1.4.Контактная разность потенциалов и пространственный заряд

№№ рис и формул заменил

На рис. 1.5 изображены энергетические диаграммы веществ эмиттера и анода при температуре абсолютного нуля, диаграмма на рис.5а имеет место при отсутствии эмиссии. Электроны находятся в потенциальных ямах глубиной U₀. Тонкими сплошными линиями обозначены «заселенные» электронами уровни энергии, заселенные – в том смысле, что в веществе имеются электроны с рассматриваемыми уровнями энергии. Уровни, расположенные выше уровня Ферми, при температуре абсолютного нуля не заселены, т.е. в веществе нет электронов с энергией больше Е_F. Дно потенциальных ям совпадает с дном эоны проводимости веществ, т.е. самый нижний энергетический уровень соответствует минимальной энергии электрона при Т=0. Дно потенциальной ямы вещества анода расположено ниже, чем у вещества эмиттера, поскольку ˃ (_А, _Э – анод и катод соответственно), как следствие, различны и работы выхода. До возникновения эмиссии вещества эмиттера и анода электрически нейтральны, следовательно, разность потенциалов между ними равна нулю (вакуумные уровни одинаковы).

Предположим, что электроны получили дополнительную энергию и могут совершить работу выхода. Рассмотрим их поведение для случая, когда сообщаемая им энергия больше работы выхода. В этом случае они покидают катод, имея начальную скорость (и энергию), отличную от нуля. Поскольку электроны, находящиеся в веществе, в соответствии с теорией статистики имеют широкий спектр собственной энергии, а дополнительно им сообщается энергия одна и та же, то и начальные их скорости выхода из вещества эмиттера находятся в широком диапазоне значений. Эмитированные катодом электроны, движутся в межэлектродном пространстве (между катодом и анодом) в разных направлениях. Однако, конструкция анода такова (анод располагается вокруг поверхности катода – эмиттера, рис.14), что электроны, независимо от направления их движения, преимущественно попадают на анод, внедряясь в электронную подсистему вещества, из которого он изготовлен. Работа выхода вещества эмиттера eφ_Э обычно меньше работы выхода вещества анода еφ_А, следовательно, уровень Ферми эмиттера выше, чем таковой вещества анода _. Поэтому валентные электроны вещества эмиттера, как имеющие большую энергию, преимущественно будут переходить на свободные и нижерасположенные уровни энергии вещества анода, который вследствие этого будет заряжаться отрицательно, что вызовет рост его потенциальной энергии. Потенциальная энергия вещества эмиттера, напротив, будет уменьшаться, поскольку эмиттер, вследствие убыли электронов его вещества, станет заряжаться положительно. Как следствие, уровень Ферми эмиттера будет понижаться, а уровень Ферми вещества анода – повышаться. Когда они станут равными (рис.5б), наступит состояние равновесия, при котором между точками вакуумного промежутка, расположенными в непосредственной близости от поверхностей эмиттера и анода, будет иметь место разность потенциалов V_К, называемая контактной. Таким образом, контактная разность потенциалов (КРП) будет равна разности работ выхода еφ_А и eφ_Э или потенциалов выхода φ_А и φ_Э:

V_К = ( еφ_А- eφ_Э)/е = φ_А- φ_Э.

Порядок величины КРП для разных материалов составляет 10^-1-10⁰В, а его полярность зависит от величин работ выхода каждого вещества. Следовательно, если на анод относительно катода подано напряжение, измеряемое вольтметром, то КРП алгебраически суммируется с ним. Поэтому, результирующее напряжение (а, следовательно, и результирующее поле) на рассматриваемом участке не будет равно тому напряжению, которое показывает вольтметр. Так, в опытах Франка и Герца, подтвердивших дискретность энергии атомов ртути, величина КРП вычиталась из показаний вольтметра. Если КРП много меньше анодного напряжения, то ей можно пренебречь.

Управление электронами, покинувшими катод (эмиттер), осуществляется электрическими и магнитными полями

Характер силового воздействия на электроны определяется конфигурацией поля, т.е. распределением потенциала φ в межэлектродном промежутке. Изобразим одномерные потенциальные диаграммы на участке анод-катод для различных режимов работы диода (прибора, имеющего два электрода – катод и анод), обозначенных цифрами 1–4 рис.6, им соответствуют потенциальные диаграммы на рис.6а. Будем считать, что катод и анод представляют собой параллельные и бесконечные плоскости, следовательно, поле между ними однородно. Потенциалы в различных точках межэлектродного пространства обычно измеряют относительно катода, принимая его потенциал равным нулю. Разность потенциалов на участке «анод-катод» (х=r_a), т.е. φ_а – φ_к будем называть аноданым напряжением U_а, (U_a= φ_а – φ_к). Измерения можно осуществить методом пробного заряда, зондовым методом и др. Пунктирной линией на рис.6а изображена потенциальная диаграмма, имеющая место при отсутствии эмиссии.

Пусть в качестве катода используется фотокатод, на который воздействует электромагнитное излучение (свет) с энергией не меньшей работы выхода, т.е. электронная эмиссия имеет место. В режиме 1 рис. 6б, катод и анод никуда не подключены. Такой режим работы можно назвать режимом холостого хода (РХХ). Электроны с начальными энергиями больше нуля устремляются на анод. Первый же вышедший за пределы эмиттера электрон создает свое поле, препятствующее эмиссии последующих электронов. Следовательно, это поле можно назвать потенциальным барьером на пути покидающих катод электронов. Поскольку спектр энергий эмитируемых электронов достаточно широк, надо полагать, что найдется такой электрон, который преодолеет потенциальный барьер и покинет катод, а электроны с меньшими уровнями (значениями) энергии будут отброшены на катод полем барьера. Таким образом, в пространстве между электродами появится некоторое количество движущихся к аноду электронов, своеобразное электронное «облако». Оно включает в себя наиболее энергичные электроны, со своим объемным или пространственным зарядом и соответствующим ему потенциальным барьером на своем собственном пути. Как только первый электрон достигнет анода, возникнет КРП, создавая своё поле, являющееся также барьером на пути эмитируемых электронов, высота которого будет расти по мере прихода электронов на анод. В конце концов, суммарный барьер достигнет такой высоты, при которой наступит равновесное состояние, и среднее количество покидающих катод электронов будет равно среднему количеству электронов, отбрасываемых полем барьера вновь на катод. Следовательно, результирующий ток эмиссии будет равен нулю (поскольку одни электроны покидают катод, а другие возвращаются на него), в пространстве анод-катод будет существовать электронное облако с постоянной концентрацией электронов и постоянной величиной КРП, равной V_к.

В режиме 2 анод замкнут на катод - это режим короткого замыкания (РКЗ). В цепи анод – катод появляется ток короткого замыкания, обусловленный КРП, который условно назовем начальным и обозначим I_нач. Соответствующая этому режиму потенциальная диаграмма 2 рис.6 показывает, что потенциальный барьер сохраняет свою ширину, равную r_а, хотя высота его уменьшается за счет уменьшения пространственного заряда.

Если включить источник анодного напряжения U_a1, с полярностью, указанной на рисунке, то это приведет к ещё большему снижению потенциального барьера (режим 3), при этом его ширина также уменьшится - х_пз< r_a , где х_пз- ширина потенциального барьера, т.е. расстояние по оси х, на котором электроны, испущенные катодом, испытывают торможение в результирующем поле – анодном, пространственного заряда и КРП. Наконец, при напряжении U_a2>U_a1 потенциальный барьер полностью исчезает (режим 4).

Режим 3 называют режимом пространственного заряда (РПЗ). В этом режиме, благодаря существованию потенциального барьера в некоторой части межэлектродного пространства - в диапазоне (0,х_пз) рис.6а. не все эмитированные катодом электроны достигают анода. Электроны, имеющие минимальную начальную энергию, не могут преодолеть барьер и возвращаются на катод. Изменения анодного напряжения в этом режиме вызывают изменение высоты барьера, а значит и величины анодного тока.

Режим 4 называют режимом насыщения (РН). В этом режиме потенциальный барьер отсутствует, поскольку во всех точках межэлектродного пространства потенциал положителен (рис. 6а). Поле в этом пространстве ускоряет все электроны, испущенные катодом, по направлению к аноду. Следовательно, при наступлении режима насыщения дальнейший рост анодного напряжения не приведёт к существенному увеличению тока анода, будет иметь место лишь незначительный его рост вследствие действия эффекта Шоттки и наличия тока утечки, имеющего омический характер (ток утечки – ток по изоляции присоединительной арматуры, по стеклянному корпусу, покрытому пылью и ПЖС).

Таким образом, вторым по значимости электродом любого вакуумного прибора, без которого его работа невозможна, является анод. Анод предназначен для отбора испускаемых катодом электронов, поэтому его ещё называют экстрактором - от англ.extract – вытаскивать, удалять (электроны из межэлектродного пространства). На анод всегда подается положительный – относительно катода – потенциал от источника анодного напряжения U_а. Возникающее при этом анодное поле заставляет электроны устремляться на анод. Таким образом возникает анодный ток – I_а, представляющий собой поток электронов, циркулирующих посредством источника анодного напряжения по контуру: катод – анод – источник U_а – катод.

Вольтамперные характеристики вакуумного прибора - фотоэлемента, работающего во всех трех режимах - РКЗ, РПЗ, РН - приведены на рис.7. смотрено, исправлено 31.10.11.