Aby uzyskać przepływ wolnych elektronów w urządzeniach elektronicznych, istnieje specjalna elektroda metalowa lub półprzewodnikowa - katoda.

Aby elektrony wyszły poza katodę, konieczne jest dostarczenie nm z zewnątrz pewnej energii wystarczającej do pokonania przeciwstawnych sił. W zależności od metody nadania elektronom dodatkowej energii rozróżnia się następujące rodzaje emisji elektronów:

• termionowy, przy którym elektronom dostarczana jest dodatkowa energia w wyniku nagrzewania katody;
• fotoelektroniczny, przy którym promieniowanie elektromagnetyczne działa na powierzchnię katody;
• wtórny elektroniczny, który jest wynikiem bombardowania katody przez strumień elektronów lub jonów poruszających się z dużą prędkością;
• elektrostatyczny, przy którym silne pole elektryczne w pobliżu powierzchni katody wytwarza siły, które przyczyniają się do ucieczki elektronów poza jej granice.

Rozważmy bardziej szczegółowo każdy z wymienionych rodzajów emisji elektronów.

Emisja termionowa. Zjawisko emisji termojonowej znane było już pod koniec XVIII wieku. Szereg jakościowych prawidłowości tego zjawiska ustalili V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) itp. Do lat 30. XX wieku określono główne analityczne zależności emisji termojonowej.

Gdy metal jest podgrzewany, rozkład energii elektronów w paśmie przewodnictwa zmienia się (rys. 1, krzywa 2). Elektrony pojawiają się z energią przekraczającą poziom Fermiego. Takie elektrony mogą uciec z metalu, powodując emisję elektronów. Wielkość prądu emisji termoelektrycznej zależy od temperatury katody, funkcji pracy i właściwości powierzchni (równanie Richardsona-Dashmana):

gdzie Je gęstość prądu emisyjnego, A/cm²; ALE- stała emisji, w zależności od właściwości powierzchni promieniującej i równa większości czystych metali - 40 ... 70 A / (cm² K² '); T jest bezwzględną temperaturą katody; mi- podstawa logarytmów naturalnych (e = 2,718); eφo jest funkcją pracy elektronu z metalu, J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - stała Boltzmanna.

Powyższe równanie emisji termoelektrycznej obowiązuje dla metali. W przypadku półprzewodników z domieszkami istnieje nieco inna zależność, ale zależność między prądem emisji a temperaturą i funkcją pracy pozostaje jakościowo taka sama. Z równania wynika, że ​​wielkość prądu emisji zależy w największym stopniu od temperatury katody. Jednak wraz ze wzrostem temperatury szybkość parowania materiału katody gwałtownie wzrasta, a jego żywotność ulega skróceniu. Dlatego katoda musi pracować w ściśle określonym zakresie temperatur pracy. Dolna granica temperatury jest określona przez możliwość uzyskania wymaganej emisji, a górna przez odparowanie lub stopienie emitującego materiału.

Na wartość prądu emisyjnego istotny wpływ ma zewnętrzne przyspieszające pole elektryczne działające w pobliżu powierzchni katody. Zjawisko to nazywa się efektem Schottky'ego. Na elektron opuszczający katodę w obecności zewnętrznego pola elektrycznego działają dwie siły - siła przyciągania elektrycznego, która zwraca elektron, oraz siła pola zewnętrznego, które przyspiesza elektron w kierunku od powierzchni katody. W ten sposób zewnętrzne pole przyspieszające zmniejsza barierę potencjału, w wyniku czego zmniejsza się funkcja pracy elektronów z katody i wzrasta emisja elektronów.

Emisja fotoelektroniczna. Po raz pierwszy zjawisko emisji fotoelektronów (lub zewnętrznego efektu fotoelektrycznego) zaobserwował G. Hertz w 1887 r. Badania eksperymentalne, które umożliwiły ustalenie zależności ilościowych dla emisji fotoelektronów, przeprowadził A. G. Stoletov w 1888 r. Główne prawa efektu fotoelektrycznego zostały wyjaśnione przez A. Einsteina na podstawie fotonowych teorii światła. Zgodnie z tą teorią energia promienista może być przesyłana i absorbowana nie w postaci ciągłego strumienia, a tylko w określonych porcjach (kwantach), a każdy kwant ma pewną ilość energii hv, gdzie h jest stałą Plancka, a v to częstotliwość promieniowania. Zatem promieniowanie elektromagnetyczne (światło widzialne i niewidzialne, promieniowanie rentgenowskie itp.) jest strumieniem pojedynczych kwantów energii, zwanych fotonami. Opadając na powierzchnię fotokatody, energia fotonu jest zużywana na przekazanie dodatkowej energii elektronom. Dzięki tej energii elektron o masie ja, czy praca wyjścia? Łał i uzyskuje prędkość początkową Vo, która jest matematycznie wyrażona równaniem Einsteina:

Elektron może wyjść poza katodę, jeśli funkcja pracy jest mniejsza niż energia kwantowa, ponieważ tylko w tych warunkach prędkość początkowa Vo, a więc energia kinetyczna elektronu:

Zwracamy uwagę na główne cechy efektu fotoelektrycznego:

• Gdy powierzchnia fotokatody jest napromieniowana strumieniem promieniowania o stałym składzie spektralnym, prąd emisji fotoelektronów jest proporcjonalny do natężenia strumienia (prawo Stoletowa):

gdzie Jeśli jest wartością fotoprądu; F jest wielkością strumienia promieniowania; Do jest współczynnikiem proporcjonalności charakteryzującym wrażliwość powierzchni fotokatody na promieniowanie.

• Prędkość elektronów emitowanych przez fotokatodę jest tym większa, im wyższa częstotliwość v zaabsorbowane promieniowanie; początkowa energia kinetyczna fotoelektronów rośnie liniowo wraz ze wzrostem częstotliwości v.
• Efekt fotoelektryczny obserwuje się tylko przy napromieniowaniu strumieniem promieniowania o częstotliwości V ≥ Vcr, gdzie Vcr jest częstotliwością krytyczną, zwaną „czerwoną granicą” efektu fotoelektrycznego. Krytyczna długość fali:

, gdzie c jest prędkością propagacji fal elektromagnetycznych. Na λ > λc, nie ma emisji fotoelektronów.

• Efekt fotoelektryczny jest praktycznie bezwładny, tzn. nie ma opóźnienia między początkiem naświetlania a pojawieniem się fotoelektronów (czas opóźnienia nie przekracza 3 10∧-9 s).

Podobnie jak w przypadku emisji termoelektronowej, wzrost natężenia zewnętrznego pola elektrycznego w pobliżu fotokatody zwiększa również emisję fotoelektronów poprzez obniżenie bariery potencjału katody. W tym przypadku próg efektu fotoelektrycznego jest przesunięty w kierunku dłuższych długości fal.

Im niższa funkcja pracy metalu, z którego wykonana jest fotokatoda, tym niższa częstotliwość progowa dla tej fotokatody. Na przykład, aby fotokatoda była czuła na światło widzialne, jej materiał musi mieć funkcję pracy mniejszą niż 3,1 eV. Ta funkcja pracy jest typowa dla metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych (cez, potas, sód). Aby zwiększyć czułość fotokatody na inne zakresy strumieni promieniowania, więcej złożone typy fotokatody półprzewodnikowe (alkaliczno-wodorowe, tlenowo-cezowe, antymonowo-cezowe itp.).

Wtórna emisja elektronów. Mechanizm wtórnej emisji elektronów różni się od mechanizmu emisji termoelektronowej i fotoelektronowej. Jeżeli podczas emisji termoelektronowej i fotoelektronowej elektrony znajdują się głównie na poziomach pasma przewodnictwa, to gdy powierzchnia katody jest bombardowana przez pierwotne elektrony lub jony, ich energia może być również pochłonięta przez elektrony wypełnionych pasm. W związku z tym możliwa jest emisja wtórna zarówno z przewodników, jak i półprzewodników i dielektryków.

Najważniejszym parametrem charakteryzującym wtórną emisję elektronów jest współczynnik emisji wtórnej σ . Jest to stosunek liczby elektronów wtórnych emitowanych z powierzchni katody n2, do liczby pierwotnych elektronów padających na katodę n1, lub stosunek prądu emisji lotek wtórnych I2 do prądu pierwotnych elektronów I1:

Wtórna emisja elektronów jest wykorzystywana w niektórych urządzeniach elektronicznych - fotopowielaczach, lampach transmisyjnych telewizyjnych i niektórych typach lamp próżniowych. Jednak w wielu przypadkach, zwłaszcza w większości lamp próżniowych, jest to niepożądane i ma tendencję do zmniejszania się.

emisja elektrostatyczna. Jeżeli zewnętrzne pole elektryczne w pobliżu powierzchni katody ma siłę wystarczającą do pełnej kompensacji efektu opóźniającego bariery potencjału, to nawet przy niskich temperaturach katody można uzyskać znaczną emisję elektronów. Obliczono, że w celu skompensowania bariery potencjału natężenie na powierzchni katody powinno być rzędu 10∧8 V/cm. Jednak nawet przy natężeniu pola około 10∧6 V/cm obserwuje się znaczną emisję elektronów z zimnych powierzchni.

Techniczne uzyskanie wartości natężenia pola wystarczających do wystąpienia emisji elektrostatycznej nastręcza znaczne trudności. Dlatego emisja elektrostatyczna jest stosowana głównie w urządzeniach jonowych z katodą ciekłej rtęci. W tym przypadku wystarczającą siłę pola naskórkowego można uzyskać, tworząc warstwę zjonizowanych par rtęci w pobliżu powierzchni katody.

Źródło - Gershunsky B.S. Podstawy elektroniki (1977)

Elektrony przewodnika poruszają się swobodnie w jego granicach, a po pochłonięciu wystarczającej energii mogą również wyjść na zewnątrz, rozbijając ścianę studni potencjału w pobliżu powierzchni ciała (ryc. 10.6). Zjawisko to nazywa się emisją elektronów (w pojedynczym atomie podobne zjawisko nazywa się jonizacją).

Na T = 0 energia potrzebna do emisji jest określona przez różnicę między poziomami W= 0 i poziom Fermi E R(Rys. 10.6) i nazywa się funkcją pracy. Źródłem energii mogą być fotony (patrz paragraf 9.3), powodujące fotoemisję (efekt fotoelektryczny).

Ryż. 10,6

Przyczyną emisji termojonowej jest nagrzewanie się metalu. Gdy funkcja rozkładu elektronów jest zniekształcona (patrz rys. 10.5, b) ten „ogon” może wyjść poza granicę studni potencjału, tj. niektóre elektrony mają wystarczająco dużo energii, aby opuścić metal. Jest to zwykle używane do dostarczania elektronów do próżni.

Najprostszym urządzeniem wykorzystującym emisję cieplną jest dioda elektropróżniowa (ryc. 10.7, a). Jego katoda K jest ogrzewana ze źródła EMF ? oraz i emituje elektrony, które wytwarzają prąd jodu w wyniku działania pola elektrycznego między anodą a katodą. Dioda elektropróżniowa różni się od fotodiody głównie źródłem energii, które spowodowało emisję elektronów, a więc ich charakterystyki prądowo-napięciowe są zbliżone. Im więcej napięcia U a między anodą a katodą większa część elektronów z ich chmury przy katodzie jest pobierana przez pole elektryczne w jednostce czasu. Dlatego wraz ze wzrostem napięcia U a obecny I rośnie. Przy niektórych napięciach zero już ciągnie wszystko elektrony opuszczające katodę i dalszy wzrost napięcie nie prowadzi do wzrostu prądu - występuje nasycenie.

Ryż. 10,7

PYTANIE. Dlaczego prąd nasycenia wynosi T, więcej niż z G, (ryc. 10.7, b)? ODPOWIADAĆ. Na T 2 > D, więcej elektronów opuszcza katodę w jednostce czasu.

Przy odwrotnej polaryzacji przyłożonego napięcia („minus” jest podłączony do anody, a „plus” do katody) elektrony nie są przyspieszane, ale spowalniane, dlatego dioda elektropróżniowa może przepuszczać prąd tylko w jednym kierunek, tj. on ma przewodzenie jednokierunkowe. Dzięki temu można go używać do prąd prostownika(ryc. 10.7, w): podczas działania dodatniej półfali napięcia dioda przepuszcza prąd, ale podczas ujemnej półfali nie.

W 1907 roku Amerykanin Lee de Forest dodał do diody trzecią elektrodę siatkową, co umożliwiło wzmocnienie sygnałów elektrycznych. Taka trioda została następnie uzupełniona o inne elektrody, co umożliwiło tworzenie różnych rodzajów wzmacniacze, generatory oraz konwertery. Doprowadziło to do szybkiego rozwoju elektrotechniki, radiotechniki i elektroniki. Następnie pałeczkę przejęły urządzenia półprzewodnikowe, które zastąpiły lampy próżniowe, ale w kineskopach, lampach rentgenowskich, mikroskopach elektronowych i niektórych lampach próżniowych emisja cieplna jest nadal aktualna.

Innym źródłem emisji elektronów może być bombardowanie powierzchni materiału przez różne cząstki. Emisja elektronowo-elektronowa wtórna powstaje w wyniku oddziaływania elektronów zewnętrznych, które przekazują część swojej energii elektronom substancji. Taka emisja jest wykorzystywana np. w fotopowielaczu (PMT) (rys. 10.8, a). Jego fotokatoda 1 emituje elektrony pod wpływem światła. Są przyspieszane w kierunku elektrody (dynodu) 2, z którego wybijają elektrony wtórne, są przyspieszane w kierunku dynody 3 itp. W rezultacie pierwotny fotoprąd jest zwielokrotniony do tego stopnia, że ​​PMT jest w stanie zarejestrować nawet pojedyncze fotony.

Ryż. 10,8

Ta sama zasada została zastosowana w lampie wzmacniacza obrazu (patrz paragraf 9.3) nowej generacji. Zawiera setki tysięcy fotopowielaczy (według liczby pikseli tworzących obrazy obiektów), z których każdy jest metalizowanym mikrokanałem o szerokości ~10 μm. Wzdłuż tego kanału elektrony poruszają się w ten sam sposób zygzakowaty, jak światło w światłowodzie i jak elektrony w PMT, mnożąc się przy każdym zderzeniu ze ściankami kanału z powodu emisji wtórnej. Ponieważ trajektoria elektronu różni się nieznacznie od prostoliniowej (tylko w obrębie szerokości kanału), pakiet takich kanałów znajduje się pomiędzy fotokatodą a ekranem (rys. 10.8, b) eliminuje potrzebę ogniskowania fotoelektronów (porównaj z rys. 9.4). Każdy kanał realizuje nie tylko reprodukcję elektronów, ale także ich przeniesienie do wymaganego punktu, co zapewnia klarowność obrazu.

W emisji wtórnej jonowo-elektronowej cząstkami pierwotnymi - nośnikami energii są jony. W urządzenia wyładowcze zapewniają reprodukcję elektronów z katody, które następnie mnożą się przez jonizację cząsteczek gazu (patrz paragraf 5.9).

Istnieje również bardzo egzotyczny rodzaj emisji, którego pochodzenie wyjaśnia zasada nieoznaczoności Heisenberga. Jeśli powierzchnia metalu ma pole elektryczne, które przyspiesza elektrony, to na półkę potencjału 1 nakłada się linia prosta były(2 na rys. 10.6), a półka zamienia się w barierę 3. Jeśli całkowita energia elektronu jest równa W, tych. na W mniej niż wysokość bariery, to zgodnie z klasycznymi ideami „weź” to, tj. wyjść na zewnątrz, on nie może. Jednak zgodnie z koncepcjami kwantowymi elektron jest również fala, co nie tylko odzwierciedlenie z optycznie gęstszego nośnika, ale także załamany. Jednocześnie obecność funkcji wewnątrz bariery oznacza skończone prawdopodobieństwo znalezienia tam elektronu. W „klasycznym” ujęciu jest to niemożliwe, ponieważ kompletny energia elektronów W, i jego składnik potencjał energia - jest równa w tym obszarze W+ AVK, czyli część jest większa niż całość! Jednocześnie jest trochę niepewność Energia AVK zależna od czasu Na pobyt elektronu wewnątrz bariery: AWw>godz. Malejące Na: niepewność A.W. może osiągnąć wymaganą wartość, a rozwiązanie równania Schrödingera daje wartości skończone | p | 2 sekundy poza bariera, tj. istnieje szansa, że ​​elektron wydostanie się bez przeskakiwania przez barierę! Im wyższy tym niższy AW n O godz.

Wnioski te potwierdza w praktyce występowanie efektu tunelu lub podbariery. Znajduje nawet zastosowanie, zapewniając emisję elektronów z metalu w polach ~10 6 -10 7 V/cm. Ponieważ taka emisja zachodzi bez ogrzewania, napromieniania lub bombardowania cząstkami, nazywana jest emisją polową. Zwykle występuje z wszelkiego rodzaju punktów, występów itp., gdzie siła pola gwałtownie wzrasta. Może również prowadzić do przebicia elektrycznego szczeliny próżniowej.

W 1986 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki przyznano wynalazek skanera mikroskop elektronowy. Jej laureatami są niemieccy fizycy E. Ruska i G. Binnig oraz szwajcarski fizyk G. Rohrer. W tym urządzeniu cienka igła skanuje wzdłuż powierzchni w niewielkiej odległości od niej. Powstający w tym przypadku prąd tunelowy niesie informacje o stanach energetycznych elektronów. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie obrazu powierzchni z atomową precyzją, co jest szczególnie ważne w mikroelektronice.

Efekt tunelowy jest odpowiedzialny za rekombinację podczas emisji jonowo-elektronowej (patrz wyżej), za elektryzowanie przez tarcie, w którym elektrony z atomów jednego materiału tunelują do atomów innego. Określa również socjalizację elektronów w wiązaniu kowalencyjnym, prowadząc do rozszczepienia poziomów energii (patrz ryc. 10.5, a).

uwolnienie nadmiaru energii równego różnicy poziomów energetycznych elektronu w ciele iw jonie ε 1 – ε i 1 . Energia ta może zostać przeniesiona na inny elektron ciała o energii początkowej ε 2 (proces Augera) lub uwolniona jako kwant światła. Drugi proces jest mniej prawdopodobny. Jeśli energia wzbudzonego elektronu ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) jest większa od zera, będzie on mógł opuścić emiter. Zatem w akcie emisji uczestniczą dwa elektrony ciała: jeden uwalnia energię poprzez tunelowanie z ciała do jonu z neutralizacją drugiego, drugi otrzymuje tę energię wzbudzenia i opuszcza ciało, tj. mamy zarówno proces przejścia przez tunel, jak i proces wzbudzania.

10.7 Emisja gorących elektronów

Emisja gorących elektronów to emisja elektronów przez półprzewodnik w obecności w nim pola elektrycznego. Gorące elektrony są emitowane z pasma przewodnictwa. Dlatego warunek konieczny Możliwość pojawienia się emisji tych elektronów polega na ich wstępnym wzbudzeniu termicznym z pasma głównego lub z poziomów donorowych do pasma przewodnictwa. Tak więc podczas emisji gorących elektronów faktycznie realizowane są dwa różne mechanizmy wzbudzenia elektronów: 1) ich wzbudzenie do pasma przewodnictwa pod wpływem energii cieplnej sieci; 2) wzbudzenie elektronów w paśmie przewodnictwa do poziomów energii przekraczających poziom próżni. Ten rodzaj wzbudzenia występuje w wyniku działania sił pola elektrycznego w półprzewodniku; Ostatecznie energia ta jest pobierana z zewnętrznego źródła napięcia, które tworzy pole. Obecność pola elektrycznego w półprzewodniku powoduje przyspieszenie elektronów znajdujących się w paśmie przewodnictwa. Elektrony te oddziałują z fononami ciała. W takich zderzeniach elektronów może nastąpić gwałtowna zmiana kierunku ich ruchu i następuje tylko niewielka utrata ich prędkości. W rezultacie średnie energie elektronów są wyższe niż dla jonów; możemy powiedzieć, że temperatura gazu elektronowego jest wyższa niż temperatura sieci krystalicznej. Prowadzi to do pojawienia się emisji elektronów, którą można by warunkowo nazwać „emisją cieplną”, ale temperatura, która ją określa, będzie wyższa niż temperatura sieci.

10.8 Połączone emisje

Najczęściej stosowanym rodzajem emisji jest połączony rodzaj emisji oparty na efekcie Schottky'ego. Jak już omówiono w paragrafie 2, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, wysokość bariery zmniejsza się, a tym samym zmniejsza się efektywna praca Wyjście. Dlatego w tym przypadku wymagane jest mniejsze (energetycznie) wstępne wzbudzenie elektronów w celu przeniesienia ich na poziomy energetyczne o wyższych wysokościach bariery potencjału. W ten sposób nałożenie pola elektrycznego stymuluje wszystkie rodzaje emisji ze wstępnym wzbudzeniem. Dlatego łączny rodzaj emisji będzie obejmował przede wszystkim: auto-

EMISJA ELEKTRONICZNA to emisja elektronów przez powierzchnię ciała stałego lub cieczy. Aby elektron opuścił skondensowany ośrodek w próżni lub gazie, energia musi zostać wydatkowana, co nazywa się funkcją pracy. Zależność energii potencjalnej elektronu od współrzędnej na granicy emitera i próżni (lub innego ośrodka) nazywana jest barierą potencjału. Musi zostać pokonany przez elektron, opuszczając emiter.

Emisje można utrzymać pod dwoma warunkami. Pierwszym z nich jest doprowadzenie energii do elektronów, co zapewnia pokonanie bariery potencjału lub wytworzenie tak silnego pola zewnętrznego, że bariera potencjału staje się cienka i efekt tunelowania (emisja pola) staje się znaczący, penetracja kwantowa elektronów przez barierę potencjału, tj. emisja elektronów o energii mniejszej niż funkcja pracy. Przeniesienie energii przez fotony bombardujące ciało prowadzi do fotoemisji, bombardowanie elektronami powoduje wtórną emisję elektronów, a przez jony - emisję jonowo-elektronową. Emisja może być spowodowana polami wewnętrznymi - emisją gorących elektronów. Wszystkie te mechanizmy mogą działać jednocześnie (na przykład emisja pola termicznego, emisja pola fotoelektrycznego).

Drugim warunkiem jest wytworzenie zewnętrznego pola elektrycznego, które zapewnia usuwanie wyemitowanych elektronów z ciała, do tego w szczególności konieczne jest doprowadzenie elektronów do emitera, aby się nie ładował. Jeżeli pole zewnętrzne zapewniające usuwanie emitowanych elektronów jest niewystarczające do emisji pola, ale wystarczające do obniżenia bariery potencjału, zauważalny staje się efekt Schottky'ego – zależność emisji od pola zewnętrznego. W przypadku, gdy powierzchnia emitująca jest niejednorodna i znajdują się na niej „plamy” o różnych funkcjach pracy, nad jej powierzchnią pojawia się elektryczne „pole punktowe”. Pole to spowalnia elektrony uciekające z sekcji katodowych o funkcji pracy mniejszej niż sąsiednie. Zewnętrzne pole elektryczne jest dodawane do pola plam i wzrastając, niweluje hamujące działanie plam. W rezultacie prąd emisyjny z niejednorodnego emitera wzrasta wraz ze wzrostem pola szybciej niż w przypadku emitera jednorodnego (nieprawidłowy efekt Schottky'ego).

Emisja termionowa. W połowie XIX wieku Wiadomo było, że w pobliżu nagrzanych ciał stałych powietrze staje się przewodnikiem elektryczności, ale przyczyna tego zjawiska pozostawała niejasna. W wyniku eksperymentów J. Elster i G. Geitel odkryli, że przy obniżonym ciśnieniu otaczającego powietrza rozgrzana do białości powierzchnia metalu nabiera ładunku dodatniego. Przepływ prądu w próżni między gorącą elektrodą a dodatnio naładowaną elektrodą odkrył T. Edison (1884), wyjaśniony emisją elektronów (cząstek naładowanych ujemnie) J. Thomsona (1887), teoria emisji termionowej został opracowany przez O. Richardsona (1902, czasami przypisuje się mu odkrycie i sam efekt). Jednostronne przewodzenie zostało odkryte przez J. Fleminga (1904, czasami przypisywane Edisonowi), chociaż jego dioda nie była całkowicie próżniowa, ale z częściową kompensacją ładunku kosmicznego. Prąd emisji termoelektrycznej zależy od temperatury katody (czyli energii elektronów) i funkcji pracy. Maksymalny prąd emisji jest określony przez stosunek funkcji pracy do temperatury, nazywany jest prądem nasycenia. Z kolei temperatura katody jest ograniczona przez odparowanie materiału katody (tj. żywotność).

Emisja fotoelektroniczna - emisja elektronów przez ciała stałe i ciecze pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (fotonów), przy czym liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna do natężenia promieniowania. Dla każdej substancji istnieje próg - minimalna częstotliwość (maksymalna długość fali) promieniowania, poniżej której nie następuje emisja, maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów wzrasta liniowo wraz z częstotliwością promieniowania i nie zależy od jego natężenia. Fotoemisja jest wrażliwa na funkcję pracy powierzchni. Zwiększenie wydajności kwantowej i przesunięcie progu fotoemisyjnego uzyskuje się poprzez pokrycie powierzchni metalu jednoatomową warstwą elektrododatnich atomów Cs (cezu) lub Rb (rubidu), które zmniejszają pracę dla większości metali do 1,4–1,7 eV . Fotoemisję odkrył Gustav Hertz (1887), który odkrył, że oświetlanie elektrod iskiernika pod napięciem światłem ultrafioletowym ułatwia przebicie. Systematyczne badania przeprowadzili V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) i wykazały, że w eksperymencie Hertza materia sprowadza się do uwolnienia ładunków pod wpływem światła. F. Lenard i J. Thomson (1898) udowodnili, że są to dokładnie elektrony.

Fotoemisja z półprzewodników i dielektryków zależy od silnej absorpcji promieniowania elektromagnetycznego.

Emisja autoelektroniczna (emisja polowa, emisja elektrostatyczna, emisja tunelowa) - emisja elektronów przez przewodzące ciało stałe i ciała płynne pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego o dużym natężeniu odkrył go R. Wood (1897) w badaniu wyładowania próżniowego. Emisja autoelektroniczna jest wyjaśniona efektem tunelowym i zachodzi bez nakładów energii na wzbudzenie elektronów niezbędnych do emisji elektronów innych typów. W emisji autoelektronicznej elektrony pokonują barierę potencjału, nie przechodząc przez nią dzięki energii kinetycznej ruchu termicznego (jak w emisji termoelektronicznej), ale tunelując przez barierę, redukowaną i zawężoną przez pole elektryczne.

Emisja pola silnie zależy od pola i funkcji pracy, a słabo zależy od temperatury. Pobór prądu w niskich temperaturach prowadzi do nagrzewania się emitera, ponieważ wychodzące elektrony unoszą energię średnio mniej niż energia Fermiego, wraz ze wzrostem temperatury ogrzewanie zastępuje się chłodzeniem - efekt zmienia znak, przechodząc przez „temperaturę inwersji”, odpowiadającą całkowitemu rozkładowi energii wychodzących elektronów symetrycznie względem do poziomu Fermiego. Cechy emisji polowej z półprzewodników związane są z wnikaniem pola elektrycznego do emitera, niższym stężeniem elektronów oraz występowaniem stanów powierzchniowych. Maksymalne gęstości prądu, jakie można uzyskać w trybie emisji pola, są ograniczone przez nagrzewanie się emitera przez Joule'a przez przepływający przez niego prąd oraz zniszczenie emitera przez pole elektryczne. W trybie emisji polowej prądy rzędu 107 A/cm2 (na powierzchni emitera) uzyskuje się w trybie stacjonarnym i 109 A/cm2 w modach impulsowych. Gdy spróbujesz uzyskać więcej prądu w trybie stacjonarnym, emiter zostanie zniszczony. W trybie impulsowym przy próbie zwiększenia prądu emiter zaczyna pracować w innym trybie, tak zwanym „trybie emisji wybuchowej”.

Silna zależność emisji pola od funkcji pracy prowadzi do niestabilności pracy katody polowej. Funkcja pracy powierzchni zależy zarówno od procesów zachodzących na powierzchni w wysokiej próżni, jak i od wpływu niewystarczająco wysokiej próżni: dyfuzji, migracji, przegrupowania powierzchni, sorpcji gazów resztkowych. Najczęściej stosowany materiał – wolfram – dobrze pochłania gazy. Doprowadziło to do licznych prób zastosowania metali, które gorzej absorbują gazy, np. renu czy jeszcze bardziej pasywnego węgla, który jednak ma dużą odporność. Zaproponowano pokrycie metalu warstwą węgla. Sorpcję gazu na powierzchni można zredukować poprzez stałe lekkie nagrzewanie emitera pola lub okresowe silne nagrzewanie pulsacyjne w celu oczyszczenia powierzchni. Ogólnie rzecz biorąc, dla stabilna praca nowoczesne katody polowe wymagają próżni o jeden do trzech rzędów wielkości wyższej niż wymagana dla gorących katod.

Drugim parametrem po pracy wyjściowej, od którego silnie zależy emisja pola, jest natężenie pola elektrycznego na emiterze, które z kolei zależy od średniego pola w urządzeniu (stosunek napięcia zewnętrznego do wielkości szczeliny) oraz geometria emitera, ponieważ w celu zwiększenia pola na emiterze z reguły „ostre” formy - występy, gwinty, ostrza, ostrza, końce rur lub ich układy - wiązki nici, pakiety ostrzy, nanorurki węglowe itp. Do selekcji stosunkowo wysokich prądów stosuje się układy wielopunktowe, układy wieloemiterowe na krawędziach folii i folii itp. Zastosowanie końcówek jako emiterów powoduje nierównoległość trajektorii elektronów, a składowa prędkości leżąca równolegle do płaszczyzny elektrody emitującej może być porównywalna ze składową wzdłużną. Wiązka okazuje się rozszerzać, ma kształt wachlarza, a jeśli katoda jest wielopunktowa lub wielołopatkowa, to nie jest laminarna.

Wtórna emisja elektronów (odkryta przez L. Austina i G. Starke'a, 1902) to emisja elektronów przez powierzchnię ciała stałego, gdy jest ono bombardowane elektronami. Elektrony bombardujące ciało (tzw. pierwotne) są częściowo odbijane od ciała bez utraty energii (elektrony odbite sprężyście), reszta z utratą energii (odbicie nieelastyczne). Jeśli energia i pęd elektronów, które otrzymały energię, są wystarczające do pokonania bariery potencjału na powierzchni ciała, to elektrony opuszczają powierzchnię ciała (elektrony wtórne). W cienkich warstwach wtórną emisję elektronów obserwuje się nie tylko z powierzchni, która jest bombardowana (emisja odbiciowa), ale także z powierzchni przeciwnej (emisja przez strzał). Ilościowo wtórna emisja elektronów charakteryzuje się „wtórnym współczynnikiem emisji” (SEC) - stosunkiem prądu elektronów wtórnych do prądu pierwotnych, współczynnikiem sprężystego i niesprężystego odbicia elektronów oraz współczynnikiem emisji elektrony wtórne (stosunek prądów odpowiednich elektronów do prądu pierwotnego). Wszystkie współczynniki zależą zarówno od energii elektronów pierwotnych, jak i od ich kąta padania, składu chemicznego i topografii powierzchni próbki. W metalach, w których gęstość elektronów przewodzących jest duża, prawdopodobieństwo ucieczki powstałych elektronów wtórnych jest niewielkie. W dielektrykach o niskim stężeniu elektronów prawdopodobieństwo ucieczki elektronów wtórnych jest większe. Prawdopodobieństwo ucieczki elektronów zależy od wysokości bariery potencjału na powierzchni.

W rezultacie dla szeregu substancji niemetalicznych (tlenków metali ziem alkalicznych, związków halogenków alkalicznych) EEF > 1, dla specjalnie wyprodukowanych efektywnych emiterów ( patrz poniżej) TBE >> 1, dla metali i półprzewodników zwykle 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.

Wytworzenie silnego pola elektrycznego (105–106 V/cm) w dielektryku prowadzi do wzrostu TEC do 50–100 (emisja wtórna wzmocniona przez pole). W tej sytuacji EEC zaczyna zależeć od porowatości warstwy – obecność porów zwiększa efektywną powierzchnię emitera, a pole wyciąga z nich elektrony wtórne, które uderzając w ścianki porów mogą z kolei powodują emisję z EEC > 1 i występowanie lawin elektronowych. Może to prowadzić do samopodtrzymującej się zimnej emisji, która trwa (po przyłożeniu ładunku do emitera) nawet po ustaniu bombardowania elektronami.

Główne obszary zastosowania katod elektronów wtórnych to powielacze elektronów wtórnych (SEM) i fotoelektronów (PMT), EVP typu M (w których elektrony poruszają się we wzajemnie prostopadłych polach elektrycznych i magnetycznych) oraz lampy odbiorczo-wzmacniające z emisją wtórną. Dla wszystkich zastosowań najważniejszymi parametrami emisji wtórnej są: współczynnik emisji wtórnej EEC w obszarze niskich energii pierwotnych elektronów, zwykle charakteryzujący się energią, przy której EEC = 1, maksymalna wartość EEC oraz energia elektronów pierwotnych, gdy EEC osiąga maksimum.

Emisja jonowo-elektronowa - emisja elektronów pod działaniem jonów. Znane są dwa mechanizmy emisji jonowo-elektronowej: potencjalny - wyrywanie elektronów z ciała przez pole nadchodzącego jonu oraz kinetyczny - wybijanie elektronów z ciała dzięki energii kinetycznej jonu. Potencjalny współczynnik emisji wzrasta wraz ze wzrostem energii jonizacji jonu i spadkiem funkcji pracy tarczy, a dla par Ne+/W (neon/wolfram), He+/W (hel/wolfram), Ar + / W (argon / wolfram) wynosi na przykład odpowiednio 0, 24, 0,24 i 0,1 i słabo zależy od energii jonów. Dla celu Mo (molibdenu) i tych samych jonów współczynniki te są o około 10% wyższe.

Podczas bombardowania wielokrotnie naładowanymi jonami emisja jonowo-elektronowa wzrasta - dla 2, 3, 4 naładowanych jonów jest większa niż dla jonów naładowanych pojedynczo, odpowiednio około 4, 10, 20 razy. Potencjalna emisja jonowo-elektronowa silnie zależy od stanu powierzchni, ponieważ jest ona zdeterminowana funkcją pracy. Pociąga to za sobą stosunkowo duży rozrzut danych eksperymentalnych.

Praktycznie nie ma kinetycznej emisji jonowo-elektronowej przy energiach mniejszych niż 1 keV, następnie wzrasta liniowo, potem wolniej przechodzi przez maksimum i maleje, do energii kilku MeV współczynnik spada do około jedności. Emisja jonowo-elektronowa odgrywa istotną rolę w działaniu szeregu elektronicznych urządzeń wyładowczych, w których źródłem elektronów jest bombardowana jonami katoda. W niektórych przypadkach proces emisji jonowo-elektronowej wytwarza główną ilość elektronów w objętości urządzenia.

Emisja gorących elektronów to emisja spowodowana „nagrzewaniem się” elektronów, tj. przeniesienie energii na elektrony lub wystawienie na działanie pola elektrycznego. Jeśli emisja termionowa jest określona przez wartość bariery potencjału na wyjściu z ciała stałego i energię elektronów, które ją pokonują, i aby ją uzyskać, ciało stałe jest podgrzewane ( najprostszy sposób podgrzej elektrony), wtedy możesz spróbować ogrzać elektrony bez uciekania się do ogrzewania ciała. Ponieważ elektrony są naładowanymi cząstkami, najprostszym sposobem ich „ogrzania” jest przyłożenie do nich pola elektrycznego. Tworzenie katody z emisją gorących elektronów to przede wszystkim wytworzenie dużego pola elektrycznego w przewodniku lub półprzewodniku. Aby to zrobić, przewodnik i półprzewodnik muszą zostać „zepsute”, zmniejszając ich przewodnictwo, ponieważ. w przeciwnym razie w tym dużym polu przepłynie przez nie duży prąd i katoda ulegnie awarii.

Jednym ze sposobów „zepsucia” metalu jest rozbicie go na oddzielne cząstki. Jeśli szczeliny między nimi są małe, rzędu 10 mikronów, elektrony będą tunelować (pokonać barierę potencjału, zmniejszoną i zwężoną przez duże pole) z jednej cząstki do drugiej, co doprowadzi do przewodzenia. Ale prąd w porównaniu z prądem przez monolityczny metal znacznie się zmniejszy, tj. opór wzrośnie. Umożliwia to zwiększenie pola. Wtedy energia elektronów wzrośnie tak bardzo, że będą mogły emitować w próżni. Katody z emisją gorących elektronów są wykonane w postaci podłoża dielektrycznego, na którym osadzona jest cienka warstwa metalu lub półprzewodnika. Przy małych grubościach folii zwykle uzyskuje się „wyspowe”; składający się z oddzielnych małych cząstek oddzielonych szczelinami. Aby ułatwić uwalnianie elektronów, katoda jest często pokryta cienkimi (w przybliżeniu jednoatomowymi) filmami substancji, które obniżają funkcję pracy Cs (cezu), BaO. Au (złoto), SnO 2 , BaO są zwykle używane jako podstawowa substancja filmowa. Najlepsze uzyskiwane parametry są następujące - pobór prądu wynosi 1 A/cm 2 przez długi czas i 10 A/cm 2 przez krótki czas. W takim przypadku sprawność (stosunek prądu emisyjnego do prądu przepływającego przez folię) może zbliżyć się do 100%.

Leonid Aszkinazi

Ważną rolę w zapewnieniu przewodności przerwy łukowej odgrywają elektrony dostarczane przez katodę pod wpływem różnych przyczyn. Ten proces uwalniania elektronów z powierzchni elektrody katodowej lub proces uwalniania elektronów z wiązania z powierzchnią nazywamy emisją elektronów. Do procesu emisji konieczne jest zużycie energii.

Energia wystarczająca do uwolnienia elektronów z powierzchni katody nazywana jest funkcją pracy ( U na zewnątrz )

Jest mierzony w elektronowoltach i zwykle jest 2-3 razy mniejszy niż praca jonizacji.

Istnieją 4 rodzaje emisji elektronów:

1. Emisja termionowa

2. Emisja polowa

3. Emisja fotoelektroniczna

4. Emisja pod wpływem ciężkich cząstek.

Emisja termionowa zachodzi pod wpływem silnego nagrzewania powierzchni elektrody - katody. Pod wpływem ogrzewania elektrony znajdujące się na powierzchni katody osiągają taki stan, gdy ich energia kinetyczna staje się równa lub większa od sił ich przyciągania do atomów powierzchni elektrody, tracą kontakt z powierzchnią i wylatują w głąb luka łukowa. Następuje silne nagrzewanie się końca elektrody (katody), ponieważ w momencie jej kontaktu z częścią kontakt ten występuje tylko w pewnych punktach na powierzchni ze względu na występowanie nierówności. Ta pozycja, w obecności prądu, prowadzi do silnego nagrzania punktu styku, w wyniku czego inicjowany jest łuk. Temperatura powierzchni ma duży wpływ na symulację elektronów. Emisja jest zwykle szacowana na podstawie gęstości prądu. Zależność między emisją termionową a temperaturą katody ustalili Richardson i Deshman.

gdzie j0 jest gęstością prądu, A/cm2;

φ jest funkcją pracy elektronu, e-V;

ALE- stała, której wartość teoretyczna wynosi A \u003d 120 a / cm 2 deg 2 (wartość eksperymentalna dla metali A \u003e 62,2).

W emisji autoelektronicznej energia niezbędna do uwolnienia elektronów jest przekazywana przez zewnętrzne pole elektryczne, które niejako „zasysa” elektrony poza granice wpływu pola elektrostatycznego metalu. W takim przypadku gęstość prądu można obliczyć ze wzoru

, (1.9)

gdzie mi jest natężeniem pola elektrycznego, V/cm;

Wraz ze wzrostem temperatury wartość emisji autoelektronicznej maleje, ale w niskich temperaturach jej wpływ może być decydujący, zwłaszcza przy dużym natężeniu pola elektrycznego (106 - 107 V/cm), które według Browna M.Ya. i G.I. Pogodin-Alekseev można uzyskać w regionach bliskoelektrodowych.

Po pochłonięciu energii promieniowania mogą pojawić się elektrony o tak dużej energii, że niektóre z nich opuszczają powierzchnię. Gęstość prądu fotoemisyjnego określa wzór

gdzie α - współczynnik odbicia, którego wartość dla łuków spawalniczych jest nieznana.

Długości fal powodujące fotoemisję oraz jonizację określa wzór

W przeciwieństwie do jonizacji, emisja elektronów z powierzchni metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych jest spowodowana światłem widzialnym.

Powierzchnia katody może być narażona na uderzenia ciężkich cząstek (jonów dodatnich). Jony dodatnie w przypadku uderzenia w powierzchnię katody mogą:

po pierwsze, oddać energię kinetyczną, którą posiadają.

Po drugie, można zneutralizować na powierzchni katody; podczas gdy dają energię jonizacji elektrody.

W ten sposób katoda pozyskuje dodatkową energię, która jest wykorzystywana do ogrzewania, topienia i parowania, a część jest ponownie zużywana na ucieczkę elektronów z powierzchni. W wyniku wystarczająco intensywnej emisji elektronów z katody i odpowiedniej jonizacji szczeliny łukowej ustala się stabilne wyładowanie - łuk elektryczny o określonej ilości prądu płynącego w obwodzie przy określonym napięciu.

W zależności od stopnia rozwoju danego rodzaju emisji rozróżnia się trzy rodzaje łuków spawalniczych:

Łuki z gorącą katodą;

Łuki z zimną katodą;