Об устойчивости токового состояния системы полупроводник – газовый промежуток

STABILITY OF THE CURRENT STATUS OF THE SEMICONDUCTOR - GAS GAP

Zokirjon Mirzajonov

candidate of physical mathematical sciences, Fergana Polytechnic Institute Uzbekistan, Fergana

Qaxramon Ergashev

senior lecturer, Fergana Polytechnic Institute Uzbekistan, Fergana

Xurshidjon Yuldashev

senior lecturer, Fergana Polytechnic Institute Uzbekistan, Fergana

Аннотация. В статье приводятся результаты исследования ВАХ полупроводниковой фотогра­фической системы ионизационного типа путем введения металлического зонда в область газового разряда, не нарушая его природу.

Abstract. Direct-current characteristic of the discharge gar was turned out well by the gradual approaching of metallic probe to that gap on the surface of photo set without distributing its nature.

Ключевые слова: металлический зонд; преобразователь изображений; полупроводниковый электрод; газоразрядный промежуток; фотоприемник.

Keywords: metallic probe; image converter; semiconducting electrode; gas-discharge gap; optical detector.

Газоразрядные системы с полупроводниковым электродом (SGD-структуры) остается наиболее перспективным устройством для регистрации оптических изображений в широком спектральном диапазоне [1]. Удовлетворяя принципу управляемой фото чувствительности эта, система является приемлемой для удовлетворения инфракрасной фотографии. В настоящее время продолжаются работы по созданию современных приборов с высокими фотографическими параметрами [2].

Ток разрядного промежутка обусловлен в основном движением электронов и положительно заряженных ионов.  Вследствие большой разности масс скорости дрейфа этих частиц сильно отличаются. Поскольку электроны движутся к аноду, а процесс ионизации в разрядном промежутке осуществляется в основном ими, то в стационарном режиме вблизи катода электронов мало. В итоге движущиеся к катоду положительные ионы образуют вблизи этого элект­рода положительный пространственный заряд. Следствием этого является неоднородное распределение потенциала по длине разрядного промежутка. При малой плотноcти тока i концентрация заряженных частиц мала.  При этом естественно, мало и ис­кажение распределения потенциала. С увеличением i искажение потенциала растет. Далее следует принять во внимание то обстоятельство, что коэффициент ионизации α (первый коэффициент ионизации Таунсенда), как правило, является сверхлинейной фун­кцией напряженности поля [3]. При такой зависимости α(Е) в случав неоднородного распределения потенциала коэффициент раз­множения электронов, при их движении по длине разрядного проме­жутка, повышается относительно однородного распределения. Таким образом, искажение потенциала облегчает условие поддержания пробоя. В итоге при увеличении тока разность потенциалов между электродами уменьшается, и на ВАХ возникает S - образный участок, т.е. имеется область с отрицательным дифференциаль­ным сопротивлением (ОДС).

Известно [4], что в условиях ОДС S -типа состоя­ние с однородным распределением плотности тока по сечению про­водника становится неустойчивым. В результате развития неустой­чивости образуется токовое состояние с резко неоднородной плотностыо. Это явление называется шнурованием тока. Истинную ВАХ в области ОДС практически проверить трудно, поскольку неустойчивость (возникновение токового шнура) развивается очень быстро. Шнурование сопровождается скачкообразным уменьшением разности потенциалов и сильным увеличением тока. Таким образом, наблю­даемая S -образность ВАХ связана со шнурованием тока в усло­виях неустойчивости однородного распределения тока в системе с ОДС.

Возвращаясь к нашей системе, нужно отметить, что в иссле­дованном диапазоне параметров системы мы обычно наблюдали од­нородное распределение тока по площади электродов и устойчи­вое управление величиной плотности тока посредством попереч­ного сопротивления полупроводника. Возникает вопрос, обуслов­лена ли устойчивость системы полупроводник - газовый зазор свойствами тонкого газоразрядного промежутка, или же неустойчивость, которая может развиться в области газового разряда, подавляется полупроводниковым слоем. 

Для выяснения причин устойчивости проводился следующий опыт. Вместо полупроводника в систему вставлялся оптически полированный металлический электрод. Оказалось, что при тех же параметрах газоразрядного промежутка, что и в случае системы с полупроводниковым электродом распределение тока по площади, как правило неустойчиво. При малой величине протекаю­щего тока иногда наблюдалось устойчивое распределение, В этом случае увеличение тока до величины ~0,1мА сопровождается по­явлением шнуров размером 1-1,5 мм. Из этих данных можно сделать вывод, что именно наличие полупроводникового электрода обусловливает устойчивую работу системы.

По нашему мнению, в системе полупроводник - газовый про­межуток осуществляется подавление неустойчивости за счет зна­чительного сопротивления полупроводниковой пластины, являю­щейся распределенной нагрузкой. Механизм подавления можно представить следующим образом.  Если в объеме газа возникла Флуктуация плотности токе, то в условиях ОДС эта флуктуация будет нарастать, Однако из условия непрерывности плотности тока на границе раздела полупроводник - газовый за­зор следует, что и плотность тока в полупроводнике такие долж­на перераспределяться.

Известно, что, если в цепи разрядного промежутка отсутствует последовательное сопротивление, участок тихого самостоя­тельного разряда на ВАХ почти не наблюдается и разряд сразу переходит в следующую стадию - тлеющий разряд. B случае достаточно большого последовательного сопротивления любое локальное увеличение тока в прикатодном пространстве будет со­провождаться значительным понижением напряженности поля этом месте из-за возрастания напряжения на сопротивлении, что приведет к уменьшению темпа ионизации и, следовательно, к ограничению возрастания тока. Поэтому вертикальный участок самостоятельного разряда может существовать даже и при зна­чительных по абсолютной величине токах.

Условием устойчивости элемента площади поперечного се­чения тока является положительная или нулевая величина сум­марного сопротивления этого элементе, т.е.

где: -сопротивление газоразрядного промежутка: , -сопротивление, толщина, удельная проводимость полупроводникового электрода. Отсюда следует условие отсутствия шнурования:  -отрицательное дифференциальное сопротивление газоразрядного промежутка.

Особенно важно отметить, что характер разряда меняется при введении полупроводникового электрода т.е. изменяется и сама ВАХ газоразрядного зазора. Действительно, как показали наши измерения в условиях стабильной работы ВАХ строго вер­тикальна и не имеет участка ОДС. Поэтому приведенное выше рассмотрение справедливо для анализа условий появления ста­бильного состояния систем. Дальнейшее рассмотрение должно производиться, строго говорила условиях изменившейся, т.е. вертикальной ВАХ.

В процессе работы стабилизация поддерживается автома­тически, любая флуктуация, вызывающая неоднородность распре­деления тока вызывает одновременно я такое перераспределение напряжения между газоразрядным зазоров в мосте флуктуации и полупроводниковые электродом, которое способствует расса­сывании этой флуктуации» т.е. реализуется стабилизирующая отрицательная обратная связь.