Виды эмиссии электронов. Электронная эмиссия и ее виды. Дуги с холодным катодом

Движение вторичных электронов сопровождается потерей энергии при столкновении с другими электронами.

Сопоставление этих двух элементарных процессов позволяет качественно объяснить зависимость f (e U 1 ) .

С одной стороны, в результате увеличения энергии первичных электронов в эмиттере растет число вторичных электронов, создаваемых каждым первичным электроном. Это является предпосылкой увеличения.

С другой стороны, первичный электрон, обладающий большой скоростью, сравнительно редко передает энергию электронам эмиттера, причем небольшими порциями, недостаточными для выхода вторичных электронов. По мере торможения вторичного электрона его способность отдавать энергию растет, поэтому оставшуюся часть своей энергии он отдает в конце пути. Чем больше энергия первичного электрона, тем глубже он проникает в материал эмиттера и создает там вторичные электроны. Выход вторичных электронов при этом затрудняется, т.к. возрастают потери их энергии при многочисленных соударениях. Это является предпосылкой уменьшения.

Существенной особенностью вторичной электронной эмиссии является ее независимость от работы выхода материала эмиттера.

13.3 Вторичная электронная эмиссия полупроводников и диэлектриков

Вторичная электронная эмиссия наблюдается не только у металлов, но и полупроводников, и диэлектриков. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов у диэлектриков и полупроводников такая же, как и у металлов.

Однако у диэлектриков и сложных полупроводников значительно выше, чем у металлов (7÷12). Это обуславливает широкое применение полупроводниковых эмиттеров в приборах.

Рассмотрим зависимость f (e U 1 ) для диэлектриков (рис. 13.4). Допустим, что энергия первичных электронов соответствует области I,

где 1 1 . В этом случае на поверхность эмиттера приходит больше электронов, чем уходит, и поверхность заряжается отрицательно (до потенциала катода), что приводит к торможению первичных электронов, коэффициент уменьшается.

Область II 1 вторичных электронов уходит больше, чем приходит первичных, и эмиттер заряжается положительно (до потенциала анода), что приводит к увеличению энергии первичных электронов. Накопление заряда будет проходить до тех пор, пока потенциал не станет соответствовать точке b.

При фактической энергии первичных электронов e U b 1 . Это означает, что по достижении первичными электронами этой энергии рост поверхностного заряда прекращается, наступает установившийся режим.

Область III (1 1 ) – то же, что и область I.

У полупроводниковых эмиттеров эффект зарядки выражен слабее, но и здесь фактическая энергия первичных электронов e U 1 отличается от энергии, задаваемой ускоряемым электродом.

13.4 Аномальная вторичная электронная эмиссия

В 1936 г. Мальтер, исследуя вторичную электронную эмиссию с поверхности Al предварительно окисленного и затем обработанного парами цезия, обнаружил чрезвычайно большие значения (1000 ). Эта эмиссия, кроме высоких, отличалась от обычной вторичной электронной эмиссии рядом особенностей:

Инерционность (после прекращения бомбардировки вторичный ток спадает не сразу, а постепенно в течение длительного времени).

Непостоянные при одних и тех же e U 1 , зависящих от первичного

тока (I 1 , ).

Сильная зависимость вторичного тока от потенциала коллектора относительно подложки эмиттера (U кол , I 2 ).

Эти особенности послужили основанием назвать такую вторичную эмиссию – аномальной.

Мальтер дал следующее объяснение этому явлению:

Пучок первичных электронов бомбардирует поверхность эмиттера, которая представляет собой тонкую (~10–6 м) пленку диэлектрика Cs2 O, и вызывает вторичную эмиссию 1 . При этом поверхность эмиттера заряжается положительно, и в такой пленке у поверхности Al создается сильное электрическое поле (108 ÷109 В/м), вырывающее электроны из алюминиевой подложки в зону проводимости диэлектрика; эти электроны приобретают большую скорость и простреливают поверхностный слой положительного заряда, почти не нейтрализуя. Таким образом, к току собственно вторичной эмиссии добавляется значительно большая по величине компонента тока электростатической эмиссии.

Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

• Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля . Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект - эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения . ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

См. также

Напишите отзыв о статье "Электронная эмиссия"

Отрывок, характеризующий Электронная эмиссия

26.07.14 11:28

Электронной эмиссией называется вылет электрона из металла (или другого какого-либо тела) и переход его в другую фазу (газ или вакуум) под действием добавочной энергии, сообщаемой электрону извне. Хотя в атомах поверхностного слоя любого тела электроны находятся на различных энергетических уровнях и, следовательно, обладают различной энергией, без подвода энергии извне только очень малая их доля (те электроны, которые обладают повышенной энергией) может пройти потенциальный барьер и выйти в другую фазу; остальные электроны остаются всегда в пределах своих атомов и молекул.

Наблюдается несколько типов электронной эмиссии (фото, термо и т. д.), в их числе и автоэлектронная (холодная) эмиссия - вырывание электронов под действием сильных электрических полей. Для осуществления эмиссии последнего рода требуется очень высокий градиент поля. Н. А. Кротова, В. В. Карасев, Ю. М. Кириллова и др. провели опыты, которые доказали, электризацию поверхностей отрыва и электронную эмиссию при быстром отрыве пленки от подложки.

Значение разрядных потенциалов, зазоров между пленкой и подложкой и плотности электризации поверхностей получены авторами на основе расчетов при помощи вспомогательного графика (кривой Пашена), причем энергия двойного электрического слоя принималась ими равной максимальной работе отрыва.

Опыты по установлению эмиссии электронов при отрыве пленок от подложек были проведены при помощи вакуумного адгезиометра при давлении около 10-5 мм рт. ст. Против границы отрыва на расстоянии 1 см на стеклянной пластинке помещался флуоресцирующий экран. Экран при отрыве в вакууме различных полимерных пленок от стеклянной подложки вспыхивал голубовато-зеленым светом; в темноте свечение было хорошо заметно даже на расстоянии нескольких метров.

Замечено было, что и стеклянная пластинка в местах, где идет отрыв пленки, также светится зеленоватым светом.
Почернение фотопластинки

Следовательно, у границы отрыва возникает излучение, вызывающее флуоресценцию экрана и стекла. Дальнейшие опыты показали, что это излучение вызывает также почернение фотопластинки, если она укреплена на месте флуоресцирующего экрана. Фотопластинка чернела при отрыве от подложки самых различных по своей структуре высокополимеров: натурального и синтетического каучуков, гуттаперчи, полиизобутилена, различных эфиров целлюлозы, полимеров винилового ряда и др.

Излучение наблюдалось при отрыве этих полимеров как от стекла, так и от металла. Авторы пришли к заключению, что это излучение не может быть ни рентгеновскими лучами, ни видимым светом: оно представляет собой поток электронов. В этом их убеждает также опыт по исследованию влияния магнитного поля на излучение. Как известно, фотоны, т. е. видимые и рентгеновские лучи в магнитном поле не отклоняются от своего прямолинейного пути: магнитное поле на них не действует.

По-другому ведут себя положительно или отрицательно заряженные частицы: первые отклоняются к отрицательному полюсу, вторые - к положительному. При напряженности магнитного поля около 25-30 эрстед авторам удалось получить достаточно четкое изображение неотклоненного и отклоненного пучка электронов.

В последнее время (1965-1966 гг.) автор книги совместно с Ю. М. Евдокимовым исследовал по новой методике электрические явления на границе контакта субстрат-адгезив. Изучалась адгезия некоторых полимеров к силикатному стеклу и металлам (сталь марки X и 1Х18Н9Т). Из полимеров были выбраны эфиры целлюлозы (ацетобутират (АБЦ), ацетопропионат и трипропионат целлюлозы), хлорсульфополиэтилен и липкий пластырь.

Склейки этих полимеров с подложками готовились путем налива 10%-ных растворов полимеров в соответствующих растворителях (ацетоне, четыреххлористом углероде) на обезжиренные поверхности подложек, за исключением липкого пластыря, который дублировался с подложкой путем прикатывания резиновым валиком.
Электронная эмиссия

Электрические явления выбранных систем (подложка+пленка) исследовались на вакуумном адгезиометре и по методике, предложенной Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой.

После отрыва разъединенные поверхности у всех систем имели противоположные по знаку электрические заряды, которые контролировались на струнном электрометре (описание его см. ниже). Стекло и металлы во всех случаях заряжались положительно, а отрываемые поверхности полимеров - отрицательно. Были получены снимки электронной эмиссии, возникающей при отрыве полимерных пленок от стекла и металлов.

Электронная эмиссия обнаружена у всех исследуемых систем. На снимках видно неравномерное почернение пластинки. По-видимому, центры эмиссии электронов возникают в результате отрыва отдельных участков полимера от подложки. Хорошо заметно, что излучение идет параллельно поверхности пленки: наибольшее излучение заметно у границы отрыва, меньшее у излучающей пленки полимера.

При отрыве хлорсульфополиэтилена от стекла получены отдельные вспышки, которые, по-видимому, возникают при отрыве отдельных участков полимера от стекла; с удалением границы отрыва от пластинки, почернение фотопластинки не наблюдается, по всей вероятности, вследствие малой интенсивности излучения.

Подтверждением эмиссии электронов служит также снимок экрана из бумаги при засвечивании фотопластинки излучением, наблюдавшимся при отрыве полимерной пленки от подложки. На снимке ясно видны темный участок - следствие экранирования лучей бумажным экраном, и светлые участки - результаты действия на пластинку электронов, не встретивших на своем пути непрозрачного экрана. Эти снимки служат прямым доказательством электронной эмиссии, что говорит об определенной роли электрических сил, осуществляющих сцепление тел при контакте.

Для получения потока свободных электронов в электронных приборах имеется специальный металлический или полупроводниковый электрод — катод .

Для того чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить нм извне некоторую энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают такие виды электронной эмиссии:

• термоэлектронную , при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;
• фотоэлектронную , при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;
• вторичную электронную , являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью;
• электросатическую , при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.

Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных видов электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия. Явление термоэлектронной эмиссии было известно уже в конце ХVIII в. Ряд качественных закономерностей этого явления установили В. В. Петров (1812), Т. Л. Эдисон (1889) и др. К 30-м годам нашего столетия были определены основные аналитические зависимости термоэлектронной эмиссии.

При нагревании металла распределение электронов по энергиям в зоне проводимости изменяется (рис, 1, кривая 2). Появляются электроны с энергией, превышающей уровень Ферми. Такие электроны могут выйти за пределы металла, и результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода и свойств поверхности (уравнение Ричардсона — Дэшмана):

где Jе — плотность тока эмиссий, А/см²; А — эмиссионная постоянная, зависящая от свойств излучаощей поверхности и равная для большинства чистых металлов — 40…70 А/(см² К²’); Т — абсолютная температура катода; е — основание натуральных логарифмов (е = 2,718); еφо — работа выхода электрона из металла, Дж; κ = 1,38 10‾²³ Дж/К — постоянная Больцмана.

Приведенное уравнение термоэлектронной эмиссии справедливо для металлов. Для примесных полупроводников существует несколько иная зависимость, однако качественно связь величины тока эмиссии с температурой и работой выхода остается такой же. Уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокращается срок его службы. Поэтому катод должен работать в строго определенном интервале рабочих температур. Нижний предел температуры определяется возможностью получения требуемой эмиссии, а верхний — испарением или плавлением эмиттирующего материала.

Существенное влияние на величину тока эмиссии оказывает внешнее ускоряющее электрическое поле, действующее у поверхности катода. Это явление получило название эффекта Шоттки. На электрон, выходящий из катода, при наличии внешнего электрического поля действуют две силы — сила электрического притяжения, возвращающая электрон, и сила внешнего поля, ускоряющая электрон в направлении от поверхности катода. Таким образом, внешнее ускоряющее поле снижает потенциальный барьер, вследствие чего снижается работа выхода электронов из катода и увеличивается электронная эмиссия.

Фотоэлектронная эмиссия. Впервые явление фотоэлектронной эмиссии (или внешнего фотоэффекта) наблюдалось Г. Герцем в 1887 г. Экспериментальные исследования, позволившие установить количественные соотношения для фотоэлектронной эмиссии, были проведены А. Г. Столетовым в 1888 г. Основные закономерности фотоэффекта были объяснены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. В соответствии с этой теорией лучистая энергия может пропускаться и поглощаться не в виде непрерывного потока, а только определенными порциями (квантами), причем каждый квант обладает количеством энергии hv , где h — постоянная Планка, а v — частота излучения. Таким образом, электромагнитное излучение (видимый и невидимый свет, рентгеновское излучение и т. п.) представляет собой поток отдельных квантов энергии, получивших название фотонов. При падении на поверхность фотокатода энергия фотонов расходуется на сообщение электронам дополнительной энергии. За счет этой энергии электрон с массой me , совершает работу выхода Wo и приобретает начальную скорость Vo, что математически выражается уравнением Эйнштейна:

Электрон может выйти за пределы катода, если работа выхода меньше энергии кванта, так как лишь при этих условиях начальная скорость Vo , а следовательно и кинетическая энергия электрона:

Отметим основные особенности явления фотоэффекта:

• При облучении поверхности фотокатода лучистым потоком постоянного спектрального состава ток фотоэлектронной эмиссии пропорционален интенсивности потока (закон Столетова):

где Iф — величина фототока; Ф — величина лучистого потока; К — коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность поверхности фотокатода к излучению.

• Скорость электронов, испускаемых фотокатодом, тем больше, чем больше частота v поглощаемого излучения; начальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно с возрастанием частоты v.
• Фотоэффект наблюдается только при облучении лучистым потоком с частотой V ≥ Vкр , где Vкр критическая частота, называемая «красной границей» фотоэффекта. Критическая длина волны:

, где с — скорость распространения электромагнитных волн. При λ > λк , фотоэлектронная эмиссия отсутствует.

• Фотоэффект практически безынерционен, т. е. нет запаздывания между началом облучения и появлением фотоэлектронов (время запаздывания не превышает 3 10∧-9 с).

Как и в случае термоэлектронной эмиссии, увеличение напряженности внешнего электрического поля у фотокатода также увеличивает фотоэлектронную эмиссию за счет снижения потенциального барьера катода. При этом порог фотоэффекта смещается в сторону более длинных воли.

Чем меньше работа выхода металла, из которого изготовлен фотокатод, тем меньше величина пороговой частоты для данного фотокатода. Например, для того чтобы фотокатод был чувствителен к видимому свету, материал его должен иметь работу выхода меньше 3,1 эВ. Такая работа выхода характерна для щелочных и щелочноземельных металлов (цезий, калий, натрий). Для увеличения чувствительности фотокатода к другим диапазонам лучистых потоков используют более сложные типы полупроводниковых фотокатодов (щелочно-водородные, кислородно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые и др.).

Вторичная электронная эмиссия . Механизм вторичной электронной эмиссии отличается от механизма термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии. Если при термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии электроны расположенные главным образом на уровнях зоны проводимости, то при бомбардировке поверхности катода первичными электронами или ионами их энергия может поглощаться и электронами заполненных зон. Поэтому вторичная эмиссия возможна как с проводников, так и с полупроводников и диэлектриков.

Наиболее важным параметром, характеризующим вторичную электронную эмиссию, является коэффициент вторичной эмиссии σ . Он представляет собой отношение числа вылетающих с поверхности катода вторичных электронов n2 , к числу падающих на катод первичным электронов n1, или же отношение тока вторичной элеронной эмиссии I2 к току первичных электронов I1 :

Вторичная электронная эмиссия применяется в некоторых электронным приборах — фотоумножителях, передающих телевизионных трубках, отдельным типах электронных ламп. Однако во многим случаям, в частности в большинстве электронных ламп, она нежелательна и ее стремятся уменьшить.

Электростатическая эмиссия. Если внешнее электрическое поле у поверхности катода имеет напряженность, достаточную для полной компенсации тормозящего действия потенциального барьера, то даже при низких температурах катода кожно получить значительную электронную эмиссию. Подсчитано, что для компенсации потенциального барьера напряженность у поверхности катода должка быть порядка 10∧8 В/см. Однако уже при напряженности поля порядка 10∧6 В/см наблюдается значительная электронная эмиссия с холодных поверхностей.

Техническое получение значений напряженности поля, достаточных для возникновения электростатической эмиссии, представляет значительные трудности. Поэтому электростатическая эмиссия в основном применяется в ионных приборах с жидким ртутным катодом. В этом случае достаточную напряженность поля кожно получить за счет создании вблизи поверхности катода слоя ионизированных паров ртути.

Источник - Гершунский Б.С. Основы электроники (1977)

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Глава XII

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

В связи с автоматизацией производственных процессов всех отраслей промышленности большое значение приобрела промышленная электроника - наука о техническом использовании электронных, ионных и полупроводниковых приборов.
Главная особенность электронных приборов (электронных ламп) состоит в том, что прохождение электрического тока в них связано с перемещением электронов в вакууме, а управление перемещающимися электронами осуществляется электрическим полем.
Ионными приборами называются устройства, в которых электрический ток представляет собой поток электронов и заряженных частиц - ионов в сильно разреженной газовой среде под действием сил электрического поля.
Полупроводниковыми приборами являются такие приборы, в которых электрический ток создается перемещающимися под действием электрического поля электронами и дырками (процессы, связанные с дырочной проводимостью, изложены в § 146 главы XIV) в полупроводниковой среде.

§ 126. Электронная эмиссия

Работа электронных и ионных приборов основана на использовании электронной эмиссии. Последняя заключается в выходе в вакуум или разреженный газ электронов с поверхности металлов. Движение этих электрически заряженных частиц создает ток в электронных и ионных приборах. Основные виды электронной эмиссии, используемые в электронике: термоэлектронная, вторичная электронная и фотоэлектронная.
Термоэлектронная эмиссия. В металлах вокруг каждого атома имеются электроны, слабо связанные с ним. Часть этих электронов, оторвавшихся от своих ядер, находится в беспорядочном движении. Скорость хаотического движения этих свободных электронов зависит от температуры металла: чем выше температура, тем быстрее перемещаются электроны.
При некоторых значениях температуры (900 - 1000° С и выше) скорость движения части электронов становится настолько значительной, что, преодолевая силы притяжения ядер атомов, они вырываются из металла и вылетают за его пределы. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии .
У различных металлов количество испускаемых при одинаковой температуре электронов различно. Наибольшей термоэлектронной эмиссией обладают натрий, калий, цезий, барий и некоторые другие металлы.
При очень высоких температурах нагретый металл начинает испаряться и это ограничивает возможность увеличения термоэлектронной эмиссии путем повышения температуры.
Вторичная электронная эмиссия. Если в вакууме на некотором расстоянии от электрода, из которого вылетают электроны, поместить металлическую пластинку и подать на нее положительный потенциал, то вылетающие с поверхности электрода электроны, несущие отрицательный электрический заряд, будут притягиваться к пластине и с большой скоростью ударять в нее. Под действием ударов быстро летящих электронов с поверхности этой пластины будут выбиваться другие электроны, носящие название электронов вторичной эмиссии .
Одной из разновидностей вторичной эмиссии является эмиссия электронов под воздействием бомбардировки материала электрически заряженных частиц - ионов, масса которых значительно больше массы электронов. Вылет электронов с поверхности материалов под действием ионной бомбардировки используется в работе ионных приборов.
Фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлектронная эмиссия происходит под воздействием световых, ультрафиолетовых и других лучей, попадающих на поверхность материалов.
Световой поток можно рассматривать как поток мельчайших частиц, носящих название фотонов .
Скорость движения фотонов (скорость света) составляет около 300 000 км/сек . Фотоны, ударяясь о поверхность материала, выбивают из него электроны.
Явление, при котором под воздействием световой энергии из материала вырываются электроны, называется фотоэффектом . Это явление используется в фотоэлементах.