Elektroonikaseadmetes vabade elektronide voo saamiseks on spetsiaalne metall- või pooljuhtelektrood - katood.

Selleks, et elektronid läheksid katoodist kaugemale, on vaja väljastpoolt teavitada nm teatud energiast, mis on piisav vastasjõudude ületamiseks. Sõltuvalt elektronidele lisaenergia andmise meetodist eristatakse järgmisi elektronide emissiooni liike:

• termiline, mille juures katoodi kuumutamise tulemusena antakse elektronidele lisaenergiat;
• fotoelektrooniline, mille juures katoodi pinnale mõjub elektromagnetkiirgus;
• sekundaarne elektrooniline, mis on katoodi pommitamise tulemus suurel kiirusel liikuva elektronide või ioonide vooluga;
• elektrostaatiline, mille juures tugev elektriväli katoodi pinna lähedal loob jõud, mis aitavad kaasa elektronide põgenemisele väljaspool selle piire.

Vaatleme üksikasjalikumalt kõiki loetletud elektronide emissiooni liike.

Termoemissioon. Termoemissiooni fenomen oli tuntud juba 18. sajandi lõpus. Selle nähtuse kvalitatiivseid seaduspärasusi tuvastasid V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) jt. 1930. aastateks määrati kindlaks termoemissiooni peamised analüütilised sõltuvused.

Metalli kuumutamisel muutub juhtivusriba elektronide energiajaotus (joon. 1, kõver 2). Elektronid ilmuvad energiaga, mis ületab Fermi taseme. Sellised elektronid võivad metallist välja pääseda, mille tulemuseks on elektronide emissioon. Termioonilise emissioonivoolu suurus sõltub katoodi temperatuurist, tööfunktsioonist ja pinna omadustest (Richardsoni-Dashmani võrrand):

kus Je on emissiooni voolutihedus, A/cm²; AGA- emissioonikonstant, olenevalt kiirgava pinna omadustest ja võrdne enamiku puhaste metallidega - 40 ... 70 A / (cm² K² '); T on katoodi absoluutne temperatuur; e- naturaallogaritmide alus (e = 2,718); eφo on metallist pärineva elektroni tööfunktsioon J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - Boltzmanni konstant.

Ülaltoodud termioonilise emissiooni võrrand kehtib metallide kohta. Lisandite pooljuhtide puhul on sõltuvus mõnevõrra erinev, kuid emissioonivoolu ning temperatuuri ja tööfunktsiooni suhe jääb kvalitatiivselt samaks. Võrrand näitab, et emissioonivoolu suurus sõltub kõige suuremal määral katoodi temperatuurist. Temperatuuri tõusuga aga katoodimaterjali aurustumiskiirus järsult suureneb ja selle kasutusiga lüheneb. Seetõttu peab katood töötama rangelt määratletud töötemperatuuri vahemikus. Temperatuuri alumine piir määratakse vajaliku emissiooni saamise võimalusega ja ülemine eralduva materjali aurustumise või sulamisega.

Emissioonivoolu väärtust mõjutab oluliselt katoodi pinna lähedal toimiv väline kiirendav elektriväli. Seda nähtust nimetatakse Schottky efektiks. Katoodilt lahkuvale elektronile mõjuvad välise elektrivälja juuresolekul kaks jõudu – elektriline külgetõmbejõud, mis viib elektroni tagasi, ja välisvälja jõud, mis kiirendab elektroni katoodi pinnast lähtuvas suunas. Seega vähendab väline kiirendusväli potentsiaalset barjääri, mille tulemusena väheneb katoodilt tulevate elektronide tööfunktsioon ja suureneb elektronide emissioon.

Fotoelektrooniline emissioon. Esimest korda täheldas fotoelektronide emissiooni (või välise fotoelektriefekti) fenomeni G. Hertz aastal 1887. Eksperimentaalsed uuringud, mis võimaldasid tuvastada kvantitatiivseid seoseid fotoelektronide emissiooniga, viis A. G. Stoletov läbi 1888. Peamised seadused. fotoelektrilise efekti selgitas A. Einstein valguse footoniteooriate põhjal. Selle teooria kohaselt saab kiirgusenergiat edastada ja neelata mitte pideva vooluna, vaid ainult teatud osadena (kvantidena) ja igal kvantil on teatud hulk energiat. hv, kus h on Plancki konstant ja v on kiirgussagedus. Seega on elektromagnetkiirgus (nähtav ja nähtamatu valgus, röntgenikiirgus jne) üksikute energiakvantide voog, mida nimetatakse footoniteks. Kukkudes fotokatoodi pinnale, kulub footoni energia elektronidele lisaenergia andmiseks. Tänu sellele energiale elektron massiga mina, teeb väljumistööd Vau ja omandab algkiiruse Vo, mida väljendatakse matemaatiliselt Einsteini võrrandiga:

Elektron võib minna katoodist kaugemale, kui tööfunktsioon on väiksem kui kvantenergia, kuna ainult nendel tingimustel on algkiirus Vo ja sellest ka elektroni kineetiline energia:

Märgime fotoelektrilise efekti põhijooned:

• Kui fotokatoodi pinda kiiritatakse konstantse spektraalse koostisega kiirgusvooga, on fotoelektronide emissioonivool võrdeline voo intensiivsusega (Stoletovi seadus):

kus Kui on fotovoolu väärtus; F on kiirgusvoo suurus; To on proportsionaalsustegur, mis iseloomustab fotokatoodi pinna tundlikkust kiirgusele.

• Fotokatoodi poolt kiiratavate elektronide kiirus on seda suurem, seda suurem on sagedus v neeldunud kiirgus; fotoelektronide esialgne kineetiline energia suureneb lineaarselt sageduse suurenemisega v.
• Fotoelektrilist efekti täheldatakse ainult siis, kui kiiritatakse sagedusega kiirgusvooga V ≥ Vcr, kus Vcr on kriitiline sagedus, mida nimetatakse fotoefekti "punaseks piiriks". Kriitiline lainepikkus:

, kus c on elektromagnetlainete levimiskiirus. Kell λ > λc, fotoelektronide emissiooni ei toimu.

• Fotoelektriline efekt on praktiliselt inertsiaalne, st kiiritamise alguse ja fotoelektronide ilmumise vahel ei ole viivitust (viivitusaeg ei ületa 3 10∧-9 s).

Nagu termoemissiooni puhul, suurendab välise elektrivälja tugevuse suurenemine fotokatoodi lähedal ka fotoelektronide emissiooni, alandades katoodi potentsiaalbarjääri. Sel juhul nihutatakse fotoelektrilise efekti lävi pikemate lainepikkuste suunas.

Mida madalam on metalli tööfunktsioon, millest fotokatood on valmistatud, seda madalam on selle fotokatoodi lävisagedus. Näiteks selleks, et fotokatood oleks nähtava valguse suhtes tundlik, peab selle materjali tööfunktsioon olema alla 3,1 eV. See tööfunktsioon on tüüpiline leelis- ja leelismuldmetallidele (tseesium, kaalium, naatrium). Fotokatoodi tundlikkuse suurendamiseks muude kiirgusvoogude suhtes keerulised tüübid pooljuhtfotokatoodid (leelise-vesinik, hapnik-tseesium, antimon-tseesium jne).

Sekundaarne elektronide emissioon. Sekundaarse elektronemissiooni mehhanism erineb termo- ja fotoelektronide emissiooni mehhanismist. Kui termo- ja fotoelektronide emissiooni ajal paiknevad elektronid peamiselt juhtivusriba tasanditel, siis katoodipinna pommitamisel primaarsete elektronide või ioonidega võivad nende energia neelduda ka täidetud ribade elektronidega. Seetõttu on sekundaarne emissioon võimalik nii juhtidelt kui ka pooljuhtidelt ja dielektrikutelt.

Kõige olulisem sekundaarset elektronemissiooni iseloomustav parameeter on sekundaarse emissiooni koefitsient σ . See on katoodi pinnalt emiteeritud sekundaarsete elektronide arvu suhe n2, katoodile langevate primaarsete elektronide arvule n1, või sekundaarse tiileroni emissioonivoolu suhe I2 primaarelektronide voolule I1:

Sekundaarset elektronide emissiooni kasutatakse mõnedes elektroonikaseadmetes – fotokordistites, televisiooni ülekandetorudes ja teatud tüüpi vaakumtorudes. Kuid paljudel juhtudel, eriti enamiku vaakumtorude puhul, on see ebasoovitav ja kipub vähenema.

elektrostaatiline emissioon. Kui katoodi pinna lähedal oleva välise elektrivälja tugevus on piisav potentsiaalse barjääri aeglustava toime täielikuks kompenseerimiseks, siis isegi madalatel katooditemperatuuridel on võimalik saavutada märkimisväärne elektronide emissioon. Arvutatakse, et potentsiaalse barjääri kompenseerimiseks peaks intensiivsus katoodi pinnal olema suurusjärgus 10∧8 V/cm. Kuid isegi väljatugevuse korral umbes 10∧6 V/cm täheldatakse olulist elektronide emissiooni külmadelt pindadelt.

Elektrostaatilise emissiooni tekkimiseks piisavate väljatugevuse väärtuste tehniline saamine tekitab olulisi raskusi. Seetõttu kasutatakse elektrostaatilist emissiooni peamiselt vedela elavhõbeda katoodiga ioonseadmetes. Sel juhul saab piisava nahaväljatugevuse saavutada, luues katoodi pinna lähedale ioniseeritud elavhõbeda auru kihi.

Allikas - Gershunsky B.S. Elektroonika alused (1977)

Juhi elektronid liiguvad selle piirides vabalt ning piisava energia neeldumisel võivad nad ka väljapoole minna, lõhkudes keha pinna lähedal asuva potentsiaalikaevu seina (joon. 10.6). Seda nähtust nimetatakse elektronide emissiooniks (ühes aatomis nimetatakse sarnast nähtust ionisatsiooniks).

Kell T = 0 emissiooniks vajalik energia määratakse tasemete vahega W= 0 ja Fermi tase E R(joon. 10.6) ja seda nimetatakse tööfunktsiooniks. Energiaallikaks võivad olla footonid (vt punkt 9.3), mis põhjustavad fotoemissiooni (fotoelektriline efekt).

Riis. 10.6

Termoemissiooni põhjuseks on metalli kuumenemine. Kui elektronide jaotusfunktsioon on moonutatud (vt joonis 10.5, b) see “saba” võib minna üle potentsiaalikaevu piiri, st. mõnel elektronil on metallist lahkumiseks piisavalt energiat. Seda kasutatakse tavaliselt elektronide varustamiseks vaakumis.

Lihtsaim soojuskiirgust kasutav seade on elektrovaakumdiood (joonis 10.7, a). Selle katood K kuumutatakse EMF-i allikast ? ja ja kiirgab elektrone, mis tekitavad anoodi ja katoodi vahelise elektrivälja toimel voolu joodi. Elektrovaakumdiood erineb fotodioodist peamiselt energiaallika poolest, mis põhjustas elektronide emissiooni, mistõttu on nende voolu-pinge omadused sarnased. Mida rohkem pinget U a anoodi ja katoodi vahele tõmbab elektriväli ajaühikus suurema osa nende pilvest katoodil olevatest elektronidest. Seega, kui pinge kasvab U a praegune I kasvab. Mõne pinge juures tõmbab juba null kõik elektronid lahkuvad katoodilt ja edasine kasv pinge ei too kaasa voolu suurenemist - tekib küllastumine.

Riis. 10.7

KÜSIMUS. Miks on küllastusvool juures T, rohkem kui G, (joon. 10.7, b)? VASTUS. Kell T 2 > D, ajaühikus lahkub katoodist rohkem elektrone.

Rakendatud pinge vastupidise polaarsusega ("miinus" on ühendatud anoodiga ja "pluss" katoodiga) elektronid ei kiirendata, vaid aeglustuvad, seetõttu on elektrovaakumdiood võimeline läbima voolu ainult ühes suund, st. tal on ühesuunaline juhtivus. See võimaldab seda kasutada alaldi vool(Joonis 10.7, sisse): pinge positiivse poollaine mõjul läbib diood voolu, negatiivse poollaine ajal aga mitte.

1907. aastal lisas ameeriklane Lee de Forest dioodile kolmanda võreelektroodi, mis võimaldas võimendada elektrilisi signaale. Sellist trioodi täiendati seejärel teiste elektroodidega, mis võimaldas luua mitmesuguseid võimendid, generaatorid ja muundurid. See tõi kaasa elektrotehnika, raadiotehnika ja elektroonika kiire arengu. Seejärel võtsid teatepulga üle pooljuhtseadmed, mis asendasid vaakumtorud, kuid CRT-des, röntgentorudes, elektronmikroskoobides ja mõnes vaakumtorus on termiline emissioon endiselt aktuaalne.

Teiseks elektronide emissiooni allikaks võib olla materjali pinna pommitamine erinevate osakestega. Sekundaarne elektron-elektronemissioon tekib väliste elektronide kokkupõrgete tulemusena, mis kannavad osa oma energiast aine elektronidele. Sellist emissiooni kasutatakse näiteks fotokordisti torus (PMT) (joonis 10.8, a). Tema fotokatood 1 kiirgab valgusega kokkupuutel elektrone. Neid kiirendatakse elektroodi (dünoodi) suunas. 2, millest nad sekundaarsed elektronid välja löövad, kiirendatakse neid dünoodi poole 3 jne. Selle tulemusena korrutatakse primaarne fotovool sedavõrd, et PMT suudab registreerida isegi üksikuid footoneid.

Riis. 10.8

Sama põhimõtet rakendati uue põlvkonna pildivõimendustorus (vt lõik 9.3). See sisaldab sadu tuhandeid fotokordajaid (vastavalt objektide kujutisi moodustavate pikslite arvule), millest igaüks on ~ 10 μm laiune metalliseeritud mikrokanal. Mööda seda kanalit liiguvad elektronid samal siksakilisel viisil, nagu valgus optilises kius ja nagu elektronid PMT-s, paljunedes sekundaarse emissiooni tõttu igal kokkupõrkel kanali seintega. Kuna elektronide trajektoor erineb sirgjoonelisest (ainult kanali laiuse piires) ebaoluliselt, paikneb selliste kanalite pakett fotokatoodi ja ekraani vahel (joon. 10.8, b) välistab vajaduse fotoelektroneid fokuseerida (vrd joonisega 9.4). Iga kanal teostab mitte ainult elektronide reprodutseerimist, vaid ka nende ülekandmist vajalikku punkti, mis tagab pildi selguse.

Sekundaarses ioon-elektronemissioonis on primaarsed osakesed - energiakandjad ioonid. AT gaaslahendusseadmed need tagavad elektronide taastootmise katoodilt, mis seejärel paljunevad gaasimolekulide ioniseerimise teel (vt punkt 5.9).

On olemas ka väga eksootiline emissioonitüüp, mille päritolu on seletatav Heisenbergi määramatuse printsiibiga. Kui metallpinnal on elektriväli, mis kiirendab elektrone, siis kantakse potentsiaaliribale 1 sirgjoon nt(2 joonisel 10.6) ja serv muutub tõkkeks 3. Kui elektroni koguenergia on võrdne W, need. peal W vähem kui tõkke kõrgus, siis klassikaliste ideede järgi “võta” see, s.o. mine õue, ta ei saa. Kvantkontseptsioonide kohaselt on aga ka elektron Laine, mis mitte ainult peegeldunud optiliselt tihedamast keskkonnast, vaid ka murdunud. Samal ajal funktsiooni olemasolu tõkke sees tähendab lõplikku tõenäosust leida sealt elektron. "Klassikalises" vaates on see võimatu, kuna täielik elektronide energia W, ja selle komponent potentsiaal energia - on selles valdkonnas võrdne W+ AVK, st. osa on suurem kui tervik! Samal ajal on mõned ebakindlus AVK energia, mis sõltub ajast Kell elektroni viibimine barjääri sees: AWAt> h. Väheneb aadressil: ebakindlus A.W. võib jõuda vajaliku väärtuseni ja Schrödingeri võrrandi lahendus annab lõplikud väärtused | p | 2 s väljaspool barjäär, st. on võimalus, et elektron pääseb välja ilma üle barjääri hüppamata! See on kõrgem, mida madalam AW n Kell.

Neid järeldusi kinnitab praktikas tunneli või alamtõkke efekt. See leiab isegi rakendust, tagades elektronide emissiooni metallist väljadel ~10 6 -10 7 V/cm. Kuna selline emissioon toimub ilma kuumutamise, kiiritamise või osakeste pommitamiseta, nimetatakse seda väliemissiooniks. Tavaliselt tekib see kõikvõimalikest punktidest, eenditest jne, kus väljatugevus järsult suureneb. See võib viia ka vaakumpilu elektrilise rikkeni.

1986. aastal andis Nobeli füüsikaauhind skaneerimise leiutamisele elektronmikroskoop. Selle laureaadid on Saksa füüsikud E. Ruska ja G. Binnig ning Šveitsi füüsik G. Rohrer. Selles seadmes skaneerib õhuke nõel piki pinda sellest väikesel kaugusel. Sel juhul tekkiv tunnelivool kannab teavet elektronide energiaseisundite kohta. Seega on võimalik saada pinnast aatomi täpsusega kujutis, mis on eriti oluline mikroelektroonikas.

Tunneliefekt vastutab rekombinatsiooni eest ioonide-elektronide emissiooni ajal (vt eespool), elektrifitseerimise eest hõõrdumise teel, mille käigus elektronid ühe materjali aatomitest tunnelil teise aatomitesse. See määrab ka elektronide sotsialiseerumise kovalentses sidemes, mis viib energiatasemete lõhenemiseni (vt joonis 10.5, a).

energia ülejäägi vabanemine, mis võrdub elektroni energiatasemete vahega kehas ja ioonis ε 1 – ε i 1 . Seda energiat saab kas üle kanda keha teisele elektronile algenergiaga ε 2 (Auger protsess) või vabastada valguskvandina. Teine protsess on vähem tõenäoline. Kui ergastatud elektroni energia ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) on suurem kui null, suudab ta emitterist lahkuda. Seega osalevad emissiooniaktis kaks keha elektroni: üks vabastab energiat tunneldades kehast ioonile koos viimase neutraliseerimisega, teine ​​saab selle ergastusenergia vastu ja lahkub kehast, s.o. meil on nii tunneli siirdeprotsess kui ka ergastusprotsess.

10.7 Kuumade elektronide emissioon

Kuumade elektronide emissioon on elektronide emissioon pooljuhi poolt selles elektrivälja olemasolul. Juhtivusribalt eralduvad kuumad elektronid. Sellepärast vajalik tingimus Nende elektronide emissiooni ilmnemise võimalus on nende esialgne termiline ergutus põhiribast või doonoritasemelt juhtivusribale. Seega realiseeritakse kuumade elektronide emissiooni käigus tegelikult kaks erinevat elektronide ergastamise mehhanismi: 1) nende ergastamine juhtivusriba võre soojusenergia toimel; 2) juhtivusriba elektronide ergastamine vaakumitaset ületavatele energiatasemetele. Seda tüüpi ergastus tekib pooljuhi elektrivälja jõudude töö tõttu; Lõppkokkuvõttes võetakse see energia välisest pingeallikast, mis loob välja. Elektrivälja olemasolu pooljuhis põhjustab juhtivusribas paiknevate elektronide kiirenduse. Need elektronid interakteeruvad keha fononitega. Selliste elektronide kokkupõrgete korral võib toimuda järsk muutus nende liikumissuunas ja toimub vaid väike kiiruse kaotus. Selle tulemusena on elektronide keskmised energiad suuremad kui ioonidel; võime öelda, et elektrongaasi temperatuur on kõrgem kui kristallvõre temperatuur. See toob kaasa elektronide emissiooni ilmnemise, mida võiks tinglikult nimetada "termiliseks emissiooniks", kuid temperatuur, mis seda määrab, on kõrgem kui võre temperatuur.

10.8 Kombineeritud heitkogused

Kõige sagedamini kasutatakse Schottky efektil põhinevat kombineeritud emissioonitüüpi. Nagu juba lõikes 2 arutatud, väheneb välise elektrivälja rakendamisel tõkke kõrgus ja seeläbi väheneb. tõhus töö väljuda. Seetõttu on sel juhul vajalik elektronide väiksem (energia mõttes) eelergastus, et need üle kanda kõrgema potentsiaalse barjääri kõrgusega energiatasemetele. Seega stimuleerib elektrivälja rakendamine eelergastusega igat tüüpi emissioone. Seetõttu hõlmab kombineeritud heitetüüp peamiselt järgmist: automaatne

ELEKTROONILINE EMISSIOON on elektronide emissioon tahke või vedeliku pinnalt. Selleks, et elektron kondenseerunud keskkonnast vaakumis või gaasis lahkuks, tuleb kulutada energiat, mida nimetatakse tööfunktsiooniks. Potentsiaalbarjääriks nimetatakse elektroni potentsiaalse energia sõltuvust koordinaadist emitteri ja vaakumi (või muu keskkonna) piiril. Selle peab ületama elektron, jättes emitteri.

Heitmeid saab säilitada kahel tingimusel. Esimene on elektronide varustamine energiaga, mis tagab potentsiaalibarjääri ületamise ehk nii tugeva välisvälja tekitamise, et potentsiaalbarjäär muutub õhukeseks ja tunneliefekt (väljaemissioon) muutub oluliseks, kvantimbumine elektronid läbi potentsiaalbarjääri, st. tööfunktsioonist väiksema energiaga elektronide emissioon. Energia ülekanne keha pommitavate footonite poolt viib fotoemissioonini, elektronidega pommitamine põhjustab elektronide sekundaarset emissiooni ja ioonide poolt ioon-elektronemissiooni. Emissiooni võivad põhjustada siseväljad – kuumade elektronide emissioon. Kõik need mehhanismid võivad toimida samaaegselt (näiteks soojusvälja emissioon, fotovälja emissioon).

Teiseks tingimuseks on välise elektrivälja tekitamine, mis tagab emiteeritud elektronide eemaldamise kehast, selleks on eelkõige vaja elektronid emitterisse viia, et see ei laeks. Kui emiteeritud elektronide eemaldamist tagav välisväli on väljaemissiooniks ebapiisav, kuid piisav potentsiaalbarjääri langetamiseks, muutub märgatavaks Schottky efekt – emissiooni sõltuvus välisväljast. Juhul, kui kiirgav pind on ebahomogeenne ja sellel on erinevate tööfunktsioonidega "laigud", tekib selle pinna kohale elektriline "täpiväli". See väli aeglustab elektronide väljumist katoodisektsioonidest, mille tööfunktsioon on madalam kui naaberosadel. Väline elektriväli lisandub täppide väljale ja seda suurendades kaob täppide pärssiv toime. Selle tulemusena suureneb ebahomogeense emitteri emissioonivool välja suurenedes kiiremini kui ühtlase emitteri korral (anomaalne Schottky efekt).

Termoemissioon. 19. sajandi keskel oli teada, et kuumutatud tahkete ainete läheduses muutub õhk elektrijuhiks, kuid selle nähtuse põhjus jäi ebaselgeks. J. Elster ja G. Geitel leidsid katsete tulemusena, et ümbritseva õhu alandatud rõhul omandab valgeks kuum metallpind positiivse laengu. Voolu voolamise vaakumis kuuma elektroodi ja positiivselt laetud elektroodi vahel avastas T. Edison (1884), mida J. Thomson (1887) seletas elektronide (negatiivselt laetud osakeste) emissiooniga, termioonilise emissiooni teooriaga. töötas välja O. Richardson (1902, mõnikord omistatakse talle avastus ja mõju ise). Ühepoolse juhtivuse avastas J. Fleming (1904, mõnikord omistati Edisonile), kuigi tema diood ei olnud täielikult vaakum, vaid ruumilaengu osalise kompensatsiooniga. Termokiirguse voolu määrab katoodi temperatuur (st elektronide energia) ja tööfunktsioon. Maksimaalse emissioonivoolu määrab tööfunktsiooni ja temperatuuri suhe, seda nimetatakse küllastusvooluks. Katoodi temperatuuri omakorda piirab katoodi materjali aurustumine (st eluiga).

Fotoelektrooniline emissioon - tahkete ainete ja vedelike elektronide emissioon elektromagnetkiirguse (footonite) mõjul, samas kui emiteeritud elektronide arv on võrdeline kiirguse intensiivsusega. Iga aine jaoks on lävi - kiirguse minimaalne sagedus (maksimaalne lainepikkus), millest allpool emissiooni ei toimu, fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt kiirguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest. Fotoemissioon on tundlik pinna tööfunktsiooni suhtes. Kvantsaagise suurenemine ja fotoemissiooni läve nihe saavutatakse metallipinna katmisega elektropositiivsete Cs (tseesiumi) või Rb (rubiidiumi) aatomite monoatomilise kihiga, mis vähendab enamiku metallide tööfunktsiooni 1,4–1,7 eV-ni. . Fotoemissiooni avastas Gustav Hertz (1887), kes avastas, et sädemevahe elektroodide valgustamine pinge all ultraviolettvalgusega hõlbustab purunemist. Süstemaatilised uuringud viisid läbi V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) ja näitasid, et Hertzi katses taandub asi laengute vabanemisele valguse toimel. F. Lenard ja J. Thomson (1898) tõestasid, et need on täpselt elektronid.

Pooljuhtide ja dielektrikute fotoemissiooni määrab elektromagnetkiirguse tugev neeldumine.

Autoelektrooniline emissioon (väljaemissioon, elektrostaatiline emissioon, tunneli emissioon) - elektronide emissioon juhtiva tahke ja vedelad kehad suure intensiivsusega välise elektrivälja toimel avastas selle R. Wood (1897) vaakumlahenduse uurimisel. Autoelektroonilist emissiooni seletatakse tunneliefektiga ja see toimub ilma energiakuluta elektronide ergastamiseks, mis on vajalik teist tüüpi elektronide emissiooniks. Autoelektroonilises emissioonis ületavad elektronid potentsiaalse barjääri, mitte ei lähe sellest üle termilise liikumise kineetilise energia tõttu (nagu termioonilises emissioonis), vaid tunneldades läbi barjääri, mida elektriväli vähendab ja kitsendab.

Põllu emissioon sõltub tugevalt põllust ja tööfunktsioonist ning nõrgalt temperatuurist. Voolu eemaldamine madalatel temperatuuridel põhjustab emitteri kuumenemist, kuna väljuvad elektronid kannavad energiat keskmiselt vähem kui Fermi energia, temperatuuri tõustes asendub kuumutamine jahutamisega - efekt muudab märki, läbides "inversioonitemperatuuri", mis vastab väljaminevate elektronide koguenergia jaotusele sümmeetriliselt. Fermi tasemele. Pooljuhtide väljaemissiooni tunnused on seotud elektrivälja tungimisega emitterisse, elektronide madalama kontsentratsiooni ja pinnaseisundite olemasoluga. Väljaemissiooni režiimis saadavaid maksimaalseid voolutihedusi piirab emitteri džauli kuumenemine seda läbiva voolu toimel ja emitteri hävimine elektrivälja poolt. Väljaemissiooni režiimis saadakse statsionaarses ja 10 9 A/cm 2 impulssrežiimis voolud suurusjärgus 10 7 A/cm 2 (emitteri pinnal). Kui proovite statsionaarses režiimis rohkem voolu saada, siis emitter hävib. Impulssrežiimis, kui proovite voolu suurendada, hakkab emitter töötama teises režiimis, nn plahvatusohtlikus emissioonirežiimis.

Väljaemissiooni tugev sõltuvus tööfunktsioonist põhjustab väljakatoodi töö ebastabiilsust. Pinna tööfunktsioon sõltub nii pinnal kõrgvaakumis toimuvatest protsessidest kui ka ebapiisavalt kõrge vaakumi mõjust: difusioon, migratsioon, pinna ümberkorraldamine, jääkgaaside sorptsioon. Kõige sagedamini kasutatav materjal - volfram - sorbeerib hästi gaase. See tõi kaasa arvukalt katseid kasutada metalle, mis ei ima nii hästi gaase, näiteks reeniumi või veelgi passiivsemat süsinikku, millel on aga suur vastupidavus. Tehti ettepanek katta metall süsinikkilega. Gaasi sorptsiooni pinnal saab vähendada välja emitteri pideva kerge kuumutamisega või perioodilise tugeva impulsskuumutusega pinna puhastamiseks. Üldiselt jaoks stabiilne töö kaasaegsed väljakatoodid nõuavad ühe kuni kolme suurusjärgu võrra suuremat vaakumit kui kuumade katoodide jaoks.

Teine parameeter pärast väljundtööd, millest väljaemissioon tugevalt sõltub, on elektrivälja tugevus emitteris, mis omakorda sõltub keskmisest väljast seadmes (välispinge ja pilu suuruse suhe) ning emitteri geomeetria, sest välja suurendamiseks emitteril tekivad reeglina "teravad" vormid - eendid, keermed, punktid, labad, toruotsad või nende süsteemid - keermekimbud, labapakid, süsiniknanotorud jne. Suhteliselt suurte voolude valimiseks kasutatakse mitmepunktisüsteeme, kilede ja fooliumide servades asuvaid mitme emitteri süsteeme jne. Asjaolu, et otsikuid kasutatakse emitteritena, põhjustab elektronide trajektooride mitteparalleelsust ja kiirgava elektroodi tasapinnaga paralleelne kiiruskomponent on võrreldav pikisuunalise komponendiga. Kiir osutub laienevaks, lehvikukujuliseks ja kui katood on mitme otsaga või mitme labaga, siis pole see laminaarne.

Sekundaarne elektronide emissioon (avastanud L. Austin ja G. Starke, 1902) on elektronide emissioon tahke keha pinnalt, kui seda elektronid pommitavad. Keha pommitavad elektronid (nimetatakse primaarseteks) peegelduvad kehas osaliselt ilma energiakadudeta (elastselt peegeldunud elektronid), ülejäänud osa energiakaoga (elastne peegeldus). Kui energia saanud elektronide energiast ja impulssist piisab keha pinnal oleva potentsiaalse barjääri ületamiseks, siis elektronid lahkuvad keha pinnalt (sekundaarsed elektronid). Õhukeste kilede puhul täheldatakse elektronide sekundaarset emissiooni mitte ainult pommitatud pinnalt (peegelduskiirgus), vaid ka vastaspinnalt (läbilaskmine). Kvantitatiivselt iseloomustab sekundaarset elektronemissiooni "sekundaarne emissioonikoefitsient" (SEC) - sekundaarsete elektronide voolu ja primaarvoolu suhe, elektronide elastse ja mitteelastse peegelduse koefitsient, samuti sekundaarsete elektronide emissioonikoefitsient. (vastavate elektronide voolude suhe primaarvoolu). Kõik koefitsiendid sõltuvad nii primaarsete elektronide energiast kui ka nende langemisnurgast, keemilisest koostisest ja proovi pinna topograafiast. Metallides, kus juhtivuselektronide tihedus on suur, on moodustunud sekundaarsete elektronide väljapääsu tõenäosus väike. Madala elektronikontsentratsiooniga dielektrikutes on sekundaarsete elektronide väljapääsemise tõenäosus suurem. Elektronide põgenemise tõenäosus sõltub potentsiaalse barjääri kõrgusest pinnal.

Selle tulemusena on mitmete mittemetalliliste ainete (leelismuldmetallide oksiidid, leelishalogeniidühendid) puhul EEF > 1, spetsiaalselt valmistatud efektiivsete emitterite puhul ( vaata allpool) TBE >> 1, metallide ja pooljuhtide puhul tavaliselt 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.

Tugeva elektrivälja (105–106 V/cm) tekitamine dielektrikus toob kaasa TEC tõusu kuni 50–100 (välja võimendatud sekundaarne emissioon). Sellises olukorras hakkab EMÜ sõltuma kihi poorsusest – pooride olemasolu suurendab emitteri efektiivset pinda ning väli tõmbab neist välja sekundaarsed elektronid, mis, tabades pooride seinu, võivad pööre, põhjustada emissiooni EMÜ > 1 ja elektronlaviinide tekkimist. See võib kaasa tuua isemajandava külma emissiooni, mis jätkub (kui emitterile rakendatakse laeng) isegi pärast elektronpommitamise lõppemist.

Sekundaarsete elektronkatoodide peamisteks kasutusaladeks on sekundaarsed elektronide (SEM) ja fotoelektroonilised (PMT) kordajad, M-tüüpi EVP (milles elektronid liiguvad omavahel risti asetsevates elektri- ja magnetväljades) ning sekundaarse emissiooniga vastuvõtu-võimenduslambid. Kõigi rakenduste puhul on kõige olulisemad sekundaarse emissiooni parameetrid: EMÜ sekundaarse emissiooni koefitsient madala primaarse elektronenergiaga piirkonnas, mida tavaliselt iseloomustab energia, mille juures EMÜ = 1, EMÜ maksimaalne väärtus ja primaarelektronide energiat, kui EMÜ saavutab maksimumi.

Ioon-elektronide emissioon – elektronide emissioon ioonide toimel. Tuntakse kahte ioonide-elektronide emissiooni mehhanismi: potentsiaalne - elektronide väljatõmbamine kehast sissetuleva iooni välja abil ja kineetiline - elektronide kehast väljalöömine iooni kineetilise energia tõttu. Potentsiaalne emissioonikoefitsient suureneb iooni ionisatsioonienergia suurenemise ja sihtmärgi tööfunktsiooni vähenemisega ning paaride puhul Ne + / W (neoon / volfram), He + / W (heelium / volfram), Ar + / W (argoon / volfram) on näiteks vastavalt 0, 24, 0,24 ja 0,1 ning sõltub nõrgalt iooni energiast. Mo (molübdeeni) sihtmärgi ja samade ioonide puhul on need koefitsiendid ligikaudu 10% suuremad.

Kui pommitatakse mitmekordselt laetud ioonidega, suureneb ioonide elektronide emissioon - 2, 3, 4 laetud ioonide puhul on see suurem kui ühekordselt laetud ioonide puhul, vastavalt ligikaudu 4, 10, 20 korda. Potentsiaalne ioonide-elektronide emissioon sõltub tugevalt pinna seisundist, kuna selle määrab tööfunktsioon. See toob kaasa suhteliselt suure katseandmete hajumise.

Kineetilist ioon-elektron emissiooni energiate juures, mis on väiksemad kui 1 keV, praktiliselt ei toimu, siis see suureneb lineaarselt, siis aeglasemalt, läbib maksimumi ja väheneb, mõne MeV energiani langeb koefitsient ligikaudu ühikuni. Ioonelektronide emissioon mängib olulist rolli mitmete elektrooniliste gaaslahendusseadmete töös, kus elektronide allikaks on ioonidega pommitatud katood. Mõnel juhul tekitab ioon-elektronide emissiooni protsess seadme mahus põhilise elektronide koguse.

Kuumade elektronide emissioon on elektronide "kuumenemisest" tingitud emissioon, st. energia ülekandmine elektronidele või kokkupuude elektriväljaga. Kui termiooniline emissioon määratakse tahkest kehast väljuva potentsiaalbarjääri väärtuse ja seda ületavate elektronide energiaga ning selle saamiseks kuumutatakse tahket keha ( lihtsaim viis soojendage elektrone), siis võite proovida elektrone soojendada ilma keha kuumutamist kasutamata. Kuna elektronid on laetud osakesed, on lihtsaim viis nende "kuumutamiseks" rakendada neile elektrivälja. Katoodi loomine kuumade elektronide emissiooniga on ennekõike suure elektrivälja tekitamine juhis või pooljuhis. Selleks tuleb juht ja pooljuht "rikkuda", vähendades nende juhtivust, kuna. vastasel juhul voolab nendest sellel suurel väljal läbi suur vool ja katood läheb rikki.

Üks viis metalli "rikkumiseks" on purustada see eraldi osakesteks. Kui nendevahelised vahed on väikesed, umbes 10 mikronit, tunnelevad elektronid (ületavad potentsiaalse barjääri, mis on suure väljaga vähenenud ja kitsendatud) ühelt osakeselt teisele ja see on juhtivus. Kuid vool võrreldes monoliitmetalli läbiva vooluga väheneb oluliselt, st. vastupanu suureneb. See võimaldab suurendada välja. Siis suureneb elektronide energia nii palju, et nad on võimelised kiirgama vaakumisse. Kuumad elektronide emissioonikatoodid on valmistatud dielektrilise substraadi kujul, millele sadestatakse õhuke metallist või pooljuhtkile. Väikeste kilepaksuste korral saadakse tavaliselt saarekihid; mis koosneb eraldiseisvatest tühikutega eraldatud väikestest osakestest. Elektronide vabanemise hõlbustamiseks kaetakse katood sageli õhukeste (ligikaudu üheaatomiliste) ainete kiledega, mis vähendavad Cs (tseesiumi), BaO tööfunktsiooni. Kile põhiainena kasutatakse tavaliselt Au (kuld), SnO 2, BaO. Parimad saadud parameetrid on järgmised - voolu väljavõtmine on pikka aega 1 A/cm 2 ja lühiajaliselt 10 A/cm 2. Sel juhul võib kasutegur (emissioonivoolu ja kilet läbiva voolu suhe) läheneda 100%-le.

Leonid Aškinazi

Olulist rolli kaarepilu juhtivuse tagamisel mängivad erinevatel põhjustel katoodi poolt tarnitud elektronid. Sellist elektronide vabanemise protsessi katoodielektroodi pinnalt või elektronide vabastamise protsessi sidemest pinnaga nimetatakse elektronide emissiooniks. Emissiooniprotsessi jaoks on vaja energiat kulutada.

Energiat, mis on piisav elektronide vabastamiseks katoodi pinnalt, nimetatakse tööfunktsiooniks ( Sa välja )

Seda mõõdetakse elektronvoltides ja see on tavaliselt 2-3 korda väiksem kui ionisatsiooni töö.

Elektronemissioone on 4 tüüpi:

1. Termoemissioon

2. Väljaheide

3. Fotoelektrooniline emissioon

4. Emissioon raskete osakeste mõjul.

Termoemissioon toimub elektroodi - katoodi pinna tugeva kuumutamise mõjul. Kuumutamisel omandavad katoodi pinnal asuvad elektronid sellise oleku, kui nende kineetiline energia on võrdne või suurem kui nende tõmbejõud elektroodi pinna aatomitele, nad kaotavad kontakti pinnaga ja lendavad välja kaare vahe. Elektroodi (katoodi) otsa tugev kuumenemine tekib seetõttu, et selle detailiga kokkupuute hetkel toimub see kontakt ebakorrapärasuste tõttu ainult teatud pinna punktides. See asend viib voolu juuresolekul kontaktpunkti tugeva kuumenemiseni, mille tulemusena käivitatakse kaar. Pinna temperatuur mõjutab suuresti elektronide simulatsiooni. Heidet hinnatakse tavaliselt voolutiheduse järgi. Termioonilise emissiooni ja katoodi temperatuuri vahelise seose tegid kindlaks Richardson ja Deshman.

kus j0 on voolutihedus, A/cm2;

φ on elektronide tööfunktsioon, e-V;

AGA- konstant, mille teoreetiline väärtus on A \u003d 120 a / cm 2 deg 2 (metallide katseväärtus A \u003e 62,2).

Autoelektroonilises emissioonis annab elektronide vabanemiseks vajalik energia väline elektriväli, mis justkui “imeb” elektronid metalli elektrostaatilise välja mõjupiiridest kaugemale. Sel juhul saab voolutiheduse arvutada valemist

, (1.9)

kus E on elektrivälja tugevus, V/cm;

Temperatuuri tõusuga autoelektroonilise emissiooni väärtus väheneb, kuid madalatel temperatuuridel võib selle mõju olla määrav, eriti suure elektrivälja tugevuse korral (10 6 - 10 7 V / cm), mis Brown M.Ya sõnul. ja G.I. Pogodin-Alekseevit saab hankida lähielektroodide piirkondades.

Kiirgusenergia neeldumisel võivad ilmuda nii suure energiaga elektronid, et osa neist lahkub pinnalt. Fotoemissiooni voolutihedus määratakse valemiga

kus α - peegelduskoefitsient, mille väärtus keevituskaare puhul on teadmata.

Lainepikkused, mis põhjustavad nii fotoemissiooni kui ka ionisatsiooni, määratakse valemiga

Erinevalt ionisatsioonist põhjustab elektronide emissiooni leelis- ja leelismuldmetallide pinnalt nähtav valgus.

Katoodi pind võib olla allutatud raskete osakeste (positiivsete ioonide) löökidele. Katoodi pinnaga kokkupõrke korral võivad positiivsed ioonid:

Esiteks, annavad ära nende kineetilise energia.

Teiseks, saab katoodi pinnal neutraliseerida; samas kui need annavad elektroodile ionisatsioonienergiat.

Nii omandab katood lisaenergiat, mis kulub kuumutamiseks, sulatamiseks ja aurustamiseks ning mingi osa kulub taas elektronide pinnalt väljapääsemiseks. Katoodilt elektronide piisavalt intensiivse emissiooni ja vastava kaarepilu ionisatsiooni tulemusena tekib stabiilne tühjenemine - elektrikaar, mille ahelas voolab teatud pingega teatud voolutugevus.

Sõltuvalt konkreetse emissioonitüübi arenguastmest eristatakse kolme tüüpi keevituskaare:

Kuumad katoodkaared;

Külma katoodi kaared;