2 Виды электронной эмиссии
Существуют следующие виды электронной эмиссии:
1. Термоэлектронная эмиссия, получаемая при повышении температуры тела.
2. Электростатическая электронная эмиссия (иначе; автоэлектронная или холодная), обусловленная действием сильного электрического поля.
3. Вторичная электронная эмиссия, возникающая под ударами электронов о поверхность тела.
4. Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц, возникающая, в частности, от ударов ионов.
5. Фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием лучистой энергии.
2.1 Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия имеет особенно широкое применение в электронных приборах.
С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет (см. рис.3.2) и может оказаться достаточной для совершения работы выхода.
Если вылетевшие электроны не отводятся от эмитирующей поверхности ускоряющим полем, то около нее образуется скопление электронов («электронное облачко»). В нем скорости электронов различны и некоторой средней скоростью обладает наибольшее количество электронов (рис.5.6). Средняя скорость обычно составляет десятые доли вольта (например, 0,46 в при эмиссии вольфрама, нагретого до 2700° К).
Рис.5.6. Распределени количества эмитированных электронов
по величинам их энергий
Электронное облачко находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно.
Явление термоэлектронной эмиссии напоминает испарение жидкости в закрытом сосуде. Над такой жидкостью находится насыщенный пар. В нем скорости молекул различны, и некоторой средней скоростью обладает наибольшее количество молекул. Насыщенный пар находится в динамическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости.
Удельной электронной эмиссией jэ называется ток эмиссии, получаемый с одного квадратного сантиметра поверхности, если все эмитированные электроны удаляются внешним полем.
В этом случае jэ представляет собой плотность эмиссионного тока.
Иначе говоря, удельная эмиссия характеризует число электронов, испускаемых каждую секунду с поверхности в 1 см2, и выражается в амперах на квадратный сантиметр (а/см2).
Если же внешнего поля нет, все электроны возвращаются обратно и плотность тока равна нулю. Возможны также случаи, когда возвращается часть электронов и плотность эмиссионного тока меньше удельной эмиссии. Ток эмиссии Iэ, создаваемый всей поверхностью катода Qк,
Iэ = jэ . Qк (5.2)
Зависимость jэ от Т для вольфрама наглядно изображается графиком на рис.5.7.
Рис.5.7. Зависимость удельной термоэлектронной эмиссии вольфрама от температуры
Как видно, при температурах ниже 2000° К эмиссии практически нет, а при нормальной рабочей температуре вольфрамового катода 2500 – 2600° К даже небольшое повышение температуры вызывает резкое возрастание эмиссии.
2.2 Электростатическая электронная эмиссия
Эту эмиссию иногда называют холодной или автоэлектронной, что неудачно, так как все виды эмиссии, кроме термоэлектронной, можно причислить к «холодным». А термин «автоэлектронная эмиссия» может навести на неправильную мысль, что электроны испускаются автоматически, самопроизвольно.
Выход электронов из металлов происходит с помощью сильных электрических полей с напряженностью не менее 105—106 в/см.
Внешнее поле понижает потенциальный барьер около поверхности металла. На рис.5.8 кривая 1 изображает распределение потенциала на границе металл-вакуум при отсутствии внешнего поля, а кривая 2 — изменение потенциала внешнего ускоряющего поля. Кривая результирующего потенциала 3 показывает, что высота потенциального барьера уменьшилась и работа выхода стала меньше. Если поле достаточно сильное, то барьер понижается настолько, что электроны выходят в вакуум при нормальной температуре.
Рис.5.8. Влияние внешнего ускоряющего поля на потенциальный
барьер у поверхности металла
Электростатическая эмиссия сильно возрастает в случае шероховатой поверхности, что объясняется концентрацией поля у микроскопических выступов этой поверхности.
При наличии активирующих покрытий электростатическая эмиссия также увеличивается, особенно у оксидных слоев. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою, здесь играют роль проникновение внешнего поля в полупроводниковый оксидный слой и шероховатость поверхности оксида.
Явление увеличения термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля называют эффектом Шоттки.
В данном случае осуществляется своеобразная комбинация термоэлектронной эмиссии с электростатической. Но это вовсе не простое сложение двух видов эмиссии.
Эффект Шоттки наблюдается при сравнительно слабых полях. Если бы катод не был накален, то электростатическая эмиссия совсем отсутствовала бы. А при высокой температуре и наличии внешнего поля, понижающего потенциальный барьер, в вакуум выходят дополнительно многие электроны, которые при отсутствии поля не могли бы выйти.
Следовательно, эффект Шоттки можно рассматривать как электростатическую эмиссию, которая у нагретого эмиттера возникает даже под действием сравнительно слабого ускоряющего поля.
При усилении внешнего поля эффект Шоттки резко возрастает.
При кратковременном действии сильного поля из накаленных оксидных и других активированных катодов получается очень большая эмиссия. Такая эмиссия в виде кратковременных импульсов тока применяется в некоторых электронных и ионных приборах.