Для получения потока свободных электронов в электронных приборах имеется специальный металлический или полупроводниковый электрод — катод .

Для того чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить нм извне некоторую энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают такие виды электронной эмиссии:

• термоэлектронную , при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;
• фотоэлектронную , при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;
• вторичную электронную , являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью;
• электросатическую , при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.

Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных видов электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия. Явление термоэлектронной эмиссии было известно уже в конце ХVIII в. Ряд качественных закономерностей этого явления установили В. В. Петров (1812), Т. Л. Эдисон (1889) и др. К 30-м годам нашего столетия были определены основные аналитические зависимости термоэлектронной эмиссии.

При нагревании металла распределение электронов по энергиям в зоне проводимости изменяется (рис, 1, кривая 2). Появляются электроны с энергией, превышающей уровень Ферми. Такие электроны могут выйти за пределы металла, и результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона — Дэшмана):

где Jе — плотность тока эмиссий, А/см²; А — эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучаощей поверхности и равная для большинства чистых металлов — 40…70 А/(см² К²’); Т — абсолютная температура катода; е — основание натуральных логарифмов (е = 2,718); еφо — работа выхода электрона из металла, Дж; κ = 1,38 10‾²³ Дж/К — постоянная Больцмана.

Приведенное уравнение термоэлектронной эмиссии справедливо для металлов. Для примесных полупроводников существует несколько иная зависимость, однако качественно связь величины тока эмиссии с температурой и работой выхода остается такой же. Уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокращается срок его службы. Поэтому катод должен работать в строго определенном интервале рабочих температур. Нижний предел температуры определяется возможностью получения требуемой эмиссии, а верхний — испарением или плавлением эмиттирующего материала.

Существенное влияние на величину тока эмиссии оказывает внешнее ускоряющее электрическое поле, действующее у поверхности катода. Это явление получило название эффекта Шоттки. На электрон, выходящий из катода, при наличии внешнего электрического поля действуют две силы — сила электрического притяжения, возвращающая электрон, и сила внешнего поля, ускоряющая электрон в направлении от поверхности катода. Таким образом, внешнее ускоряющее поле снижает потенциальный барьер, вследствие чего снижается работа выхода электронов из катода и увеличивается электронная эмиссия.

Фотоэлектронная эмиссия. Впервые явление фотоэлектронной эмиссии (или внешнего фотоэффекта) наблюдалось Г. Герцем в 1887 г. Экспериментальные исследования, позволившие установить количественные соотношения для фотоэлектронной эмиссии, были проведены А. Г. Столетовым в 1888 г. Основные закономерности фотоэффекта были объяснены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. В соответствии с этой теорией лучистая энергия может пропускаться и поглощаться не в виде непрерывного потока, а только определенными порциями (квантами), причем каждый квант обладает количеством энергии hv , где h — постоянная Планка, а v — частота излучения. Таким образом, электромагнитное излучение (видимый и невидимый свет, рентгеновское излучение и т. п.) представляет собой поток отдельных квантов энергии, получивших название фотонов. При падении на поверхность фотокатода энергия фотонов расходуется на сообщение электронам дополнительной энергии. За счет этой энергии электрон с массой me , совершает работу выхода Wo и приобретает начальную скорость Vo, что математически выражается уравнением Эйнштейна:

Электрон может выйти за пределы катода, если работа выхода меньше энергии кванта, так как лишь при этих условиях начальная скорость Vo , а следовательно и кинетическая энергия электрона:

Отметим основные особенности явления фотоэффекта:

• При облучении поверхности фотокатода лучистым потоком постоянного спектрального состава ток фотоэлектронной эмиссии пропорционален интенсивности потока (закон Столетова):

где Iф — величина фототока; Ф — величина лучистого потока; К — коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность поверхности фотокатода к излучению.

• Скорость электронов, испускаемых фотокатодом, тем больше, чем больше частота v поглощаемого излучения; начальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно с возрастанием частоты v.
• Фотоэффект наблюдается только при облучении лучистым потоком с частотой V ≥ Vкр , где Vкр критическая частота, называемая «красной границей» фотоэффекта. Критическая длина волны:

, где с — скорость распространения электромагнитных волн. При λ > λк , фотоэлектронная эмиссия отсутствует.

• Фотоэффект практически безынерционен, т. е. нет запаздывания между началом облучения и появлением фотоэлектронов (время запаздывания не превышает 3 10∧-9 с).

Как и в случае термоэлектронной эмиссии, увеличение напряженности внешнего электрического поля у фотокатода также увеличивает фотоэлектронную эмиссию за счет снижения потенциального барьера катода. При этом порог фотоэффекта смещается в сторону более длинных воли.

Чем меньше работа выхода металла, из которого изготовлен фотокатод, тем меньше величина пороговой частоты для данного фотокатода. Например, для того чтобы фотокатод был чувствителен к видимому свету, материал его должен иметь работу выхода меньше 3,1 эВ. Такая работа выхода характерна для щелочных и щелочноземельных металлов (цезий, калий, натрий). Для увеличения чувствительности фотокатода к другим диапазонам лучистых потоков используют более сложные типы полупроводниковых фотокатодов (щелочно-водородные, кислородно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые и др.).

Вторичная электронная эмиссия . Механизм вторичной электронной эмиссии отличается от механизма термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии. Если при термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии электроны расположенные главным образом на уровнях зоны проводимости, то при бомбардировке поверхности катода первичными электронами или ионами их энергия может поглощаться и электронами заполненных зон. Поэтому вторичная эмиссия возможна как с проводников, так и с полупроводников и диэлектриков.

Наиболее важным параметром, характеризующим вторичную электронную эмиссию, является коэффициент вторичной эмиссии σ . Он представляет собой отношение числа вылетающих с поверхности катода вторичных электронов n2 , к числу падающих на катод первичным электронов n1, или же отношение тока вторичной элеронной эмиссии I2 к току первичных электронов I1 :

Вторичная электронная эмиссия применяется в некоторых электронным приборах — фотоумножителях, передающих телевизионных трубках, отдельным типах электронных ламп. Однако во многим случаям, в частности в большинстве электронных ламп, она нежелательна и ее стремятся уменьшить.

Электростатическая эмиссия. Если внешнее электрическое поле у поверхности катода имеет напряженность, достаточную для полной компенсации тормозящего действия потенциального барьера, то даже при низких температурах катода кожно получить значительную электронную эмиссию. Подсчитано, что для компенсации потенциального барьера напряженность у поверхности катода должка быть порядка 10∧8 В/см. Однако уже при напряженности поля порядка 10∧6 В/см наблюдается значительная электронная эмиссия с холодных поверхностей.

Техническое получение значений напряженности поля, достаточных для возникновения электростатической эмиссии, представляет значительные трудности. Поэтому электростатическая эмиссия в основном применяется в ионных приборах с жидким ртутным катодом. В этом случае достаточную напряженность поля кожно получить за счет создании вблизи поверхности катода слоя ионизированных паров ртути.

Источник - Гершунский Б.С. Основы электроники (1977)

Электроны проводника свободно перемещаются в пределах его границ, а при поглощении достаточной энергии могут и выходить наружу, преодолев стенку потенциальной ямы у поверхности тела (рис. 10.6). Это явление называется эмиссией электронов (в отдельном атоме аналогичное явление называется ионизацией).

При Т = 0 энергия, необходимая для эмиссии, определяется разностью между уровнями W = 0 и уровнем Ферми Е Р (рис. 10.6) и называется работой выхода. Источником энергии могут быть фотоны (см. параграф 9.3), вызывающие фотоэмиссию (фотоэффект).

Рис. 10.6

Причиной термоэлектронной эмиссии является нагревание металла. При искажении функции распределения электронов (см. рис. 10.5, б) се «хвост» может выйти за пределы среза потенциальной ямы, т.с. у некоторых электронов хватает энергии, чтобы покинуть металл. Обычно этим пользуются для поставки электронов в вакуум.

Простейший прибор, использующий термоэмиссию, - электровакуумный диод (рис. 10.7, а). Его катод К накаляется от источника ЭДС ? и и испускает электроны, которые создают ток иод действием электрического ноля между анодом и катодом. Электровакуумный диод отличается от фотодиода в основном источником энергии, вызвавшей эмиссию электронов, поэтому их вольтамперные характеристики похожи. Чем больше напряжение U a между анодом и катодом, тем большую часть электронов из их облака у катода вытягивает электрическое поле в единицу времени. Поэтому с ростом напряжения U a ток I растет. При некоторых напряжениях ноле вытягивает уже все электроны, покидающие катод, и дальнейший рост напряжения к росту тока нс приводит - происходит насыщение.

Рис. 10.7

ВОПРОС. Почему ток насыщения при Т, больше, чем при Г, (рис. 10.7, б)? ОТВЕТ. При Т 2 > Г, больше электронов покидает катод в единицу времени.

При обратной полярности приложенного напряжения («минус» подключен к аноду, а «плюс» - к катоду) электроны не ускоряются, а тормозятся, поэтому электровакуумный диод способен пропускать ток только в одну сторону, т.е. он обладает односторонней проводимостью. Это позволяет применять его для выпрямления тока (рис. 10.7, в): во время действия положительной полуволны напряжения диод пропускает ток, а во время отрицательной - нет.

В 1907 г. американец Ли де Форест дополнил диод третьим электродом- сеткой, который позволил усиливать электрические сигналы. Такой триод стали затем дополнять и другими электродами, что позволило создавать разного рода усилители, генераторы и преобразователи. Это обусловило бурное развитие электротехники, радиотехники и электроники. Далее эстафету подхватили полупроводниковые приборы, вытеснившие электровакуумные лампы, но в ЭЛТ, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и некоторых вакуумных лампах термоэмиссия ио-нрежнему актуальна.

Еще одним источником эмиссии электронов может быть бомбардировка поверхности материала различными частицами. Вторичная электрон-эле- ктронная эмиссия возникает в результате ударов внешних электронов, передающих часть своей энергии электронам вещества. Такую эмиссию используют, например, в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) (рис. 10.8, а). Его фотокатод 1 испускает электроны под действием света. Их ускоряют в направлении электрода (динода) 2, из которого они выбивают вторичные электроны, те ускоряются к диноду 3 и т.д. В результате первичный фототок умножается до такой степени, что ФЭУ способен регистрировать даже отдельные фотоны.

Рис. 10.8

Тот же принцип применили и в ЭОП (см. параграф 9.3) нового поколения. Он содержит сотни тысяч ФЭУ (по числу пикселей, формирующих изображения объектов), каждый из которых представляет собой металлизированный микроканал шириной ~ 10 мкм. По этому каналу так же зигзагообразно, как свет в оптоволокне и как электроны в ФЭУ, движутся электроны, размножаясь при каждом соударении со стенками канала вследствие вторичной эмиссии. Поскольку траектория электронов пренебрежимо мало отличается от прямолинейной (лишь в пределах ширины канала), то пакет таких каналов, расположенный между фотокатодом и экраном (рис. 10.8, б), избавляет от необходимости фокусировки фотоэлектронов (сравните с рис. 9.4). Каждый канал осуществляет не только размножение электронов, но и перенос их в требуемую точку, что обеспечивает четкость изображения.

При вторичной ионно-электронной эмиссии первичными частицами - носителями энергии являются ионы. В газоразрядных приборах они обеспечивают воспроизводство электронов из катода, которые затем размножаются путем ионизации молекул газа (см. параграф 5.9).

Существует и весьма экзотичный вид эмиссии, происхождение которого объясняется принципом неопределенности Гейзенберга. Если у поверхности металла есть электрическое поле, ускоряющее электроны, то на потенциальный уступ 1 накладывается прямая еЕх (2 на рис. 10.6), и уступ превращается в барьер 3. Если полная энергия электрона равна W, т.е. на АW меньше высоты барьера, то по классическим представлениям «взять» его, т.е. выйти наружу, он не может. Однако по квантовым представлениям электрон - это еще и волна, которая не только отражается от оптически более плотной среды, но и преломляется. При этом наличие функции у внутри барьера означает конечную вероятность обнаружить там электрон. На «классический» взгляд, это невозможно, так как полная энергия электрона W, а ее составляющая - потенциальная энергия - равна в этой области W + AVK, т.е. часть оказывается больше целого! В то же время существует некоторая неопределенность AVK энергии, которая зависит от времени At пребывания электрона внутри барьера: AWAt >h. С уменьшением At: неопределенность AW может достичь требуемой величины, и решение уравнения Шредингера дает конечные значения | р | 2 с внешней стороны барьера, т.е. существует вероятность того, что электрон выйдет наружу, не перепрыгивая через барьер! Она тем выше, чем меньше AW п At.

Эти выводы подтверждаются па практике наличием туннельного, или подбарьерного, эффекта. Он даже находит применение, обеспечивая эмиссию электронов из металла в полях напряженностью ~10 6 -10 7 В/см. Поскольку такая эмиссия происходит без нагревания, облучения или бомбардировки частицами, ее называют автоэлектронной. Обычно она происходит со всевозможных остриев, выступов и т.и., где напряженность ноля резко возрастает. Она может привести и к электрическому пробою вакуумного промежутка.

В 1986 г. Нобелевской премией по физике отмечено основанное на туннельном эффекте изобретение сканирующего электронного микроскопа. Ее лауреаты - немецкие физики Э. Руска и Г. Бинниг и швейцарский физик Г. Рорер. В этом приборе тонкая игла сканирует вдоль поверхности на малом от нее расстоянии. Возникающий при этом туннельный ток несет информацию об энергетических состояниях электронов. Таким образом удается получить изображение поверхности с атомной точностью, что особенно важно в микроэлектронике.

Туннельный эффект ответствен за рекомбинацию при ионно-электронной эмиссии (см. выше), за электризацию трением, при которой электроны из атомов одного материала туннелируют к атомам другого. Он определяет и обобществление электронов при ковалентной связи, ведущей к расщеплению энергетических уровней (см. рис. 10.5, а).

выделением избытка энергии, равного разности уровней энергии электрона в теле и в ионе ε 1 – ε i 1 . Эта энергия может быть либо передана другому электрону тела с начальной энергией ε 2 (оже-процесс), либо выделена в виде кванта света. Второй процесс обладает меньшей вероятностью. В случае, если энергия возбужденного электрона ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) окажется большей нуля, он сможет выйти из эмиттера. Таким образом, в акте эмиссии участвуют два электрона тела: один освобождает энергию путем туннельного перехода из тела к иону с нейтрализацией последнего, другой получает эту энергию возбуждения и выходит из тела, т.е. имеем и процесс туннельного перехода, и процесс возбуждения.

10.7 Эмиссия горячих электронов

Эмиссией горячих электронов называется испускание электронов полупроводником при наличии в нем электрического поля. Горячие электроны эмитируются из зоны проводимости. Поэтому необходимым условием возможности появления эмиссии этих электронов является предварительное тепловое возбуждение их из основной зоны или с донорных уровней в зону проводимости. Таким образом, при эмиссии горячих электронов фактически реализуются два различных механизма возбуждения электронов: 1) возбуждение их в зону проводимости за счет тепловой энергии решетки; 2) возбуждение электронов в зоне проводимости на уровни энергии, превышающие уровень вакуума. Этот тип возбуждения возникает за счет работы сил электрического поля в полупроводнике; в конечном счете эта энергия берется от внешнего источника напряжения, создающего поле. Наличие электрического поля в полупроводнике вызывает ускорение находящихся в зоне проводимости электронов. Эти электроны взаимодействуют с фононами тела. При таких столкновениях электронов может происходить резкое изменение направления их движения и имеет место лишь малая потеря их скорости. В результате средние энергии электронов оказываются выше таковых для ионов; можно сказать, что температура электронного газа оказывается выше температуры кристаллической решетки. Это приводит к появлению эмиссии электронов, которую условно можно было бы назвать «термоэмиссией», однако температура, которая ее определяет, будет выше температуры решетки.

10.8 Комбинированные виды эмиссии

Наиболее часто используется комбинированный тип эмиссии основанный на эффекте Шоттки. Как уже рассматривалось в параграфе 2, при наложении внешнего электрического поля высота барьера понижается и тем самым уменьшается эффективная работа выхода. Поэтому в этом случае требуется меньшее (по энергии) предварительное возбуждение электронов, что бы перевести их на уровни энергии большие высоты потенциального барьера. Таким образом наложение электрического поля стимулирует все виды эмиссии с предварительным возбуждением. Поэтому к комбинированному типу эмиссии прежде всего будем относить следующие: авто-

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое – подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами – ион-электронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана внутренними полями – эмиссия горячих электронов. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например – термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).

Второе условие – создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела испускаемых электронов, для этого, в частности, нужно к эмиттеру подвести электроны, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки – зависимость эмиссии от внешнего поля. В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней есть «пятна» с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие пятен. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).

Термоэлектронная эмиссия . В середине 19 в. было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух становится проводником электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. В результате проведенных опытов Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему приписывается открытие и самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, (т.е. энергией электронов) и работой выхода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода (т.е. сроком службы).

Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов), при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для каждого вещества существует порог – минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, ниже которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Фотоэмиссия чувствительна к работе выхода поверхности. Увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), снижающих работу выхода для большинства металлов до 1,4–1,7 эв. Фотоэмиссия была открыта Густавом Герцем (1887), обнаружившим, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает пробой. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, lоказали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).

Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения.

Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности, ее открыл Р.Вуд (1897) при исследовании вакуумного разряда. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения (как при термоэлектронной эмиссии), а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем.

Автоэмиссия существенно зависит от поля и работы выхода и слабо зависит от температуры. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т.к. уходящие электроны уносят энергию, в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через «температуру инверсии», соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10 7 А/см 2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10 9 А/см 2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом «режиме взрывной эмиссии».

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Чаще всего применяемый материал – вольфрам – хорошо сорбирует газы. Это вызвало многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, однако, большое сопротивление. Предлагалось покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом, для стабильной работы современных автокатодов требуется вакуум, на один-три порядка более высокий, чем тот, который нужен для термокатодов.

Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия – напряженность электрического поля на эмиттере, которая, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, «острые» формы – выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы – пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т.п. То, что в качестве эмиттеров используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода, может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.

Вторичная электронная эмиссия (открытая Л.Остин и Г.Штарке, 1902) – испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны). В тонких пленках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется «коэффициентом вторичной эмиссии» (КВЭ) – отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, вероятность того, что образовавшиеся вторичные электроны могут выйти наружу, мала. В диэлектриках с малой концентрацией электронов вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.

В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щелочноземельных металлов, щелочногалоидные соединения) КВЭ > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже ) КВЭ >> 1, у металлов и полупроводников обычно КВЭ < 2. С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается. Аналогично объясняется зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения, поэтому для них зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов становится сложной.

Создание в диэлектрике сильного электрического поля (10 5 –10 6 в/см) приводит к увеличению КВЭ до 50–100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации КВЭ начинает зависеть от пористости слоя – наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электроны, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с КВЭ > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.

Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии КВЭ в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый энергией, при которой КВЭ = 1, максимальной величиной КВЭ и энергией первичных электронов, когда КВЭ достигает максимума.

Ион-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальный – вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетический – выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.

При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает – для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.

Кинетической ионно-электронной эмиссии практически нет при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.

Эмиссия горячих электронов – это эмиссия за счет «нагрева» электронов, т.е. передачи электронам энергии или воздействии электрическим полем. Если термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией преодолевающих его электронов и для ее получения твердое тело нагревают (простейший способ нагреть электроны), то можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву тела. Поскольку электроны – заряженные частицы, то наиболее простой способ их «нагрева» – воздействие на них электрическим полем. Создание катода с эмиссией горячих электронов – это, прежде всего, создание в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо «испортить», уменьшив их проводимость, т.к. иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток и катод выйдет из строя.

Один из способов «испортить» металл – это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 10 ммк, электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются «островковые», т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Для облегчения выхода электронов катод часто покрывают тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO 2 , BaO. Лучшие полученные параметры таковы – токоотбор 1 А/см 2 в течение длительного времени и 10 А/см 2 – кратковременно. При этом эффективность (отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку) может приближаться к 100%.

Леонид Ашкинази

Большую роль в обеспечении проводимости дугового промежутка играют электроны, поставляемые катодом под действием различных причин. Этот процесс выхода электронов с поверхности электрода катода или процесс освобождения электронов от связи с поверхностью называется эмиссией электронов. Для процесса эмиссии необходимо затратить энергию.

Энергия, которая достаточна для выхода электронов с поверхности катода, называется работой выхода (U вых )

Она измеряется в электрон-вольтах и обычно в 2-3 раза меньше работы ионизации.

Различают 4 вида эмиссии электронов:

1. Термоэлектронная эмиссия

2. Автоэлектронная эмиссия

3. Фотоэлектронная эмиссия

4. Эмиссия под действием удара тяжелых частиц.

Термоэлектронная эмиссия протекает под действием сильного нагрева поверхности электрода – катода. Под действием нагрева электроны, находящиеся на поверхности катода приобретают такое состояние, когда их кинетическая энергия становится равной или больше сил их притяжения к атомам поверхности электрода, они теряют связь с поверхностью и вылетают в дуговой промежуток. Сильный разогрев торца электрода (катода) протекает потому, что в момент его соприкосновения с деталью это соприкосновение происходит лишь в отдельных точках поверхности вследствие наличия неровностей. Такое положение при наличии тока приводит к сильному разогреву места контакта, в результате чего возбуждается дуга. Температура поверхности сильно влияет на имитирование электронов. Обычно эмиссия оценивается плотностью тока. Связь между термоэлектронной эмиссией и температурой катода установили Ричардсон и Дешман.

где j 0 – плотность тока, А/cм 2 ;

φ – работа выхода электрона, э-В;

А – константа, теоретическое значение которой А = 120 а/см 2 град 2 (опытное значение для металлов А » 62,2).

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для выхода электронов, сообщается внешним электрическим полем, которое как бы “отсасывает” электроны за пределы воздействия электростатического поля металла. В этом случае плотность тока может быть рассчитана по формуле

, (1.9)

где Е – напряженность электрического поля, В/см;

С повышением температуры значение автоэлектронной эмиссии снижается, но при невысоких температурах ее влияние может быть определяющим, особенно при высокой напряженности электрического поля (10 6 – 10 7 В/см), что по данным Броуна М.Я. и Г.И. Погодина-Алексеева может быть получено в приэлектродных областях.

При поглощении энергии излучения могут появиться электроны настолько большой энергии, что некоторые из них выходят с поверхности. Плотность тока фотоэмиссии определяется по формуле

где α – коэффициент отражения, значение которого для сварочных дуг неизвестно.

Длины волн, которые вызывают фотоэмиссию также как и для ионизации определяются по формуле

В отличие от ионизации, эмиссия электронов с поверхности щелочных и щелочноземельных металлов вызывается видимым светом.

Поверхность катода может быть подвергнута ударам тяжелых частиц (положительных ионов). Положительные ионы в случае удара о поверхность катода могут:

Во-первых , отдать кинетическую энергию, которой они обладают.

Во-вторых , могут нейтрализоваться на поверхности катода; при этом они отдают электроду энергию ионизации.

Таким образом, катод приобретает дополнительную энергию, которая идет на нагрев, плавление и испарение, а некоторая часть затрачивается вновь на выход электронов с поверхности. В результате достаточно интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка устанавливается устойчивый разряд – электрическая дуга с протеканием в цепи определенной величины тока при определенном напряжении.

В зависимости от степени развития того или иного вида эмиссии различают три типа сварочных дуг:

Дуги с горячим катодом;

Дуги с холодным катодом;