Что такое эмиссия электронов. Эмиссия электронов из неоднородных систем. Смотреть что такое "Электронная эмиссия" в других словарях

Эффект Малтера

Поведение автоэмиссионного тока с полупроводниковых катодов на III участке вольтамперной характеристики объясняется наличием сильного падения потенциала в приповерхностном слое и эффектами, связанными с этим: разогрев электронного газа, ударная ионизация, зон-зонное туннелирование. Наличие таких явлений было обнаружено при исследовании электрических свойств полупроводников и диэлектриков. Естественно возникает предположение - нельзя ли искусственно создать падение потенциала, приводящее к такому повышению скорости движения электронов, которое бы позволило хотя бы части из них преодолеть потенциальный барьер и выйти в вакуум даже при отсутствии сильного электрического поля у поверхности.

Поля необходимой величины могут быть созданы в случае систем, обладающих резко неоднородными свойствами. Одной из таких является система металл-диэлектрик-металл (МДМ). На металлическую подложку наносится тонкий, по возможности однородный по свойствам и толщине слой диэлектрика (рис.3.5.1). На поверхности последнего формируют очень тонкую (порядка нескольких десятков ангстрем) пленку металла, основное назначение которой - служить обкладкой конденсатора. При малой толщине диэлектрика достаточно уже нескольких вольт, чтобы создать в диэлектрике напряженность поля порядка 10 5 ...10 6 В/см.

Энергетическая схема для такого случая имеет вид, приведенный на рис.3.5.2. Из нее следует, что при достаточной величине F становится возможной инжекция электронов в слой диэлектрика. Прежде всего, это может произойти за счет термической эмиссии электронов (I) из металлической подложки в диэлектрик. Высота барьера на межфазной границе металл-диэлектрик равна энергетическому расстоянию от дна зоны проводимости диэлектрика до уровня Ферми металла, что, обычно, значительно меньше, чем работа выхода металла. Кроме того, при наличии электрического поля в диэлектрике сказывается влияние на барьер и эффекта Шоттки. Все это может обеспечить достаточный поток электронов даже при низкой температуре. Другая возможность появления электронов в зоне проводимости диэлектрика - автоэмиссия электронов из металла (II).

В зоне проводимости диэлектрика свободные носители при наличии поля, набирают кинетическую энергию при движении к поверхности, происходит разогрев электронного газа, лавинообразное увеличение их количества вследствие ударной ионизации. На границе с металлической пленкой потенциальный барьер отсутствует. Если верхний слой металла тонок, меньше длины свободного пробега электронов, то электроны не успевают прийти в термическое равновесие с решеткой. Значительное их число имеет энергию, достаточную для преодоления барьера на границе с вакуумом.

Эксперименты показали, что процесс появления эмиссионного тока весьма сложен. При низких температурах величины сквозного и эмиссионного токов определяются напряженностью электрического поля в пленке, они сравнительно слабо зависят от температуры. Их зависимости от напряжения могут быть описаны уравнением Фаулера-Нордгейма для автоэмиссии. Однако, корректные расчеты показали, что средние значения , где d - толщина слоя диэлектрика, не достаточны для теоретического объяснения величины наблюдаемых токов. Для успеха теории необходимо, чтобы F была на порядок выше. Это можно было бы легко объяснить шероховатостью подложки. Выступы и микроострия, наличия которых невозможно избежать, способны значительно повысить локальную напряженность поля. Однако, это не позволяет объяснить наблюдаемые плотности эмиссионных токов, которые достигают нескольких десятых А/см 2 .

Есть еще одна причина увеличения F по сравнению с ее усредненным значением. Диэлектрические пленки обычно несовершенны. В них имеется большое количество дефектов (вакансии, нарушения стехиометрии, междоузельные атомы, примеси и т.п.), которые могут являться поставщиками электронов вследствие ударной или туннельной ионизации. При этом образуется объемный положительный заряд. Он в большей степени концентрируется около инжектирующего электроны электрода, поскольку наибольшей вероятностью ионизации обладают частицы, имеющие умеренную скорость. Электроны с высокой энергией имеют меньшее эффективное сечение. С увеличением скорости электрона уменьшается время взаимодействия с дефектом, что снижает вероятность его ионизации. Объемный заряд усиливает напряженность поля около отрицательно заряженного электрода (рис.3.5.3). Казалось бы все проблемы, по крайней мере принципиально, решены. Но появляется новая трудность. Величина пробивного напряжения у диэлектриков обычно порядка 10 6 В/см , т.е. такая же, которая необходима для объяснения экспериментально наблюдаемых токов. Однако, известен экспериментальный факт, что при малых размерах удельная механическая прочность материалов возрастает. Например, для разрыва тонких проволок нужно значительно большее усилие на единицу площади, чем для разрыва прутка большого диаметра. Видимо, это связано с отсутствием в первом случае крупномасштабных дефектов, которые характерны для массивных твердых тел. То же самое может относиться и к электрической прочности.

Таким образом, можно полагать, что при низких температурах в МДМ-системах основной причиной появления электронов в диэлектрическом слое является автоэмиссия из металлической подложки.

В высокотемпературной области, напротив, наблюдается сильная температурная зависимость, в то время как величина поля сказывается слабо. Это указывает на важность термоэмиссионного механизма, который становится превалирующим при повышенных температурах. Некоторое увеличение тока с ростом F можно объяснить влиянием эффекта Шоттки на высоту барьера на границе подложка – слой диэлектрика. Наличие сил зеркального изображения приводит к понижению барьера между основанием и диэлектрической пленкой.

Как и ожидалось, сильное влияние на величину эмиссионного тока оказывает толщина верхнего электрода. Наблюдается сильная, экспоненциальная, зависимость: , где d – толщина пленки, a - величина, зависящая от свойств металлической пленки.

Картина эмиссии электронов из МДМ-системы, представленная выше, достаточно проста, чего не скажешь о практическом осуществлении, требующем высокой культуры изготовления пленок. Особенно ответственным является требование однородности диэлектрических пленок. Они должны иметь одинаковую толщину, полностью исключается наличие пор.

К настоящему времени изучено большое число разнообразных систем. К материалу базового электрода не предъявляется особых требований. Достаточно, чтобы на поверхности имелась хорошо упорядоченная структура, и подложка имела высокую электропроводность.

Диэлектрические пленки нередко формируются окислением поверхностного слоя базового электрода. В этих случаях используют алюминий, бериллий, тантал, ниобий. Экспериментально наиболее подробно исследовались системы, в которых использовались пленки Al 2 O 3 , SiO 2 , SiO, MgO, BeO, BN и др., имеющие широкую запрещенную зону и способные выдерживать без пробоя высокие электрические поля. В качестве тонкого наружного электрода применялисьпленки Au, Pt, Al, Be, Ag и др. На рис.3.5.4 приведены результаты, полученные для системы Al/Al 2 O 3 /Au . Уже при небольших напряжениях, порядка нескольких вольт, удается получать токи достаточной для практического использования величины.

Важной величиной для МДМ-катодов является эффективность g 0 , которую можно определить как отношение эмиссионного тока (i эм )к потребляемому току, протекающему через диэлектрический слой (i д/э ). g 0 может меняться в широких пределах: от 10 -2 до 10 -7 . Она во многом зависит от качества пленки, ее толщины, работы выхода верхнего металлического слоя. В частности, в случае системы Be-BeO-Au была получена величина g 0 =10 -3 (j эм =0.2 A/ см 2 при j д/э =200 А/см 2 ).

В частности, в случае системы, состоящей из слоя кремния толщиной 5 мкм на алюминиевой подложке, на котором был получен тонкий слой (400 нм ) оксида, покрытый Pt, была получена величина g 0 =0,28 (j эм =1.4 мA/ см 2 при j д/э =3,6 мА/см 2 ). .

Экономичность катодов характеризуют отношением плотности эмиссионного тока j в мА к необходимой для этого мощности W в Вт.

В последнее время активно исследуются и уже находят практическое применение еще более простые системы, состоящие из тонкого диэлектрического слоя, нанесенного на металлическую подложку, в качестве которой используется острие (рис.3.5.5) . Внешнее электрическое поле проникает в слой диэлектрика, и электроны, туннелирующие из металла сквозь барьер на межфазовой границе, ускоряются этим полем. В случае небольшого барьера на границе с вакуумом они способны выйти из системы. При соответствующем выборе диэлектрика (малое сродство, расположение уровня Ферми около дна зоны проводимости и т.п.) интенсивная эмиссия может быть получена уже при относительно малых напряжениях. В качестве примера на рис.3.5.6 приведены вольтамперные характеристики, полученные для системы алмаз/кремний при разных толщинах диэлектрического слоя . В случае тонких слоев значительный эмиссионный ток имеет место уже при напряжениях порядка нескольких сот вольт.

Еще одной системой, в которой для получения эмиссии электронов используется электрическое поле высокой напряженности, является диспергированная пленка. На диэлектрическую подложку наносится тонкая металлическая пленка, имеющая островковое строение (рис.3.5.7). При приложении разности потенциалов наряду с током, протекающим вдоль пленки, возникает и эмиссия электронов. На рис.3.5.8 приведено изображение диспергированной пленки золота, полученное в электронном микроскопе, а также зависимости тока, протекающего вдоль пленки I , и эмиссионного тока I э от напряжения вдоль пленки . Наличие зазоров между островками приводит к неомическому характеру проводимости пленки. Механизм проводимости сложен, но очевидно, что основную роль играют эмиссионные процессы, вследствие которых происходит переход электронов от одного островка к другому. В качестве главных рассматривается термоэлектронная эмиссия, усиленная понижением барьера вследствие малости промежутков между островками, автоэлектронная эмиссия, а также переход через подложку. Высокая величина напряженности возникает вследствие того, что все падение напряжения сосредоточено на промежутках между металлическими островками. При переходе от островка к островку электроны приобретают большую кинетическую энергию, однако их импульс направлен вдоль пленки. Но, в дальнейшем, при движении по островку имеет место рассеяние, в результате которого при небольших изменениях энергии электронов может происходить сильное изменение направления движения.Те из них, которые движутся к наружной стороне островка, способны преодолеть барьер на границе с вакуумом. Применение таких эмиттеров ограничивается отсутствием технологии, позволяющей создавать воспроизводимые по форме, размеру и расположению пленочные системы.

Условия, необходимые для разогрева электронного газа, могут быть созданы и на pn- переходе. На рис.3.5.9 приведена энергетическая схема для этого случая. Если на переход подать напряжение в запирающем направлении, то энергия дна зоны проводимости в р -области может быть больше энергии уровня вакуума (рис.3.5.9.б ). Поэтому электроны, движущиеся от p - к n- типу и не потерявшие больших порций энергии при прохождении через верхний слой, имеют возможность выйти в вакуум.

Крайне важной является толщина верхнего слоя и ширина области pn- перехода. Они должны быть как можно тоньше, чтобы обеспечить достаточную эффективность.

На рис.3.5.10 приведена зависимость эмиссионного тока от напряжения на рп -переходе, сформированном на основе кремния . Уже нескольких вольт достаточно для получения токов порядка десятков и сотен микроампер. Насколько большое значение имеют процессы рассеяния в поверхностном слое, можно судить по приведенным на рис.3.5.11 зависимостям эмиссионного тока от температуры для рп -

перехода, сформированного в поверхностном слое SiC различными методами . Увеличение температуры приводит к значительному снижению эмиссионного тока вследствие увеличения электрон-фононного рассеяния. Рассеяние электронов на акустических фононах приводит к экспоненциальной зависимости от температуры: (3.5.2)

где a - коэффициент, зависящий от свойств полупроводника. При увеличении напряжения возрастает ток через диод I , и еще сильнее увеличивается ток эмиссии I Э . Как видно из рисунка, пятикратное увеличение I вызывает увеличение эмиссионного тока на 2-3 порядка.

Эмиссия электронов возможна и в случае, когда рп- переход расположен перпендикулярно поверхности (рис.3.5.12). Как и в случае диспергированных пленок, барьер на поверхности преодолеют те высокоэнергетичные электроны, которые после рассеяния получают импульс, направленный по нормали к поверхности.

Препятствием для широкого практического применения рп -переходов в качестве эмиттеров являются жесткие требования к сохранению свойств на поверхности. Наличие поверхностных состояний и адсорбция частиц способны кардинально изменить электронную структуру. Это, в свою очередь, незамедлительно отражается на эффективности эмиттера. Кроме того, большое значение имеет качество рп- перехода. Он должен быть достаточно резким. В противном случае термолизация электронов произойдет раньше, чем они приобретут необходимую кинетическую энергию.

В 1936 Малтером было обнаружено явление, которое получило название эффекта Малтера и которое по механизму близко к рассмотренным выше процессам. Он исследовал вторично-электронную эмиссию из окисленного алюминия и обнаружил явно аномальное поведение эмиссионного тока. Позднее аналогичные результаты были получены и для других диэлектрических слоев, таких как кварц, слюда, В 2 О 3, KCl, MgO и др. Дальнейшие исследования показали, что для получения эмиссии электронов с системы металл-диэлектрик совершенно не обязательно облучение первичными электронами. Роль этих электронов заключается лишь в создании и поддержании положительного заряда на поверхности диэлектрической пленки, возникающего вследствие ионизации. Это может быть достигнуто и другими способами: например, освещая светом или облучая поверхность положительными ионами, или даже накладывая на поверхность диэлектрического слоя металлическую сетку и подавая на нее положительный потенциал.

Отличие этого вида эмиссии заключается, прежде всего, ваномально большой величине вторичного тока, который в ряде случаев в 1000 раз превосходит первичный. Это на порядки больше, чем наблюдается в обычном случае. Другая особенность заключается в том, что величина эмиссии оказалась крайне чувствительной к толщине окисного слоя. Эмиссия электронов достигает максимального значения при толщинах в интервале 0.2...10 мкм . Пожалуй, наиболее яркой особенностью является инерционность . Ток электронов растет со временем и достигает своего стационарного значения только через 0,1...150с (рис.3.5.13) после начала бомбардировки первичными частицами . Причем, величина стационарного тока существенно зависит от напряжения на аноде . После выключения первичного пучка эмиссия также не исчезает мгновенно. Более того, время затухания может достигать часов и суток. На рис.3.5.14 приведено изменение тока после выключения первичного пучка электронов . Даже спустя два часа наблюдается эмиссия электронов, причем величина тока составляет несколько десятых мкА.

Экспериментально было показано, что основными являются процессы, происхо-дящие в диэлектрической пленке. Свойства металла не имеют большого значения. Все это позволило придти к выводу, что главным является наличие в пленке сильного электрического поля, способ же его создания не играет роли.

Существует несколько вариантов объяснения этого явления, из которых наиболее предпочтителен предложенный Джекобсоном . Им было использовано то обстоятельство, что эмиссия электронов резко неоднородна по поверхности. Это позволило предположить, что важную роль играют пустоты и поры, которые обычно имеются в диэлектрической пленке (рис.3.5.15а ). В сплошной пленке диэлектрика, имеющего широкую запрещенную зону, длина свободного пробега электронов не настолько велика, чтобы были эффективны процессы возбуждения электронов из валентной зоны. Иное дело, если имеются пустоты. При движении в них электроны не испытывают рассеяния и могут набрать энергию, которой хватит на образование даже пачки вторичных электронов. В свою очередь ионизация приводит к возникновению положительных зарядов, нейтрализация которых быстрыми электронами затруднена. Это и приводит к возникновению сильного электрического поля, обеспечивающего автоэлектронную эмиссию из металлической подложки. После окончания стимулирующего воздействия рекомбинация электронов с положительно заряженными центрами происходит медленно, что связано с малой вероятностью этого процесса при высокой скорости электронов. Это обеспечивает значительные эмиссионные токи в течение длительного

времени после окончания стимулирующего воздействия. Но, пожалуй, более предпочтителен вариант, предполагающий наличие сквозных пор (рис.3.5.15.б), поскольку в этом случае возможен проход электронов минуя движение по диэлектрическим кристалликам.

Взрывная эмиссия

В статическом режиме с острия можно получить достаточно большие токи. При использовании катодов, изготовленных из тугоплавких металлов, например таких, как вольфрам, молибден, ниобий, можно получать стационарные токи величиной до нескольких десятков мкА, что соответствует плотности тока порядка 10 4 А/см 2 (в некоторых случаях при особой форме острий может быть получено до 10 7 А/см 2 ).

При этом свойства автоэмиссионного катода остаются неизменными. Однако, если перейти некоторое характерное для данного материала значение напряженности электрического поля, начинаются изменения, причем нередко необратимые. Изучение таких процессов представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Последнее связано не только с использованием автокатодов в таких предельных режимах для получения мощных импульсных пучков электронов, но и в связи с проблемой пробоя. Можно полагать, что именно автоэмиссия с микровыступов является спусковым механизмом для его развития в макроскопических системах.

Исследования при высоких плотностях отбираемого тока удобно проводить в импульсном режиме: подается прямоугольный импульс напряжения и регистрируется соответствующая осциллограмма эмиссионного тока i(t) . На рис.3.6.1 приведена последовательность осциллограмм тока, полученная по мере увеличения напряжения . Выбросы в начале и конце импульса обусловлены переходными процессами в измерительной цепи.

При низких напряжениях форма i(t) повторяет зависимость напряжения от времени (а ). Причем время нарастания тока менее 10 -11 с и, видимо, ограничивается только техническими возможностями использовавшейся аппаратуры. Это означает, что процесс автоэмиссии является практически безинерционным. При увеличении амплитуды напряжения начиная с некоторой ее величины наблюдается увеличение автоэмиссионного тока, степень которого зависит от амплитуды V и длительности импульса (кривые б-г ). Увеличение тока в сравнительно небольших пределах может быть объяснено разогревом острия за счет протекающего тока. Наконец, при очень высоких полях происходит взрыв острия. При этом на осциллограмме тока (рис.3.6.1, кривая д ) можно выделить несколько характерных участков, изображенных схематически на рис.3.6.2. На I этапе происходит сравнительно медленное изменение тока. Оно, начиная с некоторого момента - t зад - сменяется резким всплеском тока (II). В конце импульса величина тока на два-три порядка превышает значение тока на I участке. На следующем этапе (III) вновь наблюдается небыстрый рост i, сменяемый новым скачком тока (IV). Время перехода ко второй стадии связано с плотностью протекающего тока. Экспериментально показано, что в большом интервале токов справедливо следующее соотношение:

j 2 t зад =4×10 9 А 2 ×с/см 4 (3.6.1)

На второй стадии происходит взрыв острия, что приводит к пробою и возникновению дугового разряда. При этом около острия возникает светящийся факел, катодный факел (рис.3.6.3), который в дальнейшем перемещается к аноду.

Механизм возникновения эмиссионного тока и особенности его изменения (наличие времени задержки, появление светового излучения и др.) позволяют выделить этот вид эмиссии в особый, отличный от АЭЭ – взрывная эмиссия электронов .

Каков механизм взрывной эмиссии? Можно думать, что при высоких плотностях автоэмиссионного тока происходит разогрев отдельных участков острия до такой степени, что испаряется материал катода (рис.3.6.4). В результате
возникает облако пара, атомы которого ионизуются за счет, во-первых, ионизации в сильном электрическом поле, а также, во-вторых, вследствие рассеяния на них энергичных автоэлектронов. Образуется плазма, состоящая из электронов и положительных ионов. Причем она не является нейтральной. Электроны имеют значительно более высокую скорость, чем ионы, вследствие своей малой массы. Они опережают ионы. Кроме того, имеется сильное внешнее электрическое поле, отсасывающее электроны из плазмы. Тем самым у поверхности создается не скомпенсированный положительный заряд, который, в свою очередь, усиливает автоэмиссионное поле у поверхности катода во всей области, где существует плотная плазма и, следовательно, еще более увеличивает эмиссионный ток. Поскольку область, занимаемая этой плазмой, больше размеров первоначального участка, то это приводит к разогреву соседних участков, плавлению и формированию на них новых микроострий за счет пондеромоторных сил, действующих со стороны внешнего поля и плазмы, и их последующему взрыву (рис.3.6.5). В итоге плазма охватывает значительную часть поверхности. В дальнейшем плазма распространяется на весь промежуток между катодом и анодом.

Экспериментальные результаты показывают, что основная часть электронов, участвующих во взрывной эмиссии, эмитируется с катода, а не возникает в результате ионизации испаренных частиц. Это было показано измерением переносимого с катода на анод вещества. Оценки показали, что на один перенесенный атом приходится 100 и более электронов. Небольшая величина переносимой массы позволяет использовать острия неоднократно. При этом удается получать колоссальные токи, не достижимые другими методами. В импульсе длительностью ~100 нс можно получить ток порядка 100 кА.

На поверхности катода при этом происходят необратимые изменения. В качестве примера на рис.3.6.6 приведены электронно-микроскопические изображения поверхности острия из стали, полученные до и после импульса напряжения амплитудой 400 кВ . Отчетливо видно, что на первоначально более или менее ровной поверхности появляются выступы и впадины больших размеров. Это свидетельствует об оплавлении поверхности и образовании выступов под действием пондеромоторных сил.

Под вакуумом понимают газ или воздух, находящийся в состоянии найвысщего разрежения (давление порядка ). Вакуум является непроводящей средой, так как в нем содержится ничтожное количество электрически нейтральных частиц вещества.

Для получения в вакууме электрического тока необходим источник заряженных частиц - электронов, причем движение электронов в вакууме происходит практически без столкновений с частицами газа.

Источником электронов служит обычно металлйческий электрод - катод. При этом используется явление выхода электронов с поверхности катода в окружающую среду, называемое электронной эмиссией.

Свободные электроны в металле при отсутствии внешнего электрического поля беспорядочно перемещаются между ионами кристаллической решетки.

Рис. 13-6. Двойной электрический слой на поверхности металла.

При комнатной температуре выхода электронов из металла не наблюдается вследствие недостаточной величины их кинетической энергии. Часть электронов, обладающих наибольшей кинетической энергией, при своем движении выходит за поверхность металла, образуя электронный слой, который вместе с расположенным под ним в металле слоем положительных ионов кристаллической решетки образует двойной электрический слой (рис. 13-6). Электрическое поле этого двойного слоя противодействует электронам, стремящимся выйти из проводника, т. е. является для них тормозящим.

Для выхода электрона за пределы поверхности металла электрону необходимо, сообщить энергию, равную работе, которую он должен совершить по преодолению тормозящего действия поля двойного слоя. Эта работа называется работой выхода Отношение энергии выхода к заряду электрона называется потенциалом выхода, т. е. .

Работа (потенциал) выхода зависит от химической природы металла.

Значения потенциала выхода для некоторых металлов даны в табл. 13-1.

Таблица 13-1

В зависимости от того, каким способом сообщается электронам дополнительная энергия, необходимая для выхода из металла, различают виды эмиссии: термоэлектронную, электростатическую, фотоэлектронную, вторичную и под ударами тяжелых частиц.

Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода, обусловленное исключительно нагревом катода. При нагревании металла скорости движения электронов и Их кинетическая энергия увеличиваются и число электронов, покидающих металл, возрастает. Все электроны, вылезающие из катода в единицу времени, если Они удаляются от катода внешним полем, образуют электрический ток эмиссии . При повышении температуры катода ток эмиссии растет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На рис. 13-7 даны кривые плотности тока эмиссии, т. е. тока эмиссии, отнесенного к единице поверхности катода, выраженной в А/см2, в зависимости от температуры Т для различных катодов.

Рис. 13-7. Кривые плотности тока эмиссии в зависимости от температуры для различных катодов: а - оксидный; б - вольфрамовый, покрытый торием; в - вольфрамовый без покрытия.

Зависимость плотности эмиссионного тока от температуры и работы выхода выражается уравнением Ричардсона-Дэшмана:

где А - постоянная эмиссии; для металлов она равна ; Т - абсолютная температура катода, К; - основание натуральных логарифмов; - работа выхода, эВ; - постоянная Больцмана.

Таким образом, плотность тока эмиссии увеличивается пропорционально и так что для получения большого тока эмиссии необходим катод из материала с малой работой выхода и высокой рабочей температурой.

Если электроны, вылетевшие из катода (эмиттированные электроны), не удаляются от него внешним ускоряющим полем, то они скапливаются вокруг катода, образуя объемный отрицательный заряд (электронное облако), который создает вблизи катода тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электронов из катода.

Электростатической электронной эмиссией называется явление выхода электронов из поверхности катода, обусловленное исключительно наличием у поверхности катода сильного электрического поля.

Сила, действующая на электрон, находящийся в электрическом поле, пропорциональна заряду электрона и напряженности поля F - её. При достаточно большой напряженности ускоряющего поля силы, действующие на электрон, находящиеся у поверхности катода, становятся достаточно большими для преодоления потенциального барьера и вырывания электронов из холодного катода.

Электростатическая эмиссия находит применение в ртутных вентилях и некоторых других приборах.

Фотоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно действием излучения, поглощаемого катодом, и не связанное с его нагреванием. При этом электроны катода получают дополнительную энергию от частиц света - фотонов.

Лучистая энергия испускается и поглощается определенными порциями - квантами. Если энергия кванта, определяемая произведением постоянной Планка частоты излучения v, т. е. , больше работы выхода для материала данного катода то электрон может покинуть катод., т. е. будет иметь место фотоэлектронная эмиссия.

Фотоэлектронная эмиссия применяется в фотоэлементах.

Вторичной электронной эмиссией называется явление выхода вторичных электронов, обусловленное исключительно ударами первичных электронов о поверхность тела (проводника, полупроводника). Летящие электроны, называемые первичными, встречая на пути проводник, ударяются о него, проникают в его поверхностный слой и отдают часть своей энергии электронам проводника. Если дополнительная энергия, получаемая электронами при ударе, будет больше работы выхода, то эти электроны могут выйти за пределы проводника.

Вторичная электронная эмиссия используется, например, в фотоэлектронных умножителях для усиления тока.

Вторичная эмиссия может наблюдаться в электронных лампах, в которых анод подвергается воздействию электронов, летящих от катода. В этом случае вторичные электроны могут создать поток, встречный «рабочему», ухудшающий работу лампы.

Электронной эмиссией под ударами тяжелых частиц называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно ударами ионов или возбужденных атомов (молекул) о поверхность тела - электрода. Этот вид эмиссии аналогичен рассмотренной выше вторичной электронной эмиссии.

Лекция 2

Образование отрицательных ионов

Установлено, что галогены при ионизации способны присоединять электроны с образованием отрицательных ионов (галогены: F, Cl, Br, J). Наибольшее сродство к электрону имеет F, который часто вводится в дугу в виде солей (CaF2) с целью подавления пористости в металле шва. Присоединение атомами F отрицательных ионов приводит к тому, что в дуговой плазме уменьшается концентрация свободных электронов, хотя общее количество заряженных частиц остаётся постоянным. Электроны переносят основную часть тока. Отрицательные ионы F – тяжёлые малоподвижные частицы, которые осуществляют перенос тока значительно хуже. Поэтому при введении в зону сварки веществ, содержащих F, стабильность горения дуги резко ухудшается, особенно при сварке на переменном токе. Поэтому электроды типа УОНИ 13/45, содержащие в своём составе значительное количество CaF2, применяются на постоянном токе. Если сварку необходимо производить на переменном токе, тогда в состав подобных покрытий вводятся ионизирующие вещества, или применяется стабилизация дуги с помощью осцилляторов или генераторов импульсов.

Эмиссия электронов из поверхности катода

Для вырывания электрона из катода необходимо преодолеть силы притяжения электрона положительными зарядами катода. Для этого необходимо затратить определённое количество работы, которое называется работой выхода. Величина работы выхода зависит от материала катода и состояния его поверхности (наличие окисных и других плёнок). Для процесса в сварочной дуге основное значение имеют два вида эмиссии электронов: термоэлектронная и автоэлектронная.

Термоэлектронная эмиссия возникает при нагреве поверхности катода. При этом отдельные электроны могут получить энергию достаточную для выполнения работы выхода и покинуть поверхность катода. При отсутствии электрического поля над поверхностью катода образуется электронное облако, и дальнейший процесс эмиссии электронов прекращается.

С течением времени отдельные электроны из пространственного заряда возвращаются к телу заряда и втягиваются в металл. Происходит одновременно эмиссия электронов и втягивание их обратно в металл. При длительном нагреве металла с постоянной температурой устанавливается равновесная плотность эмиссии (количество эмитированных электронов равно количеству втянутых).

Плотность электронного тока может быть подсчитана по формуле:

j = AT 2 exp(-j/kt)

где j - работа выхода.

С увеличением температуры плотность тока термоэлектронной эмиссии возрастает. При температуре сварочной дуги устанавливается такая плотность термоэлектронной эмиссии, которая достаточна для поддержания устойчивого дугового разряда.

Автоэлектронная эмиссия . С целью облегчения эмиссии электронов из металла, разогретый металл – катод помещают в электрическое переменное поле. Полюса поля располагают следующим образом: ²-² на металле, ²+² на противоположном электроде – аноде.

Электрическое поле полностью или частично разрушает пространственный электрический заряд. Это облегчает эмиссию электронов из катода и увеличивает равновесную плотность эмиссии, которая рассчитывается по такой же зависимости.

Уравнение для тока термо- и автоэлектронной эмиссии приобретает вид:

В электрическом поле уменьшается работа выхода электрона на величину

Δj= 0 3/2 Е 1/2,

где Е – напряжённость поля.

Эмиссия под воздействием электрического поля называется автоэлектронной. Для сварки свойственны оба вида эмиссии.

Уменьшение работы выхода с поверхности электрода может служить одним из способов стабилизации дугового разряда.

Таблица - Работа выхода с поверхности катода для различных материалов

При наличии на поверхности электрода окисных плёнок работа выхода значительно уменьшается, особенно сильно снижают j плёнки окислов щелочных и щелочноземельных металлов. С целью улучшения стабильности горения дуги при сварке W электродами в состав электродов вводятся окислы La , такие электроды называются лантанированными. Ранее применяемые электроды содержали 1,5-2,5% двуокиси тория. ВТ-15 и ВТ-25 (1,5-2,5% двуокиси тория). Дуга при этом не блуждает по поверхности металла.

За рубежом и в нашей стране предпринимались попытки повышения стабильности путём снижения j электрона с поверхности плавящегося электрода. Для этого применяли активированную проволоку, т.е. покрытую тонким слоем солей. Наилучший эффект дают соли цезия (обеспечивает низкий потенциал ионизации). При этом измельчаются капли расплавленного металла.

Большую роль в обеспечении проводимости дугового промежутка играют электроны, поставляемые катодом под действием различных причин. Этот процесс выхода электронов с поверхности электрода катода или процесс освобождения электронов от связи с поверхностью называется эмиссией электронов. Для процесса эмиссии необходимо затратить энергию.

Энергия, которая достаточна для выхода электронов с поверхности катода, называется работой выхода (U вых )

Она измеряется в электрон-вольтах и обычно в 2-3 раза меньше работы ионизации.

Различают 4 вида эмиссии электронов:

1. Термоэлектронная эмиссия

2. Автоэлектронная эмиссия

3. Фотоэлектронная эмиссия

4. Эмиссия под действием удара тяжелых частиц.

Термоэлектронная эмиссия протекает под действием сильного нагрева поверхности электрода – катода. Под действием нагрева электроны, находящиеся на поверхности катода приобретают такое состояние, когда их кинетическая энергия становится равной или больше сил их притяжения к атомам поверхности электрода, они теряют связь с поверхностью и вылетают в дуговой промежуток. Сильный разогрев торца электрода (катода) протекает потому, что в момент его соприкосновения с деталью это соприкосновение происходит лишь в отдельных точках поверхности вследствие наличия неровностей. Такое положение при наличии тока приводит к сильному разогреву места контакта, в результате чего возбуждается дуга. Температура поверхности сильно влияет на имитирование электронов. Обычно эмиссия оценивается плотностью тока. Связь между термоэлектронной эмиссией и температурой катода установили Ричардсон и Дешман.

где j 0 – плотность тока, А/cм 2 ;

φ – работа выхода электрона, э-В;

А – константа, теоретическое значение которой А = 120 а/см 2 град 2 (опытное значение для металлов А » 62,2).

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для выхода электронов, сообщается внешним электрическим полем, которое как бы “отсасывает” электроны за пределы воздействия электростатического поля металла. В этом случае плотность тока может быть рассчитана по формуле

, (1.9)

где Е – напряженность электрического поля, В/см;

С повышением температуры значение автоэлектронной эмиссии снижается, но при невысоких температурах ее влияние может быть определяющим, особенно при высокой напряженности электрического поля (10 6 – 10 7 В/см), что по данным Броуна М.Я. и Г.И. Погодина-Алексеева может быть получено в приэлектродных областях.

При поглощении энергии излучения могут появиться электроны настолько большой энергии, что некоторые из них выходят с поверхности. Плотность тока фотоэмиссии определяется по формуле

где α – коэффициент отражения, значение которого для сварочных дуг неизвестно.

Длины волн, которые вызывают фотоэмиссию также как и для ионизации определяются по формуле

В отличие от ионизации, эмиссия электронов с поверхности щелочных и щелочноземельных металлов вызывается видимым светом.

Поверхность катода может быть подвергнута ударам тяжелых частиц (положительных ионов). Положительные ионы в случае удара о поверхность катода могут:

Во-первых , отдать кинетическую энергию, которой они обладают.

Во-вторых , могут нейтрализоваться на поверхности катода; при этом они отдают электроду энергию ионизации.

Таким образом, катод приобретает дополнительную энергию, которая идет на нагрев, плавление и испарение, а некоторая часть затрачивается вновь на выход электронов с поверхности. В результате достаточно интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка устанавливается устойчивый разряд – электрическая дуга с протеканием в цепи определенной величины тока при определенном напряжении.

В зависимости от степени развития того или иного вида эмиссии различают три типа сварочных дуг:

Дуги с горячим катодом;

Дуги с холодным катодом;

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.