直流放电.docx
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直流放电
二、直流放电
●典型放电位形
●放电电压-电流特性
●放电特征区间
（1）暗放电区
（A）本底电离：
宇宙射线和其它形式的电离。
弱，但可以测量。
①电流形成：
没有电场加速电子产生的电离，辐射电离产生的离子、电子被电场加速。
②验证方法：
测量辐射放电的中和作用。
（B）饱和区：
电子仍然没有得到产生电离的足够能量。
但所有的电子、离子被收集。
典型饱和电流值在pA或nA数量级上，与辐射强度成正比，可以用于辐射计数器。
（C）汤生区：
电子可以电离中性本底气体。
①电子来源：
光电子或二次电了发射，电子碰撞电离
②电流增加过程：
电子雪崩倍增，指数增加（C—E段）
③汤森第一电离系数
英国物理学家汤生（J．S．Towsend）20世纪初提出第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。
适用范围：
非自持到自持的转变，仅仅考虑外部电场，没有考虑等离子体带电粒子对电场的影响。
汤森第一电离系数
，是一个电子沿电场走过单位长度时平均电离碰撞的次数。
推导说明：
（a）电子不是每次碰撞都能产生电离
（b）能电离的碰撞---->电子在两次碰撞间从电场加速获得的能量eEλi≥电离能Vi，即自由程足够大。
（c）N次碰撞中，自由程大于λi的碰撞次数为
Nexp（-λi/
）
为平均自由程。
（d）单位长度内的电子碰撞次数N：
N=
（e）汤森第一电离系数
（f）换成放电参数：
气压、电场
B=AVi
参数A、B必须由实验来确定。
每—种气体的A、B不同。
④不同气体的汤森第一电离系数
气体
A
离子对/（Torr•m）
B
（V/（Torr•m））
Air
1220
36500
CO2
2000
46600
H2
1060
35000
HCI
2500
38000
He
182
5000
H2O
1290
28000
Kr
1450
22000
N2
400
10000
Hg
2000
37000
低折合电场下，He的第一汤森第一电离系数
最大
He最容易击穿放电---->最佳的大气压辉光放电气体。
⑤汤森判据---自持放电条件
考虑离子轰击阴极产生的二次电子，忽略离子碰撞电离，分析自持放电条件：
自持放电:
不需要其他辅助电离，因靠自身能量维持，产生的电子数与损失的电子数相同。
⑥汤森判据---放电电压与pd值的关系
将
的表达式带入自持放电条件得
两边再取对数得帕邢公式
[曲线特性理解]高pd值；低pd值。
[应用]屏蔽----->小d值----->低pd值
将
视为pd的函数，可得最小
对应的pd值
最小击穿电压为：
[应用指导]：
（1）降低等离子体彩电微腔放电电压
MgO:
大，溅射产额低。
（2）降低照明放电电源的工作电压
充入杂质气体---->杂质气体的电离电位低于基本气体的亚稳态激发电位，潘宁效应使放电气压降低。
[电负性气体对放电电压的影响]
（D）电晕区：
（电晕：
单极放电，不完全放电）
（1）产生条件及特征：
在高气压或电极距离较大等条件下，不能产生自持击穿（！
！
）放电。
当一个或两个电极表面曲率半径很小时，电极间的存在极不均匀的电场，在局部强电场区（电极尖端、线、电极边缘）产生不完全击穿的自持放电。
电晕层
在局部强电场区，中性气体被电子激发和电离，产生发出微光的薄层---->晕（晕之本意:
日月周围形成的光圈）。
由点产生的晕---->电晕层。
电晕外区
电晕层以外的区域，电场强度小，不能引起激发和电离，时不发光的暗区，称为电晕外区。
若电晕电流比较高，电晕发出眼睛可见的辉光。
（2）典型放电位形
电场径向分布：
----（内半径处场强最大）
[问题]电晕空间电荷对电场的影响？
放电体积（活性体积）：
活性半径处场强
击穿场强
（3）典型放电电压、电流：
电压大于辉光放电；
电流低于辉光放电，典型值：
微安----毫安级
（4）电晕分类
按电压分：
直流、交流电
按极性：
正电晕、负电晕
按电极：
单电晕，双电晕
正电晕：
放电产生（电晕存在）极性为正的电极附近。
在电晕区，电子被加速获得足够能量，激发、电离中性原子。
正离通过电晕区向阴极运动。
由于电晕外区的电场强度弱，离子不能被加速获能而产生电离（问题:
离子原始能量？
？
？
）----->电晕外区只存在正离子。
临界电极半径：
半径阳极电极半径处的电场
当电压和接地极半径b一定时，阳极半径a增加，
减小-----〉
存在极值
b/a=2.712为电晕放电的临界值。
b/a>2.712,dEa/da<0,在该区域，a增大，Ea减小。
b/a>2.712是稳定电晕放电条件：
电流增加---->电晕厚度增加----->等效阳极半径增加----Ea下降----电流降低（负反馈）
b/a<2.712不稳定放电）：
负电晕：
小电极作负极，大直径圆筒。
放电发生在阴极附近，离子轰击阴极，产生二次电子，维持放电进行。
电晕外区的电场强度弱，电子不能被加速获能而产生电离（问题:
电子原始能量？
？
？
），电子可以电负性气体俘获，形成负离子。
该区域内，负离子、电子为传导电流。
（5）放电电极种类
●尖针--平面电极
●丝--丝电极
●丝—筒电极
●丝阵列
比较：
丝比尖针好。
（6）电晕应用
●静电除尘器
●干式复印技术
●表面改件--湿润粘着性染色抗静电
●臭氧---消毒、灭菌、水处理
●化学合成
（7）电晕的危害
●高压输电损
●合成有害物质：
臭氧、NO2、硝酸。
●电晕放电电磁辐射干扰
（2）辉光放电
●辉光解释：
该区内电子能量和电子数密度已足够高，等离子体发光足够强。
照明用传统放电荧光管就是辉光放电。
●电源特性对电晕---辉光跃迁的影响:
电源内阻很高，放电管电晕区。
电源内阻低，放电将从暗放电区跃迁到低压正常辉光放电．
●辉光放电分区与特征：
（F-G）正常辉光放电：
放电电流增加由等离子体面积增大产生。
电流密度、放电电压近似不变。
（G-H）反常辉光放电：
在G点，等离子体覆盖了整个阴极表面。
导电面积没有增加的余地，放电电流增加只能来源于电流密度增加，要求对应的放电电压也增加。
辉光强度增加。
E---F为非连续变化。
F’:
辉光放电的滞后点，由此点跃迁返回汤生区
●辉光放电参数
参数
低值
典型值
高值
中性气体压力（torr）
10-6
0.5
760
电极电压（V）
100
1000
50000
电极电流（A）
10-1
0.5
20
等离子体密度（个/cm-3）
108
5*109
6*1012
电子温度（ev）
1
2
5
功率水平（W）
10-2
200
250000
●辉光光强度、等离子体电位、电场和净电荷密度的轴向分布，
●不同放电模式下辉光强度的径向分布
●放电电压与二次电子发射系数的关系
●有辉纹的辉光放电（动辉纹、不动辉纹（几Hz-几十kKz））
●阻碍放电----短间隙放电
放电的pd小于帕邢最小值，放电电压高于最小电压，等离子体密度相对较高。
优点：
工作于高电压下，离子轰击基片的能量高。
---刻蚀、表面改性。
●相似放电---放大、缩小（等离子体彩电微腔放电）
相似放电条件：
放电相同点：
击穿电压、电子温度，折合电场
●直流辉光放电等离子体源
1圆筒形辉光放电源
应用：
照明器件，如荧光管和“氖”广告牌。
运行范围：
正常、反常辉光放电状态。
2平行板源
应用：
等离子体加工和等离子体化学。
运行范围：
无阻碍放电区（图（a））---等离子体化学---等离子体体积大。
阻碍放电区（图（b））-----等离子体加工---阴极偏置电压高。
．
●简单直流辉光放电的优、缺点：
优点：
设备简单、易于大面积均匀[氮化处理]
缺点：
放电气压高
等离子体密度低
有溅射污染（尤其是反常辉光区）
溅射沉积速率低
改进方法：
（如下）
3电子轰击等离于体源
通常名称：
考夫曼（Kaufman）源，196l-1963为研制高强度离子源而发明。
放电条件:
电子发散磁场约束，磁场强度：
5至15mT。
放电位形：
柱对称
特点：
功率利用高（>90％），高于其他大部分辉光放电。
电子被—个数值约为5至15mT的发散磁场磁化．
4彭宁（Penning,）放电等离子体源
彭宁放电:
Penning,1936，1937。
放电条件:
轴向磁场：
0.05＜B＜0.2特斯拉，阳极电压：
0．5＜Vad5kV；阴极接地。
放电气压：
10-6＜P＜10-2torr。
特点:
运行气压低（轴向磁场约束电子、离子）；等离子体密度高（轴向静电场捕获电子）；离子能量高（？
离子磁化判据）。
强磁场作用：
阻止电子被阳极捕获，电子在阴极之间往复反射，增加电离几率，保证低气压放电。
不同电极形式的彭宁放电：
（见图）
应用：
科研、军事。
大规模的商业应用较少（？
）。
5“磁控管”（交叉场）放电
磁控管：
能产生微波的一种真空管。
“磁控管”（交叉场）放电位形：
（见图）
电子、离子状态：
电子被磁化，做封闭漂移运动。
离子为磁化。
优点：
运行气压低；等离子体密度高；基片加热小。
缺点：
放电局域化，等离子体空间均匀性差。
靶材利用率低。
应用：
薄膜的溅射沉积、等离子体刻蚀（离子铣）
[补充介绍]二次离子质谱SIMS（SecondaryIonMassSpectrory）
------>薄膜成分分析---不同厚度处。
不同的交叉场放电位形：
平面形：
圆柱形：
多极磁场：
溅射枪：
⑥空心阴极放电
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