Elektron qurilmalarda erkin elektronlar oqimini olish uchun maxsus metall yoki yarim o'tkazgich elektrod mavjud - katod.

Elektronlarning katoddan tashqariga chiqishi uchun nm ga tashqi tomondan qarama-qarshi kuchlarni yengish uchun etarli bo'lgan energiya haqida ma'lumot berish kerak. Elektronlarga qo'shimcha energiya berish usuliga qarab, elektron emissiyasining quyidagi turlari ajratiladi:

• termion, bunda katodni isitish natijasida elektronlarga qo'shimcha energiya beriladi;
• fotoelektronik, bunda elektromagnit nurlanish katod yuzasiga ta'sir qiladi;
• ikkilamchi elektron, bu katodni yuqori tezlikda harakatlanadigan elektronlar yoki ionlar oqimi bilan bombardimon qilish natijasidir;
• elektrostatik, bunda katod yuzasi yaqinidagi kuchli elektr maydoni uning chegaralaridan tashqarida elektronlarning qochishiga hissa qo'shadigan kuchlarni yaratadi.

Keling, sanab o'tilgan elektron emissiya turlarining har birini batafsil ko'rib chiqaylik.

Termion emissiyasi. Termionik emissiya hodisasi 18-asrning oxirida ma'lum bo'lgan. Bu hodisaning bir qator sifat qonuniyatlari V. V. Petrov (1812), T. L. Edison (1889) va boshqalar tomonidan o'rnatildi.1930-yillarga kelib termion emissiyaning asosiy analitik bog'liqliklari aniqlandi.

Metall qizdirilganda o'tkazuvchanlik zonasida elektronlarning energiya taqsimoti o'zgaradi (1-rasm, egri 2). Elektronlar Fermi darajasidan yuqori energiya bilan paydo bo'ladi. Bunday elektronlar metalldan qochishi mumkin, natijada elektronlar chiqariladi. Termion emissiya oqimining kattaligi katod haroratiga, ish funktsiyasiga va sirt xususiyatlariga bog'liq (Richardson-Dashman tenglamasi):

qayerda Je- emissiya oqimining zichligi, A/sm²; LEKIN- nurlanish yuzasining xususiyatlariga qarab va ko'pgina sof metallarga teng emissiya konstantasi - 40 ... 70 A / (sm² K² '); T- katodning mutlaq harorati; e- natural logarifmlar asosi (e = 2,718); epho metalldan elektronning ish funksiyasi, J; κ \u003d 1,38 10‾²³ J / K - Boltsman doimiysi.

Yuqoridagi termion emissiya tenglamasi metallar uchun amal qiladi. Nopok yarim o'tkazgichlar uchun biroz boshqacha bog'liqlik mavjud, ammo emissiya oqimi va harorat va ish funktsiyasi o'rtasidagi munosabatlar sifat jihatidan bir xil bo'lib qoladi. Tenglama shuni ko'rsatadiki, emissiya oqimining kattaligi eng katta darajada katodning haroratiga bog'liq. Biroq, haroratning oshishi bilan katod materialining bug'lanish tezligi keskin oshadi va uning ishlash muddati kamayadi. Shuning uchun katod qat'iy belgilangan ish harorati oralig'ida ishlashi kerak. Pastki harorat chegarasi kerakli emissiyani olish imkoniyati bilan, yuqorisi esa chiqadigan materialning bug'lanishi yoki erishi bilan belgilanadi.

Emissiya oqimining qiymati katod yuzasi yaqinida ishlaydigan tashqi tezlashtiruvchi elektr maydonidan sezilarli darajada ta'sirlanadi. Bu hodisa Shottki effekti deb ataladi. Katoddan chiqib ketayotgan elektronga tashqi elektr maydoni ishtirokida ikkita kuch ta'sir qiladi - elektronni qaytaruvchi elektr tortishish kuchi va elektronni katod yuzasidan uzoqroq yo'nalishda tezlashtiradigan tashqi maydon kuchi. Shunday qilib, tashqi tezlashtiruvchi maydon potentsial to'siqni kamaytiradi, buning natijasida katoddan elektronlarning ish funktsiyasi pasayadi va elektron emissiyasi ortadi.

Fotoelektron emissiya. Fotoelektron emissiyasi (yoki tashqi fotoelektr effekti) hodisasini birinchi marta 1887-yilda G.Gertz kuzatgan.Fotoelektron emissiyasi uchun miqdoriy bogʻlanishlarni oʻrnatish imkonini beruvchi eksperimental tadqiqotlar 1888-yilda A.G.Stoletov tomonidan amalga oshirilgan.Asosiy qonunlar. fotoeffektni A. Eynshteyn yorug'likning foton nazariyalari asosida tushuntirdi. Ushbu nazariyaga ko'ra, nurlanish energiyasi uzluksiz oqim shaklida emas, balki faqat ma'lum qismlarda (kvanta) uzatilishi va yutilishi mumkin va har bir kvant energiya miqdoriga ega. hv, bu yerda h - Plank doimiysi, va v nurlanish chastotasi hisoblanadi. Shunday qilib, elektromagnit nurlanish (ko'rinadigan va ko'rinmas yorug'lik, rentgen nurlari va boshqalar) fotonlar deb ataladigan individual energiya kvantlarining oqimidir. Fotokatod yuzasiga tushganda, foton energiyasi elektronlarga qo'shimcha energiya berishga sarflanadi. Bu energiya tufayli massaga ega bo'lgan elektron men, chiqish ishini bajaradi Voy va Eynshteyn tenglamasi bilan matematik ifodalangan Vo boshlang'ich tezligini oladi:

Agar ish funktsiyasi kvant energiyasidan kichik bo'lsa, elektron katoddan tashqariga chiqishi mumkin, chunki faqat shu sharoitda dastlabki tezlik Vo, va shuning uchun elektronning kinetik energiyasi:

Biz fotoelektr effektining asosiy xususiyatlarini ta'kidlaymiz:

• Fotokatod yuzasi doimiy spektral tarkibli nurlanish oqimi bilan nurlantirilganda, fotoelektron emissiya oqimi oqimning intensivligiga proportsional bo'ladi (Stoletov qonuni):

qayerda Agar fototokning qiymati; F nurlanish oqimining kattaligi; Kimga fotokatod sirtining nurlanishga sezgirligini tavsiflovchi proportsionallik koeffitsienti.

• Fotokatod chiqaradigan elektronlarning tezligi qanchalik katta bo'lsa, chastota shunchalik yuqori bo'ladi v so'rilgan nurlanish; fotoelektronlarning dastlabki kinetik energiyasi v chastotasining ortishi bilan chiziqli ravishda ortadi.
• Fotoelektrik effekt faqat chastotali nurlanish oqimi bilan nurlanganda kuzatiladi V ≥ Vcr, bu erda Vcr kritik chastota bo'lib, fotoelektr effektining "qizil chegarasi" deb ataladi. Kritik to'lqin uzunligi:

, bu erda c - elektromagnit to'lqinlarning tarqalish tezligi. Da l > lk, fotoelektron emissiyasi yo'q.

• Fotoelektr effekti amalda inersiyasizdir, ya'ni nurlanish boshlanishi va fotoelektronlarning paydo bo'lishi o'rtasida kechikish bo'lmaydi (kechikish vaqti 3 10∧-9 s dan oshmaydi).

Termionik emissiya holatida bo'lgani kabi, fotokatod yaqinidagi tashqi elektr maydonining kuchayishi katodning potentsial to'sig'ini pasaytirish orqali fotoelektron emissiyasini ham oshiradi. Bunday holda, fotoelektr effektining chegarasi uzoqroq to'lqin uzunliklari tomon siljiydi.

Fotokatod ishlab chiqarilgan metallning ish funktsiyasi qanchalik past bo'lsa, bu fotokatod uchun chegara chastotasi shunchalik past bo'ladi. Masalan, fotokatod ko'rinadigan yorug'likka sezgir bo'lishi uchun uning materiali 3,1 eV dan kam ish funktsiyasiga ega bo'lishi kerak. Bu ish funktsiyasi ishqoriy va ishqoriy tuproq metallari (seziy, kaliy, natriy) uchun xosdir. Fotokatodning nurlanish oqimlarining boshqa diapazonlariga sezgirligini oshirish uchun, ko'proq murakkab turlari yarimo'tkazgichli fotokatodlar (ishqoriy-vodorod, kislorod-seziy, surma-seziy va boshqalar).

Ikkilamchi elektron emissiyasi. Ikkilamchi elektron emissiya mexanizmi termion va fotoelektron emissiya mexanizmidan farq qiladi. Agar termion va fotoelektron emissiya paytida elektronlar asosan o'tkazuvchanlik zonasi sathlarida joylashgan bo'lsa, u holda katod yuzasi birlamchi elektronlar yoki ionlar tomonidan bombardimon qilinganda, ularning energiyasi to'ldirilgan bantlarning elektronlari tomonidan ham so'rilishi mumkin. Shuning uchun ikkilamchi emissiya o'tkazgichlardan ham, yarim o'tkazgichlardan va dielektriklardan ham mumkin.

Ikkilamchi elektron emissiyasini tavsiflovchi eng muhim parametr ikkilamchi emissiya koeffitsientidir σ . Bu katod yuzasidan chiqarilgan ikkilamchi elektronlar sonining nisbati n2, katodga tushgan birlamchi elektronlar soniga n1, yoki ikkilamchi aileron emissiya oqimining nisbati I2 birlamchi elektronlarning oqimiga I1:

Ikkilamchi elektron emissiya ba'zi elektron qurilmalarda - fotoko'paytirgichlarda, televizion uzatish quvurlarida va vakuum naychalarining ayrim turlarida qo'llaniladi. Biroq, ko'p hollarda, xususan, ko'pchilik vakuumli quvurlarda, bu istalmagan va qisqarishga moyil bo'ladi.

elektrostatik emissiya. Agar katod yuzasi yaqinidagi tashqi elektr maydoni potentsial to'siqning sekinlashtiruvchi ta'sirini to'liq qoplash uchun etarli kuchga ega bo'lsa, u holda past katod haroratida ham sezilarli elektron emissiyasini olish mumkin. Potensial to'siqni qoplash uchun katod yuzasida intensivlik 10∧8 V/sm bo'lishi kerakligi hisoblab chiqilgan. Biroq, taxminan 10∧6 V/sm maydon kuchida ham sovuq sirtlardan sezilarli elektron emissiyasi kuzatiladi.

Elektrostatik emissiya paydo bo'lishi uchun etarli bo'lgan maydon kuchi qiymatlarini texnik jihatdan olish katta qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi. Shuning uchun elektrostatik emissiya asosan suyuq simob katodli ion qurilmalarida qo'llaniladi. Bunday holda, katod yuzasi yaqinida ionlangan simob bug'ining qatlamini yaratish orqali etarli teri maydoni kuchini olish mumkin.

Manba - Gershunskiy B.S. Elektronika asoslari (1977)

Supero'tkazuvchilarning elektronlari o'z chegaralarida erkin harakat qiladi va etarli energiya so'rilgach, ular tashqariga ham chiqib, tananing yuzasi yaqinidagi potentsial quduqning devorini buzishi mumkin (10.6-rasm). Bu hodisa elektron emissiya deb ataladi (bitta atomda shunga o'xshash hodisa ionlanish deb ataladi).

Da T = 0 emissiya uchun zarur bo'lgan energiya darajalar orasidagi farq bilan belgilanadi W= 0 va Fermi darajasi E R(10.6-rasm) va ish funksiyasi deyiladi. Energiya manbai fotonlar bo'lishi mumkin (9.3-bandga qarang), fotoemissiya (fotoelektr effekti).

Guruch. 10.6

Termionik emissiyaning sababi metallning isishidir. Elektron taqsimlash funktsiyasi buzilganda (10.5-rasmga qarang, b) bu "quyruq" potentsial quduqning kesilishidan tashqariga chiqishi mumkin, ya'ni. ba'zi elektronlar metallni tark etish uchun etarli energiyaga ega. Bu odatda elektronlarni vakuumga etkazib berish uchun ishlatiladi.

Issiqlik emissiyasini ishlatadigan eng oddiy qurilma elektrovakuum diodidir (10.7-rasm, a). Uning K katodi EMF manbasidan isitiladi ? va va elektronlar chiqaradi, ular anod va katod orasidagi elektr maydoni ta'sirida tok yod hosil qiladi. Elektrovakuum diodi fotodioddan asosan elektronlarning chiqishiga sabab bo'lgan energiya manbasida farq qiladi, shuning uchun ularning oqim kuchlanish xususiyatlari o'xshash. Ko'proq kuchlanish U a anod va katod o'rtasida, katodda ularning bulutidan elektronlarning katta qismi vaqt birligida elektr maydoni tomonidan tortiladi. Shuning uchun, kuchlanish kuchayishi bilan U a joriy I ortib bormoqda. Ba'zi kuchlanishlarda nol allaqachon tortiladi hammasi katodni tark etuvchi elektronlar va keyingi o'sish kuchlanish oqimning oshishiga olib kelmaydi - to'yinganlik paydo bo'ladi.

Guruch. 10.7

SAVOL. Nima uchun to'yinganlik oqimi T, G bilan qaraganda ko'proq, (10.7-rasm, b)? JAVOB. Da T 2 > D, vaqt birligida katodni ko'proq elektronlar tark etadi.

Amaldagi kuchlanishning teskari qutbliligi bilan ("minus" anodga va "ortiqcha" katodga ulanadi) elektronlar tezlashmaydi, balki sekinlashadi, shuning uchun elektrovakuum diodi oqimni faqat birida o'tkazishga qodir. yo'nalish, ya'ni. unda bor bir tomonlama o'tkazuvchanlik. Bu undan foydalanishga imkon beradi rektifikator oqimi(10.7-rasm, ichida): kuchlanishning ijobiy yarim to'lqini ta'sirida diod oqimdan o'tadi, ammo salbiy yarim to'lqin paytida u o'tmaydi.

1907 yilda amerikalik Li de Forest diodaga uchinchi panjara elektrodini qo'shdi, bu esa elektr signallarini kuchaytirish imkonini berdi. Keyinchalik bunday triod boshqa elektrodlar bilan to'ldirildi, bu esa turli xil turlarini yaratishga imkon berdi kuchaytirgichlar, generatorlar va konvertorlar. Bu elektrotexnika, radiotexnika va elektronikaning jadal rivojlanishiga olib keldi. Keyin tayoqchani vakuum naychalari o'rnini bosadigan yarimo'tkazgichli qurilmalar oldi, ammo CRT, rentgen naychalari, elektron mikroskoplar va ba'zi vakuum naychalarida termal emissiya hali ham dolzarbdir.

Elektron emissiyaning yana bir manbai material sirtini turli zarralar tomonidan bombardimon qilish bo'lishi mumkin. Ikkilamchi elektron-elektron emissiyasi o'z energiyasining bir qismini moddaning elektronlariga o'tkazadigan tashqi elektronlarning ta'siri natijasida yuzaga keladi. Bunday emissiya, masalan, fotoko'paytiruvchi naychada (PMT) qo'llaniladi (10.8-rasm, a). Uning fotokatodi 1 yorug'lik ta'sirida elektronlar chiqaradi. Ular elektrod (dinod) tomon tezlashadi. 2, undan ikkilamchi elektronlarni chiqarib yuboradi, ular dinod tomon tezlashadi 3 va hokazo. Natijada, birlamchi fotooqim shu darajada ko'payadiki, PMT hatto bitta fotonni ham ro'yxatdan o'tkazishga qodir.

Guruch. 10.8

Xuddi shu printsip yangi avlodning tasvirni kuchaytiruvchi trubkasida (9.3-bandga qarang) qo'llanilgan. U yuz minglab fotoko'paytirgichlarni o'z ichiga oladi (ob'ektlar tasvirini tashkil etuvchi piksellar soniga ko'ra), ularning har biri kengligi ~ 10 mkm bo'lgan metalllashtirilgan mikrokanaldir. Ushbu kanal bo'ylab elektronlar xuddi optik toladagi yorug'lik va PMT dagi elektronlar kabi bir xil zigzag tarzda harakatlanadi, ikkinchi darajali emissiya tufayli kanal devorlari bilan har bir to'qnashuvda ko'payadi. Elektron traektoriyasi to'g'ri chiziqlidan (faqat kanal kengligida) sezilarli darajada farq qilganligi sababli, bunday kanallar to'plami fotokatod va ekran o'rtasida joylashgan (10.8-rasm, b) fotoelektronlarni fokuslash zaruriyatini bartaraf qiladi (9.4-rasm bilan solishtiring). Har bir kanal nafaqat elektronlarni ko'paytirishni, balki ularni kerakli nuqtaga o'tkazishni ham amalga oshiradi, bu esa tasvirning ravshanligini ta'minlaydi.

Ikkilamchi ion-elektron emissiyasida birlamchi zarralar - energiya tashuvchilar ionlardir. DA gaz chiqarish qurilmalari ular katoddan elektronlarning ko'payishini ta'minlaydi, keyinchalik ular gaz molekulalarining ionlanishi bilan ko'payadi (5.9-bandga qarang).

Emissiyaning juda ekzotik turi ham mavjud bo'lib, uning kelib chiqishi Heisenberg noaniqlik printsipi bilan izohlanadi. Agar metall yuzasi elektronlarni tezlashtiradigan elektr maydoniga ega bo'lsa, u holda to'g'ri chiziq potentsial to'siq 1 ustiga qo'yiladi. masalan(10.6-rasmda 2), va to'siq to'siqqa aylanadi 3. Agar elektronning umumiy energiyasi teng bo'lsa. V, bular. ustida A V to'siqning balandligidan kamroq, keyin klassik g'oyalarga ko'ra, uni "oling", ya'ni. tashqariga chiqa olmaydi. Biroq, kvant tushunchalariga ko'ra, elektron ham to'lqin, bu nafaqat aks ettirilgan optik jihatdan zichroq muhitdan, balki singan. Shu bilan birga, funktsiyaning mavjudligi to'siq ichida u yerda elektronni topishning chekli ehtimolini bildiradi. "Klassik" nuqtai nazardan, bu mumkin emas, chunki to'liq elektron energiyasi V, va uning tarkibiy qismi salohiyat energiya - bu sohada teng W+ AVK, ya'ni. qism butundan kattaroqdir! Shu bilan birga, ba'zilari ham bor noaniqlik Vaqtga bog'liq bo'lgan AVK energiyasi Da elektronning to'siq ichida qolishi: AWAt>h. Kamaymoqda Da: noaniqlik A.V. kerakli qiymatga erisha oladi va Shredinger tenglamasining yechimi | sonli qiymatlarni beradi p | 2 s tashqarida to'siq, ya'ni. elektronning to'siqdan sakrab o'tmasdan chiqib ketishi ehtimoli bor! U qanchalik past bo'lsa, balandroq AW n At.

Ushbu xulosalar amalda tunnel yoki pastki to'siqning mavjudligi bilan tasdiqlanadi. U hatto ~10 6 -10 7 V/sm maydonlarda metalldan elektronlar chiqarishni ta'minlovchi dasturni topadi. Bunday emissiya isitish, nurlanish yoki zarrachalar bombardimon qilmasdan sodir bo'lganligi sababli, u maydon emissiyasi deb ataladi. Odatda u maydon kuchi keskin oshib boruvchi barcha turdagi nuqtalardan, o'simtalardan va hokazolardan paydo bo'ladi. Bundan tashqari, vakuum bo'shlig'ining elektr buzilishiga olib kelishi mumkin.

1986 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofoti skanerlash ixtirosiga sazovor bo'ldi elektron mikroskop. Uning laureatlari nemis fizigi E. Ruska va G. Binnig va shveytsariyalik fizigi G. Rorerdir. Ushbu qurilmada yupqa igna undan kichik masofada sirt bo'ylab skanerdan o'tkazadi. Bu holda paydo bo'ladigan tunnel oqimi elektronlarning energiya holatlari haqida ma'lumot olib boradi. Shunday qilib, atom aniqligi bilan sirt tasvirini olish mumkin, bu mikroelektronikada ayniqsa muhimdir.

Tunnel effekti ion-elektron emissiyasi paytida rekombinatsiya (yuqoriga qarang), ishqalanish orqali elektrlashtirish uchun javobgardir, bunda elektronlar bir materialning atomlaridan boshqasining atomlariga o'tadi. Shuningdek, u kovalent bog'lanishda elektronlarning sotsializatsiyasini aniqlaydi, bu energiya darajalarining bo'linishiga olib keladi (10.5-rasmga qarang). a).

tanadagi va iondagi e 1 – e i 1 elektronning energiya darajalari orasidagi farqga teng energiyaning ortiqcha chiqishi. Bu energiya boshlang'ich energiyasi e 2 (Auger jarayoni) bo'lgan tananing boshqa elektroniga o'tkazilishi yoki yorug'lik kvanti sifatida chiqarilishi mumkin. Ikkinchi jarayon kamroq bo'ladi. Agar hayajonlangan elektronning energiyasi e = e 2 + (e 1 – e i 1 ) noldan katta bo'lsa, u emitentni tark eta oladi. Shunday qilib, tananing ikkita elektroni emissiya aktida ishtirok etadi: biri ikkinchisini neytrallash bilan tanadan ionga tunnel orqali energiya chiqaradi, ikkinchisi bu qo'zg'alish energiyasini oladi va tanani tark etadi, ya'ni. bizda ham tunnel o'tish jarayoni, ham qo'zg'alish jarayoni mavjud.

10.7 Issiq elektron emissiyasi

Issiq elektronlarning emissiyasi - yarimo'tkazgichning elektronlar, unda elektr maydoni mavjud bo'lganda. Issiq elektronlar o'tkazuvchanlik zonasidan chiqariladi. Shunung uchun zarur shart Ushbu elektronlarning emissiyasining paydo bo'lish ehtimoli ularning asosiy diapazondan yoki donor sathidan o'tkazuvchanlik zonasiga dastlabki termal qo'zg'alishidir. Shunday qilib, issiq elektronlarni chiqarish jarayonida elektron qo'zg'alishning ikki xil mexanizmi haqiqatda amalga oshiriladi: 1) panjaraning issiqlik energiyasi tufayli ularning o'tkazuvchanlik zonasiga qo'zg'alishi; 2) o'tkazuvchanlik zonasidagi elektronlarning vakuum darajasidan oshib ketadigan energiya darajalariga qo'zg'alishi. Ushbu turdagi qo'zg'alish yarimo'tkazgichdagi elektr maydon kuchlarining ishi tufayli yuzaga keladi; Oxir-oqibat, bu energiya maydonni yaratadigan tashqi kuchlanish manbasidan olinadi. Yarimo'tkazgichda elektr maydonining mavjudligi o'tkazuvchanlik zonasida joylashgan elektronlarning tezlashishiga olib keladi. Bu elektronlar tananing fononlari bilan o'zaro ta'sir qiladi. Elektronlarning bunday to'qnashuvlarida ularning harakat yo'nalishida keskin o'zgarishlar yuz berishi mumkin va ularning tezligini faqat kichik yo'qotish sodir bo'ladi. Natijada, elektronlarning o'rtacha energiyalari ionlarga qaraganda yuqori; elektron gazning harorati kristall panjara haroratidan yuqori ekanligini aytishimiz mumkin. Bu elektron emissiyaning paydo bo'lishiga olib keladi, uni shartli ravishda "issiqlik emissiyasi" deb atash mumkin, ammo uni aniqlaydigan harorat panjara haroratidan yuqori bo'ladi.

10.8 Birlashgan emissiyalar

Eng ko'p qo'llaniladigan Schottky effektiga asoslangan emissiyaning kombinatsiyalangan turi. 2-bandda aytib o'tilganidek, tashqi elektr maydoni qo'llanilganda, to'siq balandligi pasayadi va shu bilan kamayadi. samarali ish Chiqish. Shuning uchun, bu holda, elektronlarni yuqori potentsial to'siq balandliklarining energiya darajalariga o'tkazish uchun ularni kichikroq (energiya jihatidan) dastlabki qo'zg'alish talab qilinadi. Shunday qilib, elektr maydonining qo'llanilishi barcha turdagi emissiyani oldindan qo'zg'atish bilan rag'batlantiradi. Shuning uchun emissiyaning kombinatsiyalangan turi birinchi navbatda quyidagilarni o'z ichiga oladi: avto-

ELEKTRON Emissiya qattiq yoki suyuqlik yuzasida elektronlar chiqishi. Elektron kondensatsiyalangan muhitni vakuum yoki gazda tark etishi uchun energiya sarflanishi kerak, bu ish funktsiyasi deb ataladi. Elektronning potentsial energiyasining emitent va vakuum (yoki boshqa muhit) chegarasidagi koordinataga bog'liqligi potentsial to'siq deb ataladi. Emitentni qoldirib, elektron tomonidan engib o'tish kerak.

Emissiya ikki holatda saqlanishi mumkin. Birinchisi, potentsial to'siqni engib o'tishni ta'minlaydigan elektronlarni energiya bilan ta'minlash yoki shunday kuchli tashqi maydonni yaratish, potentsial to'siq ingichka bo'lib, tunnel effekti (maydon emissiyasi) sezilarli bo'ladi, kvant penetratsiyasi. potentsial to'siq orqali elektronlar, ya'ni. ish funktsiyasidan kamroq energiyaga ega bo'lgan elektronlarning emissiyasi. Tanani bombardimon qilgan fotonlar orqali energiyani uzatish fotoemissiyaga olib keladi, elektronlar tomonidan bombardimon qilish ikkilamchi elektron emissiyasini va ionlar tomonidan - ion-elektron emissiyasini keltirib chiqaradi. Emissiyaga sabab bo'lishi mumkin ichki maydonlar - issiq elektronlarning emissiyasi. Bu mexanizmlarning barchasi bir vaqtning o'zida harakat qilishi mumkin (masalan, termal maydon emissiyasi, fotofild emissiyasi).

Ikkinchi shart - bu chiqarilgan elektronlarni tanadan olib tashlashni ta'minlaydigan tashqi elektr maydonini yaratish, buning uchun, xususan, elektronlarni emitentga zaryad qilmasligi uchun olib kelish kerak. Agar chiqarilgan elektronlarni olib tashlashni ta'minlaydigan tashqi maydon maydon emissiyasi uchun etarli bo'lmasa, lekin potentsial to'siqni pasaytirish uchun etarli bo'lsa, Shottki effekti sezilarli bo'ladi - emissiyaning tashqi maydonga bog'liqligi. Emissiya yuzasi bir hil bo'lmasa va uning ustida turli xil ish funktsiyalariga ega "dog'lar" mavjud bo'lsa, uning yuzasida elektr "nuqta maydoni" paydo bo'ladi. Bu maydon qo'shnilarga qaraganda pastroq ish funktsiyasi bilan katod bo'limlaridan qochib ketadigan elektronlarni sekinlashtiradi. Tashqi elektr maydoni dog'lar maydoniga qo'shiladi va ortib, dog'larning inhibitiv ta'sirini yo'q qiladi. Natijada, bir hil bo'lmagan emitentdan emissiya oqimi bir xil emitent (anomal Shottki effekti) holatiga qaraganda tezroq maydonning ortishi bilan ortadi.

Termion emissiyasi. 19-asrning o'rtalarida qizdirilgan qattiq jismlar yaqinida havo elektr o'tkazuvchisiga aylanishi ma'lum edi, ammo bu hodisaning sababi noaniq bo'lib qoldi. Tajribalar natijasida J. Elster va G. Geytel atrofdagi havoning kamaytirilgan bosimida oq-issiq metall yuzasi musbat zaryad olishini aniqladi. Issiq elektrod va musbat zaryadlangan elektrod orasidagi vakuumdagi tok oqimi T.Edison (1884) tomonidan kashf etilgan, J. Tomson (1887) tomonidan elektronlar (manfiy zaryadlangan zarralar) emissiyasi, termion emissiya nazariyasi bilan izohlangan. O. Richardson tomonidan ishlab chiqilgan (1902, ba'zan u kashfiyot va effektning o'zi hisoblangan). Bir tomonlama o'tkazuvchanlik J. Fleming tomonidan kashf etilgan (1904, ba'zan Edisonga tegishli), garchi uning diodasi to'liq vakuum emas, balki kosmik zaryadning qisman kompensatsiyasi bilan. Termiyonik emissiya oqimi katodning harorati (ya'ni elektronlarning energiyasi) va ish funktsiyasi bilan belgilanadi. Maksimal emissiya oqimi ish funktsiyasining haroratga nisbati bilan belgilanadi, u to'yingan oqim deb ataladi. Katodning harorati, o'z navbatida, katod materialining bug'lanishi (ya'ni, hayot) bilan chegaralanadi.

Fotoelektron emissiya - elektromagnit nurlanish (fotonlar) ta'sirida qattiq va suyuqliklar tomonidan elektronlarning chiqarilishi, bunda chiqarilgan elektronlar soni nurlanish intensivligiga proportsionaldir. Har bir modda uchun chegara mavjud - nurlanishning minimal chastotasi (maksimal to'lqin uzunligi), undan pastda emissiya sodir bo'lmaydi, fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasi nurlanish chastotasi bilan chiziqli ravishda ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas. Fotoemissiya sirtning ish funktsiyasiga sezgir. Kvant rentabelligining oshishi va fotoemissiya chegarasining siljishi metall yuzasini elektromusbat Cs (seziy) yoki Rb (rubidiy) atomlarining monotomik qatlami bilan qoplash orqali erishiladi, bu esa ko'pchilik metallar uchun ish funktsiyasini 1,4-1,7 eV gacha kamaytiradi. . Fotoemissiya Gustav Gertz (1887) tomonidan kashf etilgan bo'lib, u ultrabinafsha nurlar bilan kuchlanish ostida uchqun bo'shlig'i elektrodlarini yoritish buzilishni osonlashtirishini aniqladi. V. Galvaks, A. Rigi, A. G. Stoletov (1885) tomonidan tizimli tadqiqotlar olib borildi va Gerts tajribasida materiya yorug'lik ta'sirida zaryadlarning ajralib chiqishiga qadar qisqarishini ko'rsatdi. F.Lenard va J.Tomson (1898) bular aynan elektronlar ekanligini isbotladilar.

Yarimo'tkazgichlar va dielektriklarning fotoemissiyasi elektromagnit nurlanishning kuchli yutilishi bilan aniqlanadi.

Avtoelektron emissiya (maydon emissiyasi, elektrostatik emissiya, tunnel emissiyasi) - o'tkazuvchan qattiq va elektronlar tomonidan elektronlarning emissiyasi. suyuq jismlar yuqori intensivlikdagi tashqi elektr maydoni ta'sirida R. Vud (1897) vakuumli razryadni o'rganishda kashf etgan. Avtoelektron emissiya tunnel effekti bilan izohlanadi va boshqa turdagi elektronlar emissiyasi uchun zarur bo'lgan elektronlarni qo'zg'atish uchun energiya sarfisiz sodir bo'ladi. Avtoelektron emissiyada elektronlar potentsial to'siqni yengib o'tadi, issiqlik harakatining kinetik energiyasi tufayli (termionik emissiyada bo'lgani kabi) uning ustidan o'tmaydi, balki to'siqdan tunnel o'tib, elektr maydoni bilan kamayadi va torayadi.

Dala emissiyasi kuchli maydon va ish funktsiyasiga bog'liq va zaif haroratga bog'liq. Past haroratlarda joriy chekinish emitentning isishiga olib keladi, chunki chiquvchi elektronlar energiyani o'rtacha Fermi energiyasidan kamroq o'tkazadi, harorat oshishi bilan isitish sovutish bilan almashtiriladi - ta'sir "inversiya harorati" dan o'tib, simmetrik ravishda chiqadigan elektronlarning umumiy energiya taqsimotiga mos keladigan belgini o'zgartiradi. Fermi darajasiga. Yarimo'tkazgichlardan maydon emissiyasining xususiyatlari emitentga elektr maydonining kirib borishi, elektronlarning past konsentratsiyasi va sirt holatlarining mavjudligi bilan bog'liq. Maydon emissiyasi rejimida olinishi mumkin bo'lgan maksimal oqim zichliklari emitentning Joule qizdirilishi, u orqali o'tadigan oqim va emitentning elektr maydoni tomonidan yo'q qilinishi bilan cheklanadi. Dala emissiyasi rejimida statsionarda 10 7 A / sm 2 (emitent yuzasida) tartibidagi oqimlar va impulsli rejimlarda 10 9 A / sm 2 olinadi. Statsionar rejimda ko'proq oqim olishga harakat qilganingizda, emitent yo'q qilinadi. Puls rejimida, oqimni oshirishga harakat qilganda, emitent "portlovchi emissiya rejimi" deb ataladigan boshqa rejimda ishlay boshlaydi.

Maydon emissiyasining ish funktsiyasiga kuchli bog'liqligi dala katodining ishlashining beqarorligiga olib keladi. Sirtning ish funktsiyasi yuqori vakuumda yuzada sodir bo'ladigan jarayonlarga ham, etarli darajada yuqori bo'lmagan vakuumning ta'siriga ham bog'liq: diffuziya, migratsiya, sirtni qayta tartibga solish va qoldiq gazlarning sorbsiyasi. Eng ko'p ishlatiladigan material - volfram - gazlarni yaxshi absorbe qiladi. Bu gazlarni yaxshi singdirmaydigan metallardan, masalan, reniy yoki undan ham ko'proq passiv ugleroddan foydalanishga ko'plab urinishlarga olib keldi, ammo ular katta qarshilikka ega. Metallni uglerod plyonkasi bilan qoplash taklif qilindi. Sirtdagi gazning sorbsiyasini dala emitentini doimiy ravishda ozgina qizdirish yoki sirtni tozalash uchun davriy kuchli impulsli isitish orqali kamaytirish mumkin. Umuman olganda, uchun barqaror ishlash zamonaviy dala katodlari issiq katodlar uchun zarur bo'lganidan bir yoki uch baravar yuqori vakuumni talab qiladi.

Maydon emissiyasi kuchli bog'liq bo'lgan chiqish ishidan keyingi ikkinchi parametr - bu emitentdagi elektr maydon kuchi, bu esa, o'z navbatida, qurilmadagi o'rtacha maydonga (tashqi kuchlanishning bo'shliq hajmiga nisbati) va emitentning geometriyasi, chunki emitentdagi maydonni oshirish uchun, qoida tariqasida, "o'tkir" shakllar - o'simtalar, iplar, nuqtalar, pichoqlar, kolba uchlari yoki ularning tizimlari - ip to'plamlari, pichoq paketlari, uglerod nanotubalari va boshqalar. Nisbatan yuqori oqimlarni tanlash uchun ko'p nuqtali tizimlar, plyonkalar va plyonkalarning chekkalarida ko'p emitentli tizimlar va boshqalar qo'llaniladi. Maslahatlar emitent sifatida ishlatilishi elektron traektoriyalarining parallel bo'lmasligiga olib keladi va emitent elektrod tekisligiga parallel yotgan tezlik komponenti bo'ylama komponent bilan taqqoslanishi mumkin. Nur kengayadigan, fan shaklida bo'lib chiqadi va katod ko'p qirrali yoki ko'p pichoqli bo'lsa, u laminar emas.

Ikkilamchi elektron emissiyasi (1902 y. L. Ostin va G. Stark tomonidan kashf etilgan) qattiq jismning elektronlar bilan bombardimon qilinganda uning sirtidan elektronlar chiqarishdir. Tanani bombardimon qiluvchi elektronlar (birlamchi deb ataladi) qisman tanada energiya yo'qotmasdan (elastik aks ettirilgan elektronlar), qolganlari energiya yo'qotilishi bilan (noelastik aks ettirish) aks ettiriladi. Agar energiya olgan elektronlarning energiyasi va impulsi tananing sirtidagi potentsial to'siqni engib o'tish uchun etarli bo'lsa, u holda elektronlar tananing sirtini (ikkilamchi elektronlar) tark etadi. Yupqa plyonkalarda ikkilamchi elektron emissiyasi nafaqat bombardimon qilingan sirtdan (aks ettirish emissiyasi), balki qarama-qarshi sirtdan ham (emissiya orqali otish) kuzatiladi. Miqdoriy jihatdan ikkilamchi elektron emissiyasi "ikkilamchi emissiya koeffitsienti" (SEC) bilan tavsiflanadi - ikkilamchi elektronlar oqimining birlamchi elektronlar oqimiga nisbati, elektronlarning elastik va noelastik aks etish koeffitsienti, shuningdek, elektronlarning emissiya koeffitsienti. ikkilamchi elektronlar (tegishli elektronlar oqimlarining asosiy oqimga nisbati). Barcha koeffitsientlar birlamchi elektronlarning energiyasiga ham, ularning tushish burchagiga, kimyoviy tarkibiga va namuna yuzasi topografiyasiga bog'liq. O'tkazuvchanlik elektronlarining zichligi yuqori bo'lgan metallarda hosil bo'lgan ikkilamchi elektronlarning chiqib ketish ehtimoli kichikdir. Elektron konsentratsiyasi past bo'lgan dielektriklarda ikkilamchi elektronlarning chiqib ketish ehtimoli kattaroqdir. Elektronning qochish ehtimoli sirtdagi potentsial to'siqning balandligiga bog'liq.

Natijada, bir qator metall bo'lmagan moddalar uchun (ishqoriy tuproq metallari oksidi, gidroksidi galoid birikmalari) EEF > 1, maxsus ishlab chiqarilgan samarali emitentlar uchun ( pastga qarang) TBE >> 1, metallar va yarim o'tkazgichlar uchun odatda 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.

Dielektrikda kuchli elektr maydonini (105-106 V / sm) yaratish TEC ning 50-100 gacha (maydon tomonidan kuchaytirilgan ikkilamchi emissiya) oshishiga olib keladi. Bunday vaziyatda EEC qatlamning g'ovakliligiga bog'liq bo'lishni boshlaydi - g'ovaklarning mavjudligi emitentning samarali yuzasini oshiradi va maydon ulardan ikkilamchi elektronlarni chiqaradi, bu esa g'ovaklarning devorlariga tegib, o'z navbatida. EEC > 1 bilan emissiyaga va elektron ko'chkilarning paydo bo'lishiga olib keladi. Bu o'z-o'zidan sovuq emissiyaga olib kelishi mumkin, bu elektron bombardimon to'xtatilgandan keyin ham davom etadi (emitentga zaryad qo'llanilganda).

Ikkilamchi elektron katodlarni qo'llashning asosiy sohalari ikkilamchi elektron (SEM) va fotoelektron (PMT) ko'paytirgichlari, M tipidagi EVP (bunda elektronlar o'zaro perpendikulyar elektr va magnit maydonlarda harakatlanadi) va ikkilamchi emissiya bilan qabul qiluvchi-kuchaytiruvchi lampalar. Barcha ilovalar uchun eng muhim ikkilamchi emissiya parametrlari quyidagilardir: EECning past birlamchi elektron energiyalari mintaqasida ikkilamchi emissiya koeffitsienti, odatda EEC = 1 bo'lgan energiya bilan tavsiflanadi, EEC ning maksimal qiymati va EEC maksimal darajaga etganida birlamchi elektronlarning energiyasi.

Ion-elektron emissiyasi - ionlar ta'sirida elektronlarning chiqishi. Ion-elektron emissiyasining ikkita mexanizmi ma'lum: potentsial - kiruvchi ion maydoni orqali elektronlarni tanadan tortib olish va kinetik - ionning kinetik energiyasi tufayli elektronlarni tanadan chiqarib yuborish. Potentsial emissiya koeffitsienti ionning ionlanish energiyasining ortishi va maqsadning ish funktsiyasining pasayishi bilan ortadi va Ne + / W (neon / volfram), He + / W (geliy / volfram), Ar juftlari uchun. + / Vt (argon / volfram), masalan, mos ravishda 0, 24, 0,24 va 0,1 ni tashkil qiladi va kuchsiz ravishda ion energiyasiga bog'liq. Mo (molibden) maqsadi va bir xil ionlar uchun bu koeffitsientlar taxminan 10% yuqori.

Ko'p zaryadlangan ionlar bilan bombardimon qilinganda, ion-elektron emissiyasi ortadi - 2, 3, 4 zaryadlangan ionlar uchun u bir martalik zaryadlangan ionlarga qaraganda mos ravishda taxminan 4, 10, 20 marta kattaroqdir. Potentsial ion-elektron emissiyasi sirt holatiga kuchli bog'liq, chunki u ish funktsiyasi bilan belgilanadi. Bu eksperimental ma'lumotlarning nisbatan katta tarqalishini talab qiladi.

1 keV dan kam energiyalarda kinetik ion-elektron emissiyasi amalda yo'q, keyin u chiziqli ravishda ortadi, keyin sekinroq, maksimaldan o'tadi va kamayadi, bir necha MeV energiyaga koeffitsient taxminan birlikka tushadi. Ion-elektron emissiyasi elektronlar manbai ionlar tomonidan bombardimon qilingan katod bo'lgan bir qator elektron gaz-razryad qurilmalarining ishlashida muhim rol o'ynaydi. Ba'zi hollarda ion-elektron emissiya jarayoni qurilma hajmida elektronlarning asosiy miqdorini hosil qiladi.

Issiq elektronlarning emissiyasi elektronlarning "isitishi" tufayli emissiya, ya'ni. energiyani elektronlarga o'tkazish yoki elektr maydoniga ta'sir qilish. Agar termion emissiya qattiq jismdan chiqishdagi potentsial to'siqning qiymati va uni yengib o'tuvchi elektronlar energiyasi bilan aniqlansa va uni olish uchun qattiq jism qizdiriladi ( eng oddiy usul elektronlarni isitish), keyin siz tanani isitishga murojaat qilmasdan elektronlarni isitishga harakat qilishingiz mumkin. Elektronlar zaryadlangan zarralar bo'lganligi sababli, ularni "isitish" ning eng oddiy usuli ularga elektr maydonini qo'llashdir. Issiq elektronlar emissiyasi bilan katodni yaratish, birinchi navbatda, o'tkazgich yoki yarim o'tkazgichda katta elektr maydonini yaratishdir. Buning uchun o'tkazgich va yarimo'tkazgich "buzilgan" bo'lishi kerak, ularning o'tkazuvchanligini pasaytiradi, chunki. aks holda, bu katta maydonda ular orqali katta oqim o'tadi va katod muvaffaqiyatsiz bo'ladi.

Metallni "buzish" usullaridan biri uni alohida zarrachalarga bo'lishdir. Agar ular orasidagi bo'shliqlar kichik bo'lsa, 10 mikron tartibida, elektronlar bir zarrachadan ikkinchisiga tunnel (potentsial to'siqni yengib o'tadi, katta maydon bilan kamayadi va torayadi) va bu o'tkazuvchanlikka olib keladi. Ammo monolit metall orqali oqim bilan solishtirganda oqim sezilarli darajada kamayadi, ya'ni. qarshilik kuchayadi. Bu maydonni ko'paytirish imkonini beradi. Shunda elektronlarning energiyasi shunchalik ko'payadiki, ular vakuumga chiqishi mumkin bo'ladi. Issiq elektron emissiya katodlari metall yoki yarimo'tkazgichning yupqa plyonkasi yotqizilgan dielektrik substrat shaklida amalga oshiriladi. Kichkina kino qalinligida odatda "orol" olinadi; bo'shliqlar bilan ajratilgan alohida kichik zarralardan iborat. Elektronlarning chiqishini osonlashtirish uchun katod ko'pincha Cs (seziy), BaO ning ish funktsiyasini kamaytiradigan moddalarning nozik (taxminan bir atomli) plyonkalari bilan qoplanadi. Odatda asosiy kino moddasi sifatida Au (oltin), SnO 2, BaO ishlatiladi. Eng yaxshi olingan parametrlar quyidagilardir - joriy chekinish uzoq vaqt davomida 1 A / sm 2 va qisqa vaqt uchun 10 A / sm 2 ni tashkil qiladi. Bunday holda, samaradorlik (emissiya oqimining plyonka orqali oqadigan oqimga nisbati) 100% ga yaqinlashishi mumkin.

Leonid Ashkinazi

Ark bo'shlig'ining o'tkazuvchanligini ta'minlashda turli sabablar ta'sirida katod tomonidan ta'minlangan elektronlar muhim rol o'ynaydi. Katod elektrod yuzasidan elektronlarni chiqarish jarayoni yoki sirt bilan bog'lanishdan elektronlarni chiqarish jarayoni elektron emissiya deb ataladi. Emissiya jarayoni uchun energiya sarflash kerak.

Katod yuzasidan elektronlarni chiqarish uchun etarli bo'lgan energiya ish funktsiyasi deb ataladi ( U chiqib )

U elektron voltlarda o'lchanadi va odatda ionlash ishidan 2-3 baravar kam.

Elektron emissiyaning 4 turi mavjud:

1. Termionik emissiya

2. Dala emissiyasi

3. Fotoelektron emissiya

4. Og'ir zarralar ta'sirida emissiya.

Termiyonik emissiya elektrod - katod yuzasining kuchli isishi ta'sirida davom etadi. Isitish ta'sirida katod yuzasida joylashgan elektronlar, ularning kinetik energiyasi elektrod yuzasining atomlariga tortish kuchlariga teng yoki kattaroq bo'lganda, ular sirt bilan aloqani yo'qotib, sirtga uchib ketganda shunday holatga ega bo'ladilar. yoy bo'shlig'i. Elektrod (katod) uchining kuchli isishi, uning qism bilan aloqa qilish momentida, bu aloqa faqat nosimmetrikliklar mavjudligi sababli yuzaning ma'lum nuqtalarida sodir bo'lganligi sababli sodir bo'ladi. Bu holat, oqim mavjud bo'lganda, aloqa nuqtasining kuchli isishiga olib keladi, buning natijasida yoy boshlanadi. Sirt harorati elektronlarning simulyatsiyasiga katta ta'sir qiladi. Emissiya odatda joriy zichlik bilan baholanadi. Termion emissiyasi va katod harorati o'rtasidagi bog'liqlik Richardson va Deshman tomonidan o'rnatildi.

qayerda j0- joriy zichlik, A/sm2;

φ elektronning ish funksiyasi, e-V;

LEKIN- nazariy qiymati A \u003d 120 a / sm 2 deg 2 bo'lgan doimiy qiymat (metallar uchun eksperimental qiymat A \u003e 62,2).

Avtoelektron emissiyada elektronlarni chiqarish uchun zarur bo'lgan energiya tashqi elektr maydon tomonidan beriladi, bu xuddi elektronlarni metallning elektrostatik maydoni ta'siridan tashqarida "so'radi". Bunday holda, oqim zichligini formuladan hisoblash mumkin

, (1.9)

qayerda E elektr maydon kuchi, V/sm;

Haroratning oshishi bilan avtoelektron emissiya qiymati kamayadi, lekin past haroratlarda uning ta'siri hal qiluvchi bo'lishi mumkin, ayniqsa yuqori elektr maydon kuchida (10 6 - 10 7 V / sm), Braun M.Ya. va G.I. Pogodin-Alekseevni elektrodga yaqin hududlarda olish mumkin.

Radiatsiya energiyasi so'rilganda shunday yuqori energiyali elektronlar paydo bo'lishi mumkinki, ularning ba'zilari sirtni tark etadi. Fotoemissiya oqimining zichligi formula bilan aniqlanadi

qayerda α - yoylarni payvandlash uchun qiymati noma'lum bo'lgan aks ettirish koeffitsienti.

Fotoemissiyaga, shuningdek ionlanishga olib keladigan to'lqin uzunliklari formula bilan aniqlanadi

Ionlanishdan farqli o'laroq, ishqoriy va ishqoriy tuproq metallari yuzasidan elektronlar chiqishi ko'rinadigan yorug'lik ta'sirida yuzaga keladi.

Katod yuzasi og'ir zarralar (musbat ionlar) ta'siriga duchor bo'lishi mumkin. Katod yuzasiga ta'sir qilganda ijobiy ionlar:

Birinchidan, ular ega bo'lgan kinetik energiyani beradi.

Ikkinchidan, katod yuzasida neytrallash mumkin; ular elektrodga ionlanish energiyasini beradi.

Shunday qilib, katod qo'shimcha energiya oladi, u isitish, eritish va bug'lanish uchun ishlatiladi va bir qismi yana elektronlarning sirtdan qochishiga sarflanadi. Katoddan elektronlarning etarlicha intensiv emissiyasi va yoy bo'shlig'ining mos keladigan ionlanishi natijasida barqaror zaryadsizlanish o'rnatiladi - ma'lum bir kuchlanishdagi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ma'lum miqdordagi oqim bilan elektr yoyi.

Muayyan turdagi emissiyaning rivojlanish darajasiga qarab, uch turdagi payvandlash yoylari ajratiladi:

Issiq katod yoylari;

Sovuq katod yoylari;