Эмиссионная электроника. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

С.С. ВОЛКОВ

ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Рязань 2017

2

УДК 539.2 ББК 22.314(81.432.1)

Эмиссионная электроника: учеб. пособие / С.С. Волков; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2017. 84 с.

Приведены основные особенности различных видов эмиссий электронов с поверхности. Проведен анализ свойств поверхности, определяющих эмиссионные свойства материалов: атомного состава, взаимного расположения атомов, зарядового состояния атомов, электронной структуры, зонной модели, энергетического состояния поверхности. Рассмотрены начальные условия электронной теории.

Предназначено для студентов дневного и вечернего отделений направления 654100 «Электроника и микроэлектроника».

Табл. 3. Ил. 23. Библиогр.: 10 назв.

Эмиссия, термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная, туннельная, экзоэлектронная, поверхность, работа выхода, зонная модель, волновые свойства

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.

Рецензент: кафедра электронных приборов Рязанского государственного радиотехнического университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. М.В. Чиркин)

Во л к о в Степан Степанович Эмиссионная электроника

Редактор Р.К. Мангутова Корректор Н.А. Орлова

Подписано в печать 25.09.17. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 5,25.

Тираж 30 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул.Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.

© Рязанский государственный радиотехнический университет, 2017

3

Оглавление

Введение………………………………………………….……...… 4

1.Эмиссия электронов и силы связей атомов…..……….…….... 4

2.Понятие электроотрицательности. …………………….….…... 11

3.Особенности классической и квантовой физики

5.Поверхность ……………………………………………...……... 41

6.Структура поверхности ………………………………………... 44

7.Адсорбция. Зарядовое состояние адатомов …………..………. 48

8.Начальные условия электронной теории ……..………………. 57

9.Особенности микрообъектов …………………………………. 60

10.Волновая механика. Уравнение Шредингера………….……. 62

11.Квантование свободных электронов ……………………….. 64

4

Введение

Данное учебное пособие предназначено для ознакомления с физическим явлением эмиссии электронов конденсированными средами при различных видах энергетического воздействия и разных процессах на поверхности. В пособии рассмотрены свойства поверхности и особенности поведения электронов в твердом теле, влияющие на процессы возбуждения электронов и выхода их из твердого тела.

К настоящему времени экспериментально изучены более десятка видов энергетических воздействий на поверхность конденсированных сред и более двух сотен видов физических свойств поверхности и процессов, связанных с эмиссией электронов. В данной работе рассмотрены физические характеристики основных видов эмиссии, то есть электронные эмиссии, возбужденные нагревом, освещением, наложением электрического поля и бомбардировкой поверхности электронами. Эти виды эмиссии широко применяются на практике.

Изучение любой дисциплины, в том числе и эмиссионной электроники, – это, прежде всего, изучение языка дисциплины, а именно первичных понятий, их содержания, терминологии, активного словарного комплекта дисциплины, соответствия определений физическим явлениям, объектам и процессам, связи определений и понятий с другими науками. Затем проводится их аналитическое описание с использованием возможностей математики. Математическое описание изучаемых явлений, объектов и процессов позволяет проводить их численное комбинаторное сопоставление для получения более широких представлений об изучаемых вопросах. Результаты мыслительных и абстрактных представлений в конечном итоге сопоставляются с результатами практических наблюдений или специальных моделирований и измерений. А прежде всего, необходимо знать понятийный аппарат, словесный и математический язык дисциплины.

1. Эмиссия электронов и силы связей атомов

Эмиссия – это испускание, широко используемый термин. Эмиссия электронов – испускание одиночных или групп электронов твердыми телами и жидкостями. К одному атому, испускающему электрон, понятие «эмиссия» применяется редко при описании специальных процессов. Испускание электронов газом или плазмой характеризуется понятием «эмиссия», если электроны испускаются за пределы плазмы.

Если ранее твердые тела и жидкости описывались отдельно, то с началом широкого использования жидкостей в электронике стало ак-

5

тивно использоваться новое понятие – «конденсированная среда», охватывающее все материалы, в которых имеются заметные энергетические связи между атомами, – твердые тела и жидкости, кристаллические и аморфные тела, биообъекты, то есть все тела, кроме газов.

Энергетические связи между атомами разделяются на виды:

1)физическая, ван-дер-ваальсовская;

2)ковалентная (в полупроводниках);

3) металлическая (в металлах со свободными электронами),

4)ионная [в диэлектриках с (+ ) и (– ) ионами в решетке];

5)химическая, молекулярная.

Наиболее слабыми, физическими являются связи между атомами конденсированных инертных газов Е < 0.1 – 0.01 эВ. Сильные связи обусловливают твердость материалов и находятся в пределах

1 < E < 15 эВ.

Металлическая связь самая сильная и обусловлена кристаллической решеткой однократных положительных ионов и свободным электронным газом валентных обобщенных электронов. Решетка положительных ионов как пространственная, геометрическая емкость содержит свободные электроны, которые, в свою очередь, стягивают в устойчивую кристаллическую структуру решетку ионов. Работу, затрачиваемую на удаление свободного электрона из металла за его пределы, называют работой выхода электрона. Работу по удалению атома из решетки за пределы металла называют энергией связи, энергией сублимации, энергией испарения. Эти энергии, несколько отличаются по величине друг от друга, но отражают связь атомов в кристаллической решетке.

Ковалентные связи обусловлены объединением валентных электронов соседними атомами друг с другом. Так, например, атом кремния в решетке своими четырьмя валентными электронами охватывает четыре соседних атома, получая от них по одному обобщенному электрону. В итоге два любых соседних атома связывает два общих электрона. Энергия ковалентной связи сильнее физической, но несколько слабее металлической связи и составляет в решетке единицы электронвольт.

Валентные электроны относительно легко могут быть отделены от атомов, и они могут образовывать проводимость в кристалле. Кристаллы с ковалентной связью образуют полупроводники. Их проводимость во много порядков раз меньше проводимости металлов. Концентрация электронов в металле равна концентрации атомов и составляет 1023 1/см3, а в полупроводниках – до 1014 1/см3. При меньших концентрациях свободных электронов материалы относятся к диэлек-

6

трикам.

Отделение электрона от ковалентной связанности с атомами осуществляется под действием комнатной температуры видимого и даже инфракрасного излучения. Поэтому кристаллы с ковалентной связью непрозрачные. Работу, затрачиваемую на освобождение электрона от ковалентной связи с атомом, называют энергией активации проводимости. Эту энергию на энергетической электронной схеме обозначают как запрещенную зону.

Ионный тип связи в конденсированных средах образуется в кристаллических решетках с двумя и более типами атомов со значительно различающимися валентностями. Например, в кристалле каменной соли Na+Cl– валентный электрон атома натрия переходит в атом хлора, и между ними образуется кулоновская сила притяжения, являющаяся отличительным признаком ионной связи. В таком кристалле нет свободных электронов. Он является диэлектриком. Энергия активации проводимости диэлектриков обычно большая (от 5 до 15 эВ), и они прозрачные для видимого света.

Химическая связь характеризуется передачей электрона одного типа атома другому типу атома кристалла или его обобществлением с образованием молекулярных орбиталей и соответственно автономной молекулы. Конденсированную среду образуют уже молекулы, между которыми могут быть связи физические, ковалентные и металлические. Все три вида связей можно назвать условными, так как в чистом виде они в молекулярных кристаллах не наблюдаются. В конденсированных средах, в твердом теле, с химическим типом связи всегда присутствует другой тип связи.

Все виды связей формируются одними и теми же атомными силами, но с разной долей действия. К составляющим межатомных сил относятся:

1.Электростатические кулоновские силы.

2.Электродинамические или электрокинетические силы.

3.Магнитостатические силы, силы Ампера, Лоренца, силы стационарных магнитных полей.

4.Магнитодинамические силы, в том числе сила изменяющегося магнитного поля, возбуждающая эдс.

5.Силы спиновых связей.

6. Силы химического сродства.

Перечисленные силы в разных сочетаниях степени вклада формируют разные виды связей между атомами. Например, самая изученная кулоновская сила формирует электростатическую составляющую энергии связи. В физической, ван-дер-ваальсовской связи элек-

7

тростатические силы проявляются как дипольное взаимодействие, а в ионной связи как полное кулоновское взаимодействие. Эти же силы используются при построении и совершенствовании электронной теории, теории поведения электронов в конденсированных средах, в твердых телах, участвующих в формировании разных видов эмиссии и проводимости. И далее, в построении теории используются уже не силы, а энергетические характеристики. В квантово-механической форме представления электронной теории проявление сил как физическое явление отсутствует, используются только энергетические характеристики. Например, энергетические состояния двух объектов до взаимодействия и после взаимодействия. И так, скачками от состояния к состоянию, описывается движение микрообъекта.

Эмиссионные свойства материалов, как правило, описываются экспоненциальными уравнениями и характеризуются предэкспоненциальным множителем «А» и параметром в показателе экспоненты

«b». Для термоэмиссии Ричардсон написал уравнение

I = A T1/2 exp (b / kT),

где A и b – эмиссионные постоянные; Т – температура эмиттера. Величина b является главной характеристикой эмиссионных

свойств материала, названной работой выхода электрона с поверхности твердого тела, металла. В современном обозначении b = eφ - работа по удалению электрона из твердого тела в вакуум, работа против перечисленных выше сил, выраженная энергетическими категориями.

Физическая природа составляющих энергии связи электрона, а соответственно работы выхода обусловлена природой вышеперечисленных сил. По степени ясности физической природы сил и формируется адекватность электронной теории твердого тела. Первые четыре вида вышеперечисленных сил аналогичны силам, проявляемым в макротелах. Остальные два типа сил, силы сродства и спиновые взаимодействия, присущи только микрообъектам. Из трех видов спиновых взаимодействий для свободных электронов могут проявляться только электронные спины. Спины ядер атомов и орбитальные спины электронных оболочек можно не учитывать из-за условия модели свободности электронного газа. Наиболее весомыми по вкладу и сложными в физической интерпретации являются силы электронного сродства или, на языке микромира, – энергия электронного сродства, энергия сродства к электрону. Силы сродства обусловливают энергию сродства и соответственно химический потенциал как составляющую объемной части работы выхода электрона. Силы сродства относят к химической стороне взаимодействия электрона с объемом твердого тела.

Известно, что как физические, так и химические взаимодействия

8

имеют общую электромагнитную основу. Во взаимодействиях между атомами химические и физические связи условно разделяются отношением расстояния между взаимодействующими зарядами к величине протяженности заряженных тел. В представлении точечности заряда в сравнении с расстоянием между зарядами силы между ними определяются как кулоновские, а взаимодействие считается физическим. Химическими силами считаются все остальные, а именно кулоновские силы между атомами, когда расстояние между ними сравнимо с размерами атома. При этом проявляются магнитные, электромагнитные, статические и динамические, а также спиновые взаимодействия.

Исходно химическим взаимодействием характеризуют процесс и результат образования химического соединения. Однако формально свойством химического взаимодействия принято наделять и свободный электрон в твердом теле. Принято считать, что электрон связан с твердым телом как электростатическими кулоновскими, так и химическими силами. Химическое сродство свободного электрона в металле химического соединения не образует. Этой характеристикой обобщается вся разница энергии связи между действительной экспериментально измеренной энергией связи, то есть работой выхода, и теоретически рассчитанной величиной электростатической составляющей работы выхода.

Электрические, магнитные, электромагнитные, спиновые силы между атомами неравномерны по направлениям от атома, то есть анизотропны и обусловливают разное действие на другие электрические заряды, в том числе и на электрон. Это обусловлено дискретным распределением отрицательных зарядов-электронов вокруг мультипольного ядерного заряда пространственно-структурного характера.

Как рассмотрено выше, все свободные нейтральные атомы обладают свойством притягиваться друг к другу и притягивать и связывать около себя свободный электрон. Свойством образовывать отрицательный ион обладает даже водород. Это свойство называют сродством к электрону. Сродством к электрону или энергией сродства атома к электрону, или просто его сродством к электрону S называют энергию, выделяющуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион.

Следствием этих сил является все многообразие многоатомных соединений, молекул, твердых и жидких тел. Таким образом, величина энергии связи дополнительного, избыточного электрона в атоме называется энергией сродства и обозначается символом S. Эта энергия связи дополнительного электрона всегда меньше энергии связи наи-

9

более слабого валентного электрона с энергией связи eVi1, называемой первой энергией или, чаще, первым потенциалом ионизации. Здесь словом «потенциал» характеризуется энергия – энергия связи или энергия взаимодействия, называемая потенциалом ионизации или потенциалом взаимодействия. И если потенциал V ионизации обозначается с символом «e», то есть eVi1 [эВ] , то энергия сродства обозначается без «e», а именно S, тоже с размерностью [эВ]. Это важно учитывать при численных вычислениях.

Физическую причину притягивания электрически нейтральным атомом электрически отрицательно заряженной частицы объясняют неполной компенсацией силовых линий ядра атома электронами оболочки атома. Положительное поле ядра атома локально распространяется за пределы орбит валентных электронов. Это поле притягивает электрон, и адатом заряжается отрицательно. Энергия связи избыточного электрона с атомом (энергия сродства S) для известных отрицательных ионов находится в пределах от нуля до значения первого потенциала ионизации 0 < S < eVi1 (см. рисунок).

Схемы энергетических уровней атома – первого потенциала ионизации eVi1, энергии сродства S и одного из уровней возбуждения Ев: а

– c потенциалом взаимодействия атома экспоненциальной формы; б – с потенциалом взаимодействия атома прямоугольной формы

Неполная компенсация поля ядра электронами и наоборот наглядно демонстрируется на классических моделях любого диполя или атома водорода. С противоположных сторон идеального диполя силовые линии уходят в бесконечность и связываются с посторонними зарядами противоположного знака, которые притягиваются к диполю. Силовая линия одного заряда (например, только ядра) не существует. Массивные в сравнении с электронами ядра притягивают и удержи-

10

вают около себя дополнительные электроны сверх баланса зарядов диполя или мультиполя как многоэлектронного атома. Энергии сродства для большинства элементов таблицы Менделеева приведены ниже.

Сродство к электрону атомов в основном состоянии в электронвольтах

Таким образом, сродство атома к электрону характеризует его способность образовывать отрицательные ионы и химические соединения. При присоединении электрона другого атома величина энергии сродства к электрону может изменяться в зависимости от типа другого атома, а также от других условий процесса. В большинстве случаев более удобным оказалось использование относительных величин для описания способности образовывать отрицательные ионы, особенно в анализе химических процессов.