1.2 Електронна емісія

1.2.1 Термоелектронна емісія

Термоелектронна емісія – це такий вид емісії, при якому додаткова енергія надається емітеру та електронам у вигляді тепла. Термоелектронна емісія отримала найбільш широке застосування в електровакуумних та газорозрядних приладах.

На рис.1.1 по осі ординат відкладена величина енергії . Однак у ряді випадків, наприклад при розгляді електричних полів, у міжелектродному просторі приладів, виявляється більше зручним користуватися поняттям потенційного бар'єра. Тоді по осі ординат відкладається величина потенціалу .

На рис. 1.2 показана функція розподілу електронів по енергіях для металу відповідно до квантової статистики Фермі–Дирака. При К найвища енергія електронів у металі відповідає значенню енергії Фермі. При підвищенні температури тіла найбільш швидкі електрони за рахунок теплової енергії можуть переміститися на більше високі вільні енергетичні рівні. Функція розподілу при К видозмінюється: імовірність заселення енергетичних станів, що лежать вище рівня Е_ф, стає відмінною від нуля. При кімнатній температурі енергія найбільш швидких електронів зростає на величину , рівну приблизно 0,03 еВ. При підвищенні температури до К збільшення енергії досягає декількох електрон-вольтів. Енергія найбільш швидких електронів при цьому виявляється достатньої для подолання роботи виходу (рис. 1.2). Електрони будуть залишати метал, рухаючись у вакуумі з кінетичною енергією, величина якої виміряється перевищенням їхньої енергії над величиною роботи виходу Е₀.

Рисунок 1.2 - Енергетичний бар'єр на поверхні і функція розподілу Фермі для металу.

С трум з одиниці поверхні катода – питомий струм термоелектронної емісії визначається вираженням (формулою Ричардсона-Дешмона):

, (1.2)

де А/см²град – стала термоелектронної емісії або стала Зоммерфельда; D_S – коефіцієнт Шотки, що визначає прозорість потенційного бар’єру для електронів; e, m – заряд та маса електрона, відповідно; h, k – сталі Планка та Больцмана, відповідно.

Експериментальна перевірка формули (1.2) приводить до інших величин цієї постійної: для різних речовин стала може приймати значення від 10 до 300. Данні для основних матеріалів приведені в таб.2.

Таблиця 2

Метал	W	Mo	Ta	Th	Ba	Cs
А0, А*м-2 *К-2 *106	60	55	60	70	60	162
Е0/k , K*103	52,4	48,1	47,5	39,2	24.5	2,1

З (1.2) видно, що питомий струм емісії залежить від величини роботи виходу і від температури. Для більшості катодів залежність носить експонентний характер. На рис.1.3 показані якісні криві зміни струму емісії від температури для двох катодів площею 0,03см², але з різною роботою виходу.

Рисунок 1.3 - Залежність струму емісії від температури для катодів.

Термоелектронна емісія – найпоширеніший вид емісії тому термоемітери використовуються майже у всіх електронновакуумних приладах.