремнии — при В/см, в германии – при В/см. Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барье­ра ( ) зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон.

Теперь рассмотрим влияние сильного электрического поля на подвижность носителей заряда.

Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточ­ную для ионизации примеси или собственного атома полупровод­ника. Процесс ионизации атомов разогнавшимся в поле носите­лем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь спо­собом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.


Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемых первичным носи­телем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупро­водниках обозначают . Коэффициенты ударной иониза­ции очень сильно зависят от напряженности электрического поля. Для практических расчетов часто пользуются эмпириче­ской аппроксимацией


(1)

где т — довольно большой показатель степени, различный для разных материалов (от 5 до 8).

Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рисунок 4).


Рисунок 4. Туннелирование электронов из валентной зоны в зону проводимости при сильном электрическом поле в полупроводнике


При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (тол­щиной ) без изменения своей энергии — туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования про­исходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.




Вероятность перехода электронов из ва­лентной зоны в зону проводимости и, наобо­рот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из ва­лентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимо­сти. Поэтому концентрация носителей заряда растет при туннелировании.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжен­ностях электрического поля: в кремнии — при В/см, в германии – при В/см. Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барье­ра ( ) зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон.

Теперь рассмотрим влияние сильного электрического поля на подвижность носителей заряда.

ИОНИЗА́ЦИЯ, об­ра­зо­ва­ние по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных ио­нов и сво­бод­ных элек­тро­нов из элек­три­че­ски ней­траль­ных ато­мов и мо­ле­кул. По­ло­жи­тель­ные ио­ны об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те от­ры­ва элек­тро­на (или элек­тро­нов) от ато­мов и мо­ле­кул. В осо­бых слу­ча­ях ней­траль­ные ато­мы и мо­ле­ку­лы мо­гут при­сое­ди­нять элек­тро­ны и об­ра­зо­вы­вать от­ри­ца­тель­ные ио­ны. Под­вер­гать­ся И. мо­гут и ио­ны, при этом по­вы­ша­ет­ся их крат­ность. Под И. по­нима­ют как эле­мен­тар­ный акт (И. ато­ма, мо­ле­ку­лы), так и со­во­куп­ность мно­же­ст­ва та­ких ак­тов (И. га­за, жид­ко­сти). И. мо­жет про­ис­хо­дить при столк­но­ве­ни­ях час­тиц (столк­но­ви­тель­ная, или удар­ная, И.), под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (фо­то­ио­ни­за­ция), под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля ( ио­ни­за­ция по­л ем). И., про­ис­хо­дя­щая при взаи­мо­дей­ст­вии из­лу­че­ния или час­тиц внут­ри ве­ще­ст­ва (сре­ды), на­зы­ва­ет­ся объ­ём­ной, на по­верх­но­сти твёр­до­го те­ла или жид­ко­сти – по­верх­но­ст­ной ио­ни­за­ци­ей . По­ложи­тель­ные и от­ри­ца­тель­ные ио­ны об­ра­зу­ют­ся так­же при элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­циа­ции.

Читайте также: