Astronet > Avtoelektronnaya emissiya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Avtoelektronnaya emissiya

Avtoelektronnaya emissiya (polevaya emissiya, elektrostaticheskaya emissiya, tunnel'naya emissiya) - ispuskanie elektronov provodyashimi tverdymi i zhidkimi telami pod deistviem vneshnego elektricheskogo polya E dostatochno vysokoi napryazhennosti ( $E \sim 10$ V/sm). Avtoelektronnaya emissiya obnaruzhena v 1897 R. U. Vudom. V 1929 R. E. Milliken i Ch. K. Loritsen ustanovili lineinuyu zavisimost' logarifma plotnosti toka j avtoelektronnoi emissii ot 1/E vida $\lg{j}=A-B/E$ (A i V - konstanty). V 1928-29 R. Fauler i L. Nordheim dali teoreticheskoe ob'yasnenie avtoelektronnoi emissii na osnove tunnel'nogo effekta. Termin avtoelektronnaya emissiya otrazhaet otsutstvie energeticheskih zatrat na vozbuzhdenie elektronov, svoistvennyh drugim vidam elektronnoi emissii (v zarubezhnoi literature chashe upotreblyaetsya termin "polevaya emissiya").

Pri avtoelektronnoi emissii elektrony preodolevayut potencial'nyi bar'er na granice emittera, ne prohodya nad nim za schet kineticheskoi energii teplovogo dvizheniya, kak pri termoelektronnoi emissii, a putem tunnel'nogo prosachivaniya skvoz' bar'er, snizhennyi i suzhennyi elektricheskim polem. Elektronnaya volna (sm. Volny de Broilya), vstrechaya na puti potencial'nyi bar'er, chastichno otrazhaetsya i chastichno prohodit skvoz' nego (ris. 1). Po mere uvelicheniya vneshnego uskoryayushego polya ponizhaetsya vysota potencial'nogo bar'era nad urovnem Fermi $\mathcal{E}_F$ Odnovremenno umen'shaetsya shirina bar'era. V rezul'tate uvelichivaetsya chislo elektronov, prosachivayushihsya v edinicu vremeni skvoz' bar'er, sootvetstvenno uvelichivaetsya t. n. prozrachnost' bar'era D (otnoshenie chisla elektronov, proshedshih skvoz' bar'er, k polnomu chislu elektronov, padayushih na bar'er) i sootvetstvuyushaya plotnost' toka avtoelektronnoi emissii.

Teoreticheskii raschet plotnosti toka j avtoelektronnoi emissii privodit k formule

$j=e\int\limits_0^\infty n(\mathcal{E})D(\mathcal{E},E)d\mathcal{E}$ , (1)

gde e - zaryad elektrona; n - koncentraciya elektronov provodimosti v provodnike s energiei $\mathcal{E}$ , svyazannoi s komponentoi impul'sa, normal'noi k poverhnosti; E - napryazhennost' elektricheskogo polya u poverhnosti emittera. Iz (1) sleduet zavisimost' j ot koncentracii elektronov v provodnike i ih energeticheskogo raspredeleniya n( $\mathcal{E}$ ), a takzhe ot vysoty i formy bar'era, kotorye opredelyayut ego prozrachnost' D.

Avtoelektronnaya emissiya iz metallov v vakuum izuchena naibolee polno. V etom sluchae j sleduet t. n. zakonu Faulera - Nordheima:

$j=C_1 E^2exp(-C_2/E)$ , (2)

gde

$C_1=e^3/8\pi ht^2(y)\varphi, C_2={\displaystyle 8\pi\sqrt{2m}\over\displaystyle 3he}\varphi^{3/2}\vartheta(y)$ .

Zdes' m - massa elektrona, $\phi$ - potencial raboty vyhoda $\overline\Phi=e\varphi$ metalla, t i $\vartheta$ - tabulirovannye funkcii argumenta $y=e\sqrt{eE}/ \varphi, t\approx 1, \vartheta(y)\approx1-y^2$ . Podstaviv znacheniya konstant i polozhiv $t^2(y)=1,1$ , a $\vartheta(y)\approx 0,95-1,03y^2$ , poluchim iz (2) priblizhennuyu formulu

$j\approx 1,4\cdot 10^{-6}{\displaystyle E^2\over\displaystyle \varphi}\cdot 10^{\displaystyle(4,39\varphi^{\displaystyle -1/2}-2,82\cdot 10^{\displaystyle 7}\varphi^{\displaystyle 3/2}/E)}$ (3)

(j, E i $\overline\Phi$ v A/sm², V/sm i eV, sm. tabl.).

Formula (2) poluchena v sleduyushih predpolozheniyah: svobodnye elektrony v metalle podchinyayutsya statistike Fermi-Diraka; vne metalla na elektron deistvuyut tol'ko sily zerkal'nogo izobrazheniya. Prozrachnost' bar'era $D(\mathcal{E},E)$ rasschityvalas' v kvaziklassicheskom priblizhenii.

Znacheniya lg j dlya nekotoryh E i $\varphi$ , rasschitannye po formule (2)

$\varphi$ = 2,0		$\varphi$ = 4,5		$\varphi$ = 6,3
$E\cdot 10^{-7}$	$\lg j$	$E\cdot 10^{-7}$	$\lg j$	$E\cdot 10^{-7}$	$\lg j$
1,0	2,98	2,0	-3,33	2,0	-12,90
1,2	4,45	3,0	1,57	4,0	-0,88
1,4	5,49	4,0	4,06	6,0	3,25
1,6	6,27	5,0	5,59	8,0	5,34
1,8	6,89	6,0	6,62	10,0	6,66
2,0	7,40	7,0	7,36	12,0	7,52
2,2	7,82	8,0	7,94	14,0	8,16
2,4	8,16	9,0	8,39	16,0	8,65
2,6	8,45	10,0	8,76	18,0	9,04
		12,0	9,32	20,0	9,36

Nesmotrya na uprosheniya, formula Faulera-Nordheima horosho soglasuetsya s eksperimentom. Harakternymi svoistvami avtoelektronnoi emissii iz metallov yavlyayutsya vysokie predel'nye plotnosti toka j (vplot' do 10¹⁰ A/sm²) i eksponencial'naya zavisimost' j ot $\varphi$ i E. Pri j = 10⁶-10⁷ A/sm² nablyudaetsya nekotoroe umen'shenie j po sravneniyu s (2). Eto svyazano s vliyaniem ob'emnogo zaryada ili s detalyami formy potencial'nogo bar'era. Rost toka j s povysheniem napryazheniya V zakanchivaetsya pri j = 10⁸-10¹⁰ A/sm² vakuumnym proboem i gibel'yu emittera. Etomu predshestvuet bolee intensivnaya, no kratkovremennaya vzryvnaya elektronnaya emissiya.

Avtoelektronnaya emissiya slabo zavisit ot temperatury T. Malye otkloneniya j ot (2) s rostom T pryamo proporcional'ny T²:

${\displaystyle j(T)-j(0)\over\displaystyle j(0)}\approx 1,4\cdot 10^8\varphi T^2/E^2$ , (4)

Formula (4) verna s tochnost'yu $\sim$ 1% Dlya prirashenii toka $\sim$ 18%. Dlya otnosheniya j(T)/j(0) $\leq$ 10 spravedliva t. n. formula Merfi i Guda

$\begin{array}{ll} j(T)/j(0)=\pi\omega/ \sin{(\pi\omega)}; \\ \omega={\displaystyle 4\pi\sqrt{2m}k\sqrt{\varphi}t(y)\over\displaystyle he}{\displaystyle T\over\displaystyle E}. \end{array}$ (5)

Dlya bol'shih izmenenii j(T) sushestvuyut bolee gromozdkie formuly i grafiki, poluchennye chislennymi raschetami. Pri povyshenii T i snizhenii E avtoelektronnaya emissiya (termoavtoelektronnaya emissiya) perehodit v termoelektronnuyu emissiyu, usilennuyu polem (effekt Shottki).

Energeticheskii spektr avtoelektronov iz metalla uzok (ris. 2). Polushirina $\sigma$ raspredeleniya po polnym energiyam pri T=0 K opredelyaetsya formuloi

$\sigma=6,76\cdot 10^{-9}E/ \sqrt{\varphi}t(y)$ . (6)

Pri $\varphi$ =4,4 eV i lg j ot 0 do 7 $\sigma$ var'iruetsya ot 0,08 do 0,2 eV. Velichina $\sigma$ s povysheniem T vozrastaet, v chastnosti pri 300 K (v tom zhe diapazone j) $\sigma$ izmenyaetsya ot 0,17 do 0,3 eV. Forma spektra otklonyaetsya ot teoreticheskoi (v modeli svobodnyh elektronov) pri slozhnoi konfiguracii fermi-poverhnosti ili pri nalichii adsorbiruyushih molekul i atomov na poverhnosti, osobenno esli oni nemetallicheskogo proishozhdeniya (naprimer, nekotoryh organicheskih molekul, kotorye igrayut rol' volnovodov dlya elektronnyh voln).

Otbor toka pri nizkih temperatupax privodit k nagrevaniyu emittera, t. k. uhodyashie elektrony unosyat energiyu v srednem men'shuyu, chem energiya Fermi $\mathcal{E}_F$ togda kak vnov' postupayushie v metall cherez kontakt elektrony imeyut energiyu $\mathcal{E}_F$ (Nottingema effekt). S vozrastaniem T nagrev smenyaetsya ohlazhdeniem - effekt menyaet znak, prohodya cherez t. n. temperaturu inversii, sootvetstvuyushuyu simmetrichnomu otnositel'no urovnya Fermi raspredeleniyu vyshedshih elektronov po polnym energiyam. Pri bol'shih T, kogda emitter razogrevaetsya za schet dzhoulevyh poter', inversiya effekta Nottingema v nekotoryh predelah prepyatstvuet lavinnomu samorazogrevu i stabiliziruet avtoelektronnuyu emissiyu

Avtoelektronnaya emissiya iz poluprovodnikov. Osobennosti avtoelektronnoi emissii iz poluprovodnikov svyazany s neskol'kimi faktorami: 1) elektricheskoe pole gluboko pronikaet v poluprovodnik, chto privodit k smesheniyu energeticheskih zon, k izmeneniyu vblizi poverhnosti koncentracii nositelei zaryada i ih energeticheskogo spektra; 2) koncentraciya elektronov vo mnogo raz men'she, chem v metalle, chto ogranichivaet velichinu j, i ona sil'no zavisit ot vneshnih vozdeistvii (temperatupa, osveshenie i dr.); 3) poverhnostnye sostoyaniya nositelei zaryada mogut skazyvat'sya na harakteristikah avtoelektronnoi emissii; 4) vol't-ampernye harakteristiki i energeticheskie spektry avtoelektronov otrazhayut zonnuyu strukturu poluprovodnikov; 5) protekayushii cherez poluprovodnik tok mozhet privodit' k pereraspredeleniyu potenciala na nem, a takzhe vliyat' na energeticheskii spektr elektronov. Vse eti osobennosti privlekayutsya dlya ob'yasneniya nablyudaemyh vol't-ampernyh harakteristik i energeticheskih spektrov avtoelektronov iz poluprovodnikov.

Avtoelektronnye emittery (katody) delayut v vide poverhnostei s bol'shoi kriviznoi: ostriya, lezviya, sherohovatye kraya fol'g i plenok, torcy nitei i t. p. Dlya otbora otnositel'no bol'shih tokov ispol'zuyut mnogoostriinye sistemy, mnogoemitternye sistemy na krayah plenok i fol'g i t. p. V zavisimosti ot razmerov emitterov i rasstoyaniya do anoda napryazhenie V, obespechivayushee velichinu elektricheskogo polya E, dostatochnuyu dlya vozniknoveniya avtoelektronnoi emissii, mozhet sostavlyat' ot soten vol't do neskol'kih desyatkov kilovol't.

Stabil'nost' avtoelektronnoi emissii svyazana s postoyanstvom raspredeleniya $\varphi$ vdol' katoda i t. n. polevogo mnozhitelya $a=E/V$ Oba eti faktora mogut izmenyat'sya pod vliyaniem adsorbcii i migracii atomov ili molekul kak primesei, tak i materiala emittera. Naprimer, lokal'nye znacheniya a vozrastayut v rezul'tate migracii poverhnostnyh atomov pod deistviem sil'nogo elektricheskogo polya (perestroika v pole) ili v rezul'tate "iz'yazvleniya" poverhnosti pri ionnoi bombardirovke. Povyshenie stabil'nosti avtoelektronnoi emissii dostigaetsya uluchsheniem vakuuma, ochistkoi emittera, ispol'zovaniem impul'snogo napryazheniya (dlya oslableniya migracii atomov v elektricheskom pole i samorazogreva emittera), umerennym podogrevom emittera (dlya zashity ot adsorbcii i dlya "zaglazhivaniya" defektov v mestah udara ionov), primeneniem slabo adsorbiruyushih materialov (nekotorye karbidy, boridy, nitridy metallov, uglerod). Issledovanie avtoelektronnoi emissii iz monokristallov tugoplavkih metallov, a takzhe himicheskih soedinenii s metallicheskoi provodimost'yu (LaB₆, ZrC i dr.) v sverhvysokom vakuume (poverhnost' emittera ostaetsya chistoi v techenie chasov ili sutok) pozvolilo utochnit' parametry avtoelektronnoi emissii dlya etih veshestv.

Primenenie. Metallicheskie avtoelektronnye emittery ispol'zuyutsya v teh sluchayah, kogda trebuetsya vysokaya plotnost' toka j, t. e. tam, gde neobhodimy bol'shie toki libo koncentrirovannye elektronnye puchki. Preimushestvami avtoelektronnyh emitterov yavlyayutsya otsutstvie energeticheskih zatrat na podogrev i bezynercionnost'. Metallicheskie avtoelektronnye emittery (obychno mnogoostriinye) primenyayutsya v moshnyh sil'notochnyh ustroistvah. Nelineinost' vol't-ampernoi harakteristiki ispol'zuetsya v ustroistvah SVCh (preobrazovateli chastoty, usiliteli, detektory signalov). Avtoemissionnyi emitter v kachestve intensivnogo tochechnogo istochnika elektronov primenyaetsya v rastrovyh mikroskopah. On perspektiven v rentgenovskoi i obychnoi elektronnoi mikroskopii, v rentgenovskoi defektoskopii, v rentgenovskih mikroanalizatorah i elektronno-luchevyh priborah. Avtoemissionnye emittery mogut takzhe upotreblyat'sya v mikroelektronnyh ustroistvah i v chuvstvitel'nyh indikatorah izmeneniya napryazheniya.

Avtoelektronnyi katod v sochetanii s anodom, sovmeshennym s lyuminesciruyushim ekranom, prevrashaet takoi avtoemissionnyi diod v emissionnyi elektronnyi mikroskop. Na ego ekrane mozhno nablyudat' kartinu uglovogo raspredeleniya toka avtoelektronnoi emissii s ostriya pri vysokih uvelicheniyah i razreshayushei sposobnosti (sm. Elektronnyi proektor).

Poluprovodnikovye avtoemissionnye emittery perspektivny kak chuvstvit. priemniki IK-izlucheniya. Mnogoostriinye sistemy emitterov sluzhat osnovoi dlya mozaichnyh sistem v preobrazovatelyah IK-izobrazhenii.

V vysokovol'tnyh vakuumnyh ustroistvah avtoelektronnaya emissiya mozhet igrat' i "vrednuyu rol'", sposobstvuya utechkam toka, razvitiyu vakuumnogo proboya. Dlya podavleniya avtoelektronnoi emissii v etih sluchayah snizhayut pole u poverhnosti elektrodov (umen'shaya nh kriviznu), podbirayut raspolozhenie elektrodov i raspredelenie potencialov, a takzhe povyshayut rabotu vyhoda iz poverhnosti (podborom materiala ili pokrytiya).

"Fizicheskaya Enciklopediya"/Phys.Web.Ru
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: elektricheskoe pole - avtoelektronnaya emissiya Publikacii so slovami: elektricheskoe pole - avtoelektronnaya emissiya
Sm. takzhe: Vektornyi potencial Vakuumnyi proboi

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati