Az elektronikus eszközökben a szabad elektronok áramlásának eléréséhez speciális fém vagy félvezető elektróda van - katód-.

Ahhoz, hogy az elektronok túljussanak a katódon, nm-et kell kívülről tájékoztatni az ellentétes erők leküzdéséhez elegendő energiáról. Attól függően, hogy az elektronok további energiát adnak, a következő típusú elektronemissziókat különböztetjük meg:

• termikus, amelynél a katód melegítése következtében további energia jut az elektronokhoz;
• fotoelektronikus, amelynél elektromágneses sugárzás hat a katód felületére;
• másodlagos elektronikus, amely a katód nagy sebességgel mozgó elektron- vagy ionárammal történő bombázásának eredménye;
• elektrosztatikus, amelynél a katódfelület közelében erős elektromos tér olyan erőket hoz létre, amelyek hozzájárulnak az elektronok határain túli kiszökéséhez.

Vizsgáljuk meg részletesebben az elektronemisszió felsorolt ​​típusait.

Termionikus emisszió. A termikus emisszió jelensége már a 18. század végén ismert volt. Ennek a jelenségnek számos minőségi törvényszerűségét V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) és mások megállapították, és az 1930-as évekre meghatározták a termikus emisszió főbb analitikai függőségeit.

A fém felmelegedésekor a vezetési sávban lévő elektronok energiaeloszlása ​​megváltozik (1. ábra, 2. görbe). Az elektronok a Fermi-szintet meghaladó energiával jelennek meg. Az ilyen elektronok kiszabadulhatnak a fémből, ami elektronkibocsátást eredményez. A termikus emissziós áram nagysága a katód hőmérsékletétől, a munkafunkciótól és a felület tulajdonságaitól függ (Richardson-Dashman egyenlet):

ahol Je az emissziós áramsűrűség, A/cm²; DE- emissziós állandó, a sugárzó felület tulajdonságaitól függően és megegyezik a legtöbb tiszta fémmel - 40 ... 70 A / (cm² K² '); T a katód abszolút hőmérséklete; e- természetes logaritmusok alapja (e = 2,718); eφo a fémből származó elektron munkafüggvénye, J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - Boltzmann-állandó.

A termikus emisszió fenti egyenlete fémekre érvényes. A szennyező félvezetők esetében némileg eltérő a függőség, de az emissziós áram, valamint a hőmérséklet és a munkafüggvény közötti kapcsolat minőségileg ugyanaz marad. Az egyenlet azt mutatja, hogy az emissziós áram nagysága a legnagyobb mértékben a katód hőmérsékletétől függ. A hőmérséklet növekedésével azonban a katódanyag párolgási sebessége meredeken növekszik, és élettartama csökken. Ezért a katódnak szigorúan meghatározott üzemi hőmérséklet-tartományban kell működnie. Az alsó hőmérsékleti határt a kívánt emisszió elérésének lehetősége, a felsőt pedig a kibocsátó anyag párolgása vagy megolvadása határozza meg.

Az emissziós áram értékét jelentősen befolyásolja a katódfelület közelében ható külső gyorsuló elektromos tér. Ezt a jelenséget Schottky-effektusnak nevezik. Két erő hat a katódot elhagyó elektronra külső elektromos tér jelenlétében - az elektromos vonzás ereje, amely visszaadja az elektront, és a külső mező ereje, amely felgyorsítja az elektront a katód felületétől. Így a külső gyorsítótér csökkenti a potenciálgátat, aminek következtében a katódról érkező elektronok munkafunkciója csökken, az elektronemisszió pedig nő.

Fotoelektronikus emisszió. A fotoelektron-emisszió (vagy külső fotoelektromos hatás) jelenségét először G. Hertz figyelte meg 1887-ben. A fotoelektron-emisszió kvantitatív összefüggéseinek megállapítását lehetővé tevő kísérleti vizsgálatokat 1888-ban A. G. Stoletov végezte. A fő törvények A fotoelektromos hatást A. Einstein a fény fotonelméletei alapján magyarázta. Ennek az elméletnek megfelelően a sugárzó energia nem folytonos áramlás formájában, hanem csak bizonyos részekben (kvantumokban) továbbítható és elnyelhető, és minden kvantumnak van energiamennyisége. hv, ahol h Planck-állandó, és v a sugárzási frekvencia. Így az elektromágneses sugárzás (látható és láthatatlan fény, röntgensugarak stb.) egyedi energiakvantumok, úgynevezett fotonok folyama. Amikor a fotokatód felületére esik, a fotonenergiát arra fordítják, hogy további energiát adjon az elektronoknak. Ennek az energiának köszönhetően egy tömegű elektron nekem, elvégzi a kilépés munkáját Woés megkapja a Vo kezdeti sebességet, amelyet matematikailag az Einstein-egyenlet fejez ki:

Az elektron túlléphet a katódon, ha a munkafüggvény kisebb, mint a kvantumenergia, mivel csak ilyen körülmények között a kezdeti sebesség Vo, és ebből az elektron kinetikus energiája:

Megjegyezzük a fotoelektromos hatás főbb jellemzőit:

• Ha a fotokatód felületét állandó spektrális összetételű sugárzási fluxussal sugározzuk be, a fotoelektron-emissziós áram arányos a fluxus intenzitásával (Stoletov-törvény):

ahol Ha a fotoáram értéke; F a sugárzási fluxus nagysága; Nak nek a fotokatód felületének sugárzásra való érzékenységét jellemző arányossági együttható.

• Minél nagyobb a fotokatód által kibocsátott elektronok sebessége, annál nagyobb a frekvencia v elnyelt sugárzás; a fotoelektronok kezdeti kinetikus energiája lineárisan növekszik a frekvencia növekedésével v.
• A fotoelektromos hatás csak akkor figyelhető meg, ha frekvenciájú sugárzó fluxussal sugározzuk be V ≥ Vcr, ahol a Vcr a kritikus frekvencia, amelyet a fotoelektromos hatás "vörös határának" neveznek. Kritikus hullámhossz:

, ahol c az elektromágneses hullámok terjedési sebessége. Nál nél λ > λk, nincs fotoelektron emisszió.

• A fotoelektromos hatás gyakorlatilag inerciamentes, azaz nincs késés a besugárzás kezdete és a fotoelektronok megjelenése között (a késleltetési idő nem haladja meg a 3 10∧-9 s-ot).

A termikus emisszióhoz hasonlóan a fotokatód közelében a külső elektromos tér erősségének növekedése is növeli a fotoelektron emissziót azáltal, hogy csökkenti a katód potenciálgátját. Ebben az esetben a fotoelektromos hatás küszöbértéke hosszabb hullámhosszok felé tolódik el.

Minél alacsonyabb annak a fémnek a működési funkciója, amelyből a fotokatód készült, annál alacsonyabb ennek a fotokatódnak a küszöbfrekvenciája. Például ahhoz, hogy egy fotokatód érzékeny legyen a látható fényre, anyagának 3,1 eV-nál kisebb munkafunkcióval kell rendelkeznie. Ez a munkafunkció az alkáli- és alkáliföldfémekre (cézium, kálium, nátrium) jellemző. A fotokatód érzékenységének növelése a sugárzási fluxusok más tartományaira, több összetett típusok félvezető fotokatódok (alkáli-hidrogén, oxigén-cézium, antimon-cézium stb.).

Másodlagos elektronemisszió. A másodlagos elektronemisszió mechanizmusa eltér a termo- és fotoelektron-emisszió mechanizmusától. Ha a termionos és fotoelektron-emisszió során az elektronok főként a vezetési sáv szintjein helyezkednek el, akkor a katód felületét primer elektronokkal vagy ionokkal bombázva az energiájukat a kitöltött sávok elektronjai is elnyelhetik. Ezért lehetséges a másodlagos emisszió mind a vezetőkből, mind a félvezetőkből és a dielektrikumokból.

A szekunder elektronemissziót jellemző legfontosabb paraméter a másodlagos emissziós együttható σ . Ez a katód felületéről kibocsátott szekunder elektronok számának aránya n2, a katódra eső primer elektronok számához n1, vagy a szekunder csűrő emissziós áramának aránya I2 a primer elektronok áramára I1:

Másodlagos elektronemissziót alkalmaznak egyes elektronikus eszközökben – fotosokszorozókban, televíziós átviteli csövekben és bizonyos típusú vákuumcsövekben. Azonban sok esetben, különösen a legtöbb vákuumcsőben, ez nem kívánatos, és általában csökken.

elektrosztatikus kibocsátás. Ha a katódfelület közelében a külső elektromos tér erőssége elegendő ahhoz, hogy teljes mértékben kompenzálja a potenciálgát késleltető hatását, akkor még alacsony katódhőmérsékleten is jelentős elektronemisszió érhető el. A számítások szerint a potenciálgát kompenzálásához a katód felületén az intenzitásnak 10∧8 V/cm nagyságrendűnek kell lennie. Azonban még körülbelül 10∧6 V/cm térerősségnél is jelentős elektronemisszió figyelhető meg a hideg felületekről.

Az elektrosztatikus emisszió fellépéséhez elegendő térerősség-értékek technikai megszerzése jelentős nehézségeket okoz. Ezért az elektrosztatikus emissziót főként folyékony higanykatódos ionos eszközökben használják. Ebben az esetben a katód felülete közelében ionizált higanygőz réteg létrehozásával elegendő bőrtérerőt lehet elérni.

Forrás - Gershunsky B.S. Az elektronika alapjai (1977)

A vezető elektronjai szabadon mozognak a határain belül, és elegendő energia elnyelésekor ki is léphetnek, áttörve a test felülete közelében lévő potenciálkút falát (10.6. ábra). Ezt a jelenséget elektronemissziónak nevezik (egyetlen atomban hasonló jelenséget ionizációnak neveznek).

Nál nél T = 0 a kibocsátáshoz szükséges energiát a szintek közötti különbség határozza meg W= 0 és a Fermi szint E R(10.6. ábra) és munkafüggvénynek nevezzük. Az energiaforrás lehet foton (lásd a 9.3. bekezdést), amelyek fotoemissziót okoznak (fotoelektromos hatás).

Rizs. 10.6

A termikus emisszió oka a fém felmelegedése. Ha az elektroneloszlási függvény torzul (lásd 10.5. ábra, b) ez a „farok” túlléphet a potenciálkút határán, azaz. néhány elektronnak elegendő energiája van ahhoz, hogy elhagyja a fémet. Ezt általában az elektronok vákuumba juttatására használják.

A legegyszerűbb hőkibocsátást használó eszköz az elektrovákuumdióda (10.7. ábra, a) K katódja az EMF forrásból melegszik ? ésés elektronokat bocsát ki, amelyek az anód és a katód közötti elektromos tér hatására áram jódot hoznak létre. Az elektrovákuumdióda főként az elektronkibocsátást okozó energiaforrásban különbözik a fotodiódától, így áram-feszültség jellemzőik hasonlóak. Minél nagyobb a feszültség U a az anód és a katód között a katódon lévő felhőjükből az elektronok nagyobb részét egységnyi idő alatt felszívja az elektromos tér. Ezért a feszültség növekedésével U a jelenlegi én növekszik. Bizonyos feszültségeknél a nulla már húz összes a katódot elhagyó elektronok, és további növekedés a feszültség nem vezet az áramerősség növekedéséhez - telítés lép fel.

Rizs. 10.7

KÉRDÉS. Miért van a telítési áram a T, több, mint G-vel, (10.7. ábra, b)? VÁLASZ. Nál nél T 2 > D, egységnyi idő alatt több elektron hagyja el a katódot.

Az alkalmazott feszültség fordított polaritásával (a „mínusz” az anódhoz, a „plusz” a katódhoz van kötve) az elektronok nem felgyorsulnak, hanem lelassulnak, ezért az elektrovákuumdióda csak egyben képes áramot átadni. irány, azaz. neki van egyirányú vezetés. Ez lehetővé teszi, hogy használják egyenirányító áram(10.7. ábra, ban ben): pozitív félhullám feszültség hatására a dióda átengedi az áramot, negatív félhullám esetén viszont nem.

1907-ben az amerikai Lee de Forest egy harmadik rácselektródát adott a diódához, amely lehetővé tette az elektromos jelek erősítését. Ezután egy ilyen triódát más elektródákkal egészítettek ki, amelyek lehetővé tették különféle elektródák létrehozását erősítők, generátorokés átalakítók. Ez az elektrotechnika, a rádiótechnika és az elektronika gyors fejlődéséhez vezetett. Ezután a vákuumcsöveket felváltó félvezető eszközök vették fel a stafétabotot, de a katódsugárcsövekben, röntgencsövekben, elektronmikroszkópokban és egyes vákuumcsövekben a hőkibocsátás továbbra is aktuális.

Az elektronemisszió másik forrása lehet az anyag felületének különféle részecskék általi bombázása. A másodlagos elektron-elektron emisszió külső elektronok becsapódása következtében jön létre, amelyek energiájuk egy részét az anyag elektronjainak adják át. Ilyen emissziót alkalmaznak például a fotosokszorozó csőben (PMT) (10.8. ábra, a) A fotokatódja 1 fény hatására elektronokat bocsát ki. Az elektróda (dinóda) felé felgyorsulnak 2, ahonnan kiütik a szekunder elektronokat, felgyorsulnak a dinóda felé 3 stb. Ennek eredményeként a primer fotoáram olyan mértékben megsokszorozódik, hogy a PMT akár egyetlen fotont is képes regisztrálni.

Rizs. 10.8

Ugyanezt az elvet alkalmazták az új generáció képerősítő csövében (lásd 9.3. bekezdés). Több százezer fénysokszorozót tartalmaz (az objektumok képét képező pixelek számától függően), amelyek mindegyike ~ 10 μm széles fémezett mikrocsatorna. Ezen a csatornán az elektronok ugyanolyan cikk-cakk módon mozognak, mint a fény az optikai szálban, és mint az elektronok a PMT-ben, és a csatornafallal való minden egyes ütközéskor megsokszorozódnak a másodlagos emisszió miatt. Mivel az elektronpálya elhanyagolható mértékben különbözik az egyenes vonalútól (csak a csatornaszélességen belül), ezért a fotokatód és a képernyő között egy ilyen csatornacsomag található (10.8. ábra, b) kiküszöböli a fotoelektronok fókuszálását (vö. 9.4. ábra). Az egyes csatornák nemcsak az elektronok reprodukálását végzik, hanem azok átvitelét is a kívánt pontra, ami biztosítja a kép tisztaságát.

A másodlagos ion-elektron emisszióban az elsődleges részecskék - energiahordozók ionok. NÁL NÉL gázkisüléses készülékek biztosítják az elektronok reprodukcióját a katódról, amelyek aztán a gázmolekulák ionizációjával szaporodnak (lásd az 5.9. bekezdést).

Létezik egy nagyon egzotikus típusú emisszió is, amelynek eredetét a Heisenberg-féle bizonytalansági elv magyarázza. Ha a fémfelületen van olyan elektromos tér, amely gyorsítja az elektronokat, akkor az 1 potenciálpárkányra egyenes vonal kerül. volt(2 a 10.6. ábrán), és a párkány gáttá változik 3. Ha az elektron összenergiája egyenlő W, azok. rajta W kisebb, mint a sorompó magassága, akkor a klasszikus elképzelések szerint „vigye el”, i.e. menj ki, nem tud. A kvantumfogalmak szerint azonban az elektron is hullám, amely nemcsak tükröződött optikailag sűrűbb közegből, hanem megtört. Ugyanakkor egy funkció jelenléte a sorompó belsejében az elektron megtalálásának véges valószínűségét jelenti. A "klasszikus" felfogás szerint ez lehetetlen, hiszen teljes elektronenergia W,és annak összetevője lehetséges energia - egyenlő ezen a területen W+ AVK, azaz a rész nagyobb, mint az egész! Ugyanakkor van néhány bizonytalanság AVK energia, amely az időtől függ Nál nél egy elektron tartózkodása az akadályon belül: AWAt>h. Csökkenő Nál nél: bizonytalanság A.W. elérheti a szükséges értéket, és a Schrödinger-egyenlet megoldása véges | értékeket ad p | 2 s kívül gát, azaz. van esély arra, hogy az elektron kikerüljön anélkül, hogy átugorná a korlátot! Minél magasabb, annál alacsonyabb AW n At.

Ezeket a következtetéseket a gyakorlatban megerősíti egy alagút vagy alsorom effektus. Sőt alkalmazásra is talál, így ~10 6 -10 7 V/cm térben elektronemissziót biztosít fémből. Mivel az ilyen emisszió melegítés, besugárzás vagy részecskebombázás nélkül történik, ezt terepi emissziónak nevezik. Általában mindenféle pontból, kiemelkedésből stb. jelentkezik, ahol a térerő meredeken növekszik. Ez a vákuumrés elektromos meghibásodásához is vezethet.

1986-ban a fizikai Nobel-díjat ítélték oda a szkennelés találmányának elektron mikroszkóp. Díjazottai E. Ruska és G. Binnig német fizikusok, valamint G. Rohrer svájci fizikusok. Ebben az eszközben egy vékony tű szkennel a felület mentén, attól kis távolságra. Az ilyenkor keletkező alagútáram az elektronok energiaállapotairól hordoz információt. Így a mikroelektronikában különösen fontos atomi pontosságú képet kaphatunk a felületről.

Az alagúteffektus felelős az ion-elektron emisszió során bekövetkező rekombinációért (lásd fent), a súrlódás útján történő villamosításért, amelyben az egyik anyag atomjaiból az elektronok alagútban haladnak át egy másik anyag atomjaiba. Meghatározza az elektronok kovalens kötésben való szocializációját is, ami az energiaszintek kettéválásához vezet (lásd 10.5. ábra, a)

a testben és az ionban lévő elektron energiaszintje közötti különbséggel egyenlő energiafelesleg felszabadulása ε 1 – ε i 1 . Ez az energia átvihető a test másik elektronjára ε 2 kezdeti energiával (Auger-folyamat), vagy fénykvantumként szabadulhat fel. A második folyamat kevésbé valószínű. Ha egy gerjesztett elektron ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) energiája nagyobb nullánál, akkor képes lesz elhagyni az emittert. Így a test két elektronja vesz részt az emissziós aktusban: az egyik a testből alagút útján az ionba bocsát ki energiát az utóbbi semlegesítésével, a másik megkapja ezt a gerjesztési energiát és elhagyja a testet, i.e. van egy alagút-átmeneti folyamatunk és egy gerjesztési folyamatunk is.

10.7 Forró elektron emisszió

A forró elektronok emissziója a félvezető által kibocsátott elektronok elektromos tér jelenlétében. A vezetési sávból forró elektronok bocsátanak ki. Ezért szükséges feltétel Ezen elektronok emissziójának megjelenésének lehetősége a fő sávból vagy a donorszintekről a vezetési sávba történő előzetes termikus gerjesztése. Így a forró elektronok emissziója során valójában két különböző elektrongerjesztési mechanizmus valósul meg: 1) gerjesztésük a vezetési sávba a rács hőenergiája miatt; 2) a vezetési sávban lévő elektronok gerjesztése a vákuumszintet meghaladó energiaszintekre. Az ilyen típusú gerjesztés a félvezetőben lévő elektromos térerők munkája miatt következik be; Végül ezt az energiát egy külső feszültségforrásból veszik, amely mezőt hoz létre. Az elektromos tér jelenléte a félvezetőben a vezetési sávban elhelyezkedő elektronok gyorsulását okozza. Ezek az elektronok kölcsönhatásba lépnek a test fononjaival. Az elektronok ilyen ütközésekor mozgásuk irányának éles változása következhet be, és csak kismértékű sebességvesztés következik be. Ennek eredményeként az átlagos elektronenergiák magasabbak, mint az ionoké; azt mondhatjuk, hogy az elektrongáz hőmérséklete magasabb, mint a kristályrács hőmérséklete. Ez az elektronemisszió megjelenéséhez vezet, amit feltételesen "termikus emissziónak" is nevezhetnénk, de az azt meghatározó hőmérséklet magasabb lesz, mint a rács hőmérséklete.

10.8 Kombinált kibocsátás

Leggyakrabban a Schottky-effektuson alapuló kombinált emissziót alkalmazzák. Amint azt a 2. bekezdésben már tárgyaltuk, külső elektromos mező alkalmazásakor az akadály magassága csökken, és ezáltal csökken eredményes munka kijárat. Ezért ebben az esetben az elektronok kisebb (energiát tekintve) előzetes gerjesztésére van szükség ahhoz, hogy azokat magasabb potenciálgát magasságú energiaszintekre vigyük át. Így az elektromos mező alkalmazása minden típusú emissziót előgerjesztéssel stimulál. Ezért a kombinált kibocsátás elsősorban a következőket tartalmazza majd: auto-

ELEKTRONIKUS KIBOCSÁTÁS a szilárd vagy folyadék felülete által kibocsátott elektronok. Ahhoz, hogy egy elektron a kondenzált közeget vákuumban vagy gázban hagyja el, energiát kell felhasználni, amit munkafüggvénynek nevezünk. Az elektron potenciális energiájának az emitter és a vákuum (vagy más közeg) határán lévő koordinátától való függését potenciálgátnak nevezzük. Az elektronnak le kell győznie, elhagyva az emittert.

A kibocsátások két feltétellel tarthatók fenn. Az első az elektronok energiaellátása, amely biztosítja a potenciálgát leküzdését, vagy olyan erős külső tér létrehozását, hogy a potenciálgát elvékonyodik és az alagúthatás (mezőemisszió) jelentőssé válik, a kvantumpenetráció elektronok a potenciálgáton keresztül, azaz. a munkafüggvénynél kisebb energiájú elektronok kibocsátása. A testet bombázó fotonok energiaátvitele fotoemisszióhoz vezet, az elektronok bombázása másodlagos elektronemissziót, az ionok pedig ion-elektron emissziót okoznak. Az emissziót belső mezők – forró elektronok kibocsátása – okozhatják. Mindezek a mechanizmusok egyidejűleg is működhetnek (például hőmező emisszió, fotomező emisszió).

A második feltétel egy olyan külső elektromos mező létrehozása, amely biztosítja a kibocsátott elektronok eltávolítását a testből, ehhez különösen szükséges az elektronok eljuttatása az emitterhez, hogy az ne töltődjön. Ha a kibocsátott elektronok eltávolítását biztosító külső tér nem elegendő a téremisszióhoz, de elegendő a potenciálgát csökkentéséhez, akkor észrevehetővé válik a Schottky-effektus - az emisszió függősége a külső tértől. Abban az esetben, ha a kibocsátó felület inhomogén és különböző munkafunkciójú "foltok" vannak rajta, a felülete felett elektromos "foltmező" jelenik meg. Ez a mező lelassítja a katódszakaszokból kiszökő elektronokat, amelyek működési funkciója kisebb, mint a szomszédosoké. A külső elektromos tér hozzáadódik a foltok mezőjéhez, és növelve megszünteti a foltok gátló hatását. Ennek eredményeként az inhomogén emitter emissziós árama gyorsabban növekszik a tér növekedésével, mint egy egyenletes emitter esetén (anomális Schottky-effektus).

Termionikus emisszió. század közepén ismert volt, hogy a felforrósodott szilárd anyagok közelében a levegő elektromos áramvezetővé válik, de ennek a jelenségnek az oka tisztázatlan maradt. A kísérletek eredményeként J. Elster és G. Geitel azt találta, hogy a környező levegő csökkentett nyomása mellett egy fehéren izzó fémfelület pozitív töltést kap. T. Edison (1884) fedezte fel a forró elektróda és a pozitív töltésű elektród közötti vákuumban folyó áramot, amelyet J. Thomson (1887) az elektronok (negatív töltésű részecskék) kibocsátásával magyarázott, a termikus emisszió elméletével. O. Richardson fejlesztette ki (1902, néha magának a felfedezésnek és hatásnak tulajdonítják). Az egyoldalú vezetést J. Fleming fedezte fel (1904, néha Edisonnak tulajdonítják), bár diódája nem teljesen vákuum, hanem a tértöltés részleges kompenzációjával. A termikus emissziós áramot a katód hőmérséklete (azaz az elektronok energiája) és a munkafüggvény határozza meg. A maximális emissziós áramot a munkafüggvény és a hőmérséklet aránya határozza meg, ezt telítési áramnak nevezik. A katód hőmérsékletét viszont a katód anyagának párolgása (azaz élettartama) korlátozza.

Fotoelektronikus emisszió - szilárd anyagok és folyadékok elektronkibocsátása elektromágneses sugárzás (fotonok) hatására, miközben a kibocsátott elektronok száma arányos a sugárzás intenzitásával. Minden anyaghoz van egy küszöbérték - a sugárzás minimális frekvenciája (maximális hullámhossza), amely alatt a kibocsátás nem következik be, a fotoelektronok maximális kinetikus energiája lineárisan növekszik a sugárzási frekvenciával, és nem függ annak intenzitásától. A fotoemisszió érzékeny a felület munkafunkciójára. A kvantumhozam növekedését és a fotoemissziós küszöb eltolódását úgy érik el, hogy a fémfelületet elektropozitív Cs (cézium) vagy Rb (rubídium) atomokból álló monoatomi réteggel vonják be, amelyek a legtöbb fém munkafunkcióját 1,4–1,7 eV-ra csökkentik. . A fotoemissziót Gustav Hertz (1887) fedezte fel, aki felfedezte, hogy a szikraköz elektródák feszültség alatti ultraibolya fénnyel való megvilágítása megkönnyíti a törést. Szisztematikus vizsgálatokat végeztek V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885), és kimutatták, hogy Hertz kísérletében az anyag a fény hatására felszabaduló töltésekre redukálódott. F. Lenard és J. Thomson (1898) bebizonyította, hogy ezek pontosan elektronok.

A félvezetők és dielektrikumok fotoemisszióját az elektromágneses sugárzás erős abszorpciója határozza meg.

Autoelektronikus emisszió (terepi emisszió, elektrosztatikus emisszió, alagút emisszió) - az elektronok kibocsátása vezető szilárd és folyékony testek nagy intenzitású külső elektromos tér hatására R. Wood (1897) fedezte fel a vákuumkisülés vizsgálata során. Az autoelektronikus emissziót az alagúteffektus magyarázza, és az egyéb típusú elektronkibocsátáshoz szükséges elektronok gerjesztéséhez szükséges energiaráfordítás nélkül történik. Az autoelektronikus emisszió során az elektronok leküzdik a potenciálgátat, nem a hőmozgás kinetikus energiája miatt (mint a termikus emissziónál), hanem a gáton áthaladva, az elektromos tér hatására csökkentik és szűkítik.

A terepi emisszió erősen függ a tereptől és a munkafunkciótól, és gyengén függ a hőmérséklettől. Az áramelvonás alacsony hőmérsékleten az emitter felmelegedéséhez vezet, mivel A kimenő elektronok átlagosan kevesebb energiát visznek el, mint a Fermi-energia, a hőmérséklet emelkedésével a fűtést lehűlés váltja fel - a hatás előjelet vált, áthaladva az „inverziós hőmérsékleten”, ami megfelel a kimenő elektronok teljes energiaeloszlásának szimmetrikusan. a Fermi szintre. A félvezetők térkibocsátásának jellemzői az elektromos mező behatolásával az emitterbe, az alacsonyabb elektronkoncentrációhoz és a felületi állapotok jelenlétéhez kapcsolódnak. A terepi emissziós üzemmódban elérhető maximális áramsűrűségeket korlátozza az emitternek a rajta átfolyó áram általi Joule felmelegedése és az emitter elektromos tér általi tönkretétele. A terepi emissziós üzemmódban 10 7 A/cm 2 (az emitter felületén) nagyságrendű áramot kapunk álló helyzetben, és 10 9 A/cm 2 impulzus üzemmódban. Ha stacioner üzemmódban próbál több áramot szerezni, az emitter megsemmisül. Impulzus üzemmódban, amikor megpróbálja növelni az áramerősséget, az emitter egy másik üzemmódban, az úgynevezett "robbanásveszélyes emissziós üzemmódban" kezd működni.

A térkibocsátás erős függése a munkafunkciótól a térkatód működésének instabilitásához vezet. A felület munkafunkciója függ mind a felületen nagy vákuumban végbemenő folyamatoktól, mind pedig a nem kellően nagy vákuum hatásától: diffúzió, migráció, felületi átrendeződés, visszamaradt gázok szorpciója. A leggyakrabban használt anyag - wolfram - jól felszívja a gázokat. Ez számos kísérlethez vezetett olyan fémek használatára, amelyek nem olyan jól abszorbeálják a gázokat, mint például a rénium vagy még passzívabb szén, amelynek azonban nagy az ellenállása. Javasolták, hogy a fémet szénréteggel vonják be. A felületen lévő gáz szorpciója csökkenthető a mező emitterének állandó enyhe melegítésével vagy a felület tisztítására szolgáló időszakos erős pulzáló melegítéssel. Általában azért stabil működés a modern térkatódok egy-három nagyságrenddel nagyobb vákuumot igényelnek, mint a forró katódok.

A kimeneti munka után a második paraméter, amelytől a térkibocsátás erősen függ, az emitternél lévő elektromos térerősség, ami viszont függ a készülékben lévő átlagos térerősségtől (a külső feszültség és a résméret arányától), ill. az emitter geometriája, mert az emitteren lévő mező növelése érdekében általában "éles" formák - kiemelkedések, menetek, pontok, pengék, csővégek vagy ezek rendszerei - menetkötegek, pengecsomagok, szén nanocsövek stb. A viszonylag nagy áramok kiválasztásához többpontos rendszereket, fóliák és fóliák szélein lévő több emitteres rendszereket stb. Az a tény, hogy a csúcsokat emitterként használják, az elektronpályák nem párhuzamosságát eredményezi, és az emittáló elektróda síkjával párhuzamos sebességkomponens összevethető a longitudinális komponenssel. A nyalábról kiderül, hogy táguló, legyező alakú, és ha a katód több hegyes vagy többlapátos, akkor nem lamináris.

A másodlagos elektronemisszió (L. Austin és G. Starke, 1902) a szilárd test felületének elektronkibocsátása, amikor azt elektronok bombázzák. A testet bombázó elektronok (az úgynevezett elsődleges) részben energiaveszteség nélkül verődnek vissza a testről (rugalmasan visszavert elektronok), a többit energiaveszteséggel (rugalmatlan visszaverődés). Ha az energiát kapott elektronok energiája és impulzusa elegendő a potenciálgát leküzdésére a test felületén, akkor az elektronok elhagyják a test felületét (szekunder elektronok). Vékony filmekben a másodlagos elektronemisszió nemcsak a bombázott felületről (reflexiós emisszió), hanem az ellenkező felületről is megfigyelhető (átlövés emisszió). Mennyiségileg a szekunder elektronemissziót a "másodlagos emissziós együttható" (SEC) jellemzi - a szekunder elektronok áramának aránya az elsődleges áramhoz, az elektronok rugalmas és rugalmatlan visszaverődési együtthatója, valamint a szekunder elektronok emissziós együtthatója. (a megfelelő elektronok áramainak aránya a primer áramhoz). Minden együttható függ a primer elektronok energiájától és beesési szögüktől, kémiai összetételüktől és a minta felszínének topográfiájától. Azokban a fémekben, ahol a vezetési elektronok sűrűsége nagy, kicsi annak a valószínűsége, hogy a képződött szekunder elektronok kiszabadulhatnak. Az alacsony elektronkoncentrációjú dielektrikumokban nagyobb a szekunder elektronok kiszökésének valószínűsége. Az elektronszökés valószínűsége a felületen lévő potenciálgát magasságától függ.

Ennek eredményeként számos nemfémes anyag (alkáliföldfém-oxidok, alkáli-halogenid vegyületek) EEF > 1, speciálisan gyártott hatásos emitterek esetében ( lásd lejjebb) TBE >> 1, fémek és félvezetők esetében általában 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.

Erős elektromos tér (105–106 V/cm) létrehozása a dielektrikumban a TEC 50–100-ra történő növekedéséhez vezet (a mező által megnövelt másodlagos emisszió). Ebben a helyzetben az EGK függni kezd a réteg porozitásától – a pórusok jelenléte növeli az emitter effektív felületét, és a mező kiszívja belőlük a másodlagos elektronokat, amelyek a pórusok falát érintve, fordulat, emissziót okoz EEC > 1-nél és elektronlavinák előfordulását. Ez önfenntartó hidegemisszióhoz vezethet, amely az elektronbombázás megszűnése után is folytatódik (amikor az emittert töltés éri).

A szekunder elektronkatódok fő alkalmazási területei a szekunder elektron (SEM) és fotoelektronikai (PMT) szorzók, az M-típusú EVP (amelyben az elektronok egymásra merőleges elektromos és mágneses térben mozognak) és a szekunder emissziós vevő-erősítő lámpák. Minden alkalmazás esetében a legjelentősebb másodlagos emissziós paraméterek a következők: az EGK másodlagos emissziós együtthatója az alacsony primer elektronenergiák tartományában, amelyet általában azzal az energiával jellemeznek, amelynél az EEC = 1, az EGK maximális értéke és a a primer elektronok energiája, amikor az EEC eléri a maximumát.

Ion-elektron emisszió - az elektronok kibocsátása ionok hatására. Az ion-elektron emissziónak két mechanizmusa ismert: a potenciális - az elektronok kivonása a testből egy bejövő ion mezeje által, és a kinetikus - az elektronok kiütése a testből az ion mozgási energiája miatt. A potenciális kibocsátási együttható növekszik az ion ionizációs energiájának növekedésével és a célpont munkafunkciójának csökkenésével, valamint a Ne + / W (neon / wolfram), He + / W (hélium / wolfram), Ar párok esetén + / W (argon / wolfram) például 0, 24, 0,24 és 0,1, és gyengén függ az ion energiájától. A Mo (molibdén) célpont és ugyanazon ionok esetében ezek az együtthatók körülbelül 10%-kal nagyobbak.

Ha többszörösen töltött ionokkal bombázzák, az ion-elektron emisszió növekszik - a 2, 3, 4 töltött ionok esetében ez nagyobb, mint az egyszeres töltésű ionoknál, körülbelül 4, 10, 20-szor. A potenciális ion-elektron emisszió erősen függ a felület állapotától, mivel azt a munkafüggvény határozza meg. Ez a kísérleti adatok viszonylag nagy szórásával jár.

1 keV-nál kisebb energiáknál gyakorlatilag nincs kinetikus ion-elektron emisszió, majd lineárisan növekszik, majd lassabban, maximumon halad át és csökken, néhány MeV energiákra az együttható megközelítőleg egységre csökken. Az ion-elektron emisszió jelentős szerepet játszik számos elektronikus gázkisüléses berendezés működésében, amelyekben az elektronok forrása egy ionokkal bombázott katód. Egyes esetekben az ion-elektron emisszió folyamata hozza létre az eszköz térfogatában az elektronok fő mennyiségét.

A forró elektronok emissziója az elektronok "hevülése" miatti emisszió, azaz. energia átadása elektronoknak vagy elektromos térnek való kitétel. Ha a termikus emissziót a szilárd testből való kilépésnél a potenciálgát értéke és az azt legyőző elektronok energiája határozza meg, és ennek eléréséhez a szilárd testet felmelegítjük ( legegyszerűbb módja felmelegíti az elektronokat), akkor megpróbálhatja felmelegíteni az elektronokat anélkül, hogy a testet melegíteni kellene. Mivel az elektronok töltött részecskék, a legegyszerűbb módja a „melegítésüknek”, ha elektromos mezőt alkalmazunk rájuk. A forró elektronok kibocsátásával járó katód létrehozása mindenekelőtt nagy elektromos mező létrehozása egy vezetőben vagy félvezetőben. Ehhez a vezetőt és a félvezetőt „el kell rontani”, csökkentve vezetőképességüket, mert. különben ebben a nagy mezőben nagy áram folyik át rajtuk, és a katód meghibásodik.

A fém "elrontásának" egyik módja az, hogy külön részecskékre bontják. Ha a köztük lévő rés kicsi, körülbelül 10 mikron, akkor az elektronok alagútba lépnek (leküzdik a potenciálgátot, amelyet egy nagy térrel redukálnak és szűkítenek) egyik részecskéről a másikra, és ez lesz a vezetés. De az áram a monolit fémen áthaladó áramhoz képest nagymértékben csökken, azaz. az ellenállás növekedni fog. Ez lehetővé teszi a mező növelését. Ekkor az elektronok energiája annyira megnő, hogy képesek lesznek kibocsátani a vákuumba. A forró elektronemissziós katódokat dielektromos szubsztrátum formájában készítik, amelyre vékony fém- vagy félvezetőfilmet helyeznek fel. Kis filmvastagságnál általában „szigetes” réteget kapunk; rések által elválasztott különálló kis részecskékből áll. Az elektronok felszabadulásának megkönnyítése érdekében a katódot gyakran vékony (körülbelül egyatomos) anyagréteg borítja, amelyek csökkentik a Cs (cézium), a BaO munkafunkcióját. Alapfilmanyagként általában Au-t (arany), SnO 2 -t, BaO-t használnak. A legjobban kapott paraméterek a következők - az áramkivétel hosszú ideig 1 A/cm 2 és rövid ideig 10 A/cm 2. Ebben az esetben a hatásfok (az emissziós áram és a filmen átfolyó áram aránya) megközelítheti a 100%-ot.

Leonyid Ashkinazi

Az ívrés vezetőképességének biztosításában fontos szerepet játszanak a katód által különféle okok hatására szállított elektronok. Ezt a folyamatot, amelyben az elektronok felszabadulnak a katódelektróda felületéről, vagy az elektronok felszabadulását a felülettel való kötésből elektronemissziónak nevezzük. A kibocsátás folyamatához energiát kell elkölteni.

Azt az energiát, amely elegendő az elektronok felszabadításához a katód felületéről, munkafüggvénynek nevezzük. U ki )

Elektronvoltban mérik, és általában 2-3-szor kisebb, mint az ionizáció munkája.

Az elektronemissziónak 4 típusa van:

1. Termionikus emisszió

2. Terepi emisszió

3. Fotoelektronikus emisszió

4. Kibocsátás nehéz részecskék hatására.

A termikus emisszió az elektród - katód felületének erős melegítésének hatására megy végbe. Melegítés hatására a katódfelületen elhelyezkedő elektronok olyan állapotba kerülnek, amikor kinetikai energiájuk egyenlővé válik az elektródfelület atomjaihoz ható vonzási erővel vagy annál nagyobb, elveszítik kapcsolatukat a felülettel és kirepülnek az ívrés. Az elektróda (katód) végének erős felmelegedése azért következik be, mert a résszel való érintkezés pillanatában ez az érintkezés csak a felület bizonyos pontjain jön létre a szabálytalanságok miatt. Ez a helyzet áram jelenlétében az érintkezési pont erős felmelegedéséhez vezet, aminek következtében ív keletkezik. A felületi hőmérséklet nagymértékben befolyásolja az elektronok szimulációját. A kibocsátást általában az áramsűrűség alapján becsülik meg. A termikus emisszió és a katód hőmérséklete közötti kapcsolatot Richardson és Deshman állapította meg.

ahol j0 az áramsűrűség, A/cm2;

φ az elektron munkafüggvénye, e-V;

DE- állandó, amelynek elméleti értéke A \u003d 120 a / cm 2 fok 2 (fémek kísérleti értéke A \u003e 62,2).

Az autoelektronikus emisszió során az elektronok felszabadulásához szükséges energiát egy külső elektromos tér adja, amely mintegy „szívja” az elektronokat a fém elektrosztatikus mezejének befolyásának határain túl. Ebben az esetben az áramsűrűség a képletből számítható ki

, (1.9)

ahol E az elektromos térerősség, V/cm;

A hőmérséklet emelkedésével az autoelektronikus emisszió értéke csökken, de alacsony hőmérsékleten ennek hatása döntő lehet, különösen nagy elektromos térerősségnél (10 6 - 10 7 V / cm), amely Brown M.Ya. és G.I. A Pogodin-Alekseev beszerezhető az elektródához közeli régiókban.

A sugárzási energia elnyelésekor olyan nagy energiájú elektronok jelenhetnek meg, hogy egy részük elhagyja a felszínt. A fotoemissziós áramsűrűséget a képlet határozza meg

ahol α - reflexiós együttható, melynek értéke hegesztési íveknél nem ismert.

A fotoemissziót és az ionizációt okozó hullámhosszokat a képlet határozza meg

Az ionizációval ellentétben az alkáli- és alkáliföldfémek felületéről az elektronok kibocsátását a látható fény okozza.

A katód felülete nehéz részecskék (pozitív ionok) hatásának lehet kitéve. A pozitív ionok a katód felületére való ütközés esetén:

Először, feladják a birtokukban lévő kinetikus energiát.

Másodszor, a katód felületén semlegesíthető; miközben az elektródának ionizációs energiát adnak.

Így a katód többletenergiára tesz szert, amelyet melegítésre, olvasztásra és párologtatásra használnak fel, és egy részét ismét az elektronok felszínről való kiszökésére fordítják. A katódból származó elektronok kellően intenzív kibocsátása és az ívrés megfelelő ionizációja eredményeként stabil kisülés jön létre - egy elektromos ív, amely bizonyos mennyiségű áramot áramlik az áramkörben bizonyos feszültség mellett.

Egy adott típusú kibocsátás fejlettségi fokától függően háromféle hegesztési ívet különböztetnek meg:

Forró katódívek;

Hideg katód ívek;