Способы и методы увеличения эмиссии электронов. Электронная эмиссия. Образование отрицательных ионов

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)

выделением избытка энергии, равного разности уровней энергии электрона в теле и в ионе ε 1 – ε i 1 . Эта энергия может быть либо передана другому электрону тела с начальной энергией ε 2 (оже-процесс), либо выделена в виде кванта света. Второй процесс обладает меньшей вероятностью. В случае, если энергия возбужденного электрона ε = ε 2 + (ε 1 – ε i 1 ) окажется большей нуля, он сможет выйти из эмиттера. Таким образом, в акте эмиссии участвуют два электрона тела: один освобождает энергию путем туннельного перехода из тела к иону с нейтрализацией последнего, другой получает эту энергию возбуждения и выходит из тела, т.е. имеем и процесс туннельного перехода, и процесс возбуждения.

10.7 Эмиссия горячих электронов

Эмиссией горячих электронов называется испускание электронов полупроводником при наличии в нем электрического поля. Горячие электроны эмитируются из зоны проводимости. Поэтому необходимым условием возможности появления эмиссии этих электронов является предварительное тепловое возбуждение их из основной зоны или с донорных уровней в зону проводимости. Таким образом, при эмиссии горячих электронов фактически реализуются два различных механизма возбуждения электронов: 1) возбуждение их в зону проводимости за счет тепловой энергии решетки; 2) возбуждение электронов в зоне проводимости на уровни энергии, превышающие уровень вакуума. Этот тип возбуждения возникает за счет работы сил электрического поля в полупроводнике; в конечном счете эта энергия берется от внешнего источника напряжения, создающего поле. Наличие электрического поля в полупроводнике вызывает ускорение находящихся в зоне проводимости электронов. Эти электроны взаимодействуют с фононами тела. При таких столкновениях электронов может происходить резкое изменение направления их движения и имеет место лишь малая потеря их скорости. В результате средние энергии электронов оказываются выше таковых для ионов; можно сказать, что температура электронного газа оказывается выше температуры кристаллической решетки. Это приводит к появлению эмиссии электронов, которую условно можно было бы назвать «термоэмиссией», однако температура, которая ее определяет, будет выше температуры решетки.

10.8 Комбинированные виды эмиссии

Наиболее часто используется комбинированный тип эмиссии основанный на эффекте Шоттки. Как уже рассматривалось в параграфе 2, при наложении внешнего электрического поля высота барьера понижается и тем самым уменьшается эффективная работа выхода. Поэтому в этом случае требуется меньшее (по энергии) предварительное возбуждение электронов, что бы перевести их на уровни энергии большие высоты потенциального барьера. Таким образом наложение электрического поля стимулирует все виды эмиссии с предварительным возбуждением. Поэтому к комбинированному типу эмиссии прежде всего будем относить следующие: авто-

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

Для того чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т. е. пройти через потенциальный барьер в поверхностном слое и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциального барьера к электрону необходимо приложить внешние силы или же каким-нибудь образом

сообщить ему дополнительное количество энергии. Работа, которая должна быть совершена на освобождение электрона из металла, называется работой выхода и является одной из важных характеристик металла; она связана с электрическим полем в поверхностном слое металла:

где интегрирование (вдоль любой траектории) должно производиться от какой-нибудь точки, взятой внутри металла, до точек, расположенных достаточно далеко от его поверхности. Для чистой поверхности вольфрама эта работа равна 4,5 эВ. У других (чистых) металлов она колеблется в пределах 1,8-5,3 эВ. Если поверхностный слой металла содержит какие-нибудь примеси, то работа выхода уменьшается; например, покрытие поверхности вольфрама тонким слоем цезия уменьшает работу выхода до 1,36 эВ.

В равновесном состоянии металла некоторое количество электронов, участвующих в беспорядочном тепловом движении, ежесекундно выходит за пределы поверхности металла, но затем, под действием указанных выше сил, вновь втягиваются внутрь металла. Эти электроны образуют вблизи поверхности металла так называемое электронное облако, толщина и плотность которого (число электронов в единице объема) увеличиваются с повышением температуры.

Эмиссию («испарение») электронов с поверхности металла можно получить следующими способами:

1) нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости. Такие электроны, обладая большой кинетической энергией, могут преодолеть силы, препятствующие их освобождению из металла (термоэлектронная эмиссия);

2) воспользоваться сильным электрическим полем, которое «подхватывало» бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия электронов называется холодной, или автоэлектронной; она может быть вызвана и при низких температурах;

3) произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Электроны, вылетающие из металла, затрачивают часть полученной энергии на работу выхода, а остальную часть сохраняют в виде кинетической энергии. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);

4) произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Если эта бомбардировка производится электронами, то эмиссия обусловлена тем, что число вылетающих электронов больше, чем число бомбардирующих электронов (для чистых поверхностей - в 1,2 - 1,8 раза, а для поверхностей, содержащих примеси и покрытых тонким слоем окислов, - в десятки раз); такой способ вырывания называется вторичной электронной эмиссией.

Раздел очень прост в использовании. В предложенное поле достаточно ввести нужное слово, и мы вам выдадим список его значений. Хочется отметить, что наш сайт предоставляет данные из разных источников – энциклопедического, толкового, словообразовательного словарей. Также здесь можно познакомиться с примерами употребления введенного вами слова.

Что значит "электронная эмиссия"

Энциклопедический словарь, 1998 г.

электронная эмиссия

испускание электронов твердым телом или жидкостью под действием электрического поля (автоэлектронная эмиссия), нагрева (термоэлектронная эмиссия), электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия), потока электронов (вторичная электронная эмиссия) и т.д.

Электронная эмиссия

испускание электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости. Э. э. возникает в случаях, когда под влиянием внешних воздействий часть электронов тела приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе тела, или если под действием электрического поля поверхностный потенциальный барьер становится прозрачным для части электронов, обладающих внутри тела наибольшими энергиями. Э. э. может возникать при нагревании тел (термоэлектронная эмиссия), при бомбардировке электронами (вторичная электронная эмиссия), ионами (ионно-электронная эмиссия) или фотонами (фотоэлектронная эмиссия). В определённых условиях (например, при пропускании тока через полупроводник с высокой подвижностью электронов или при приложении к нему сильного импульса электрического поля) электроны проводимости могут «нагреваться» значительно сильнее, чем кристаллическая решётка, и часть из них может покинуть тело (эмиссия горячих электронов).

Для наблюдения Э. э. необходимо создать у поверхности тела (эмиттера) внешне ускоряющее электроны электрическое поле, которое «отсасывает» электроны от поверхности эмиттера. Если это поле достаточно велико (³ 102в/см), то оно уменьшает высоту потенциального барьера на границе тела и соответственно работу выхода (Шотки эффект), в результате чего Э. э. возрастает. В сильных электрических полях (~107 в/см) поверхностный потенциальный барьер становится очень тонким и возникает туннельное «просачивание» электронов сквозь него (туннельная эмиссия), иногда называемое также автоэлектронной эмиссией. В результате одновременного воздействия 2 или более факторов может возникать термоавто- или фотоавтоэлектронная эмиссия. В очень сильных импульсных электрических полях (~ 5×107в/см) туннельная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию вблизи поверхности плотной плазмы. Взаимодействие этой плазмы с поверхностью эмиттера вызывает резкое увеличение тока Э. э. до 106 а при длительности импульсов тока в несколько десятков нсек (взрывная эмиссия). При каждом импульсе тока происходит перенос микроколичеств (~ 10-11г) вещества эмиттера на анод.