Pentru a obține un flux de electroni liberi în dispozitivele electronice, există un electrod special din metal sau semiconductor - catod.

Pentru ca electronii să treacă dincolo de catod, este necesar să se informeze nm din exterior despre o energie suficientă pentru a depăși forțele opuse. În funcție de metoda de distribuire a energiei suplimentare electronilor, se disting următoarele tipuri de emisii de electroni:

• termoionică, la care energie suplimentară este împărțită electronilor ca urmare a încălzirii catodului;
• fotoelectronice, la care radiația electromagnetică acționează pe suprafața catodului;
• electronic secundar, care este rezultatul bombardării catodului de către un flux de electroni sau ioni care se deplasează cu viteză mare;
• electrostatic, la care un câmp electric puternic lângă suprafața catodului creează forțe care contribuie la scăparea electronilor dincolo de limitele sale.

Să luăm în considerare mai detaliat fiecare dintre tipurile enumerate de emisie de electroni.

Emisia termoionică. Fenomenul de emisie termoionică era deja cunoscut la sfârșitul secolului al XVIII-lea. O serie de regularități calitative ale acestui fenomen au fost stabilite de V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) și alții. Până în anii 1930, au fost determinate principalele dependențe analitice ale emisiei termoionice.

Când metalul este încălzit, distribuția energiei electronilor în banda de conducție se modifică (Fig. 1, curba 2). Electronii apar cu energie care depășește nivelul Fermi. Astfel de electroni pot scăpa de metal, ducând la emisia de electroni. Mărimea curentului de emisie termoionică depinde de temperatura catodului, funcția de lucru și proprietățile suprafeței (ecuația Richardson-Dashman):

Unde Je este densitatea curentului de emisie, A/cm²; DAR- constantă de emisie, în funcție de proprietățile suprafeței radiante și egală cu majoritatea metalelor pure - 40 ... 70 A / (cm² K² '); T este temperatura absolută a catodului; e- baza logaritmilor naturali (e = 2,718); eφo este funcția de lucru a unui electron dintr-un metal, J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - constanta lui Boltzmann.

Ecuația de mai sus pentru emisia termoionică este valabilă pentru metale. Pentru semiconductori de impurități, există o dependență ușor diferită, dar relația dintre curentul de emisie și temperatură și funcția de lucru rămâne calitativ aceeași. Ecuația arată că mărimea curentului de emisie depinde în cea mai mare măsură de temperatura catodului. Cu toate acestea, odată cu creșterea temperaturii, rata de evaporare a materialului catodic crește brusc și durata de viață a acestuia este redusă. Prin urmare, catodul trebuie să funcționeze într-un interval strict definit de temperaturi de funcționare. Limita inferioară de temperatură este determinată de posibilitatea obținerii emisiei necesare, iar cea superioară de evaporarea sau topirea materialului emițător.

Valoarea curentului de emisie este afectată semnificativ de un câmp electric extern de accelerare care acționează lângă suprafața catodului. Acest fenomen se numește efect Schottky. Două forțe acționează asupra unui electron care părăsește catodul în prezența unui câmp electric extern - forța de atracție electrică, care returnează electronul, și forța câmpului extern, care accelerează electronul în direcția îndepărtată de suprafața catodului. Astfel, câmpul extern de accelerare reduce bariera de potențial, în urma căreia funcția de lucru a electronilor din catod scade și emisia de electroni crește.

Emisia fotoelectronica. Pentru prima dată, fenomenul de emisie de fotoelectroni (sau efect fotoelectric extern) a fost observat de G. Hertz în 1887. Studiile experimentale care au făcut posibilă stabilirea relațiilor cantitative pentru emisia de fotoelectroni au fost realizate de A.G.Stoletov în 1888. Principalele legi a efectului fotoelectric au fost explicate de A. Einstein pe baza teoriilor fotonice ale luminii. Conform acestei teorii, energia radiantă poate fi transmisă și absorbită nu sub forma unui flux continuu, ci numai în anumite porțiuni (cuante), iar fiecare cuantă are o cantitate de energie. hv, unde h este constanta lui Planck și v este frecvența radiației. Astfel, radiația electromagnetică (lumină vizibilă și invizibilă, raze X etc.) este un flux de cuante de energie individuale, numite fotoni. Când cade pe suprafața fotocatodului, energia fotonului este cheltuită pentru a conferi energie suplimentară electronilor. Datorită acestei energii, un electron cu o masă pe mine, face munca de ieșire Woși capătă o viteză inițială Vo, care este exprimată matematic prin ecuația lui Einstein:

Un electron poate trece dincolo de catod dacă funcția de lucru este mai mică decât energia cuantică, deoarece numai în aceste condiții viteza inițială Vo, și, prin urmare, energia cinetică a electronului:

Remarcăm principalele caracteristici ale efectului fotoelectric:

• Când suprafața fotocatodului este iradiată cu un flux radiant de compoziție spectrală constantă, curentul de emisie fotoelectronului este proporțional cu intensitatea fluxului (legea lui Stoletov):

Unde Dacă este valoarea fotocurentului; F este mărimea fluxului radiant; La este coeficientul de proporționalitate care caracterizează sensibilitatea suprafeței fotocatodului la radiații.

• Viteza electronilor emiși de fotocatod este cu atât mai mare, cu atât frecvența este mai mare v radiații absorbite; energia cinetică inițială a fotoelectronilor crește liniar cu creșterea frecvenței v.
• Efectul fotoelectric se observă numai atunci când este iradiat cu un flux radiant cu o frecvență V ≥ Vcr, unde Vcr este frecvența critică, numită „granița roșie” a efectului fotoelectric. Lungimea de unda critica:

, unde c este viteza de propagare a undelor electromagnetice. La λ > λk, nu există emisie de fotoelectroni.

• Efectul fotoelectric este practic lipsit de inerție, adică nu există nicio întârziere între începutul iradierii și apariția fotoelectronilor (timpul de întârziere nu depășește 3 10∧-9 s).

Ca și în cazul emisiei termoionice, o creștere a intensității câmpului electric extern în apropierea fotocatodului crește și emisia fotoelectronului prin scăderea barierei de potențial a catodului. În acest caz, pragul efectului fotoelectric este deplasat către lungimi de undă mai mari.

Cu cât funcția de lucru a metalului din care este realizat fotocatodul este mai mică, cu atât frecvența de prag pentru acest fotocatod este mai mică. De exemplu, pentru ca un fotocatod să fie sensibil la lumina vizibilă, materialul său trebuie să aibă o funcție de lucru mai mică de 3,1 eV. Această funcție de lucru este tipică pentru metalele alcaline și alcalino-pământoase (cesiu, potasiu, sodiu). Pentru a crește sensibilitatea fotocatodului la alte game de fluxuri radiante, mai mult tipuri complexe fotocatozi semiconductori (alcalin-hidrogen, oxigen-cesiu, antimoniu-cesiu etc.).

Emisia secundară de electroni. Mecanismul emisiei de electroni secundari diferă de mecanismul emisiei termoionice și fotoelectronilor. Dacă, în timpul emisiei termoionice și fotoelectronilor, electronii sunt localizați în principal la nivelurile benzii de conducere, atunci când suprafața catodului este bombardată de electroni sau ioni primari, energia lor poate fi absorbită și de electronii benzilor umplute. Prin urmare, emisia secundară este posibilă atât de la conductori, cât și de la semiconductori și dielectrici.

Cel mai important parametru care caracterizează emisia de electroni secundari este coeficientul de emisie secundară σ . Este raportul dintre numărul de electroni secundari emiși de pe suprafața catodului n2, la numărul de electroni primari incidenti pe catod n1, sau raportul dintre curentul de emisie al eleronului secundar I2 la curentul electronilor primari I1:

Emisia secundară de electroni este utilizată în unele dispozitive electronice - fotomultiplicatoare, tuburi de transmisie de televiziune, anumite tipuri de tuburi vid. Cu toate acestea, în multe cazuri, în special în majoritatea tuburilor cu vid, este nedorit și tinde să fie redus.

emisie electrostatică. Dacă câmpul electric extern de lângă suprafața catodului are o putere suficientă pentru a compensa pe deplin efectul de întârziere al barierei de potențial, atunci chiar și la temperaturi scăzute ale catodului, se poate obține o emisie semnificativă de electroni. Se calculează că, pentru a compensa bariera de potențial, intensitatea la suprafața catodului ar trebui să fie de ordinul 10∧8 V/cm. Cu toate acestea, chiar și la o intensitate a câmpului de aproximativ 10∧6 V/cm, se observă o emisie semnificativă de electroni de la suprafețele reci.

Obținerea tehnică a valorilor intensității câmpului suficiente pentru apariția emisiilor electrostatice prezintă dificultăți semnificative. Prin urmare, emisia electrostatică este utilizată în principal în dispozitivele ionice cu catod de mercur lichid. În acest caz, se poate obține o intensitate suficientă a câmpului pielii prin crearea unui strat de vapori de mercur ionizat lângă suprafața catodului.

Sursa - Gershunsky B.S. Fundamentele electronicii (1977)

Electronii conductorului se mișcă liber în limitele sale, iar atunci când este absorbită suficientă energie, ei pot ieși și în exterior, rupând peretele puțului de potențial de lângă suprafața corpului (Fig. 10.6). Acest fenomen se numește emisie de electroni (într-un singur atom, un fenomen similar se numește ionizare).

La T = 0 energia necesară pentru emisie este determinată de diferența dintre niveluri W= 0 și nivelul Fermi E R(Fig. 10.6) şi se numeşte funcţia de lucru. Sursa de energie poate fi fotoni (vezi paragraful 9.3), provocând fotoemisia (efect fotoelectric).

Orez. 10.6

Cauza emisiei termoionice este încălzirea metalului. Când funcția de distribuție a electronilor este distorsionată (vezi Fig. 10.5, b) această „coadă” poate depăși limita putului potențial, adică. unii electroni au suficientă energie pentru a părăsi metalul. Acesta este de obicei folosit pentru a furniza electroni unui vid.

Cel mai simplu dispozitiv care utilizează emisie termică este o diodă electrovacuum (Fig. 10.7, A). Catodul său K este încălzit de la sursa EMF ? șiși emite electroni, care creează un curent de iod prin acțiunea unui câmp electric între anod și catod. O diodă electrovacuum diferă de o fotodiodă în principal prin sursa de energie care a cauzat emisia de electroni, astfel încât caracteristicile curent-tensiune ale acestora sunt similare. Cu cât mai multă tensiune U aîntre anod și catod, cea mai mare parte a electronilor din norul lor la catod este atrași de câmpul electric pe unitatea de timp. Prin urmare, pe măsură ce tensiunea crește U a actual eu creste. La unele tensiuni, zeroul trage deja toate electronii care părăsesc catodul și creștere în continuare tensiunea nu duce la o creștere a curentului - apare saturația.

Orez. 10.7

ÎNTREBARE. De ce este curentul de saturație la T, mai mult decât cu G, (Fig. 10.7, b)? RĂSPUNS. La T 2 > D, mai mulți electroni părăsesc catodul pe unitatea de timp.

Cu polaritatea inversă a tensiunii aplicate („minus” este conectat la anod, iar „plus” la catod), electronii nu sunt accelerați, ci încetiniți, prin urmare, dioda electrovacuum este capabilă să treacă curentul doar într-o singură. direcție, adică el are conducere într-un singur sens. Acest lucru îi permite să fie folosit pentru curent redresor(Fig. 10.7, în):în timpul acțiunii unei semi-unde pozitive de tensiune, dioda trece curent, dar în timpul unei semi-unde negative, nu.

În 1907, americanul Lee de Forest a adăugat un al treilea electrod de rețea la diodă, ceea ce a făcut posibilă amplificarea semnalelor electrice. O astfel de triodă a fost apoi completată cu alți electrozi, ceea ce a făcut posibilă crearea diferitelor tipuri amplificatoare, generatoareși convertoare. Acest lucru a dus la dezvoltarea rapidă a ingineriei electrice, a ingineriei radio și a electronicii. Apoi bastonul a fost preluat de dispozitive semiconductoare, care au înlocuit tuburile cu vid, dar în CRT-uri, tuburi cu raze X, microscoape electronice și unele tuburi vid, emisia termică este încă relevantă.

O altă sursă de emisie de electroni poate fi bombardarea suprafeței materialului de către diferite particule. Emisia secundară electron-electron apare ca urmare a impactului electronilor externi, care transferă o parte din energia lor electronilor substanței. O astfel de emisie este utilizată, de exemplu, într-un tub fotomultiplicator (PMT) (Fig. 10.8, A). Fotocatodul lui 1 emite electroni atunci când este expus la lumină. Ele sunt accelerate spre electrod (dynod) 2, din care scot electronii secundari, ei sunt accelerați spre dinod 3 etc. Ca rezultat, fotocurentul primar este multiplicat într-o asemenea măsură încât PMT este capabil să înregistreze chiar și fotoni unici.

Orez. 10.8

Același principiu a fost aplicat și în tubul intensificator de imagine (vezi paragraful 9.3) din noua generație. Conține sute de mii de fotomultiplicatori (în funcție de numărul de pixeli care formează imagini ale obiectelor), fiecare dintre acestea fiind un microcanal metalizat ~ 10 μm lățime. De-a lungul acestui canal, electronii se mișcă în același mod în zig-zag, ca lumina într-o fibră optică și ca electronii într-un PMT, înmulțindu-se la fiecare coliziune cu pereții canalului datorită emisiei secundare. Deoarece traiectoria electronilor diferă neglijabil de una rectilinie (numai în lățimea canalului), un pachet de astfel de canale situat între fotocatod și ecran (Fig. 10.8, b) elimină necesitatea focalizării fotoelectronilor (comparați cu Fig. 9.4). Fiecare canal realizează nu numai reproducerea electronilor, ci și transferul lor în punctul necesar, ceea ce asigură claritatea imaginii.

În emisia secundară de ioni-electroni, particulele primare - purtători de energie sunt ionii. LA dispozitive de descărcare de gaze ele asigură reproducerea electronilor din catod, care apoi se înmulțesc prin ionizarea moleculelor de gaz (vezi paragraful 5.9).

Există, de asemenea, un tip de emisie foarte exotic, a cărui origine este explicată de principiul incertitudinii Heisenberg. Dacă suprafața metalului are un câmp electric care accelerează electronii, atunci pe marginea potențialului 1 se suprapune o linie dreaptă ex(2 în Fig. 10.6), iar marginea se transformă într-o barieră 3. Dacă energia totală a electronului este egală cu W, acestea. pe o W mai mică decât înălțimea barierei, apoi, conform ideilor clasice, „ia”-o, i.e. ieși afară, nu poate. Cu toate acestea, conform conceptelor cuantice, un electron este și el val, care nu numai reflectat dintr-un mediu optic mai dens, dar și refractat.În același timp, prezența unei funcții în interiorul bariereiînseamnă probabilitatea finită de a găsi un electron acolo. În viziunea „clasică”, acest lucru este imposibil, deoarece complet energia electronilor W,și componenta acesteia potenţial energie - este egală în acest domeniu W+ AVK, adică partea este mai mare decât întregul! În același timp, există și unele incertitudine Energie AVK care depinde de timp La rămânerea unui electron în interiorul barierei: AWAt>h. In scadere La: incertitudine A.W. poate atinge valoarea necesară, iar soluția ecuației Schrödinger dă valori finite | p | 2 s in afara barieră, adică există șansa ca electronul să iasă fără să sară peste barieră! Este mai mare cu cât este mai jos AW n At.

Aceste concluzii sunt confirmate în practică de prezența unui efect de tunel sau sub-barieră. Își găsește chiar aplicație, furnizând emisia de electroni din metal în câmpuri de ~10 6 -10 7 V/cm. Deoarece o astfel de emisie are loc fără încălzire, iradiere sau bombardament cu particule, se numește emisie de câmp. De obicei apare din tot felul de puncte, proeminențe etc., unde intensitatea câmpului crește brusc. De asemenea, poate duce la defectarea electrică a golului de vid.

În 1986, Premiul Nobel pentru Fizică a acordat inventarea scanării microscop electronic. Laureații săi sunt fizicienii germani E. Ruska și G. Binnig și fizicianul elvețian G. Rohrer. În acest dispozitiv, un ac subțire scanează de-a lungul suprafeței la o distanță mică de acesta. Curentul de tunel care apare în acest caz transportă informații despre stările energetice ale electronilor. Astfel, este posibil să se obțină o imagine a suprafeței cu precizie atomică, ceea ce este deosebit de important în microelectronică.

Efectul tunel este responsabil pentru recombinarea în timpul emisiei ion-electron (vezi mai sus), pentru electrificarea prin frecare, în care electronii de la atomii unui material tunel la atomii altuia. De asemenea, determină socializarea electronilor într-o legătură covalentă, conducând la o divizare a nivelurilor de energie (vezi Fig. 10.5, A).

eliberarea unui exces de energie egal cu diferența dintre nivelurile de energie ale unui electron din corp și din ionul ε 1 – ε i 1 . Această energie poate fi fie transferată către un alt electron al corpului cu energia inițială ε 2 (procesul Auger), fie eliberată ca cuantum de lumină. Al doilea proces este mai puțin probabil. Dacă energia electronului excitat ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) este mai mare decât zero, acesta va putea părăsi emițătorul. Astfel, doi electroni ai corpului participă la actul de emisie: unul eliberează energie prin tunelare din corp către ion cu neutralizarea acestuia din urmă, celălalt primește această energie de excitație și părăsește corpul, adică. avem atât un proces de tranziție de tunel, cât și un proces de excitare.

10.7 Emisia de electroni fierbinți

Emisia de electroni fierbinți este emisia de electroni de către un semiconductor în prezența unui câmp electric în acesta. Din banda de conducție sunt emiși electroni fierbinți. De aceea conditie necesara Posibilitatea apariției emisiei acestor electroni este excitarea lor termică preliminară din banda principală sau de la nivelurile donor către banda de conducere. Astfel, în timpul emisiei de electroni fierbinți, sunt efectiv implementate două mecanisme diferite de excitare a electronilor: 1) excitarea lor în banda de conducție datorită energiei termice a rețelei; 2) excitarea electronilor din banda de conducere la niveluri de energie care depășesc nivelul vidului. Acest tip de excitație are loc datorită lucrului forțelor câmpului electric din semiconductor; În cele din urmă, această energie este preluată de la o sursă externă de tensiune care creează un câmp. Prezența unui câmp electric într-un semiconductor determină accelerarea electronilor aflați în banda de conducție. Acești electroni interacționează cu fononii corpului. În astfel de ciocniri de electroni, poate apărea o schimbare bruscă a direcției de mișcare a acestora și are loc doar o mică pierdere a vitezei lor. Ca urmare, energiile medii ale electronilor sunt mai mari decât cele ale ionilor; putem spune că temperatura gazului de electroni este mai mare decât temperatura rețelei cristaline. Acest lucru duce la apariția emisiei de electroni, care ar putea fi numită condiționat „emisie termică”, dar temperatura care o determină va fi mai mare decât temperatura rețelei.

10.8 Emisii combinate

Cel mai frecvent utilizat este tipul combinat de emisie bazat pe efectul Schottky. După cum sa discutat deja în paragraful 2, atunci când se aplică un câmp electric extern, înălțimea barierei scade și, prin urmare, scade munca eficienta Ieșire. Prin urmare, în acest caz, este necesară o excitare preliminară mai mică (din punct de vedere energetic) a electronilor pentru a-i transfera la niveluri de energie cu înălțimi mai mari ale barierei potențiale. Astfel, impunerea unui câmp electric stimulează toate tipurile de emisie cu preexcitare. Prin urmare, tipul combinat de emisie va include în primul rând următoarele:

EMISIE ELECTRONICĂ este emisia de electroni de către suprafața unui solid sau lichid. Pentru ca un electron să părăsească un mediu condensat în vid sau gaz, trebuie consumată energie, ceea ce se numește funcție de lucru. Dependența energiei potențiale a unui electron de coordonatele de la limita emițătorului și vidului (sau alt mediu) se numește barieră de potențial. Acesta trebuie depășit de electron, părăsind emițătorul.

Emisiile pot fi menținute în două condiții. Primul este furnizarea de energie către electroni, care asigură depășirea barierei de potențial, sau crearea unui câmp extern atât de puternic încât bariera de potențial devine subțire și efectul de tunel (emisia câmpului) devine semnificativ, penetrarea cuantică a electroni prin bariera de potențial, adică emisia de electroni având o energie mai mică decât funcția de lucru. Transferul de energie de către fotonii care bombardează corpul duce la fotoemisie, bombardarea de electroni determină emisia secundară de electroni, iar de către ioni - emisia ion-electron. Emisia poate fi cauzată de câmpuri interne - emisia de electroni fierbinți. Toate aceste mecanisme pot acționa simultan (de exemplu, emisia câmpului termic, emisia câmpului foto).

A doua condiție este crearea unui câmp electric extern care asigură îndepărtarea electronilor emiși din corp; pentru aceasta, în special, este necesar să aduceți electroni la emițător, astfel încât acesta să nu se încarce. Dacă câmpul extern care asigură îndepărtarea electronilor emiși este insuficient pentru emisia de câmp, dar suficient pentru a scădea bariera de potențial, devine sesizabil efectul Schottky - dependența emisiei de câmpul extern. În cazul în care suprafața emițătoare este neomogenă și pe ea există „pete” cu diferite funcții de lucru, deasupra suprafeței sale apare un „câmp de pete” electric. Acest câmp încetinește electronii care ies din secțiunile catodice cu o funcție de lucru mai mică decât cea a celor vecine. Câmpului electric extern se adaugă câmpului petelor și, crescând, elimină efectul inhibitor al petelor. Ca urmare, curentul de emisie de la un emițător neomogen crește cu creșterea câmpului mai rapid decât în ​​cazul unui emițător uniform (efect Schottky anormal).

Emisia termoionică. La mijlocul secolului al XIX-lea se știa că în apropierea solidelor încălzite, aerul devine un conductor de electricitate, dar motivul acestui fenomen a rămas neclar. Ca rezultat al experimentelor, J. Elster și G. Geitel au descoperit că la o presiune redusă a aerului din jur, o suprafață de metal încins alb capătă o sarcină pozitivă. Fluxul de curent în vid între un electrod fierbinte și un electrod încărcat pozitiv a fost descoperit de T. Edison (1884), explicat prin emisia de electroni (particule încărcate negativ) de J. Thomson (1887), teoria emisiei termoionice a fost dezvoltat de O. Richardson (1902, uneori i se atribuie descoperirea și efectul în sine). Conducția unidirecțională a fost descoperită de J. Fleming (1904, uneori atribuită lui Edison), deși dioda sa nu era complet vid, ci cu compensare parțială a încărcăturii spațiale. Curentul de emisie termoionică este determinat de temperatura catodului (adică energia electronilor) și funcția de lucru. Curentul maxim de emisie este determinat de raportul dintre funcția de lucru și temperatură, se numește curent de saturație. Temperatura catodului este, la rândul său, limitată de evaporarea materialului catodului (adică, durata de viață).

Emisia fotoelectronica - emisia de electroni de catre solide si lichide sub influenta radiatiei electromagnetice (fotoni), in timp ce numarul de electroni emisi este proportional cu intensitatea radiatiei. Pentru fiecare substanță există un prag - frecvența minimă (lungimea de undă maximă) a radiației, sub care nu are loc emisia, energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar cu frecvența radiației și nu depinde de intensitatea acesteia. Fotoemisia este sensibilă la funcția de lucru a suprafeței. O creștere a randamentului cuantic și o schimbare a pragului de fotoemisie se realizează prin acoperirea suprafeței metalului cu un strat monoatomic de atomi electropozitivi Cs (cesiu) sau Rb (rubidiu), care reduc funcția de lucru pentru majoritatea metalelor la 1,4–1,7 eV. . Fotoemisia a fost descoperită de Gustav Hertz (1887), care a descoperit că iluminarea electrozilor eclatorului sub tensiune cu lumină ultravioletă facilitează defalcarea. Studii sistematice au fost efectuate de V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) și au arătat că în experimentul lui Hertz, materia se reduce la eliberarea de sarcini sub acțiunea luminii. F. Lenard și J. Thomson (1898) au demonstrat că aceștia sunt exact electroni.

Fotoemisia din semiconductori și dielectrici este determinată de absorbția puternică a radiațiilor electromagnetice.

Emisia autoelectronica (emisia de camp, emisia electrostatica, emisia de tunel) - emisia de electroni de catre solid conductiv si corpuri lichide sub acţiunea unui câmp electric extern de mare intensitate, a fost descoperit de R. Wood (1897) în studiul unei descărcări în vid. Emisia autoelectronică se explică prin efectul de tunel și are loc fără cheltuială de energie pentru excitarea electronilor necesari pentru emisia de electroni de alte tipuri. În emisia autoelectronică, electronii depășesc bariera de potențial, nu trecând peste ea datorită energiei cinetice a mișcării termice (ca în emisia termoionică), ci prin tunel prin barieră, redusă și îngustată de câmpul electric.

Emisia câmpului depinde foarte mult de câmp și de funcția de lucru și depinde slab de temperatură. Retragerea curentului la temperaturi scăzute duce la încălzirea emițătorului, deoarece electronii de ieșire transportă energie, în medie, mai mică decât energia Fermi, odată cu creșterea temperaturii, încălzirea este înlocuită cu răcire - efectul își schimbă semnul, trecând prin „temperatura de inversare”, corespunzătoare distribuției totale de energie a electronilor de ieșire simetric față de până la nivelul Fermi. Caracteristicile emisiei de câmp din semiconductori sunt asociate cu pătrunderea unui câmp electric în emițător, o concentrație mai mică de electroni și prezența stărilor de suprafață. Densitățile maxime de curent care pot fi obținute în modul de emisie de câmp sunt limitate de încălzirea Joule a emițătorului de curentul care circulă prin acesta și de distrugerea emițătorului de către câmpul electric. În modul de emisie în câmp, curenți de ordinul a 10 7 A/cm 2 (la suprafața emițătorului) se obțin în regim staționar și 10 9 A/cm 2 în regimuri pulsate. Când încercați să obțineți mai mult curent într-un mod staționar, emițătorul este distrus. În modul puls, atunci când încercați să creșteți curentul, emițătorul începe să funcționeze într-un mod diferit, așa-numitul „mod de emisie explozivă”.

Dependența puternică a emisiei de câmp de funcția de lucru duce la instabilitatea funcționării catodului de câmp. Funcția de lucru a suprafeței depinde atât de procesele care au loc la suprafață în vid înalt, cât și de influența unui vid insuficient de mare: difuzie, migrare, rearanjare a suprafeței și sorbția gazelor reziduale. Cel mai des folosit material - wolfram - absoarbe bine gazele. Acest lucru a dus la numeroase încercări de a folosi metale care nu absorb atât de bine gazele, de exemplu, reniul sau chiar mai mult carbonul pasiv, care, însă, are o rezistență mare. S-a propus acoperirea metalului cu o peliculă de carbon. Absorbția de gaz la suprafață poate fi redusă prin încălzirea ușoară constantă a emițătorului de câmp sau încălzirea periodică puternică în impulsuri pentru curățarea suprafeței. În general, pentru funcționare stabilă catozii moderni de câmp necesită un vid cu unu până la trei ordine de mărime mai mare decât cel necesar pentru catozii fierbinți.

Al doilea parametru după lucrul de ieșire, de care depinde puternic emisia câmpului, este intensitatea câmpului electric la emițător, care, la rândul său, depinde de câmpul mediu din dispozitiv (raportul dintre tensiunea externă și dimensiunea intervalului) și geometria emițătorului, deoarece pentru a crește câmpul pe emițător, de regulă, forme „ascuțite” - proeminențe, fire, vârfuri, lame, capete de tub sau sistemele acestora - fascicule de filet, pachete de lame, nanotuburi de carbon etc. Pentru a selecta curenți relativ mari, se folosesc sisteme multipunct, sisteme multi-emițător la marginile foliilor și foliilor etc. Faptul că vârfurile sunt folosite ca emițători are ca rezultat non-paralelismul traiectoriilor electronilor, iar componenta vitezei care se află paralelă cu planul electrodului emițător poate fi comparabilă cu componenta longitudinală. Fasciculul se dovedește a fi în expansiune, în formă de evantai, iar dacă catodul este cu mai multe puncte sau cu mai multe lame, atunci nu este laminar.

Emisia secundară de electroni (descoperită de L. Austin și G. Starke, 1902) este emisia de electroni de către suprafața unui corp solid atunci când este bombardat de electroni. Electronii care bombardează corpul (numiți primari) sunt parțial reflectați de organism fără pierderi de energie (electroni reflectați elastic), restul cu pierderi de energie (reflexie inelastică). Dacă energia și impulsul electronilor care au primit energie sunt suficiente pentru a depăși bariera de potențial de pe suprafața corpului, atunci electronii părăsesc suprafața corpului (electroni secundari). În peliculele subțiri, emisia secundară de electroni se observă nu numai de pe suprafața care este bombardată (emisia de reflexie), ci și de pe suprafața opusă (emisia prin tragere). Cantitativ, emisia de electroni secundari se caracterizează prin „coeficientul de emisie secundară” (SEC) - raportul dintre curentul electronilor secundari și curentul celor primari, coeficientul de reflexie elastică și inelastică a electronilor, precum și coeficientul de emisie al electroni secundari (raportul dintre curenții electronilor corespunzători și curentul primar). Toți coeficienții depind atât de energia electronilor primari, cât și de unghiul lor de incidență, compoziția chimică și topografia suprafeței probei. În metalele în care densitatea electronilor de conducere este mare, probabilitatea ca electronii secundari formați să poată scăpa este mică. În dielectricii cu o concentrație scăzută de electroni, probabilitatea ca electronii secundari să scape este mai mare. Probabilitatea de evadare a electronilor depinde de înălțimea barierei de potențial de pe suprafață.

Ca urmare, pentru o serie de substanțe nemetalice (oxizi ai metalelor alcalino-pământoase, compuși cu halogenuri alcaline) EEF > 1, pentru emițători efectivi special fabricați ( vezi mai jos) TBE >> 1, pentru metale și semiconductori de obicei 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.

Crearea unui câmp electric puternic (105–106 V/cm) în dielectric duce la o creștere a TEC până la 50–100 (emisia secundară îmbunătățită de câmp). În această situație, EEC începe să depindă de porozitatea stratului - prezența porilor mărește suprafața efectivă a emițătorului, iar câmpul extrage electroni secundari din ei, care, lovind pereții porilor, pot la rândul lor. provoacă emisie cu EEC > 1 și apariția avalanșelor de electroni. Acest lucru poate duce la o emisie rece auto-susținută, care continuă (atunci când o sarcină este aplicată emițătorului) chiar și după ce bombardamentul cu electroni încetează.

Principalele domenii de aplicare ale catozilor de electroni secundari sunt multiplicatorii de electroni secundari (SEM) și fotoelectroni (PMT), EVP de tip M (în care electronii se mișcă în câmpuri electrice și magnetice reciproc perpendiculare) și lămpile receptoare-amplificatoare cu emisie secundară. Pentru toate aplicațiile, cei mai semnificativi parametri de emisie secundară sunt: ​​coeficientul de emisie secundară a CEE în regiunea energiilor joase a electronilor primari, caracterizat de obicei prin energia la care CEE = 1, valoarea maximă a CEE și energia electronilor primari atunci când CEE atinge maximul său.

Emisia ion-electron - emisia de electroni sub actiunea ionilor. Sunt cunoscute două mecanisme de emisie ion-electron: potențial - scoaterea electronilor din corp prin câmpul unui ion care intră și cinetică - scoaterea electronilor din corp datorită energiei cinetice a ionului. Coeficientul de emisie potențial crește odată cu creșterea energiei de ionizare a ionului și scăderea funcției de lucru a țintei, iar pentru perechile Ne + / W (neon / wolfram), He + / W (heliu / wolfram), Ar + / W (argon / wolfram) este, de exemplu, 0, 24, 0,24 și, respectiv, 0,1 și depinde slab de energia ionică. Pentru ținta de Mo (molibden) și aceiași ioni, acești coeficienți sunt cu aproximativ 10% mai mari.

Când este bombardat cu ioni cu încărcare multiplă, emisia ion-electron crește - pentru 2, 3, 4 ioni încărcați este mai mare decât pentru ionii încărcați individual, de aproximativ 4, 10, respectiv 20 de ori. Emisia potențială de ioni-electroni depinde în mare măsură de starea suprafeței, deoarece este determinată de funcția de lucru. Aceasta implică o dispersie relativ mare de date experimentale.

Practic nu există emisie cinetică ion-electron la energii mai mici de 1 keV, apoi crește liniar, apoi mai lent, trece printr-un maxim și scade, la energii de câțiva MeV coeficientul scade la aproximativ unitate. Emisia ion-electron joacă un rol semnificativ în funcționarea unui număr de dispozitive electronice de descărcare în gaz în care sursa de electroni este un catod bombardat de ioni. În unele cazuri, procesul de emisie ion-electron creează cantitatea principală de electroni în volumul dispozitivului.

Emisia de electroni fierbinți este emisia datorată „încălzirii” electronilor, adică. transferul de energie către electroni sau expunerea la un câmp electric. Dacă emisia termoionică este determinată de valoarea barierei de potențial la ieșirea din corpul solid și de energia electronilor care o depășesc, iar pentru a o obține, corpul solid este încălzit ( cel mai simplu modîncălziți electronii), atunci puteți încerca să încălziți electronii fără a apela la încălzirea corpului. Deoarece electronii sunt particule încărcate, cel mai simplu mod de a le „încălzi” este aplicarea unui câmp electric. Crearea unui catod cu emisie de electroni fierbinți este, în primul rând, crearea unui câmp electric mare într-un conductor sau semiconductor. Pentru a face acest lucru, conductorul și semiconductorul trebuie „stricați”, reducându-le conductivitatea, deoarece. în caz contrar, un curent mare va curge prin ele în acest câmp mare și catodul se va defecta.

O modalitate de a „strica” metalul este să-l rupeți în particule separate. Dacă golurile dintre ele sunt mici, de ordinul a 10 microni, electronii vor depăși bariera de potențial, redusă și îngustată de un câmp mare) de la o particulă la alta, iar aceasta va duce la conducție. Dar curentul în comparație cu curentul printr-un metal monolitic va scădea foarte mult, adică. rezistența va crește. Acest lucru face posibilă creșterea câmpului. Atunci energia electronilor va crește atât de mult încât vor putea emite în vid. Catozii de emisie de electroni fierbinți sunt realizați sub forma unui substrat dielectric pe care se depune o peliculă subțire de metal sau semiconductor. La grosimi mici de peliculă se obțin de obicei cele „insulare”; constând din particule mici separate separate prin goluri. Pentru a facilita eliberarea electronilor, catodul este adesea acoperit cu pelicule subțiri (aproximativ monoatomice) de substanțe care reduc funcția de lucru a Cs (cesiu), BaO. Au (aur), SnO2, BaO sunt de obicei folosite ca substanță film de bază. Cei mai buni parametri obținuți sunt următorii - retragerea curentului este de 1 A/cm 2 pentru o perioadă lungă de timp și 10 A/cm 2 pentru o perioadă scurtă de timp. În acest caz, eficiența (raportul dintre curentul de emisie și curentul care curge prin peliculă) se poate apropia de 100%.

Leonid Ashkinazi

Un rol important în asigurarea conductivității întreruperii arcului îl joacă electronii furnizați de catod sub influența diferitelor motive. Acest proces de eliberare a electronilor de pe suprafața electrodului catodic sau procesul de eliberare a electronilor din legătura cu suprafața se numește emisie de electroni. Pentru procesul de emisie, este necesar să se cheltuiască energie.

Energia care este suficientă pentru a elibera electroni de pe suprafața catodului se numește funcție de lucru ( Ieși )

Se măsoară în electroni volți și este de obicei de 2-3 ori mai mic decât munca de ionizare.

Există 4 tipuri de emisii de electroni:

1. Emisia termoionică

2. Emisia de câmp

3. Emisia fotoelectronica

4. Emisia sub impactul particulelor grele.

Emisia termoionică are loc sub influența încălzirii puternice a suprafeței electrodului - catod. Sub acțiunea încălzirii, electronii aflați pe suprafața catodului capătă o astfel de stare atunci când energia lor cinetică devine egală sau mai mare decât forțele de atracție a atomilor de pe suprafața electrodului, pierd contactul cu suprafața și zboară spre exterior. decalajul arcului. Încălzirea puternică a capătului electrodului (catodului) are loc deoarece în momentul contactului acestuia cu piesa, acest contact are loc numai în anumite puncte de pe suprafață din cauza prezenței neregulilor. Această poziție, în prezența curentului, duce la o încălzire puternică a punctului de contact, în urma căreia se inițiază un arc. Temperatura suprafeței afectează foarte mult simularea electronilor. Emisia este de obicei estimată prin densitatea curentului. Relația dintre emisia termoionică și temperatura catodului a fost stabilită de Richardson și Deshman.

Unde j0 este densitatea de curent, A/cm2;

φ este funcția de lucru a electronilor, e-V;

DAR- o constantă, a cărei valoare teoretică este A \u003d 120 a / cm 2 deg 2 (valoare experimentală pentru metale A \u003e 62,2).

În emisia autoelectronică, energia necesară pentru eliberarea electronilor este transmisă de un câmp electric extern, care, așa cum spune, „aspiră” electronii dincolo de limitele influenței câmpului electrostatic al metalului. În acest caz, densitatea de curent poate fi calculată din formulă

, (1.9)

Unde E este intensitatea câmpului electric, V/cm;

Odată cu creșterea temperaturii, valoarea emisiei autoelectronice scade, dar la temperaturi scăzute influența acesteia poate fi decisivă, mai ales la o intensitate mare a câmpului electric (10 6 - 10 7 V/cm), ceea ce, potrivit lui Brown M.Ya. și G.I. Pogodin-Alekseev poate fi obținut în regiunile apropiate de electrozi.

Când energia radiației este absorbită, pot apărea electroni cu o energie atât de mare încât unii dintre ei părăsesc suprafața. Densitatea curentului de fotoemisie este determinată de formulă

Unde α - coeficientul de reflexie, a cărui valoare pentru arcurile de sudare este necunoscută.

Lungimile de undă care provoacă fotoemisia, precum și pentru ionizare sunt determinate de formulă

Spre deosebire de ionizare, emisia de electroni de pe suprafața metalelor alcaline și alcalino-pământoase este cauzată de lumina vizibilă.

Suprafața catodului poate fi supusă la impactul particulelor grele (ioni pozitivi). Ionii pozitivi în caz de impact asupra suprafeței catodului pot:

in primul rand, dezvăluie energia cinetică pe care o posedă.

În al doilea rând, poate fi neutralizat pe suprafața catodului; în timp ce ele dau electrodului energie de ionizare.

Astfel, catodul dobândește energie suplimentară, care este folosită pentru încălzire, topire și evaporare, iar o parte este cheltuită din nou pentru scăparea electronilor de la suprafață. Ca urmare a unei emisii suficient de intense de electroni din catod și a ionizării corespunzătoare a intervalului de arc, se stabilește o descărcare stabilă - un arc electric cu o anumită cantitate de curent care curge în circuit la o anumită tensiune.

În funcție de gradul de dezvoltare al unui anumit tip de emisie, se disting trei tipuri de arcuri de sudură:

Arcuri catodice fierbinți;

Arcuri catodice reci;