Космический заряд — Space charge
Пространственный заряд — это концепция, в которой избыточный электрический заряд рассматривается как континуум заряда, распределенного по области пространства (объема или площади), а не как отдельные точечные заряды. Эта модель обычно применяется, когда носители заряда были испущены из некоторой области твердого тела — облако испускаемых носителей может образовывать область пространственного заряда, если они достаточно распространены, или заряженные атомы или молекулы, оставшиеся в твердое тело может образовывать область пространственного заряда.
Объемный заряд возникает только в диэлектрической среде (включая вакуум ), потому что в проводящей среде заряд имеет тенденцию быстро нейтрализоваться или экранироваться. Знак пространственного заряда может быть как отрицательным, так и положительным. Эта ситуация, пожалуй, наиболее знакома в области около металлического объекта, когда он нагревается до накала в вакууме. Этот эффект впервые наблюдал Томас Эдисон в лампах нитях, где его иногда называют эффектом Эдисона. Объемный заряд является значительным явлением во многих вакуумных и твердотельных электронных устройствах.
Содержание
- 1 Причина
- 1.1 Физическое объяснение
- 1.1.1 Гетеро и гомозаряд
- 3.1 В вакууме (закон Чайлда)
- 3.2 В полупроводниках
- 3.2.1 Режим дрейфа (закон Мотта – Герни)
- 3.2.2 Режим низкого напряжения
- 3.2.3 Режимы насыщения
Причина
Физическое объяснение
Когда металлический объект помещается в вакуум и нагревается до накала, энергии достаточно, чтобы вызвать электронов, чтобы «вскипеть» от поверхности атомов и окружить металлический объект облаком свободных электронов. Это называется термоэлектронной эмиссией. Получающееся в результате облако заряжается отрицательно и может притягиваться к любому соседнему положительно заряженному объекту, создавая электрический ток, который проходит через вакуум.
Объемный заряд может быть результатом ряда явлений, но наиболее важными из них являются:
- Сочетание плотности тока и пространственно неоднородного сопротивления частиц внутри диэлектрик для формирования гетерозаряда
- инжекция заряда от электродов и от повышения напряжения в таких структурах, как водяные деревья. «Водяное дерево» — это имя, данное древовидной фигуре, появляющейся в пропитанном водой полимерном изоляционном кабеле.
Было высказано предположение, что в переменном токе (AC) большинство носителей вводят при электроды в течение половины цикла выталкиваются в течение следующего полупериода, поэтому чистый баланс заряда в цикле практически равен нулю. Однако небольшая часть носителей может быть захвачена на достаточно глубоких уровнях, чтобы удерживать их при инвертировании поля. Количество заряда в переменном токе должно увеличиваться медленнее, чем в постоянном токе (DC), и становится заметным через более длительные периоды времени.
Гетеро и гомозаряд
Гетерозаряд означает, что полярность пространственного заряда противоположна полярности соседнего электрода, а гомозаряд — это обратная ситуация. Ожидается, что при приложении высокого напряжения гетерозаряд возле электрода уменьшит напряжение пробоя, тогда как гомозаряд увеличит его. После изменения полярности в условиях переменного тока гомозаряд преобразуется в объемный гетерозаряд.
Математическое объяснение
Если «вакуум » имеет давление 10 мм рт. Ст. Или меньше, основное транспортное средство проводимость электронов. Плотность тока эмиссии (Дж) от катода как функция его термодинамической температуры T, в отсутствие объемного заряда, определяется как Закон Ричардсона :
A 0 = 4 π emek 2 h 3 ≈ 1,2 × 10 6 <\ displaystyle A_ <0 >= <\ frac <4 \ pi em_
k ^ <2>> >> \ приблизительно 1,2 \ times 10 ^ <6>> А мК e = элементарный положительный заряд (то есть величина заряда электрона), me= масса электрона, k = постоянная Больцмана = 1,38 x 10 Дж / К, h = постоянная Планка = 6,62 x 10 Дж · с, φ = работа выхода катода, ř = среднее отражение электронов Коэффициент отражения может составлять всего 0,105, но обычно около 0,5. Для вольфрама, (1 — ø) A 0 = от 0,6 до 1,0 × 10 A мК, а φ = 4,52 эВ. При 2500 ° C эмиссия составляет 28207 А / м.
Ток эмиссии, как указано выше, во много раз больше, чем ток, обычно собираемый электродами, за исключением некоторых импульсных клапанов, таких как резонаторный магнетрон. Большинство электронов, испускаемых катодом, возвращаются к нему за счет отталкивания облака электронов в его окрестности. Это называется эффектом пространственного заряда. В пределе больших плотностей тока J определяется приведенным ниже уравнением Чайлда – Ленгмюра, а не уравнением термоэлектронной эмиссии, приведенным выше.
Происшествие
Пространственный заряд является неотъемлемым свойством всех электронных ламп. Это временами усложняло или облегчало жизнь инженерам-электрикам, которые использовали лампы в своих конструкциях. Например, объемный заряд значительно ограничил практическое применение триода усилителей, что привело к дальнейшим инновациям, таким как ламповый тетрод.
. С другой стороны, объемный заряд был полезен в некоторых применениях с трубками, поскольку генерирует отрицательную ЭДС внутри оболочки лампы, которую можно использовать для создания отрицательного смещения на решетке трубки. Смещение сети также может быть достигнуто путем использования приложенного напряжения сети в дополнение к управляющему напряжению. Это могло бы улучшить контроль инженера и точность усиления. Это позволило сконструировать трубки пространственного заряда для автомобильных радиоприемников, для которых требовалось анодное напряжение всего 6 или 12 вольт (типичными примерами были 6DR8 / EBF83, 6GM8 / ECC86, 6DS8 / ECH83, 6ES6 / EF97 и 6ET6 / EF98).
Пространственные заряды также могут возникать внутри диэлектриков. Например, когда газ вблизи высоковольтного электрода начинает подвергаться пробою диэлектрика, электрические заряды инжектируются в область около электрода, образуя области пространственного заряда в окружающем газе. Пространственные заряды также могут возникать в твердых или жидких диэлектриках, на которые воздействуют высокие электрические поля. Захваченные пространственные заряды в твердых диэлектриках часто являются фактором, способствующим разрушению диэлектрика в высоковольтных силовых кабелях и конденсаторах.
Ток, ограниченный пространственным зарядом
В вакууме (закон Чайлда)
График, показывающий закон Чайлда – Ленгмюра. S и d постоянны и равны 1.Впервые предложенный Клементом Д. Чайлдом в 1911 году, закон Чайлда гласит, что ток, ограниченный пространственным зарядом (SCLC) в плоскопараллельном вакуумном диоде изменяется прямо пропорционально мощности трех половин анодного напряжения V a и обратно пропорционально квадрату расстояния d, разделяющего катод и анод.
Для электронов плотность тока J ( ампер на квадратный метр) записывается:
где I a — это ток анода, а S — площадь поверхности анода, на которую подается ток; e <\ displaystyle e>— величина заряда электрона, а m e <\ displaystyle m_
> — его масса. Уравнение также известно как «закон трех половинных степеней» или закон Чайлда – Ленгмюра. Первоначально Чайлд вывел это уравнение для атомарных ионов, у которых отношение заряда к массе намного меньше. Ирвинг Ленгмюр опубликовал приложение к электронным токам в 1913 году и распространил его на случай цилиндрических катодов и анодов. Справедливость уравнения зависит от следующих предположений:
- Электроны перемещаются баллистически между электродами (т. е. без рассеяния).
- В межэлектродной области объемный заряд любых ионов пренебрежимо мал.
- Электроны имеют нулевую скорость на поверхности катода.
предположение об отсутствии рассеяния (баллистический перенос) — вот что отличает предсказания закона Чайлда-Ленгмюра от предсказаний закона Мотта-Герни. Последний предполагает стационарный дрейфовый перенос и, следовательно, сильное рассеяние.
В полупроводниках
В полупроводниках и изоляционных материалах электрическое поле заставляет заряженные частицы, электроны, достигать определенной скорости дрейфа, параллельной направлению поля. Это отличается от поведения свободных заряженных частиц в вакууме, в котором частицу ускоряет поле. Коэффициент пропорциональности между величинами скорости дрейфа, v <\ displaystyle v>, и электрического поля, E <\ displaystyle <\ mathcal
>> , называется мобильностью, μ <\ displaystyle \ mu>: Режим дрейфа (закон Мотта-Герни)
Закон Чайлда для тока, ограниченного пространственным зарядом, который применяется в вакуумном диоде, обычно не применяется к полупроводнику / изолятору в устройстве с одной несущей, и заменяется законом Мотта – Герни. Для тонкой пластины из материала толщиной L <\ displaystyle L>, зажатой между двумя селективными омическими контактами, плотность электрического тока Дж <\ displaystyle J>, протекание через плиту определяется выражением:
где V a <\ displaystyle V_ > — напряжение, был нанесен на плиту, и ϵ <\ displaystyle \ epsilon>— это диэлектрическая проницаемость твердого тела. Закон Мотта-Герни предлагает некоторые важные сведения о переносе заряда в собственном полупроводнике, а именно, что не следует ожидать, что дрейфовый ток будет увеличиваться линейно с приложенным напряжением, т. Е. Из закона Ома, как можно было бы ожидать. ожидайте от переноса заряда через металл или сильно легированный полупроводник. Поскольку единственной неизвестной величиной в законе Мотта-Герни является подвижность носителей заряда, μ <\ displaystyle \ mu>, это уравнение обычно используется для характеристики переноса заряда в собственных полупроводниках. Однако к использованию закона Мотта – Герни для характеристики аморфных полупроводников, а также полупроводников, содержащих дефекты и / или неомические контакты, следует подходить с осторожностью, поскольку к значительным отклонениям как в величине тока, так и в степенной зависимости от напряжения будет соблюдаться. В таких случаях закон Мотта-Герни не может быть легко использован для определения характеристик, и вместо него следует использовать другие уравнения, которые могут учитывать дефекты и / или неидеальную инжекцию.
При выводе закона Мотта – Герни необходимо сделать следующие предположения:
- Имеется только один тип носителей заряда, то есть только электроны или дырки.
- Материал не обладает собственной проводимостью, но заряды вводятся в него с одного электрода и захватываются другим.
- Подвижность носителей, μ <\ displaystyle \ mu>, и диэлектрическая проницаемость, ϵ <\ displaystyle \ epsilon>, постоянна по всему образцу.
- Ток не ограничен ловушками или энергетическим беспорядком.
- Ток в основном не связан с легированием.
- Электрическое поле на электроде для инжекции заряда равно нулю, что означает, что ток регулируется только дрейфом.
В качестве примера применения: установившееся пространство — ограниченный зарядом ток через кусок собственного кремния с подвижностью носителей заряда 1500 см / Вс, диэлектрической проницаемостью 11,9, площадью 10 см и толщиной 10 см может быть рассчитан с помощью только В калькуляторе должно быть 126,4 мкА при 3 В. Обратите внимание, что для того, чтобы этот расчет был точным, необходимо принять все точки, перечисленные выше.
В случае, когда перенос электронов / дырок ограничен состояниями ловушек в виде экспоненциальных хвостов, идущих от краев зоны проводимости / валентной зоны,
плотность тока дрейфа определяется уравнением Марка-Хельфриха,
J знак равно Q 1 — l μ N эфф (ϵ р ϵ 0 l N t (l + 1)) l (2 l + 1 l + 1) l + 1 V al + 1 L 2 l + 1 <\ displaystyle J = q ^ <1-l> <\ mu>
>> \ left (<\ frac <\ epsilon _ <\ mathrm > \ epsilon _ <0>l> > (l + 1)>> \ right) ^ \ left ( <\ frac <2l + 1> > \ right) ^ <\ frac < ^ > < ^ <2l + 1>>>> Режим низкого напряжения
В случае, когда к устройству с одной несущей приложено очень маленькое приложенное смещение, ток определяется как:
Обратите внимание, что уравнение, описывающее ток в режиме низкого напряжения, следует той же шкале толщины, что и закон Мотта – Герни, L — 3 < \ displaystyle L ^ <- 3>> , но линейно увеличивается с приложенным напряжением.
Режимы насыщения
Когда к полупроводнику приложено очень большое напряжение, ток может перейти в режим насыщения.
В режиме насыщения скорости это уравнение принимает следующий вид
В режиме насыщения носителей заряда ток через образец определяется выражением
где N eff <\ displaystyle N _ <\ mathrm
>> — это эффективная плотность состояний типа носителей заряда в полупроводнике. Дробовой шум
Пространственный заряд снижает дробовой шум. Дробовой шум возникает в результате случайного поступления дискретных зарядов; Статистическая вариация поступлений создает дробовой шум. Объемный заряд создает потенциал, замедляющий носители. Например, электрон, приближающийся к облаку других электронов, будет замедляться из-за силы отталкивания. Замедляющие носители также увеличивают плотность пространственного заряда и результирующий потенциал. Кроме того, потенциал, создаваемый пространственным зарядом, может уменьшить количество испускаемых носителей. Когда объемный заряд ограничивает ток, случайные приходы носителей сглаживаются; уменьшение вариации приводит к меньшему дробовому шуму.
ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ЗАРЯД
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
(объёмный заряд) — электрич. заряд q, распределённый в объёме V так, что его плотность r = dq/dV конечна. П. з. определяет пространственное распределение потенциала f и напряжённости поля E согласно Пуассона уравнению, к-рое для среды с постоянной диэлектрич. проницаемостью e можно записать так: Df = divE =-4pr/e. П. з. образуется, когда локальные концентрации положит. и отрицат. носителей заряда взаимно не компенсируются, а это в свою очередь связано с различием в механизмах образования заряж. частиц разного знака и различием в скоростях ухода таких частиц на границы объёма. Плотность П. з. r = eSZini, где ni -· концентрация и Zie — заряд носителей данного i‘-го сорта; Zi имеет знак носителя, так что для электрона или одновалентного отрицат. иона Z =-1.
Поскольку свободные электрич. заряды не могут образовать объёмную статически равновесную систему (см. Ирншоу теорема), реальные условия возникновения П. з. связаны обычно с процессом прохождения тока. П. з. образуются вблизи электродов при прохождении тока через электролит, на границе двух полупроводников с разл. проводимостью, в вакууме вблизи эмитирующего электроны катода, в газовом разряде вблизи электродов, стенок, в местах с резким изменением поперечного сечения. Образованию П. з. способствует наличие в среде носителей заряда с разными коэф. диффузии. Напр., в плазме большой коэф. диффузии электронов по сравнению с положит. ионами приводит к возникновению избыточного положит. заряда и, как следствие,- направленного из плазмы поля. Под действием этого поля диффузия электронов замедляется, в результате макроскопич. диффузионные потоки ионов и электронов выравниваются (амбиполярная диффузия). П. з. экранирует и внешнее электрич. поле, приложенное к плазме, препятствуя его проникновению в плазму. Вследствие такой экранировки характерная глубина проникновения электрич. поля в плазму порядка дебаевского радиуса экранирования. Этот эффект определяет также значение диэлектрической проницаемости плазмы, к-рое меньше соответствующего значения в вакууме.
Образование П. з. определяет распределение потенциала и вид вольт-амперных характеристик при прохождении тока в вакууме и отд. областях газового разряда. Плотность П. з. зависит от плотностей тока ji и скоростей ui соответствующих носителей заряда. Т. к. ток направлен от большего потенциала к меньшему, то, понимая под ji абс. величину плотности тока и учитывая знак ui, можно написать r = -Sji/ui. При движении электронов в вакууме с нулевой нач. скоростью на катоде скорость ui задаётся пройденной разностью потенциалов, так что для одномерной задачи
где т— масса электрона. Интегрирование этого ур-ния при нач. условиях f = 0 и E =0 при x =0 приводит к зависимости fи к вольт-амперной характеристике, определяемой «законом 3/2» (см. Ленгмюра формула).
Решение аналогичной задачи для положит. ионов в газе зависит от характера движения ионов (см. Под-вижностъ электронов и ионов). В слабых полях и E в сильных и В первом случае получается j , во втором j . Поля, создаваемые П. з. в газе, определяют многие важные свойства разряда (временной ход развития разряда, образование стримеров, плазменные колебания и пр.). Образование П. з. влияет на нарастание электронной лавины, распространяющейся в газе высокого давления. В этом случае при превышении определённого числа зарядов в лавине (
10 6 ) П. з. ионов, поле к-рого направлено противоположно внеш. электрич. полю, частично экранирует его и тем самым снижает эффективность размножения носителей в лавине и уменьшает скорость её распространения (см. Лавина электронная).
П. з., возникающий при распространении пучка электронов через вакуум, служит причиной угл. расходимости пучка. В результате магн. взаимодействия электронов пучка эффект расходимости с ростом энергии электронов пучка уменьшается. При распространении электронного пучка в газе расходимость также уменьшается в связи с экранирующим действием П. з. положит. ионов.
Поскольку r определяется алгебраич. суммой зарядов разных носителей, наличие в объёме зарядов противоположных знаков может привести к частичной или полной компенсации П. з. Примерами могут служить плазма, в к-рой концентрации ионов и электронов почти равны, и прикатодная область в разряде с накалённым катодом, где положит. ионы практически компенсируют заряд электронов, благодаря чему падение потенциала в таком разряде невелико и почти не зависит от тока.
Ур-ние Пуассона, применяющееся в указанных выше случаях, предполагает, что П. з. распределён непрерывно по всему рассматриваемому объёму. В действительности поле П. з. складывается из полей отд. носителей. Поэтому приведённые зависимости f и E есть величины, усреднённые для областей, линейные размеры к-рых велики по сравнению со средним расстоянием между носителями, т. е. с длиной порядка . Хаотически меняющиеся во времени локальные поля должны вычисляться непосредств. наложением полей отд. носителей с учётом их статистич. распределения.
Лит.: Капцов H» А., Электрические явления в газах и вакууме, 2 изд., М.- Л., 1950; Ретер Г., Электронные лавины и пробой в газах, пер, с англ., М., 1968; Лозан-ский Э. Д., Фирсов О. Б., Теория искры, М., 1975; Pайзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.
Л. А. Сена, А., В. Елецкий,
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Как образуется пространственный заряд
Поле пространственного заряда возникает в результате фототока в освещенной области кристалла, приводящего к разделению зарядов. Схема распределения заряда и наведенного преломления показана на рис. 9.48. Величина определяется как
Существует несколько причин разделения заряда. Первая и наиболее очевидная из них — воздействие на кристалл внешнего электрического поля, приводящее к появлению внутреннего поля компенсации Величина поля компенсации и скорость его возрастания определяются суммарной проводимостью кристалла — темновая проводимость; — фотопроводимость).
Другой механизм — диффузионный. При пространственно неоднородном освещении в кристалле при фотовозбуждении носителей заряда возникает и направленная диффузия зарядов. В этом случае величина объемного заряда и электрического поля описывается выражением
Этот механизм не имеет ограничений по симметрии и работает в любых диэлектриках.
В полярных диэлектриках возможны дополнительные механизмы разделения заряда и появления электрического поля . В кристаллах, симметрия которых не содержит центра инверсии, под действием света может возникать ток, получивший название фотовольтаического
где — компоненты фотовольтаического тока; — единичные векторы поляризации света; — интенсивность света; — фотовольтаический коэффициент.
Выражение (9.19) определяет фотовольтаический эффект. Поле, возникающее при фотовольтаическом эффекте, можно получить из уравнения
Глассом [123] предложено скалярное выражение, связывающее фотовольтаический ток и интенсивность света
где а — коэффициент поглощения кристалла; — константа Гласса .
В стационарном состоянии и из (9.20) следует, что
Зависимость фотовольтаического поля от времени получаем, переписав (9.20) в виде
откуда следует, что
Здесь — стационарное значение поля при .
Фотовольтаический эффект включает образование свободных зарядов в результате фотовозбуждения, их перенос и захват на глубоких ловушках. По существующим в настоящее время представлениям в процессах возбуждения и захвата носителей решающую роль играют примеси. Микромеханизм этого явления, учитывая его важность для таких кристаллов, как ниобат и танталат лития, будет рассмотрен ниже. Здесь же следует упомянуть еще об одном эффекте, приводящем к появлению объемного заряда и фотоиндуцированного поля. Это так называемый фотополяризационный эффект. Уравнение этого эффекта можно представить в виде
Изменение спонтанной поляризации под действием света складывается из двух частей. Первая часть пироэффект, возникающий из-за нагрева кристалла под действием света; вторая поляризационный эффект, вызванный изменением под действием света локального, дипольного момента — число мест, в которых происходит изменение дипольного момента). В полярной решетке возникновение может быть вызвано фотовозбуждением [124] или изменением зарядового состояния [125] примеси под действием света. Изменение дипольного момента [126] происходит, например, при изменении состояния иона находящегося в полярном кристалле, в результате перехода Изменение дипольного момента и спонтанной поляризации происходит в результате внутрицентровых переходов и не сопровождается переносом заряда, а объемный заряд возникает в результате дрейфа свободных носителей под действием деполяризующего поля и захвата их на глубоких ловушках. В этом существенное отличие поляризационного эффекта от фоторефрактивного.
Таким образом, общий ток, возникающий в полярном диэлектрике под действием света, можно представить как сумму
Вклад того или другого слагаемого в суммарный ток, возникающий под действием света, зависит от вида кристалла. Однако можно считать, что основная конкуренция идет между фотовольтаическим и диффузионным механизмами. Фотовольтаический ток велик в тех кристаллах, где велика определяющая асимметрию потенциала примесных центров в решетке. Такими кристаллами являются и
Так как эти кристаллы обладают и очень низкой электропроводностью (при комнатной температуре величина а составляет ), в результате чего компенсация внутренних электрических полей происходит очень медленно, фотовольтаическое поле может достигать В/см [123, 124] и сохраняться в течение сотен часов. В других кристаллах из-за более низкой константы Гласса и большей электропроводности фотовольтаическое поле ниже (достигает нескольких сотен вольт на 1 см [127 — 130]) и конкурировать могут все механизмы, влияющие на фоторефракцию. В более сложных кристаллах, таких, как твердые растворы фотовольтаический эффект мал и фоторефракция определяется диффузионным механизмом. В этом случае, в частности при записи голограмм, фоторефракцией можно управлять внешними электрическими полями [131, 132].
Учитывая то, что в таких практически важных кристаллах, как фоторефракция определяется в основном фотовольтаическим эффектом, следует рассмотреть подробнее его механизм и возможности управления им. Фоторефракция, вызванная фотовольтаическим эффектом, наиболее полно изучена на примере кристаллов [133, 134]. В основу модели фотовольтаического эффекта положена идея о разделении заряда в результате перезарядки примесных центров Fe2+ и Fe3+ [135, 136] (такую же роль могут играть примеси и др.). Под действием света электрон от переходит к ближайшему движется по поляронному механизму и захватывается глубокой ловушкой, в качестве которой выступает ион Схема уровней, соответствующая этой модели, показана на рис. 9.50. В этой модели ион выступает как донор, а ион
Рис. 9.50. Схема уровнен в запрещенной зоне фоторефрактивного кристалла, обеспечивающих фотовозбуждение и захват носителей в результате перезарядки примесных центров: — вероятность ионизации вероятность ионизации центров — сечение захвата на уровни глубоких ловушек — сечение захватана уровни центров X; — сечение захвата на уровни мелких ловушек; у — вероятность фотовозбуждения иона
как акцептор. Таким образом, ион железа может работать как донорно-акцепторный центр (ДА-центр). Возбуждению электрона с уровня с его захватом на -орбиталь иона приписывается полоса поглощения с максимумом в районе 2,6 эВ. Существование ДА-центра доказывается тем, что под действием УФ света в спектрах ЭПР и ослабляются полосы, относящиеся к и усиливаются полосы, относящиеся к . В простейшей модели возможности влияния на фоторефракцию, ее усиление или ослабление, полностью зависят от возможностей влияния на соотношение Определив концентрации доноров и акцепторов как и соответственно и положив, что можно записать кинетическое уравнение, определяющее соотношение в виде
где — концентрация доноров — концентрация акцепторов — вероятность фотоионизации донора; — коэффициент поглощения; у — коэффициент рекомбинации; — концентрация носителей.
Концентрацию фотоносителей и зависимую от нее фотопроводимость можно записать в виде
где — заряд, подвижность и время жизни носителей заряда соответственно; Ф — квантовый выход при фотоионизации.
В этом случае скорость генерации свободных носителей
время жизни носителей
и люкс-амперная характеристика фотовольтаического тока линейна
В действительности при повышении интенсивности света наблюдается нелинейность зависимости фотопроводимости и фоторефракции от интенсивности [151, 152]. Кроме того, обнаружена зависимость фоторефракции от длительности светового импульса. Эти эффекты не находят объяснения в рамках простой одноцентровой модели, и для их объяснения была предложена двухцентровая модель, в которой роль второго центра выполняют глубокие ловушки типа X (см. рис. 9.50). В качестве таких ловушек могут выступать собственные точечные дефекты, в частности, в таким дефектом может быть ион ниобия, располагающийся на месте лития [148].
Таким образом, возможность проявления фоторефракции определяется, во-первых, асимметрией процесса возбуждения заряда и его последующего движения и, во-вторых, возможностью длительного существования объемного заряда. Первое из этих условий требует не только полярности кристалла, но и асимметрии примесных центров, фотовозбуждение которых приводит к появлению неравновесных носителей. Второе условие означает высокую степень локализации электронов в результате электрон-фононного взаимодействия, т.е. существования носителей в виде малых поляронов [140]. Оценить степень локализации носителей позволяет их подвижность, которая тем меньше, чем больше степень локализации. Характеристики носителей заряда для некоторых кристаллов приведены в табл. 9.6.
При изучении механизмов ФР следует учитывать, что особенности метода исследования позволяют в большей или меньшей степени проявляться тем или иным механизмам фоторефракции. Например, в поляризационном методе, в котором размеры областей разделения зарядов могут быть велики (несколько миллиметров), значительную роль в формировании объемного заряда может играть неоднородность кристалла и связанные с ней встроенные электрические поля. Голографические методы предполагают разделение зарядов на относительно небольших расстояниях (длина волны голографических решеток — несколько микронов), что выдвигает на первый план диффузионный механизм разделения зарядов.
Таблица 9.6. Сопоставление характеристик носителей заряда и фотовольтаического (ФВ) эффекта в некоторых кристаллах [140]
Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере , страница 6
Зная вертикальный ход потенциала V(h), можно рассчитать плотность объемных зарядов в атмосфере. Согласно закону Пуассона d²V/dh²= —4πρ (в этом приближении Земля считается плоской). Результаты таких вычислений приведены в таблице 9.3 (в таблице приводится не количество ионов, а разность между числом положительных и числом отрицательных ионов – объемный заряд!). Здесь в качестве единицы заряда фигурирует величина заряда электрона.
Таким образом, в столбе атмосферы 0-9 км имеется приблизительно 7·10 5 зарядов электронов (по абсолютной величине). Это приблизительно соответствует поверхностной плотности заряда Земли. Получается, что объемные заряды в слое 0-9 км компенсируют отрицательный заряд Земли (см. табл. 9.3).
Таблица 9.3. Высотное распределение объемных зарядов в атмосфере (в единицах заряда электрона) [1]
Высоты границ слоев от поверхности Земли, км
Заряд в столбе воздуха, e/см 2
Средняя объемная плотность заряда, e/см 3
Мы выделяем два основных механизма образования объемных зарядов. Во-первых, всегда присутствующие в воздухе ионы в электрическом поле Земли дрейфуют в противоположные стороны, что приводит к разделению зарядов. Во-вторых, в ходе атмосферных динамических процессов происходит электризация пыли, дыма, ледяных кристаллов, капель воды и т.п., а их последующее движение независимо от воздуха также ведет к разделению зарядов.
Оценим плотность вертикального тока в атмосфере у поверхности Земли:
ί=λE»2·10 -4 · 4πε0·130=2.9·10 -16 А/см 2 ,
где мы воспользовались переводным множителем для преобразования величины проводимости из системы СГСЭ в систему СИ. Суммарный ток из атмосферы на всю земную поверхность тогда будет равен 1500 А.
Весьма большой вклад в суммарный ток на земную поверхность вносят осадки. Осадки всех видов несут на себе электрические заряды. Экспериментально установлены следующие основные особенности зарядов осадков:
1. Сумма положительных зарядов, приносимых осадками, и длительность выпадения положительно заряженных осадков больше, чем для отрицательных осадков.
2. Всегда наблюдается смесь осадков различных зарядов, а также нейтральных частиц. Положительно заряженных капель больше: 1.7 : 1, однако средний отрицательный заряд капли больше среднего положительного.
3. Обычно более крупные капли несут бόльшие заряды. Особенно большие заряды несут ливневые (грозовые) осадки и град. Здесь плотность тока может достигать 10 -12 А /см 2 .
Теории электризации осадков
Существует несколько теорий электризации осадков, которые иногда оказываются противоречивыми. Надежных экспериментальных данных по этой проблеме до сих пор нет.
А. Индукционная теория (Эльстера-Гейтеля).
Капли в электрическом поле Земли поляризуются так, что нижняя часть их приобретает положительный заряд, верхняя — отрицательный. При столкновении капель и их дроблении происходит разделение зарядов: более крупные брызги приобретают положительный заряд, мелкие – отрицательный. В восходящем потоке воздуха мелкие капли будут увлекаться вверх или медленно падать, придавая отрицательный пространственный заряд облаку, более крупные капли будут быстро уносить положительный заряд вниз.
Б. Замерзание, конденсация и сублимация водяного пара также приводят к появлению зарядов.
- 1.1 Физическое объяснение