С-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ» Кафедра радиотехнической электроники ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЫ Иванов Алексей Сергеевич заведующий кафедрой радиотехнической электроники 26.11.2019 Кафедра радиотехнической электроники Направление «Электроника и наноэлектроника» Программа подготовки бакалавров «Микроволновая электроника» Дисциплины • «Вакуумная и плазменная электроника», 5 семестр • «Микроволновая электроника», 6 семестр Кафедра радиотехнической электроники Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 2 Знакомая плазма Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 3 Формы плазмы Искусственная • Люминесцентные лампы • Плазменные ракетные двигатели • Управляемый термоядерный синтез • Электрическая дуга в дуговой сварке • Ядерный взрыв Земная природная Космическая природная • Молния • Ионосфера • Полярное сияние • Пламя • Солнце, звёзды • Солнечный ветер • Космическое пространство • Межзвёздные туманности Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 4 Плазма Пла́ зма (от греч. πλάσμα «вылепленное») ионизированный газ, одно из четырёх классических агрегатных состояний вещества (твердое–>жидкое –>газ –>плазма). • Ионизированный газ: свободные электроны + положительные / отрицательные ионы. • Квазинейтральный: суммарный заряд в любой точке равен нулю • Частицы подвижны – проводит электрический ток Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 5 Содержание 1 2 3 4 6 7 8 История открытия Признаки Классификация Источники Ионный двигатель Ионное травление Алмазы https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_ (physics) Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 6 История открытия 1879 г. У. Крукс исследовал электрическую проводимость в газах при пониженном давлении и открыл «сияющую материю» в трубке с катодными лучами 1928 г. И. Ленгмюр назвал «сияющую материю» «плазмой» по аналогии с плазмой крови Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 7 Признаки плазмы Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц Приоритет внутренних взаимодействий: взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь (квазинейтральность) Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего изза нарушения квазинейтральности плазмы Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 8 Классификация Плазма классифицируется на • низкотемпературную ne ≈ ni ≈ 108…1015 см-3 T<1 000 000K ионизация <1% • высокотемпературную ne ≈ ni ≈ 1018…1020 см-3 T>1 000 000K ионизация ~100% концентрация плазмы = концентрация электронов Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 9 Классификация Плазма классифицируется на • равновесную Te = Ti • неравновесную Te >> Ti При этом холодная плазма может быть неравновесной, а горячая равновесной Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 10 Источники плазмы Источники плазмы на основе различных видов газового разряда При давлениях 1000 Па 1 Атм • Плазмотроны или плазменные горелки, При низких давлениях <1000 Па • Дуговые • Индуктивно-связанные на основе геликонного разряда • Ёмкостно-связанные • На основе СВЧ разряда • На основе разряда в скрещенных полях Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 11 Ионный двигатель Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1 • управление ориентацией и положением на орбите ИСЗ • главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций Топливо инертный газ Время эксплуатации более 3 лет Тяга 20—250 мН Потребляемая мощность 1—7 кВт КПД 60—80 % Скорость истечения 20—50 км/с Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 12 Ионный двигатель Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 13 Helicon plasma Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 14 Helicon antenna Исследование частотных характеристик Study of the Double Helical Antenna for Helicon Plasma Sources Conference Paper ADMInC_2019 Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 15 Ионное травление Технология микроэлектроники • низкое давление (0,1..1 Па) • высокочастотный индуктивный газовый разряд (150-900 Вт) • эмиссия ионов под высокочастотном полем • высокая плотность тока Совместное действие химических реакций, ионного распыления и ионной активации разрушает материал подложки Скорость травления 5-300 нм/мин Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 16 Полевые катоды Spindt Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 17 MW PE CVD Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 18 Кафедра «Радиотехнической электроники», СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 19
