Pro získání toku volných elektronů v elektronických zařízeních existuje speciální kovová nebo polovodičová elektroda - katoda.

Aby elektrony mohly uniknout za katodu, je nutné jim zvenčí předat určitou energii dostatečnou k překonání protichůdných sil. V závislosti na způsobu předávání další energie elektronům se rozlišují následující typy emise elektronů:

• termionický, ve kterém je dodatečná energie předána elektronům v důsledku ohřevu katody;
• fotoelektronické, ve kterém je povrch katody vystaven elektromagnetickému záření;
• sekundární elektronika, který je výsledkem bombardování katody proudem elektronů nebo iontů pohybujících se vysokou rychlostí;
• elektrostatický, ve kterém silné elektrické pole na povrchu katody vytváří síly, které podporují únik elektronů za její hranice.

Podívejme se podrobněji na každý z uvedených typů elektronického vyzařování.

Termionická emise. Fenomén termionické emise byl znám již na konci 18. století. Řadu kvalitativních vzorců tohoto jevu stanovili V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) aj. Do 30. let našeho století byly stanoveny hlavní analytické závislosti termionické emise.

Při zahřívání kovu se mění rozložení energie elektronů ve vodivém pásu (obr. 1, křivka 2). Elektrony se objevují s energiemi přesahujícími Fermiho hladinu. Takové elektrony mohou uniknout z kovu, což vede k emisi elektronů. Velikost termionického emisního proudu závisí na teplotě katody, pracovní funkci a vlastnostech povrchu (Richardson-Dashmanova rovnice):

Kde Je— hustota emisního proudu, A/cm²; A- emisní konstanta v závislosti na vlastnostech vyzařujícího povrchu a stejná pro většinu čistých kovů - 40...70 A/(cm² K²’); T— absolutní teplota katody; E— báze přirozených logaritmů (e = 2,718); eφo— pracovní funkce elektronu opouštějícího kov, J; κ = 1,38 10‾²³ J/K je Boltzmannova konstanta.

Uvedená rovnice termionické emise platí pro kovy. U příměsových polovodičů je mírně odlišná závislost, ale kvalitativní vztah mezi hodnotou emisního proudu a teplotou a pracovní funkcí zůstává stejný. Z rovnice vyplývá, že velikost emisního proudu nejvíce závisí na teplotě katody. S rostoucí teplotou se však prudce zvyšuje rychlost odpařování katodového materiálu a snižuje se jeho životnost. Proto musí katoda pracovat v přesně definovaném rozsahu provozních teplot. Spodní teplotní mez je určena možností získání požadované emise a horní mez je určena odpařováním nebo tavením emitujícího materiálu.

Vnější urychlující elektrické pole působící na povrch katody má významný vliv na hodnotu emisního proudu. Tento jev se nazývá Schottkyho efekt. Na elektron opouštějící katodu v přítomnosti vnějšího elektrického pole působí dvě síly – síla elektrické přitažlivosti, která elektron vrací, a síla vnějšího pole, která elektron urychluje ve směru od katody. povrch. Vnější urychlovací pole tedy snižuje potenciálovou bariéru, v důsledku čehož se snižuje pracovní funkce elektronů z katody a zvyšuje se emise elektronů.

Fotoelektronová emise. Fenomén fotoelektronové emise (nebo vnějšího fotoelektrického jevu) poprvé pozoroval G. Hertz v roce 1887. Experimentální studie, které umožnily stanovit kvantitativní vztahy pro fotoelektronovou emisi, provedl A.G. Stoletov v roce 1888. Hlavní principy fotoelektrického jevu byly vysvětleny A. Einsteinem na základě fotonových teorií světla. V souladu s touto teorií může být zářivá energie přenášena a absorbována nikoli ve formě kontinuálního toku, ale pouze v určitých částech (kvantách) a každé kvantum má určité množství energie hv, kde h je Planckova konstanta a proti— frekvence záření. Elektromagnetické záření (viditelné a neviditelné světlo, rentgenové záření atd.) je tedy proudem jednotlivých energetických kvant, nazývaných fotony. Při dopadu na povrch fotokatody se energie fotonů vynakládá na předávání další energie elektronům. Díky této energii vzniká elektron s hmotností mě, plní pracovní funkci Wo a získá počáteční rychlost Vo, která je matematicky vyjádřena Einsteinovou rovnicí:

Elektron může opustit katodu, pokud je pracovní funkce menší než kvantová energie, protože pouze za těchto podmínek je počáteční rychlost Vo, a proto kinetická energie elektronu:

Všimněme si hlavních rysů jevu fotoelektrického jevu:

• Když je povrch fotokatody ozářen zářivým tokem konstantního spektrálního složení, je fotoelektronový emisní proud úměrný intenzitě toku (Stoletovův zákon):

Kde Li— hodnota fotoproudu; F— velikost zářivého toku; NA— koeficient úměrnosti charakterizující citlivost povrchu fotokatody na záření.

• Rychlost elektronů emitovaných fotokatodou je tím větší, čím vyšší je frekvence proti absorbované záření; počáteční kinetická energie fotoelektronů roste lineárně s rostoucí frekvencí v.
• Fotoelektrický jev je pozorován pouze při ozařování zářivým tokem o frekvenci V ≥ Vcr, kde Vcr je kritická frekvence, nazývaná „červená mez“ fotoelektrického jevu. Kritická vlnová délka:

, kde c je rychlost šíření elektromagnetických vln. Na λ > λк nedochází k emisi fotoelektronů.

• Fotoelektrický jev je prakticky bez setrvačnosti, tj. mezi začátkem ozařování a objevením se fotoelektronů není žádné zpoždění (doba zpoždění nepřesahuje 3 10∧-9 s).

Stejně jako v případě termionické emise, zvýšení intenzity vnějšího elektrického pole na fotokatodě také zvyšuje fotoelektronovou emisi snížením potenciální bariéry katody. V tomto případě se práh fotoelektrického jevu posouvá směrem k delší vůli.

Čím nižší je pracovní funkce kovu, ze kterého je fotokatoda vyrobena, tím nižší je prahová frekvence pro danou fotokatodu. Například, aby byla fotokatoda citlivá na viditelné světlo, musí mít její materiál pracovní funkci menší než 3,1 eV. Tato pracovní funkce je typická pro alkalické kovy a kovy alkalických zemin (cesium, draslík, sodík). Pro zvýšení citlivosti fotokatody na jiné rozsahy zářivých toků, více komplexní typy polovodičové fotokatody (alkalicko-vodík, kyslík-cesium, antimon-cesium atd.).

Emise sekundárních elektronů. Mechanismus emise sekundárních elektronů se liší od mechanismu termionické a fotoelektronové emise. Pokud se při termionické a fotoelektronové emisi elektrony nacházejí převážně na úrovních vodivostního pásu, pak při bombardování povrchu katody primárními elektrony nebo ionty může být jejich energie absorbována i elektrony naplněných pásů. Sekundární emise je tedy možná jak z vodičů, tak z polovodičů a dielektrik.

Nejdůležitějším parametrem charakterizujícím emisi sekundárních elektronů je koeficient sekundární emise σ . Je to poměr počtu sekundárních elektronů emitovaných z povrchu katody n2 k počtu primárních elektronů dopadajících na katodu n1, nebo poměr emisního proudu sekundárního křidélka I2 na proud primárních elektronů I1:

Emise sekundárních elektronů se používá v některých elektronických zařízeních – fotonásobičích, vysílacích televizních elektronkách a některých typech elektronek. V mnoha případech, zejména u většiny elektronek, je však nežádoucí a vyvíjejí se snahy o jeho snížení.

Elektrostatické emise. Pokud má vnější elektrické pole na povrchu katody sílu dostatečnou k plné kompenzaci inhibičního účinku potenciálové bariéry, pak i při nízkých teplotách katody dojde k významné emisi elektronů. Je vypočteno, že pro kompenzaci potenciálové bariéry by napětí na povrchu katody mělo být řádově 10∧8 V/cm. Avšak již při intenzitě pole řádově 10∧6 V/cm je pozorována významná emise elektronů z chladných povrchů.

Technické získání hodnot intenzity pole dostatečných pro výskyt elektrostatické emise představuje značné potíže. Elektrostatická emise se proto používá především v iontových zařízeních s kapalnou rtuťovou katodou. V tomto případě lze získat dostatečnou intenzitu pole vytvořením vrstvy ionizovaných par rtuti v blízkosti povrchu katody.

Zdroj - Gershunsky B.S. Základní elektronika (1977)

Elektrony vodiče se volně pohybují v jeho hranicích a při pohlcení dostatečné energie mohou zhasnout a překonat stěnu potenciálové jámy na povrchu tělesa (obr. 10.6). Tento jev se nazývá emise elektronů (u jednoho atomu se podobný jev nazývá ionizace).

Na T = 0 energie potřebná k emisi je určena rozdílem mezi úrovněmi W= 0 a Fermiho úroveň E R(obr. 10.6) a nazývá se pracovní funkce. Zdrojem energie mohou být fotony (viz odstavec 9.3), způsobující fotoemisi (fotoelektrický jev).

Rýže. 10.6

Emise termionů je způsobena zahříváním kovu. Při zkreslení funkce distribuce elektronů (viz obr. 10.5, b) Veškerý „ocas“ může přesahovat výřez potenciální studny, tzn. některé elektrony mají dostatek energie, aby unikly kovu. To se obvykle používá k dodávání elektronů do vakua.

Nejjednodušším zařízením využívajícím tepelné emise je elektrická vakuová dioda (obr. 10.7, A). Jeho katoda K je ohřívána zdrojem EMF ? A a emituje elektrony, které působením elektrického pole mezi anodou a katodou vytvářejí proud jodu. Vakuová dioda se od fotodiody liší především zdrojem energie, který způsobuje emisi elektronů, takže jejich proudově-napěťové charakteristiky jsou podobné. Čím vyšší je napětí Ua mezi anodou a katodou je větší část elektronů z jejich oblaku na katodě vytažena elektrickým polem za jednotku času. Proto s rostoucím napětím Ua aktuální já rostoucí. Při některých napětích už nula táhne Všechno elektrony opouštějící katodu a další růst napětí nevede ke zvýšení proudu - dochází k saturaci.

Rýže. 10.7

OTÁZKA. Proč je saturační proud na T, více než u G (obr. 10.7, b)? ODPOVĚDĚT. Na T2 > D, více elektronů opustí katodu za jednotku času.

Při obrácené polaritě přivedeného napětí („mínus“ je připojeno k anodě a „plus“ je připojeno ke katodě), elektrony nejsou urychlovány, ale zpomalovány, takže vakuová dioda je schopna propouštět proud pouze v jedním směrem, tzn. on má jednosměrná vodivost. To umožňuje jeho použití pro usměrnění proudu(obr. 10.7, PROTI): Při působení kladné půlvlny napětí diodou proud prochází, při záporné půlvlně nikoliv.

V roce 1907 přidal Američan Lee de Forest k diodě třetí mřížkovou elektrodu, která umožnila zesilovat elektrické signály. Taková trioda byla poté doplněna o další elektrody, které umožňovaly vytvářet různé typy zesilovače, generátory A převodníky. To vedlo k rychlému rozvoji elektrotechniky, radiotechniky a elektroniky. Pak se štafety chopila polovodičová zařízení, která nahradila elektronky, ale v CRT, rentgenkách, elektronových mikroskopech a některých elektronkách je tepelná emise stále relevantní.

Dalším zdrojem emise elektronů může být bombardování povrchu materiálu různými částicemi. Sekundární elektron-elektronová emise vzniká v důsledku dopadů vnějších elektronů, které předávají část své energie elektronům látky. Taková emise se používá např. u fotonásobiče (PMT) (obr. 10.8, A). Jeho fotokatoda 1 při vystavení světlu emituje elektrony. Jsou urychlovány ve směru elektrody (dynody) 2, ze kterého vyřazují sekundární elektrony, jsou urychlovány směrem k dynodě 3 atd. Tím se primární fotoproud znásobí natolik, že PMT je schopen detekovat i jednotlivé fotony.

Rýže. 10.8

Stejný princip byl použit u nové generace trubice zesilovače obrazu (viz odstavec 9.3). Obsahuje statisíce fotonásobičů (podle počtu pixelů, které tvoří obrazy objektů), z nichž každý je pokovený mikrokanál o šířce ~ 10 μm. Elektrony se pohybují podél tohoto kanálu stejným klikatým způsobem jako světlo v optickém vláknu a jako elektrony ve fotonásobiči a násobí se při každé srážce se stěnami kanálu v důsledku sekundární emise. Protože se dráha elektronů od přímé (pouze v rámci šířky kanálu) zanedbatelně liší, je soubor takových kanálů umístěných mezi fotokatodou a stínítkem (obr. 10.8). b), eliminuje potřebu zaostřování fotoelektronů (srovnej s obr. 9.4). Každý kanál nejen násobí elektrony, ale také je přenáší do požadovaného bodu, což zajišťuje čistotu obrazu.

Při sekundární emisi iontů a elektronů jsou primární částice, které přenášejí energii, ionty. V zařízení na vypouštění plynu zajišťují reprodukci elektronů z katody, které jsou následně znásobeny ionizací molekul plynu (viz odstavec 5.9).

Existuje také velmi exotický typ emise, jejíž původ je vysvětlen Heisenbergovým principem neurčitosti. Pokud má kovový povrch elektrické pole urychlující elektrony, pak se na potenciální krok 1 superponuje přímka eEx(2 na obr. 10.6), a krok se změní na bariéru 3. Pokud je celková energie elektronu W, těch. k A W je menší než výška bariéry, pak ji podle klasických koncepcí „vezměte“, tzn. nemůže jít ven. Podle kvantových konceptů je však také elektron mávat, což je nejen odráží z opticky hustšího média, ale také lomené. Navíc přítomnost funkce uvnitř bariéry znamená konečnou pravděpodobnost nalezení elektronu tam. Z „klasického“ hlediska je to nemožné, protože plný energie elektronů W, a jeho součástí je potenciál energie - v této oblasti rovné W+ AVK, tzn. část se ukáže být větší než celek! Přitom nějaké je nejistota AVK energie, která závisí na čase Na pobyt elektronů uvnitř bariéry: AWAt >h. S klesajícím Na: nejistota A.W. může dosáhnout požadované hodnoty a řešení Schrödingerovy rovnice dává konečné hodnoty | r | 2 s mimo bariéra, tzn. existuje možnost, že elektron unikne, aniž by přeskočil bariéru! Čím je menší, tím je vyšší AW p At.

Tyto závěry jsou v praxi potvrzeny přítomností tunelového nebo subbariérového efektu. Dokonce najde uplatnění tím, že poskytuje emisi elektronů z kovu v polích o síle ~10 6 -10 7 V/cm. Protože k takové emisi dochází bez zahřívání, ozařování nebo bombardování částicemi, nazývá se emise pole. Obvykle se vyskytuje ze všech druhů bodů, výstupků apod., kde nulová intenzita prudce narůstá. Může také vést k elektrickému poškození vakuové mezery.

V roce 1986 byla udělena Nobelova cena za fyziku za vynález skenovacího zařízení založeného na tunelovém efektu. elektronový mikroskop. Jeho laureáty jsou němečtí fyzici E. Ruska a G. Binnig a švýcarský fyzik G. Rohrer. V tomto zařízení tenká jehla snímá podél povrchu v malé vzdálenosti od něj. Tunelový proud, který vzniká, nese informaci o energetických stavech elektronů. Tímto způsobem je možné získat obraz povrchu s atomární přesností, což je důležité zejména v mikroelektronice.

Tunelový efekt je zodpovědný za rekombinaci během emise iontů a elektronů (viz výše), za elektrifikaci třením, při kterém elektrony z atomů jednoho materiálu tunelují k atomům druhého. Určuje také sdílení elektronů během kovalentních vazeb, což vede k štěpení energetických hladin (viz obr. 10.5, A).

uvolnění přebytečné energie rovnající se rozdílu energetických hladin elektronu v těle a v iontu ε 1 – ε i 1 . Tato energie může být buď přenesena na jiný elektron těla s počáteční energií ε 2 (Augerův proces), nebo uvolněna ve formě světelného kvanta. Druhý proces je méně pravděpodobný. Pokud se ukáže, že energie excitovaného elektronu ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) je větší než nula, bude schopen opustit emitor. Dva elektrony těla se tedy účastní aktu emise: jeden uvolňuje energii tunelováním z těla do iontu s neutralizací druhého, druhý přijímá tuto excitační energii a opouští tělo, tzn. máme jak proces tunelového přechodu, tak proces buzení.

10.7 Emise horkých elektronů

Emise horkých elektronů je emise elektronů polovodičem v přítomnosti elektrického pole. Z vodivého pásu jsou emitovány horké elektrony. Proto nutná podmínka Možnost výskytu emise těchto elektronů je jejich předběžná tepelná excitace z hlavního pásma nebo z donorových hladin do vodivostního pásma. Při emisi horkých elektronů se tedy ve skutečnosti realizují dva různé mechanismy buzení elektronů: 1) jejich vybuzení do vodivostního pásma vlivem tepelné energie mřížky; 2) excitace elektronů ve vodivém pásmu na energetické hladiny přesahující hladinu vakua. K tomuto typu buzení dochází v důsledku práce sil elektrického pole v polovodiči; Nakonec je tato energie odebírána z externího zdroje napětí, který vytváří pole. Přítomnost elektrického pole v polovodiči způsobuje zrychlení elektronů umístěných ve vodivém pásmu. Tyto elektrony interagují s fonony těla. Při takových srážkách elektronů může dojít k prudké změně směru jejich pohybu a dojde jen k malé ztrátě jejich rychlosti. Výsledkem je, že průměrné energie elektronů jsou vyšší než energie iontů; můžeme říci, že teplota elektronového plynu je vyšší než teplota krystalové mřížky. To vede ke vzniku emise elektronů, kterou lze běžně nazývat „tepelná emise“, ale teplota, která ji určuje, bude vyšší než teplota mřížky.

10.8 Kombinované druhy emisí

Nejčastěji se používá kombinovaný typ emise na bázi Schottkyho jevu. Jak již bylo uvedeno v odstavci 2, když je aplikováno vnější elektrické pole, výška bariéry se snižuje, a tím klesá. efektivní práce výstup. Proto je v tomto případě zapotřebí menší (energeticky) předběžné excitace elektronů, aby se přenesly na energetické hladiny větší, než jsou výšky potenciální bariéry. Aplikace elektrického pole tedy stimuluje všechny typy emisí s předběžným buzením. Proto jako kombinovaný typ emisí zařadíme především: auto-

ELEKTRONICKÉ EMISE– emise elektronů z povrchu pevné látky nebo kapaliny. Aby elektron opustil kondenzované prostředí ve vakuu nebo plynu, je třeba vynaložit energii, které se říká pracovní funkce. Závislost potenciální energie elektronu na souřadnici na rozhraní zářiče a vakua (nebo jiného prostředí) se nazývá potenciální bariéra. Tu musí elektron překonat, když opustí emitor.

Emise mohou být zachovány, pokud jsou splněny dvě podmínky. Prvním je dodávka energie elektronům, která zajistí překonání potenciálové bariéry, nebo vytvoření tak silného vnějšího pole, že potenciální bariéra ztenčí a tunelový efekt (emise pole), kvantový průnik elektronů přes potenciální bariéru , se stává významným, tzn. emise elektronů s energií menší než pracovní funkce. Přenos energie fotony ostřelujícími tělo vede k fotoemisi, ostřelování elektrony způsobuje sekundární emisi elektronů a ostřelování ionty - iontově-elektronové emise. Emise může být způsobena vnitřními poli - emise horkých elektronů. Všechny tyto mechanismy mohou fungovat současně (například tepelná autoemise, fotoautoemise).

Druhou podmínkou je vytvoření vnějšího elektrického pole, které zajistí odvod emitovaných elektronů z těla, k tomu je zejména nutné dodat elektrony emitoru, aby se nenabíjel. Pokud vnější pole, které zajišťuje odstranění emitovaných elektronů, nestačí k emisi pole, ale stačí ke snížení potenciálové bariéry, začne být patrný Schottkyho jev - závislost emise na vnějším poli. V případě, že je vyzařovací plocha nehomogenní a jsou na ní „skvrny“ s různou pracovní funkcí, objeví se nad jejím povrchem elektrické „bodové pole“. Toto pole inhibuje únik elektronů z částí katody s nižší pracovní funkcí než sousední. Vnější elektrické pole se sčítá s polem skvrn a se zvětšováním eliminuje inhibiční účinek skvrn. V důsledku toho se emisní proud z nehomogenního zářiče zvyšuje s rostoucím polem rychleji než v případě zářiče homogenního (anomální Schottkyho efekt).

Termionická emise. V polovině 19. stol. bylo známo, že v blízkosti zahřátých pevných látek se vzduch stává vodičem elektřiny, ale důvod tohoto jevu zůstal nejasný. V důsledku svých experimentů Yu.Elster a G.Geitel zjistili, že při sníženém tlaku okolního vzduchu získává bíle rozžhavený kovový povrch kladný náboj. Tok proudu ve vakuu mezi zahřívanou elektrodou a kladně nabitou elektrodou objevil T. Edison (1884), vysvětlil jej emisí elektronů (záporně nabitých částic) J. Thomson (1887), teorie termionické emise byl vyvinut O. Richardsonem (1902, někdy objev a samotný efekt). Jednosměrnou vodivost objevil J. Fleming (1904, někdy připisován Edisonovi), ačkoli jeho dioda nebyla zcela vakuová, ale s částečnou kompenzací vesmírného náboje. Termionický emisní proud je určen teplotou katody (tj. energií elektronů) a pracovní funkcí. Maximální emisní proud je určen poměrem pracovní funkce k teplotě, nazývá se saturační proud. Teplota katody je zase omezena odpařováním materiálu katody (tj. životností).

Fotoelektronová emise je emise elektronů pevnými látkami a kapalinami pod vlivem elektromagnetického záření (fotonů), přičemž počet emitovaných elektronů je úměrný intenzitě záření. Pro každou látku existuje práh - minimální frekvence (maximální vlnová délka) záření, pod kterou nedochází k emisi, maximální kinetická energie fotoelektronů roste lineárně s frekvencí záření a nezávisí na jeho intenzitě. Fotoemise je citlivá na pracovní funkci povrchu. Zvýšení kvantového výtěžku a posunutí prahu fotoemise je dosaženo potažením kovového povrchu monoatomickou vrstvou elektropozitivních atomů Cs (cesium) nebo Rb (rubidium), které snižují pracovní funkci u většiny kovů na 1,4–1,7 eV. . Fotoemise byla objevena Gustavem Hertzem (1887), který zjistil, že osvětlování elektrod nabitého jiskřiště ultrafialovým světlem usnadňuje rozpad. Systematické studie provedli V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) a ukázaly, že v Hertzově experimentu jde o uvolnění nábojů pod vlivem světla. To, že se jedná o elektrony, ukázali F. Lenard a J. Thomson (1898).

Fotoemise z polovodičů a dielektrik je určena silnou absorpcí elektromagnetického záření.

Emise pole (emise pole, elektrostatická emise, tunelová emise) - emise elektronů vodivými pevnými látkami a tekutá těla pod vlivem vnějšího elektrického pole vysoké intenzity objevil R. Wood (1897) při studiu vakuového výboje. Emise pole je vysvětlena tunelovým efektem a dochází k ní bez vynaložení energie na excitaci elektronů nezbytných pro jiné typy emise elektronů. S polem emise elektrony překonávají potenciální bariéru, nepřecházejí přes ni v důsledku kinetické energie tepelného pohybu (jako u termionické emise), ale tunelováním skrz bariéru, zmenšenou a zúženou elektrickým polem.

Emise pole výrazně závisí na poli a pracovní funkci a slabě závisí na teplotě. Odběr proudu při nízkých teplotách vede k zahřívání zářiče, protože odcházející elektrony odnášejí energii, která je v průměru menší než Fermiho energie, se zvyšující se teplotou je zahřívání nahrazeno chlazením - efekt mění znaménko, prochází „inverzní teplotou“, což odpovídá rozložení odcházejících elektronů na celkové energie který je symetrický vzhledem k Fermiho hladině. Vlastnosti pole emise z polovodičů jsou spojeny s pronikáním elektrického pole do emitoru, nižší koncentrací elektronů a přítomností povrchových stavů. Maximální proudové hustoty, které lze získat v režimu emise pole, jsou omezeny Jouleovým ohřevem emitoru procházejícím proudem a zničením emitoru elektrickým polem. V režimu emise pole se ve stacionárních režimech získávají proudy řádově 10 7 A/cm 2 (na povrchu emitoru) a v pulzních režimech 10 9 A/cm 2 . Při pokusu o získání vyššího proudu ve stacionárním režimu se emitor zničí. V pulzním režimu při pokusu o zvýšení proudu začne emitor pracovat v jiném režimu, takzvaném „režimu výbušné emise“.

Silná závislost emise pole na pracovní funkci má za následek nestabilitu provozu polní katody. Pracovní funkce povrchu závisí jak na procesech probíhajících na povrchu ve vysokém vakuu, tak na vlivu nedostatečně vysokého vakua: difúze, migrace, restrukturalizace povrchu, sorpce zbytkových plynů. Nejčastěji používaný materiál, wolfram, dobře pohlcuje plyny. Vznikly tak četné pokusy použít kovy, které tak dobře neabsorbují plyny, například rhenium nebo ještě pasivnější uhlík, který má však vysokou odolnost. Bylo navrženo pokrýt kov uhlíkovým filmem. Sorpci plynu na povrchu lze snížit stálým mírným zahříváním zářiče pole nebo periodickým silným pulzním zahříváním k čištění povrchu. Obecně pro stabilní provoz Moderní polní katody vyžadují vakuum o jeden až tři řády vyšší, než je požadováno pro termionické katody.

Druhým parametrem po pracovní funkci, na kterém silně závisí emise pole, je intenzita elektrického pole na emitoru, která zase závisí na průměrném poli v zařízení (poměr vnějšího napětí k velikosti mezery) a geometrie zářiče, protože pro zvýšení pole u zářiče se používají zpravidla „ostré“ tvary - výstupky, závity, hroty, čepele, konce trubek nebo jejich soustavy - svazky nití, balíčky čepelí , uhlíkové nanotrubice atd. Pro výběr relativně velkých proudů se používají systémy s více hroty, systémy s více zářiči na okrajích fólií a fólií atd. Skutečnost, že hroty jsou použity jako emitory, má za následek neparalelní trajektorie elektronů a složka rychlosti ležící rovnoběžně s rovinou emitující elektrody může být srovnatelná s podélnou složkou. Paprsek se ukáže jako roztahovací, vějířovitý, a pokud je katoda vícehrotá nebo vícelistá, pak není laminární.

Sekundární elektronová emise (objevená L. Austinem a G. Starkem, 1902) je emise elektronů povrchem pevného tělesa, když je bombardováno elektrony. Elektrony bombardující těleso (tzv. primární) jsou tělesem částečně odraženy bez ztráty energie (elasticky odražené elektrony), zbytek se ztrátou energie (nepružný odraz). Pokud energie a hybnost elektronů, které přijaly energii, stačí k překonání potenciální bariéry na povrchu tělesa, pak elektrony opouštějí povrch tělesa (sekundární elektrony). V tenkých vrstvách je sekundární emise elektronů pozorována nejen z povrchu, který je bombardován (reflexní emise), ale také z protilehlého povrchu (emise lumbaga). Emise sekundárních elektronů je kvantitativně charakterizována „koeficientem sekundární emise“ (SEC) - poměrem proudu sekundárních elektronů k proudu primárních elektronů, koeficientem elastického a neelastického odrazu elektronů a také emisním koeficientem sekundární elektrony (poměr proudů odpovídajících elektronů k proudu primárních). Všechny koeficienty závisí jak na energii primárních elektronů, tak na úhlu jejich dopadu, chemickém složení a topografii povrchu vzorku. V kovech, kde je hustota vodivostních elektronů vysoká, je pravděpodobnost, že výsledné sekundární elektrony mohou uniknout, malá. U dielektrik s nízkou koncentrací elektronů je pravděpodobnost uvolnění sekundárních elektronů větší. Pravděpodobnost úniku elektronů závisí na výšce potenciální bariéry na povrchu.

Výsledkem je, že řada nekovových látek (oxidy kovů alkalických zemin, sloučeniny alkalických halogenidů) má EQE > 1 a pro speciálně vyrobené účinné zářiče ( viz. níže) EQE >> 1, pro kovy a polovodiče obvykle EQE< 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.

Vytvoření silného elektrického pole (10 5 – 10 6 V/cm) v dielektriku vede ke zvýšení EQE na 50–100 (sekundární emise zesílená polem). V této situaci začíná EQE záviset na pórovitosti vrstvy - přítomnost pórů zvyšuje efektivní povrch zářiče a pole z nich vytahuje sekundární elektrony, které při dopadu na stěny pórů mohou např. otáčky, způsobit emisi s EI > 1 a výskyt elektronových lavin. To může vést k samoudržujícímu se studenému vyzařování, které pokračuje (když je do emitoru přiveden náboj) i po ukončení ostřelování elektrony.

Hlavními oblastmi použití sekundárních elektronových katod jsou sekundární elektronové (SEM) a fotoelektronické (PMT) násobiče, EVP typu M (ve kterých se elektrony pohybují ve vzájemně kolmých elektrických a magnetických polích) a přijímací a zesilovací výbojky se sekundární emisí. Pro všechny aplikace jsou nejvýznamnější sekundární emisní parametry: sekundární emisní koeficient QE v ​​oblasti nízkých energií primárních elektronů, obvykle charakterizovaný energií, při které je QE = 1, maximální hodnota QE a energie primárních elektronů, když QE dosáhne svého maxima.

Ionto-elektronová emise je emise elektronů pod vlivem iontů. Jsou známy dva mechanismy iontově-elektronové emise: potenciální - vyvržení elektronů z tělesa polem přibližujícího se iontu a kinetické - vyražení elektronů z tělesa vlivem kinetické energie iontu. Potenciální emisní koeficient se zvyšuje s rostoucí ionizační energií iontu a klesající pracovní funkcí cíle a pro páry Ne+/W (neon/wolfram), He+/W (helium/wolfram), Ar+/W (argon/wolfram) je například 0,24, 0,24 a 0,1 a slabě závisí na energii iontu. Pro Mo (molybdenový) terč a stejné ionty jsou tyto koeficienty přibližně o 10 % vyšší.

Při bombardování vícenásobně nabitými ionty se emise iontů-elektronů zvyšuje - pro 2, 3, 4 nabité ionty je větší než pro jednotlivě nabité ionty, přibližně 4, 10, 20krát, v tomto pořadí. Potenciální emise iontů a elektronů silně závisí na stavu povrchu, protože je určena pracovní funkcí. To s sebou nese poměrně velký rozptyl experimentálních dat.

Při energiích nižších než 1 keV prakticky nedochází k žádné kinetické emisi iontů elektronů, pak roste lineárně, pak pomaleji, prochází maximem a klesá, při energiích několika MeV klesá koeficient přibližně k jednotce. Emise iontů a elektronů hraje významnou roli v provozu řady elektronických plynových výbojových zařízení, ve kterých je zdrojem elektronů katoda bombardovaná ionty. V některých případech proces emise iontů a elektronů vytváří většinu elektronů v objemu zařízení.

Emise horkých elektronů je emise způsobená „zahříváním“ elektronů, tzn. přenos energie na elektrony nebo vystavení elektrickému poli. Pokud je termionická emise určena velikostí potenciální bariéry na výstupu z pevné látky a energií elektronů, které ji překonávají, a k jejímu získání se pevná látka zahřívá ( nejjednodušší způsob zahřejte elektrony), pak se můžete pokusit zahřát elektrony, aniž byste se uchýlili k zahřívání těla. Vzhledem k tomu, že elektrony jsou nabité částice, nejjednodušší způsob, jak je „zahřát“, je vystavit je elektrickému poli. Vytvoření katody s emisí horkých elektronů je především vytvoření velkého elektrického pole ve vodiči nebo polovodiči. K tomu musí být vodič a polovodič „poškozeny“ snížením jejich vodivosti, protože jinak jimi v tomto velkém poli proteče velký proud a katoda selže.

Jedním ze způsobů, jak „zkazit“ kov, je rozdělit jej na samostatné částice. Pokud jsou mezery mezi nimi malé, řádově 10 mm, budou elektrony tunelovat (překonat potenciální bariéru zmenšenou a zúženou velkým polem) z jedné částice na druhou, a tak dojde k vedení. Ale proud ve srovnání s proudem procházejícím monolitickým kovem velmi klesne, tzn. odpor se zvýší. To umožňuje zvětšit pole. Poté se energie elektronů zvýší natolik, že budou moci být emitovány do vakua. Katody s emisí horkých elektronů jsou vyrobeny ve formě dielektrického substrátu, na kterém je nanesen tenký film kovu nebo polovodiče. Při malých tloušťkách filmu se obvykle získávají „ostrovní“ filmy, tzn. skládající se z jednotlivých malých částic oddělených mezerami. Pro usnadnění uvolňování elektronů je katoda často potažena tenkými (přibližně jednoatomovými) filmy látek, které snižují pracovní funkci Cs (cesia), BaO. Jako základní filmový materiál se obvykle používá Au (zlato), SnO 2, BaO. Nejlepší získané parametry jsou následující: odběr proudu je 1 A/cm2 po dlouhou dobu a 10 A/cm2 po krátkou dobu. V tomto případě se účinnost (poměr emisního proudu a proudu protékajícího fólií) může blížit 100 %.

Leonid Ashkinazi

Velkou roli v zajištění vodivosti obloukové mezery hrají elektrony dodávané katodou z různých důvodů. Tento proces elektronů opouštějících povrch katodové elektrody nebo proces uvolňování elektronů z vazby s povrchem se nazývá emise elektronů. Proces emise vyžaduje energii.

Energie, která je dostatečná k tomu, aby elektrony unikly z povrchu katody, se nazývá pracovní funkce ( U ven )

Měří se v elektronvoltech a je obvykle 2-3krát menší než ionizační práce.

Existují 4 typy elektronové emise:

1. Termionická emise

2. Autoelektronické emise

3. Fotoelektronová emise

4. Emise v důsledku dopadu těžkých částic.

K termionické emisi dochází vlivem silného zahřátí povrchu elektrody – katody. Elektrony umístěné na povrchu katody se vlivem zahřívání dostanou do stavu, kdy se jejich kinetická energie rovná nebo je větší než síly jejich přitažlivosti k atomům povrchu elektrody, ztrácejí kontakt s povrchem a vlétají do oblouková mezera. K silnému zahřívání konce elektrody (katody) dochází proto, že v okamžiku jejího kontaktu s dílem dochází k tomuto kontaktu pouze v jednotlivých bodech povrchu z důvodu přítomnosti nerovností. Tato poloha v přítomnosti proudu vede k silnému zahřátí kontaktního bodu, v důsledku čehož je vybuzen oblouk. Povrchová teplota značně ovlivňuje simulaci elektronů. Typicky se emise měří proudovou hustotou. Spojení mezi termionickou emisí a katodovou teplotou bylo stanoveno Richardsonem a Deshmanem.

Kde j 0– proudová hustota, A/cm 2 ;

φ – funkce práce elektronů, e-V;

A– konstanta, jejíž teoretická hodnota je A = 120 a/cm 2 deg 2 (experimentální hodnota pro kovy A » 62,2).

Při emisi pole je energie potřebná k uvolnění elektronů dodávána vnějším elektrickým polem, které jakoby „vysává“ elektrony mimo vliv elektrostatického pole kovu. V tomto případě lze proudovou hustotu vypočítat pomocí vzorce

, (1.9)

Kde E– intenzita elektrického pole, V/cm;

S rostoucí teplotou hodnota emise pole klesá, ale při nízkých teplotách může být její vliv rozhodující, zejména při vysoké intenzitě elektrického pole (10 6 - 10 7 V/cm), což podle M.Ya.Brown. a G.I. Pogodin-Alekseev lze získat v oblastech blízkých elektrodě.

Když je energie záření absorbována, mohou vznikat elektrony tak vysoké energie, že některé z nich unikají z povrchu. Hustota fotoemisního proudu je určena vzorcem

Kde α – koeficient odrazu, jehož hodnota je u svařovacích oblouků neznámá.

Vlnové délky, které způsobují fotoemisi i ionizaci, jsou určeny vzorcem

Na rozdíl od ionizace je emise elektronů z povrchu alkalických kovů a kovů alkalických zemin způsobena viditelným světlem.

Povrch katody může být vystaven nárazům těžkých částic (kladné ionty). Kladné ionty v případě dopadu na povrch katody mohou:

Za prvé, rozdávají kinetickou energii, kterou mají.

Za druhé, lze neutralizovat na povrchu katody; přitom předávají ionizační energii elektrodě.

Katoda tak získává další energii, která se využívá k ohřevu, tavení a odpařování a část se opět spotřebuje na uvolňování elektronů z povrchu. V důsledku dosti intenzivní emise elektronů z katody a odpovídající ionizace obloukové mezery vzniká stabilní výboj - elektrický oblouk s určitým proudem protékajícím obvodem při určitém napětí.

V závislosti na stupni vývoje konkrétního typu emise se rozlišují tři typy svařovacích oblouků:

Oblouky s horkou katodou;

Oblouky se studenou katodou;