к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Автоэлектронная эмиссия
Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внеш. электрич. поля Е достаточно высокой напряжённости (Е ~ 10 В/см). А. э. обнаружена в 1897 Р. У. Вудом. В 1929 Р. Э. Милликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j автоэлектронной эмиссии от 1/E вида (А и В - константы). В 1928-29 Р. Фаулер и Л Нордхейм дали теоретич. объяснение автоэлектронной эмиссии на основе туннельного эффекта. Термин "А. э." отражает отсутствие энергетич. затрат на возбуждение электронов, свойственных др. видам электронной эмиссии (в зарубежной лит-ре чаще употребляется термин "полевая эмиссия").

При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенц. барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счёт ки-нетич. энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путём туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрич. полем. Электронная волна (см. Волны де Бройля ),встречая на пути потенц. барьер, частично отражается и частично проходит сквозь него (рис. 1). По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенц. барьера над уровнем Ферми . Од-новрем. уменьшается ширина барьера. 

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла - в отсутствие электрического поля. - обусловленная слабым внешним электрическим полем; - более сильным полем; - энергия, соответствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля; - энергия Ферми; х1-х2- ширина потенциального барьера при наличии внешнего поля, -работа выхода.

В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т. н. прозрачность барьера D (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соотв. плотность тока А. э.

Теоретич. расчёт плотности тока j А. э. приводит к ф-ле

, 

где е - заряд электрона; - концентрация электронов проводимости в проводнике с энергией , связанной с компонентой импульса, нормальной к поверхности; Е - напряжённость электрич. поля у поверхности эмиттера. Из (1) следует зависимость j от концентрации электронов в проводнике и их энергетич. распределения , а также от высоты и формы барьера, к-рые определяют его прозрачность D.

А. э. из металлов в вакуум изучена наиб. полно. В этом случае j следует т. н. закону Фаулера - Норд-хейма:

(2),

где .

Здесь т - масса электрона, -потенциал работы выхода  металла, t и -табулированные функции аргумента , , . Подставив значения констант я положив t2(у) = 1,1, а, получим из (2) приближенную ф-лу

(3)

(j, Е и в А/см2, В/см и эВ, см. табл.). Ф-ла (2) получена в след. предположениях: свободные электроны в металле подчиняются статистике Ферми - Дирака; вне металла на электрон действуют только силы зеркального изображения.

Значения для некоторых Е и ,  рассчитанные по формуле (2)

= 2,0

	= 4,5

	= 6,3

	

	

	

1,0

	2,98

	2,0

	-3,33

	2,0

	- 12,90

1,2

	4,45

	3,0

	1,57

	4,0

	-0,88

1,4

	5, 49

	4,0

	4,06

	6,0

	3,25

1,6

	6,27

	5,0

	5,59

	8,0

	5,34

1,8

	6,89

	6,0

	6,62

	10,0

	6,66

2,0

	7,40

	7,0

	7,36

	12,0

	7,52

2,2

	7,82

	8,0

	7,94

	14,0

	8,16

2,4

	8, 16

	9,0

	8,39

	16,0

	8,65

2,6

	8,45

	10 ,0

	8,76

	18,0

	9,04

	

	12,0

	9,32

	20,0

	9,36

Прозрачность барьера D (,  Е)рассчитывалась в квазиклассическом приближении.

Несмотря на упрощения, ф-ла Фаулера - Нордхейма хорошо согласуется с экспериментом. Характерными свойствами А. э. из металлов являются высокие предельные плотности тока j (вплоть до 1010 А/см2) и экспоненц. зависимость j от и Е. При j=106- 10' А/см2 наблюдается нек-рое уменьшение j по сравнению с (2). Это связано с влиянием объёмного заряда или с деталями формы потенц. барьера. Рост тока j с повышением напряжения V заканчивается при j= 108-1010 А/см2 вакуумным пробоем и гибелью эмиттера. Этому предшествует более интенсивная, но кратковременная взрывная электронная эмиссия.

А. э. слабо зависит от температуры Т. Малые отклонения j от (2) с ростом Т прямо пропорц. Т2:

(4)

Ф-ла (4) верна с точностью ~ 1% для приращений тока ~ 18%. Для отношения справедлива т. н. ф-ла Мёрфи и Гуда

(5).

Для больших изменений j(Т)существуют более громоздкие ф-лы и графики, полученные численными расчётами. 

Рис. 2. Энергетический спектр автоэлектронов при разных температурах Т и внешних полях Е для Ф = 4,5 эВ; - уровень покоящегося электрона в вакууме.

При повышении Т и снижении Е А. э. (термоавтоэлектронная эмиссия) переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем (Шоттки аффект). Энергетич. спектр автоэлектронов из металла узок (рис. 2). Полуширина а распределения по полным нергиям при Т=0К определяется ф-лой

(6)

При=4,4 эВ и lg j от 0 до 7 варьируется от 0,08 до 0,2 эВ. Величина с повышением Т возрастает, в частности при 300 К (в том же диапазоне j) изменяется от 0,17 до 0,3 эВ. Форма спектра отклоняется от теоретической (в модели свободных электронов) при сложной конфигурации ферми-поверхности или при наличии адсорбир. молекул и атомов на поверхности, особенно если они неметаллич. происхождения (напр., нек-рых органич. молекул, к-рые играют роль волноводов для электронных волн).

Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в ср. меньшую, чем энергия Ферми , тогда как вновь поступающие в металл через контакт электроны имеют энергию (Ноттингема эффект). С возрастанием Т нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через т. н. температуру инверсии, соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. При больших Т, когда эмиттер разогревается за счёт джоулевых потерь, инверсия эффекта Ноттингема в нек-рых пределах препятствует лавинному саморазогреву и стабилизирует А. э.

А. э. из полупроводников. Особенности А. э. из полупроводников связаны с неск. факторами: 1) элект-рич. поле глубоко проникает в полупроводник, что приводит к смещению энергетич. зон, к изменению вблизи поверхности концентрации носителей заряда и их энергетич. спектра; 2) концентрация электронов во много раз меньше, чем в металле, что ограничивает величину j, и она сильно зависит от внеш. воздействий (температуpa, освещение и др.); 3) поверхностные состояния носителей заряда могут сказываться на характеристиках А. э.; 4) вольт-амперные характеристики и энергетич. спектры автоэлектронов отражают зонную структуру полупроводников; 5) протекающий через полупроводник ток может приводить к перераспределению потенциала на нём, а также влиять на энергетич. спектр электронов. Все эти особенности привлекаются для объяснения наблюдаемых вольт-амперных характеристик и энергетич. спектров автоэлектронов из полупроводников.

Автоэлектронные эмиттеры (катоды) делают в виде поверхностей с большой кривизной: острия, лезвия, шероховатые края фольг и плёнок, торцы нитей и т. п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях плёнок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжение V, обеспечивающее величину электрич. поля Б, достаточную для возникновения А. э., может составлять от сотен В до неск. десятков кВ.

Стабильность А. э. связана с постоянством распределения вдоль катода и т.н полевого множителя Оба эти фактора могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов или молекул как примесей, так и материала эмиттера. Напр., локальные значения возрастают в результате миграции поверхностных атомов под действием сильного электрич. поля (перестройка в поле) или в результате "изъязвления" поверхности при ионной бомбардировке. Повышение стабильности А. э. достигается улучшением вакуума, очисткой эмиттера, использованием импульсного напряжения (для ослабления миграции атомов в электрич. поле и саморазогрева эмиттера), умеренным подогревом эмиттера (для защиты от адсорбции и для "заглаживания" дефектов в местах удара ионов), применением слабо адсорбирующих материалов (нек-рые карбиды, бориды, нитриды металлов, углерод). Исследование А. э. из монокристаллов тугоплавких металлов, а также хим. соединений с металлич. проводимостью ( и др.) в сверхвысоком вакууме (поверхность эмиттера остаётся чистой в течение часов или суток) позволило уточнить параметры А. э. для этих веществ.

Применение. Металлич. автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока j, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрир. электронные пучки. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются отсутствие энергетич. затрат на подогрев и безынерци-онность. Металлич. автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной характеристики используется в устройствах СВЧ (преобразователи частоты, усилители, детекторы сигналов). Автоэмиссионный эмиттер в качестве интенсивного точечного источника электронов применяется в растровых микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и обычной электронной микроскопии, в рентгеновской дефектоскопии, в рентгеновских микроанализаторах и электронно-лучевых приборах. Автоэмиссионные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронных устройствах и в чувствит. индикаторах изменения напряжения.

Автоэлектронный катод в сочетании с анодом, совмещённым с люминесцирующим экраном, превращает такой автоэмиссионный диод в эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать картину углового распределения тока А. э. с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности (см. Электронный проектор).

Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры перспективны как чувствит. приёмники ИК-излучения. Многоострийные системы эмиттеров служат основой для мозаичных систем в преобразователях ИК-изоб-ражений.

В высоковольтных вакуумных устройствах А. э. может играть и "вредную роль", способствуя утечкам тока, развитию вакуумного пробоя. Для подавления А. э. в этих случаях снижают поле у поверхности электродов (уменьшая их кривизну), подбирают расположение электродов и распределение потенциалов, а также повышают работу выхода из поверхности (подбором материала или покрытия).

Литература по автоэлектронной эмиссии

1. Елинсон М. И., Васильев Г. Ф., Автоэлектронная эмиссия, М., 1958: 
2. Фишер Р., Нойман X., Автоэлектронная эмиссия полупроводников, пер. с нем., М., 1971; 
3. Ненакаливаемые катоды, М., 1974; 
4. Wood R. W., A new form of cathode discharge and the production ox X-rays, together with some notes of diffraction, "Phys. Rev.", 1897, v. 5, № 1, p. 1. 
5. Mi11ikan Л. A., Lauritsen С. С., Temperature dependence of field currents, там же, 1929, v. 33, Mi 4, p. 598: 
6. Fowler R. H., Nоrdheim L., Electron emission in intense electric fields, "Proc. Roy. Soc.", 1928, ser. A, v. 119, № 781, p. 173; 
7. Gооd R. H., Mu11er E. W., Field emission. in: Handbuch der Physik, Bd 21, В.- Guttingen - Heidelberg, 1956. 

В. Н. Шредник.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ