Um in elektronischen Geräten einen Fluss freier Elektronen zu erhalten, gibt es eine spezielle Metall- oder Halbleiterelektrode - Kathode.

Damit die Elektronen über die Kathode hinausgehen, ist es notwendig, nm von außen mit etwas Energie zu versorgen, die ausreicht, um die entgegengesetzten Kräfte zu überwinden. Abhängig von der Methode, Elektronen zusätzliche Energie zu verleihen, werden folgende Arten der Elektronenemission unterschieden:

• thermionisch, bei dem durch Kathodenheizung zusätzliche Energie auf Elektronen übertragen wird;
• photoelektronisch, bei der elektromagnetische Strahlung auf die Kathodenoberfläche einwirkt;
• Sekundärelektronik, die das Ergebnis des Beschusses der Kathode durch einen Strom von Elektronen oder Ionen ist, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen;
• elektrostatisch, bei der ein starkes elektrisches Feld in der Nähe der Kathodenoberfläche Kräfte erzeugt, die zum Entweichen von Elektronen über ihre Grenzen hinaus beitragen.

Lassen Sie uns jede der aufgelisteten Arten der Elektronenemission genauer betrachten.

Glühemission. Das Phänomen der thermionischen Emission war bereits Ende des 18. Jahrhunderts bekannt. Eine Reihe qualitativer Regelmäßigkeiten dieses Phänomens wurden von V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) und anderen festgestellt.In den 1930er Jahren wurden die wichtigsten analytischen Abhängigkeiten der thermionischen Emission bestimmt.

Beim Erhitzen des Metalls ändert sich die Energieverteilung der Elektronen im Leitungsband (Abb. 1, Kurve 2). Elektronen erscheinen mit einer Energie, die das Fermi-Niveau übersteigt. Solche Elektronen können aus dem Metall austreten, was zur Emission von Elektronen führt. Die Größe des thermionischen Emissionsstroms hängt von der Kathodentemperatur, der Austrittsarbeit und den Oberflächeneigenschaften ab (Richardson-Dashman-Gleichung):

wo Je die Emissionsstromdichte, A/cm²; ABER- Emissionskonstante, abhängig von den Eigenschaften der strahlenden Oberfläche und gleich den meisten reinen Metallen - 40 ... 70 A / (cm² K² '); T die absolute Temperatur der Kathode ist; e- Basis natürlicher Logarithmen (e = 2,718); eφo die Austrittsarbeit eines Elektrons von einem Metall ist, J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - Boltzmann-Konstante.

Die obige Gleichung für thermionische Emission gilt für Metalle. Bei Störstellenhalbleitern gibt es eine etwas andere Abhängigkeit, aber der Zusammenhang zwischen Emissionsstrom und Temperatur und Austrittsarbeit bleibt qualitativ gleich. Die Gleichung zeigt, dass die Größe des Emissionsstroms am stärksten von der Temperatur der Kathode abhängt. Mit steigender Temperatur steigt jedoch die Verdampfungsgeschwindigkeit des Kathodenmaterials stark an und seine Lebensdauer wird reduziert. Daher muss die Kathode in einem streng definierten Bereich von Betriebstemperaturen arbeiten. Die untere Temperaturgrenze wird durch die Möglichkeit bestimmt, die gewünschte Emission zu erhalten, die obere durch Verdampfung oder Schmelzen des emittierenden Materials.

Der Wert des Emissionsstroms wird durch ein externes elektrisches Beschleunigungsfeld, das nahe der Kathodenoberfläche wirkt, erheblich beeinflusst. Dieses Phänomen wird als Schottky-Effekt bezeichnet. Auf ein Elektron, das die Kathode in Gegenwart eines äußeren elektrischen Feldes verlässt, wirken zwei Kräfte – die Kraft der elektrischen Anziehung, die das Elektron zurückführt, und die Kraft des äußeren Feldes, das das Elektron in Richtung von der Kathodenoberfläche beschleunigt. Somit reduziert das externe Beschleunigungsfeld die Potentialbarriere, wodurch die Austrittsarbeit der Elektronen von der Kathode abnimmt und die Elektronenemission zunimmt.

Photoelektronische Emission. Zum ersten Mal wurde das Phänomen der Photoelektronenemission (oder des externen photoelektrischen Effekts) 1887 von G. Hertz beobachtet. Experimentelle Studien, die es ermöglichten, quantitative Beziehungen für die Photoelektronenemission herzustellen, wurden 1888 von A. G. Stoletov durchgeführt. Die Hauptgesetze des photoelektrischen Effekts wurden von A. Einstein auf der Grundlage von Photonentheorien des Lichts erklärt. Gemäß dieser Theorie kann Strahlungsenergie nicht in Form eines kontinuierlichen Stroms übertragen und absorbiert werden, sondern nur in bestimmten Portionen (Quanten), und jedes Quant hat eine Energiemenge hv, wobei h die Plancksche Konstante ist, und v ist die Strahlungsfrequenz. Elektromagnetische Strahlung (sichtbares und unsichtbares Licht, Röntgenstrahlen usw.) ist also ein Strom einzelner Energiequanten, Photonen genannt. Beim Auftreffen auf die Oberfläche der Photokathode wird die Photonenenergie verbraucht, um den Elektronen zusätzliche Energie zu verleihen. Aufgrund dieser Energie entsteht ein Elektron mit einer Masse mich, erledigt die Arbeit des Ausgangs Wo und erhält eine Anfangsgeschwindigkeit Vo, die mathematisch durch die Einstein-Gleichung ausgedrückt wird:

Ein Elektron kann über die Kathode hinausgehen, wenn die Austrittsarbeit kleiner als die Quantenenergie ist, da nur unter diesen Bedingungen die Anfangsgeschwindigkeit Vo, und damit die kinetische Energie des Elektrons:

Wir stellen die Hauptmerkmale des photoelektrischen Effekts fest:

• Wenn die Oberfläche der Photokathode mit einem Strahlungsfluss konstanter spektraler Zusammensetzung bestrahlt wird, ist der Photoelektronen-Emissionsstrom proportional zur Intensität des Flusses (Stoletov-Gesetz):

wo Wenn der Wert des Photostroms ist; F ist die Größe des Strahlungsflusses; Zu ist der Proportionalitätskoeffizient, der die Empfindlichkeit der Photokathodenoberfläche gegenüber Strahlung charakterisiert.

• Die Geschwindigkeit der von der Photokathode emittierten Elektronen ist umso größer, je höher die Frequenz ist v absorbierte Strahlung; Die anfängliche kinetische Energie von Photoelektronen steigt linear mit zunehmender Frequenz v.
• Der photoelektrische Effekt wird nur beobachtet, wenn er mit einem Strahlungsfluss mit einer Frequenz bestrahlt wird V ≥ Vcr, wobei Vcr die kritische Frequenz ist, die als "rote Grenze" des photoelektrischen Effekts bezeichnet wird. Kritische Wellenlänge:

, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist. Bei λ > λk, gibt es keine Photoelektronenemission.

• Der photoelektrische Effekt ist praktisch trägheitslos, d.h. es gibt keine Verzögerung zwischen dem Beginn der Bestrahlung und dem Erscheinen der Photoelektronen (die Verzögerungszeit überschreitet nicht 3 · 10∧-9 s).

Wie im Fall der thermionischen Emission erhöht eine Erhöhung der Stärke des externen elektrischen Felds in der Nähe der Photokathode auch die Photoelektronenemission durch Absenken der Potentialbarriere der Kathode. Dabei verschiebt sich die Schwelle des photoelektrischen Effekts zu längeren Wellenlängen.

Je niedriger die Austrittsarbeit des Metalls ist, aus dem die Photokathode hergestellt ist, desto niedriger ist die Schwellenfrequenz für diese Photokathode. Damit beispielsweise eine Fotokathode für sichtbares Licht empfindlich ist, muss ihr Material eine Austrittsarbeit von weniger als 3,1 eV aufweisen. Diese Austrittsarbeit ist typisch für Alkali- und Erdalkalimetalle (Cäsium, Kalium, Natrium). Um die Empfindlichkeit der Photokathode gegenüber anderen Bereichen von Strahlungsflüssen zu erhöhen, mehr komplexe Typen Halbleiter-Photokathoden (Alkali-Wasserstoff, Sauerstoff-Cäsium, Antimon-Cäsium usw.).

Sekundäre Elektronenemission. Der Mechanismus der Sekundärelektronenemission unterscheidet sich vom Mechanismus der thermionischen und Photoelektronenemission. Befinden sich bei thermionischer und photoelektronischer Emission Elektronen hauptsächlich auf den Ebenen des Leitungsbandes, so kann beim Beschuss der Kathodenoberfläche mit Primärelektronen oder Ionen deren Energie auch von den Elektronen der gefüllten Bänder aufgenommen werden. Daher ist Sekundäremission sowohl von Leitern als auch von Halbleitern und Dielektrika möglich.

Der wichtigste Parameter, der die Sekundärelektronenemission charakterisiert, ist der Sekundäremissionskoeffizient σ . Es ist das Verhältnis der Anzahl der von der Kathodenoberfläche emittierten Sekundärelektronen n2, zur Anzahl der auf die Kathode auftreffenden Primärelektronen n1, oder das Verhältnis des sekundären Querruder-Emissionsstroms Ich2 zum Strom der Primärelektronen Ich1:

Sekundärelektronenemission wird in einigen elektronischen Geräten verwendet - Photomultipliern, Fernsehübertragungsröhren und bestimmten Arten von Vakuumröhren. In vielen Fällen, insbesondere in den meisten Vakuumröhren, ist sie jedoch unerwünscht und wird tendenziell reduziert.

elektrostatische Emission. Wenn das externe elektrische Feld in der Nähe der Kathodenoberfläche eine Stärke aufweist, die ausreicht, um die Verzögerungswirkung der Potentialbarriere vollständig zu kompensieren, dann kann selbst bei niedrigen Kathodentemperaturen eine signifikante Elektronenemission erhalten werden. Es wird berechnet, dass zur Kompensation der Potentialbarriere die Intensität an der Kathodenoberfläche in der Größenordnung von 10∧8 V/cm liegen sollte. Jedoch wird selbst bei einer Feldstärke von etwa 10∧6 V/cm eine signifikante Elektronenemission von kalten Oberflächen beobachtet.

Die technische Gewinnung von Feldstärkewerten, die für das Auftreten elektrostatischer Emission ausreichend sind, bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Daher wird die elektrostatische Emission hauptsächlich in Ionengeräten mit flüssiger Quecksilberkathode verwendet. In diesem Fall kann eine ausreichende Hautfeldstärke erhalten werden, indem eine Schicht aus ionisiertem Quecksilberdampf nahe der Kathodenoberfläche erzeugt wird.

Quelle - Gershunsky B.S. Grundlagen der Elektronik (1977)

Die Elektronen des Leiters bewegen sich frei innerhalb seiner Grenzen, und wenn genügend Energie absorbiert wird, können sie auch nach draußen gehen und die Wand des Potentialtopfs nahe der Oberfläche des Körpers durchbrechen (Abb. 10.6). Dieses Phänomen wird als Elektronenemission bezeichnet (in einem einzelnen Atom wird ein ähnliches Phänomen als Ionisation bezeichnet).

Bei T = 0 Die für die Emission benötigte Energie wird durch die Differenz zwischen den Niveaus bestimmt W= 0 und das Fermi-Niveau E R(Abb. 10.6) und heißt Austrittsarbeit. Die Energiequelle können Photonen sein (siehe Abschnitt 9.3), die eine Photoemission (photoelektrischer Effekt) verursachen.

Reis. 10.6

Die Ursache der thermionischen Emission ist die Erwärmung des Metalls. Wenn die Elektronenverteilungsfunktion verzerrt ist (siehe Abb. 10.5, b) dieser „Tail“ kann über den Cutoff des Potentialtopfes hinausgehen, d.h. Einige Elektronen haben genug Energie, um das Metall zu verlassen. Dies wird normalerweise verwendet, um einem Vakuum Elektronen zuzuführen.

Das einfachste Gerät, das thermische Emission nutzt, ist eine Elektrovakuumdiode (Abb. 10.7, a). Seine Kathode K wird von der EMF-Quelle beheizt ? und und emittiert Elektronen, die durch Einwirkung eines elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode einen Jodstrom erzeugen. Eine Elektrovakuumdiode unterscheidet sich von einer Fotodiode hauptsächlich in der Energiequelle, die die Emission von Elektronen verursacht hat, sodass ihre Strom-Spannungs-Eigenschaften ähnlich sind. Umso mehr Spannung U ein zwischen Anode und Kathode wird pro Zeiteinheit der größte Teil der Elektronen aus ihrer Wolke an der Kathode durch das elektrische Feld gezogen. Daher steigt die Spannung U ein aktuell ich wächst. Bei manchen Spannungen zieht die Null schon alle Elektronen, die die Kathode verlassen, und weiteres Wachstum Spannung führt nicht zu einer Stromerhöhung - Sättigung tritt auf.

Reis. 10.7

FRAGE. Warum liegt der Sättigungsstrom bei T, mehr als bei G, (Abb. 10.7, b)? ANTWORTEN. Bei T 2 > D, pro Zeiteinheit verlassen mehr Elektronen die Kathode.

Bei der umgekehrten Polarität der angelegten Spannung („Minus“ ist mit der Anode und „Plus“ mit der Kathode verbunden) werden die Elektronen nicht beschleunigt, sondern abgebremst, daher kann die Elektrovakuumdiode nur in einem Strom durchlassen Richtung, d. h. Er hat Einwegleitung. Dadurch kann es z Gleichrichterstrom(Abb. 10.7, in): Während der Einwirkung einer positiven Halbwelle der Spannung lässt die Diode Strom durch, während einer negativen Halbwelle nicht.

1907 fügte der Amerikaner Lee de Forest der Diode eine dritte Gitterelektrode hinzu, die es ermöglichte, elektrische Signale zu verstärken. Eine solche Triode wurde dann mit anderen Elektroden ergänzt, wodurch verschiedene Arten hergestellt werden konnten Verstärker, Generatoren und Konverter. Dies führte zu einer rasanten Entwicklung der Elektrotechnik, Funktechnik und Elektronik. Dann wurde der Stab von Halbleitergeräten aufgegriffen, die Vakuumröhren ersetzten, aber in CRTs, Röntgenröhren, Elektronenmikroskopen und einigen Vakuumröhren ist die thermische Emission immer noch relevant.

Eine weitere Quelle der Elektronenemission kann der Beschuss der Materialoberfläche durch verschiedene Teilchen sein. Sekundäre Elektron-Elektron-Emission entsteht durch Aufprall externer Elektronen, die einen Teil ihrer Energie auf die Elektronen der Substanz übertragen. Eine solche Emission wird beispielsweise in einer Photomultiplier-Röhre (PMT) verwendet (Abb. 10.8, a). Seine Fotokathode 1 gibt Elektronen ab, wenn es Licht ausgesetzt wird. Sie werden in Richtung Elektrode (Dynode) beschleunigt 2, aus denen sie Sekundärelektronen herausschlagen, werden sie zur Dynode beschleunigt 3 usw. Dadurch wird der primäre Photostrom so stark vervielfacht, dass der PMT auch einzelne Photonen registrieren kann.

Reis. 10.8

Das gleiche Prinzip wurde bei der Bildverstärkerröhre (siehe Abschnitt 9.3) der neuen Generation angewandt. Es enthält Hunderttausende von Photomultipliern (entsprechend der Anzahl der Pixel, die Bilder von Objekten erzeugen), von denen jeder ein metallisierter Mikrokanal mit einer Breite von ~ 10 μm ist. Entlang dieses Kanals bewegen sich Elektronen im Zickzack wie Licht in einer optischen Faser und wie Elektronen in einem PMT und vervielfachen sich bei jeder Kollision mit den Kanalwänden aufgrund von Sekundäremission. Da die Elektronenbahn nur unwesentlich von einer geradlinigen abweicht (nur innerhalb der Kanalbreite), ist ein Paket solcher Kanäle zwischen Photokathode und Schirm (Abb. 10.8, b) entfällt die Fokussierung von Photoelektronen (vgl. Abb. 9.4). Jeder Kanal führt nicht nur die Reproduktion von Elektronen durch, sondern auch deren Übertragung an den gewünschten Punkt, was die Klarheit des Bildes gewährleistet.

Bei der Sekundärionen-Elektronen-Emission sind die Primärteilchen - Energieträger Ionen. BEI Gasentladungsvorrichtungen sie sorgen für die Reproduktion von Elektronen aus der Kathode, die sich dann durch Ionisierung von Gasmolekülen vermehren (siehe Abschnitt 5.9).

Es gibt auch eine sehr exotische Art von Emission, deren Entstehung durch die Heisenbergsche Unschärferelation erklärt wird. Weist die Metalloberfläche ein elektrisches Feld auf, das Elektronen beschleunigt, so wird der Potenzialleiste 1 eine Gerade überlagert ex(2 in Abb. 10.6), und der Vorsprung verwandelt sich in eine Barriere 3. Wenn die Gesamtenergie des Elektrons gleich ist W, diese. auf einen W weniger als die Höhe der Barriere, dann nach klassischen Vorstellungen „nehmen“, d.h. nach draußen gehen, er kann nicht. Nach Quantenkonzepten ist jedoch auch ein Elektron Welle, was nicht nur reflektiert aus einem optisch dichteren Medium, sondern auch gebrochen. Gleichzeitig das Vorhandensein einer Funktion innerhalb der Barriere bedeutet die endliche Wahrscheinlichkeit, dort ein Elektron zu finden. Aus "klassischer" Sicht ist dies unmöglich, da Komplett Elektronenenergie W, und seine Komponente Potenzial Energie - ist in diesem Bereich gleich W+ AVK, d.h. Der Teil ist größer als das Ganze! Gleichzeitig gibt es einige Unsicherheit AVK-Energie, die von der Zeit abhängt Bei Aufenthalt eines Elektrons innerhalb der Barriere: AWAt>h. Abnehmend Bei: Unsicherheit AW kann den erforderlichen Wert erreichen, und die Lösung der Schrödinger-Gleichung gibt endliche Werte | p | 2 Sek außen Barriere, d.h. Es besteht die Möglichkeit, dass das Elektron herauskommt, ohne über die Barriere zu springen! Es ist höher, je niedriger AW n At.

Diese Schlussfolgerungen werden in der Praxis durch das Vorhandensein eines Tunnel- oder Unterbarriereneffekts bestätigt. Es findet sogar Anwendung und sorgt für die Emission von Elektronen aus Metall in Feldern von ~10 6 -10 7 V/cm. Da eine solche Emission ohne Erwärmung, Bestrahlung oder Partikelbeschuss erfolgt, wird sie als Feldemission bezeichnet. Normalerweise tritt es an allen möglichen Punkten, Vorsprüngen usw. auf, wo die Feldstärke stark ansteigt. Es kann auch zu einem elektrischen Durchschlag des Vakuumspalts kommen.

1986 wurde die Erfindung des Scannens mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet Elektronenmikroskop. Seine Preisträger sind die deutschen Physiker E. Ruska und G. Binnig sowie der Schweizer Physiker G. Rohrer. Bei diesem Gerät tastet eine dünne Nadel die Oberfläche in geringem Abstand ab. Der dabei entstehende Tunnelstrom trägt Informationen über die Energiezustände der Elektronen. Damit ist es möglich, ein atomares Abbild der Oberfläche zu erhalten, was besonders in der Mikroelektronik wichtig ist.

Der Tunneleffekt ist verantwortlich für die Rekombination während der Ionen-Elektronen-Emission (siehe oben), für die Elektrifizierung durch Reibung, bei der Elektronen von Atomen eines Materials zu Atomen eines anderen tunneln. Es bestimmt auch die Vergesellschaftung von Elektronen in einer kovalenten Bindung, was zu einer Aufspaltung der Energieniveaus führt (siehe Abb. 10.5, a).

die Freisetzung eines Energieüberschusses gleich der Differenz zwischen den Energieniveaus eines Elektrons im Körper und im Ion ε 1 – ε i 1 . Diese Energie kann entweder auf ein anderes Elektron des Körpers mit der Anfangsenergie ε 2 übertragen werden (Auger-Prozess) oder als Lichtquant abgegeben werden. Der zweite Prozess ist weniger wahrscheinlich. Wenn die Energie eines angeregten Elektrons ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) größer als Null ist, kann es den Emitter verlassen. Am Vorgang der Emission nehmen also zwei Elektronen des Körpers teil: Das eine gibt Energie ab, indem es vom Körper zum Ion tunnelt, wobei letzteres neutralisiert wird, das andere erhält diese Anregungsenergie und verlässt den Körper, d.h. Wir haben sowohl einen Tunnelübergangsprozess als auch einen Anregungsprozess.

10.7 Emission heißer Elektronen

Die Emission heißer Elektronen ist die Emission von Elektronen durch einen Halbleiter in Anwesenheit eines elektrischen Feldes darin. Aus dem Leitungsband werden heiße Elektronen emittiert. Deshalb notwendige Bedingung Die Möglichkeit des Auftretens einer Emission dieser Elektronen ist ihre vorläufige thermische Anregung vom Hauptband oder von Donatorniveaus zum Leitungsband. Somit werden während der Emission heißer Elektronen tatsächlich zwei unterschiedliche Mechanismen der Elektronenanregung implementiert: 1) ihre Anregung in das Leitungsband aufgrund der thermischen Energie des Gitters; 2) Anregung von Elektronen im Leitungsband auf Energieniveaus, die das Vakuumniveau überschreiten. Diese Art der Anregung entsteht durch die Arbeit der elektrischen Feldkräfte im Halbleiter; Letztendlich wird diese Energie einer externen Spannungsquelle entnommen, die ein Feld erzeugt. Das Vorhandensein eines elektrischen Feldes in einem Halbleiter bewirkt die Beschleunigung von Elektronen, die sich im Leitungsband befinden. Diese Elektronen interagieren mit den Phononen des Körpers. Bei solchen Kollisionen von Elektronen kann es zu einer scharfen Richtungsänderung ihrer Bewegung kommen und es tritt nur ein geringer Geschwindigkeitsverlust auf. Dadurch sind die mittleren Elektronenenergien höher als bei Ionen; wir können sagen, dass die Temperatur des Elektronengases höher ist als die Temperatur des Kristallgitters. Dies führt zum Auftreten einer Elektronenemission, die bedingt als "thermische Emission" bezeichnet werden könnte, aber die Temperatur, die sie bestimmt, ist höher als die Gittertemperatur.

10.8 Kombinierte Emissionen

Am gebräuchlichsten ist die kombinierte Emissionsart auf Basis des Schottky-Effekts. Wie bereits in Absatz 2 diskutiert, nimmt die Barrierenhöhe ab, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, und nimmt dadurch ab effektive Arbeit Ausfahrt. Daher ist in diesem Fall eine kleinere (energetische) Voranregung von Elektronen erforderlich, um sie auf Energieniveaus höherer Potentialbarrierenhöhen zu überführen. Somit stimuliert das Anlegen eines elektrischen Feldes alle Arten von Emission mit Voranregung. Daher wird die kombinierte Emissionsart hauptsächlich Folgendes umfassen: Auto-

ELEKTRONISCHE EMISSION ist die Emission von Elektronen durch die Oberfläche eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit. Damit ein Elektron ein kondensiertes Medium im Vakuum oder Gas verlässt, muss Energie aufgewendet werden, die Austrittsarbeit genannt wird. Die Abhängigkeit der potentiellen Energie eines Elektrons von der Koordinate an der Grenze von Emitter und Vakuum (oder einem anderen Medium) wird als Potentialbarriere bezeichnet. Es muss vom Elektron überwunden werden und den Emitter verlassen.

Emissionen können unter zwei Bedingungen aufrechterhalten werden. Die erste ist die Energiezufuhr zu den Elektronen, die für die Überwindung der Potentialbarriere sorgt, oder die Erzeugung eines so starken äußeren Feldes, dass die Potentialbarriere dünn wird und der Tunneleffekt (Feldemission) erheblich wird, die Quantendurchdringung Elektronen durch die Potentialbarriere, d.h. die Emission von Elektronen mit einer Energie kleiner als die Austrittsarbeit. Die Übertragung von Energie durch Photonen, die den Körper bombardieren, führt zu Photoemission, der Beschuss durch Elektronen verursacht Sekundärelektronenemission und durch Ionen - Ionen-Elektronen-Emission. Die Emission kann durch innere Felder verursacht werden - die Emission heißer Elektronen. Alle diese Mechanismen können gleichzeitig wirken (z. B. thermische Feldemission, Photofeldemission).

Die zweite Bedingung ist die Schaffung eines äußeren elektrischen Feldes, das für die Entfernung der emittierten Elektronen aus dem Körper sorgt; dazu ist es insbesondere notwendig, Elektronen zum Emitter zu bringen, damit dieser sich nicht auflädt. Wenn das äußere Feld, das für die Entfernung emittierter Elektronen sorgt, nicht für die Feldemission ausreicht, aber ausreicht, um die Potentialbarriere zu senken, macht sich der Schottky-Effekt bemerkbar - die Abhängigkeit der Emission vom äußeren Feld. In dem Fall, in dem die emittierende Oberfläche inhomogen ist und es "Flecken" mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten darauf gibt, erscheint ein elektrisches "Fleckenfeld" über ihrer Oberfläche. Dieses Feld verlangsamt die Elektronen, die aus Kathodenabschnitten mit einer niedrigeren Austrittsarbeit als den benachbarten austreten. Das externe elektrische Feld wird dem Feld der Flecken hinzugefügt und eliminiert zunehmend die hemmende Wirkung der Flecken. Dadurch steigt der Emissionsstrom eines inhomogenen Emitters mit zunehmendem Feld schneller an als bei einem gleichmäßigen Emitter (anomaler Schottky-Effekt).

Glühemission. Mitte des 19. Jahrhunderts Es war bekannt, dass Luft in der Nähe von erhitzten Festkörpern zu einem elektrischen Leiter wird, aber der Grund für dieses Phänomen blieb unklar. Als Ergebnis der Experimente stellten J. Elster und G. Geitel fest, dass eine weißglühende Metalloberfläche bei einem verminderten Druck der Umgebungsluft eine positive Ladung annimmt. Der Stromfluss im Vakuum zwischen einer heißen Elektrode und einer positiv geladenen Elektrode wurde von T. Edison (1884) entdeckt, durch die Emission von Elektronen (negativ geladene Teilchen) von J. Thomson (1887) erklärt, die Theorie der thermionischen Emission wurde von O. Richardson entwickelt (1902, manchmal wird ihm die Entdeckung und Wirkung selbst zugeschrieben). Einseitige Leitung wurde von J. Fleming (1904, manchmal Edison zugeschrieben) entdeckt, obwohl seine Diode nicht vollständig Vakuum war, sondern mit teilweiser Kompensation der Raumladung. Der thermionische Emissionsstrom wird durch die Temperatur der Kathode (dh die Energie der Elektronen) und die Austrittsarbeit bestimmt. Der maximale Emissionsstrom wird durch das Verhältnis der Austrittsarbeit zur Temperatur bestimmt, er wird als Sättigungsstrom bezeichnet. Die Temperatur der Kathode wird wiederum durch die Verdampfung des Kathodenmaterials (dh Lebensdauer) begrenzt.

Photoelektronische Emission - die Emission von Elektronen durch Festkörper und Flüssigkeiten unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung (Photonen), wobei die Anzahl der emittierten Elektronen proportional zur Intensität der Strahlung ist. Für jede Substanz gibt es einen Schwellenwert - die minimale Frequenz (maximale Wellenlänge) der Strahlung, unter der die Emission nicht auftritt, die maximale kinetische Energie der Photoelektronen steigt linear mit der Strahlungsfrequenz und hängt nicht von ihrer Intensität ab. Die Photoemission ist empfindlich gegenüber der Austrittsarbeit der Oberfläche. Eine Erhöhung der Quantenausbeute und eine Verschiebung der Photoemissionsschwelle wird erreicht, indem die Metalloberfläche mit einer einatomigen Schicht aus elektropositiven Cs (Cäsium)- oder Rb (Rubidium)-Atomen beschichtet wird, die die Austrittsarbeit für die meisten Metalle auf 1,4–1,7 eV reduzieren . Die Photoemission wurde von Gustav Hertz (1887) entdeckt, der entdeckte, dass die Beleuchtung der Funkenstreckenelektroden unter Spannung mit ultraviolettem Licht den Durchbruch erleichtert. Systematische Studien wurden von V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) durchgeführt und zeigten, dass in Hertz 'Experiment die Materie auf die Freisetzung von Ladungen unter Lichteinwirkung reduziert wird. F. Lenard und J. Thomson (1898) bewiesen, dass dies genau Elektronen sind.

Die Photoemission von Halbleitern und Dielektrika wird durch die starke Absorption elektromagnetischer Strahlung bestimmt.

Autoelektronische Emission (Feldemission, elektrostatische Emission, Tunnelemission) - die Emission von Elektronen durch leitfähige Festkörper und flüssige Körper unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes hoher Intensität wurde es von R. Wood (1897) bei der Untersuchung einer Vakuumentladung entdeckt. Die autoelektronische Emission wird durch den Tunneleffekt erklärt und tritt ohne Energieaufwand für die Anregung von Elektronen auf, die für die Elektronenemission anderer Arten erforderlich ist. Bei der autoelektronischen Emission überwinden Elektronen die Potentialbarriere und passieren sie nicht aufgrund der kinetischen Energie der thermischen Bewegung (wie bei der thermionischen Emission), sondern tunneln durch die Barriere, die durch das elektrische Feld reduziert und eingeengt wird.

Die Feldemission hängt stark vom Feld und der Austrittsarbeit und schwach von der Temperatur ab. Stromentnahme bei niedrigen Temperaturen führt zu einer Erwärmung des Strahlers, da ausgehende Elektronen tragen im Mittel weniger Energie als die Fermi-Energie ab, mit steigender Temperatur wird Erwärmung durch Abkühlung ersetzt - der Effekt wechselt das Vorzeichen, durchläuft die „Inversionstemperatur“, entsprechend der Gesamtenergieverteilung der ausgehenden Elektronen symmetrisch bzgl zum Fermi-Niveau. Merkmale der Feldemission von Halbleitern sind mit dem Eindringen eines elektrischen Feldes in den Emitter, einer geringeren Elektronenkonzentration und dem Vorhandensein von Oberflächenzuständen verbunden. Die im Feldemissionsmodus maximal erreichbaren Stromdichten werden durch die Joule'sche Erwärmung des Emitters durch den durchfließenden Strom und die Zerstörung des Emitters durch das elektrische Feld begrenzt. Im Feldemissionsmodus werden Ströme in der Größenordnung von 10 7 A/cm 2 (an der Emitteroberfläche) im stationären und 10 9 A/cm 2 im gepulsten Modus erhalten. Wenn Sie versuchen, im stationären Modus mehr Strom zu erhalten, wird der Emitter zerstört. Wenn Sie im Impulsmodus versuchen, den Strom zu erhöhen, beginnt der Emitter in einem anderen Modus zu arbeiten, dem sogenannten "explosiven Emissionsmodus".

Die starke Abhängigkeit der Feldemission von der Austrittsarbeit führt zur Instabilität des Feldkathodenbetriebs. Die Austrittsarbeit der Oberfläche hängt sowohl von den im Hochvakuum an der Oberfläche ablaufenden Prozessen als auch vom Einfluss eines zu hohen Vakuums ab: Diffusion, Migration, Oberflächenumlagerung und Sorption von Restgasen. Das am häufigsten verwendete Material - Wolfram - absorbiert Gase gut. Dies führte zu zahlreichen Versuchen, Metalle zu verwenden, die Gase nicht so gut absorbieren, zum Beispiel Rhenium oder noch mehr Passivkohle, die jedoch eine große Beständigkeit aufweist. Es wurde vorgeschlagen, das Metall mit einem Kohlenstofffilm zu bedecken. Durch ständiges leichtes Aufheizen des Feldemitters oder periodisch starkes gepulstes Aufheizen zur Reinigung der Oberfläche kann die Sorption von Gas auf der Oberfläche reduziert werden. Im Allgemeinen z stabiler Betrieb Moderne Feldkathoden benötigen ein um ein bis drei Größenordnungen höheres Vakuum als Glühkathoden.

Der zweite Parameter nach der Ausgangsarbeit, von dem die Feldemission stark abhängt, ist die elektrische Feldstärke am Emitter, die wiederum vom mittleren Feld im Gerät (dem Verhältnis der externen Spannung zur Spaltgröße) und abhängt die Geometrie des Emitters, denn zur Felderhöhung am Emitter werden in der Regel „scharfe“ Formen – Vorsprünge, Fäden, Spitzen, Schaufeln, Rohrenden oder deren Systeme – Fadenbündel, Schaufelpakete, Kohlenstoffnanoröhrchen etc. Zur Selektion relativ hoher Ströme werden Multipoint-Systeme, Multi-Emitter-Systeme an Film- und Folienkanten etc. eingesetzt. Durch die Verwendung von Spitzen als Emitter ergibt sich die Nichtparallelität der Elektronenbahnen, und die parallel zur Ebene der emittierenden Elektrode liegende Geschwindigkeitskomponente kann mit der Longitudinalkomponente vergleichbar sein. Der Strahl erweist sich als expandierend, fächerförmig, und wenn die Kathode mehrspitzig oder mehrblättrig ist, dann ist sie nicht laminar.

Sekundärelektronenemission (entdeckt von L. Austin und G. Starke, 1902) ist die Emission von Elektronen durch die Oberfläche eines Festkörpers, wenn dieser mit Elektronen beschossen wird. Auf den Körper auftreffende Elektronen (primär genannt) werden teilweise ohne Energieverlust (elastisch reflektierte Elektronen), der Rest mit Energieverlust (inelastische Reflexion) vom Körper reflektiert. Reichen Energie und Impuls der aufgeladenen Elektronen aus, um die Potentialbarriere an der Körperoberfläche zu überwinden, verlassen die Elektronen die Körperoberfläche (Sekundärelektronen). In dünnen Filmen wird die Sekundärelektronenemission nicht nur von der beschossenen Oberfläche (Reflexionsemission), sondern auch von der gegenüberliegenden Oberfläche (Shooting-Through-Emission) beobachtet. Quantitativ wird die Sekundärelektronenemission durch den "Sekundär-Emissionskoeffizienten" (SEC) - das Verhältnis des Stroms von Sekundärelektronen zum Primärstrom, den Koeffizienten der elastischen und unelastischen Reflexion von Elektronen sowie den Emissionskoeffizienten von Sekundärelektronen - charakterisiert (das Verhältnis der Ströme der entsprechenden Elektronen zum Primärstrom). Alle Koeffizienten hängen sowohl von der Energie der Primärelektronen als auch von ihrem Einfallswinkel, der chemischen Zusammensetzung und der Topographie der Probenoberfläche ab. Bei Metallen mit hoher Leitungselektronendichte ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die gebildeten Sekundärelektronen entweichen können. In Dielektrika mit geringer Elektronenkonzentration ist die Wahrscheinlichkeit des Austritts von Sekundärelektronen größer. Die Wahrscheinlichkeit des Elektronenaustritts hängt von der Höhe der Potentialbarriere auf der Oberfläche ab.

Dadurch ist für eine Reihe von nichtmetallischen Stoffen (Oxide von Erdalkalimetallen, Alkalihalogenidverbindungen) EEF > 1, für speziell hergestellte effektive Emitter ( siehe unten) TBE >> 1, bei Metallen und Halbleitern meist TBE< 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.

Die Erzeugung eines starken elektrischen Feldes (105–106 V/cm) im Dielektrikum führt zu einer Erhöhung des TEC auf 50–100 (durch das Feld verstärkte Sekundäremission). In dieser Situation beginnt die EEC von der Porosität der Schicht abzuhängen – das Vorhandensein von Poren vergrößert die effektive Oberfläche des Emitters, und das Feld entzieht ihnen Sekundärelektronen, die beim Auftreffen auf die Wände der Poren eindringen können wiederum Emission mit EEC > 1 und das Auftreten von Elektronenlawinen verursachen. Dies kann zu einer selbsterhaltenden kalten Emission führen, die (wenn eine Ladung an den Emitter angelegt wird) auch nach Beendigung des Elektronenbeschusses anhält.

Die Hauptanwendungsgebiete von Sekundärelektronenkathoden sind Sekundärelektronen- (SEM) und photoelektronische (PMT) Vervielfacher, EVP vom M-Typ (in denen sich Elektronen in zueinander senkrechten elektrischen und magnetischen Feldern bewegen) und Empfangsverstärkerlampen mit Sekundäremission. Für alle Anwendungen sind die wichtigsten Sekundäremissionsparameter: der Sekundäremissionskoeffizient der EEC im Bereich niedriger Primärelektronenenergien, üblicherweise gekennzeichnet durch die Energie, bei der EEC = 1, der Maximalwert der EEC und die Energie der Primärelektronen, wenn die EEC ihr Maximum erreicht.

Ionen-Elektronen-Emission - die Emission von Elektronen unter Einwirkung von Ionen. Zwei Mechanismen der Ionen-Elektronen-Emission sind bekannt: Potential - Herausziehen von Elektronen aus dem Körper durch das Feld eines ankommenden Ions und kinetisch - Herausschlagen von Elektronen aus dem Körper aufgrund der kinetischen Energie des Ions. Der potentielle Emissionskoeffizient steigt mit einer Erhöhung der Ionisierungsenergie des Ions und einer Verringerung der Austrittsarbeit des Ziels und für Paare Ne + / W (Neon / Wolfram), He + / W (Helium / Wolfram), Ar + / W (Argon / Wolfram) ist beispielsweise 0, 24, 0,24 bzw. 0,1 und hängt schwach von der Ionenenergie ab. Für das Mo (Molybdän)-Target und die gleichen Ionen sind diese Koeffizienten etwa 10 % höher.

Beim Beschuss mit mehrfach geladenen Ionen nimmt die Ionen-Elektronen-Emission zu – für 2, 3, 4 geladene Ionen ist sie größer als für einfach geladene Ionen, jeweils etwa 4, 10, 20 Mal. Die potentielle Ionen-Elektronen-Emission hängt stark vom Zustand der Oberfläche ab, da sie durch die Austrittsarbeit bestimmt wird. Dies bringt eine relativ große Streuung experimenteller Daten mit sich.

Bei Energien unter 1 keV findet praktisch keine kinetische Ionen-Elektronen-Emission statt, dann steigt sie linear an, dann langsamer, durchläuft ein Maximum und fällt ab, bis zu Energien von einigen MeV fällt der Koeffizient auf etwa eins ab. Die Ionen-Elektronen-Emission spielt eine bedeutende Rolle beim Betrieb einer Reihe von elektronischen Gasentladungsvorrichtungen, bei denen die Elektronenquelle eine mit Ionen bombardierte Kathode ist. In einigen Fällen erzeugt der Prozess der Ionen-Elektronen-Emission die Hauptmenge an Elektronen im Volumen des Geräts.

Die Emission heißer Elektronen ist die Emission aufgrund der "Erhitzung" von Elektronen, d.h. Übertragung von Energie auf Elektronen oder Einwirkung eines elektrischen Feldes. Wenn die thermionische Emission durch den Wert der Potentialbarriere am Austritt aus dem Festkörper und die Energie der Elektronen, die sie überwinden, bestimmt wird, und um sie zu erhalten, wird der Festkörper erhitzt ( einfachste Weg die Elektronen erhitzen), dann können Sie versuchen, die Elektronen zu erhitzen, ohne den Körper zu erhitzen. Da Elektronen geladene Teilchen sind, können sie am einfachsten „erhitzt“ werden, indem man ihnen ein elektrisches Feld anlegt. Die Erzeugung einer Kathode durch die Emission heißer Elektronen ist zunächst die Erzeugung eines großen elektrischen Feldes in einem Leiter oder Halbleiter. Dazu müssen der Leiter und der Halbleiter „verwöhnt“ werden, wodurch ihre Leitfähigkeit verringert wird, weil. Andernfalls fließt in diesem großen Feld ein großer Strom durch sie und die Kathode fällt aus.

Eine Möglichkeit, das Metall zu "verderben", besteht darin, es in einzelne Partikel zu zerbrechen. Wenn die Lücken zwischen ihnen klein sind, etwa 10 Mikrometer, werden die Elektronen von einem Teilchen zum anderen tunneln (die Potentialbarriere überwinden, durch ein großes Feld reduziert und verengt), und dies wird die Leitung sein. Aber der Strom im Vergleich zum Strom durch ein monolithisches Metall wird stark abnehmen, d.h. Widerstand wird zunehmen. Dadurch ist es möglich, das Feld zu vergrößern. Dann wird die Energie der Elektronen so stark ansteigen, dass sie ins Vakuum emittieren können. Heisse Elektronenemissionskathoden werden in Form eines dielektrischen Substrats hergestellt, auf dem ein dünner Metall- oder Halbleiterfilm abgeschieden wird. Bei kleinen Filmdicken werden normalerweise "Insel" -Schichten erhalten; bestehend aus separaten kleinen Partikeln, die durch Lücken getrennt sind. Um die Freisetzung von Elektronen zu erleichtern, ist die Kathode oft mit dünnen (ungefähr einatomigen) Filmen aus Substanzen bedeckt, die die Austrittsarbeit von Cs (Cäsium), BaO reduzieren. Als Basisfilmsubstanz werden üblicherweise Au (Gold), SnO 2 , BaO verwendet. Die am besten erhaltenen Parameter sind wie folgt - die Stromentnahme beträgt 1 A/cm 2 für lange Zeit und 10 A/cm 2 für kurze Zeit. In diesem Fall kann der Wirkungsgrad (das Verhältnis des Emissionsstroms zu dem durch die Folie fließenden Strom) 100 % erreichen.

Leonid Aschkinazi

Eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke spielen Elektronen, die von der Kathode unter dem Einfluss verschiedener Gründe geliefert werden. Dieser Vorgang der Freisetzung von Elektronen aus der Oberfläche der Kathodenelektrode oder der Vorgang der Freisetzung von Elektronen aus der Bindung mit der Oberfläche wird als Elektronenemission bezeichnet. Für den Vorgang der Emission muss Energie aufgewendet werden.

Die Energie, die ausreicht, um Elektronen von der Oberfläche der Kathode freizusetzen, nennt man Austrittsarbeit ( U aus )

Sie wird in Elektronenvolt gemessen und ist in der Regel 2-3 mal geringer als die Ionisationsarbeit.

Es gibt 4 Arten der Elektronenemission:

1. Thermionische Emission

2. Feldemission

3. Photoelektronische Emission

4. Emission unter Einwirkung schwerer Partikel.

Die thermionische Emission erfolgt unter dem Einfluss einer starken Erwärmung der Oberfläche der Elektrode - Kathode. Unter Erwärmung nehmen die auf der Kathodenoberfläche befindlichen Elektronen einen solchen Zustand an, wenn ihre kinetische Energie gleich oder größer als die Kräfte ihrer Anziehung zu den Atomen der Elektrodenoberfläche wird, sie den Kontakt mit der Oberfläche verlieren und herausfliegen die Bogenlücke. Eine starke Erwärmung des Endes der Elektrode (Kathode) tritt auf, da dieser Kontakt im Moment seines Kontakts mit dem Teil aufgrund des Vorhandenseins von Unregelmäßigkeiten nur an bestimmten Punkten der Oberfläche auftritt. Diese Position führt bei Stromfluss zu einer starken Erwärmung der Kontaktstelle, wodurch ein Lichtbogen gezündet wird. Die Oberflächentemperatur beeinflusst stark die Simulation von Elektronen. Die Emission wird üblicherweise anhand der Stromdichte abgeschätzt. Die Beziehung zwischen thermionischer Emission und Kathodentemperatur wurde von Richardson und Deshman aufgestellt.

wo j0 ist die Stromdichte, A/cm2;

φ die Elektronenaustrittsarbeit e-V ist;

ABER- eine Konstante, deren theoretischer Wert A \u003d 120 a / cm 2 deg 2 beträgt (experimenteller Wert für Metalle A \u003e 62,2).

Bei der autoelektronischen Emission wird die für die Freisetzung von Elektronen erforderliche Energie durch ein äußeres elektrisches Feld vermittelt, das die Elektronen sozusagen über die Grenzen des Einflusses des elektrostatischen Feldes des Metalls hinaus „saugt“. In diesem Fall kann die Stromdichte aus der Formel berechnet werden

, (1.9)

wo E ist die elektrische Feldstärke, V/cm;

Mit zunehmender Temperatur nimmt der Wert der autoelektronischen Emission ab, aber bei niedrigen Temperaturen kann ihr Einfluss entscheidend sein, insbesondere bei einer hohen elektrischen Feldstärke (10 6 - 10 7 V / cm), die laut Brown M.Ya. und G.I. Pogodin-Alekseev ist in den elektrodennahen Regionen erhältlich.

Wenn Strahlungsenergie absorbiert wird, können Elektronen mit so hoher Energie erscheinen, dass einige von ihnen die Oberfläche verlassen. Die Photoemissionsstromdichte wird durch die Formel bestimmt

wo α - Reflexionskoeffizient, dessen Wert für Schweißlichtbögen unbekannt ist.

Die Wellenlängen, die sowohl zur Photoemission als auch zur Ionisation führen, werden durch die Formel bestimmt

Im Gegensatz zur Ionisation wird die Emission von Elektronen von der Oberfläche von Alkali- und Erdalkalimetallen durch sichtbares Licht verursacht.

Die Oberfläche der Kathode kann Stößen schwerer Teilchen (positive Ionen) ausgesetzt werden. Positive Ionen können beim Aufprall auf die Kathodenoberfläche:

Erstens, verschenken die kinetische Energie, die sie besitzen.

Zweitens, auf der Kathodenoberfläche neutralisiert werden kann; dabei geben sie der Elektrode Ionisationsenergie.

Dadurch erhält die Kathode zusätzliche Energie, die zum Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen verwendet wird, und ein Teil wird wieder für das Entweichen von Elektronen von der Oberfläche aufgewendet. Infolge einer ausreichend intensiven Emission von Elektronen aus der Kathode und der entsprechenden Ionisierung der Lichtbogenstrecke entsteht eine stabile Entladung - ein Lichtbogen mit einer bestimmten Stromstärke, die bei einer bestimmten Spannung im Stromkreis fließt.

Je nach Entwicklungsgrad einer bestimmten Emissionsart werden drei Arten von Schweißlichtbögen unterschieden:

Glühkathodenbögen;

Kaltkathodenbögen;