Эмиссионная электроника. Учебное пособие

31

большие плотности токов в импульсе. Предположительно при протекании тока через острие, превышающего предельно допустимые токи, острие разогревается и в результате какого-то лавинного процесса разрушается за короткое время. Разрушенное острие освобождает все атомы и все свободные электроны, составлявшие острие. Выделенные электроны отбираются с помощью электрического поля на коллектор или на технологический объект. Положительные атомы оседают на местонахождении острия. Отношение эмитируемых электронов к общему числу электронов составляет при термоэмиссии, исходя из условия термодинамической стационарности объекта в процессах эмиссии, незначительную величину. Из квантово-механических условий, а именно из применения принципа запрета Паули следует, что в проводимости, теплопроводности и в термоэмиссионных процессах принципиально могут принимать участие только те электроны проводимости металла из всей валентной зоны, которые энергетически расположены ниже уровня Ферми не более чем на величину E =( 3/2) kT. Количество электронов в этом энергетическом слое составляет примерно 1/30 от всего количества электронов валентной зоны. Из этого количества участвует в термоэмиссионном процессе в лучшем случае сотые - тысячные доли с учетом условий кристаллической устойчивости эмиттера. Во взрывной эмиссии разом выделяется все количество валентных электронов. При переходе твердой фазы острия в плазму все квантовые ограничения поведения электронов исчезают. Все электроны становятся свободными и могут участвовать во всех физических процессах, в том числе в эмиссии. Одиночный импульс тока получается больше автоэмиссионного импульса в тысячи раз. Взрывная эмиссия находит применение в мощных лазерах рентгеновского диапазона.

4.5. Экзоэлектронная эмиссиия (ЭЭЭ). Экзоэлектронная эмис-

сия или послеэмиссия обусловлена выделением энергии при релаксации (возврате) поверхности из энергетически возбужденного состояния в стационарное, равновесное энергетическое состояние. Основной особенностью экзоэлектронной эмиссии является разделенность по времени процесса возбуждения поверхности и процесса испускания электронов. Это разделение по времени может находиться в интервале от микросекунд до многих лет. Широко изучаются процессы послеэмиссии в диапазоне единиц секунд. Другой особенностью является небольшая величина экзоэмиссионных токов, как правило, ниже 10 – 12 А. Впервые обнаружили экзоэмиссию задолго до открытия электрона в 1870-х годах. После механической обработки металлов обнаружили зарядку обработанного тела положительно и рядом на-

сии обусловливают большое число энергетических комбинаций, приводящих к экзоэмиссии. Малые экзоэмиссионные токи обусловливают и ограничивают применение экзоэмиссии для создания запоминающих датчиков энергетических воздействий. Например, в результате какого-либо энергетического воздействия образовались заполненные электронные ловушки с большим временем жизни. Освещением селективным светом опустошаем ловушки с выделением фотоэлектронов по прошествии любого времени, зависящего от энергии залегания ловушек. Этот метод может оказаться особо важным для хронометрирования геологических процессов в миллионы и миллиарды лет.

При отжиге структурных дефектов, образующихся после ионной имплантации в полупроводниковых пластинах кремния в технологии

33

производства микросхем, возникает экзоэлектронная эмиссия. Она может быть использована для выбора и контроля режимов отжига пластин после имплантации. Высокочувствительным процессом зондирования зарядового состояния адатомов поверхности может служить хемостимулированная экзоэлектронная эмиссия. При напылении атомов, например, кислорода на поверхность пленочного эмиттера возбуждается интенсивная хемоэмиссия, свидетельствующая о наличии электроположительно адсорбированных атомов, уменьшающих работу выхода поверхности. Экзоэлектронная эмиссия во всех проявлениях есть испускание электронов в результате энергетической релаксации поверхности, перехода ее в более низкоэнергетическое состояние.

4.6. Эмиссия горячих электронов. Горячими электронами на-

зываются электроны внутри твердого тела, обладающие большой кинетической энергией Eгор, больше средней тепловой энергии Eгор > (3/2) kT. Большой ансамбль электронов проводимости, обладающих в среднем большей кинетической энергией в сравнении с энергией, соответствующей температуре тела, может характеризоваться своей локальной (групповой) температурой.

Эмиссию горячих электронов Л.Н. Добрецов объяснил следующим образом: «Эмиссией горячих электронов называется испускание электронов полупроводником при наличии в нем электрического поля. Горячие электроны эмитируются из зоны проводимости. Поэтому необходимым условием возможности появления эмиссии этих электронов является предварительное тепловое возбуждение их из основной зоны или с донорных уровней в зону проводимости. Таким образом, при эмиссии горячих электронов фактически реализуются два различных механизма возбуждения электронов: 1) возбуждение их в зону проводимости за счет тепловой энергии решетки; 2) возбуждение электронов в зоне проводимости на уровни энергии, превышающие уровень Е = 0. Этот тип возбуждения возникает за счет работы сил электрического поля в полупроводнике; в конечном счете эта энергия берется от внешнего источника напряжения, создающего поле. Наличие электрического поля в полупроводнике вызывает ускорение находящихся в зоне проводимости электронов. Эти электроны взаимодействуют с фононами тела. При таких столкновениях электронов может происходить резкое изменение направления их движения и имеет место лишь малая потеря их скорости. В результате средние энергии электронов оказываются выше таковых для ионов; можно сказать, что температура электронного газа оказывается выше температуры кристаллической решетки. Это приводит к появлению эмиссии электронов, которую условно можно было бы назвать «термоэмисси-

34

ей», однако температура, которая ее определяет, будет выше температуры решетки (Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника., изд. Наука, 1966. § 43 гл. IX).

Надо заметить, что температура решетки и температура электронного газа обычно в литературе определяются по-разному. Подробно вопрос рассмотрим ниже. Так, при температуре решетки Т = 0 температура электронного газа из-за принципа запрета Паули и наличия вследствие этого у электронов нулевой (температурно нулевой) кинетической энергии, определяемой уровнем Ферми, составляет десятки тысяч градусов.

Горячими электронами считаются также электроны, проходящие вдоль поверхности мелкодисперсного проводника от зерна к зерну через вакуумные промежутки. При приложении электрического поля вакуумные электронные мостики между зернами служат источником горячих электронов. Температура электронов задается их подвижностью, что обеспечивается силой тока по порошковой поверхности эмиттера.

Горячие электроны могут формироваться в мелкодисперсных пленках металлов и полупроводников на диэлектриках, пленках диэлектриков на металлах и полупроводниках и в других не сплошных пленках. Горячими являются электроны в полупроводниках с двухдолинной зависимостью потенциальной энергии от квантового состояния электронов. Наличие второго минимума потенциальной энергии выше основного минимума с нулевым значением обеспечивает группу электронов с повышенной полной энергией для термализованных электронов.

4.7. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) возникает при бомбардировке поверхности электронами, ионами и нейтральными атомами. Вторичная электронно-электронная эмиссия (ВЭЭЭ) – это явление испускания электронов поверхностью при ее бомбардировке электронами. Этот вид эмиссии богат особенностями. Основными характеристиками вторичной электронной эмиссии являются коэффициент вторичной эмиссии σ = (I2 / I1 ), где I2 – ток вторичных электронов с поверхности; I1 – ток первичных, бомбардирующих электронов, а также зависимости σ от различных факторов: энергии Е1 (рис. 4.9) и величины тока первичных электронов I1, угла падения на поверхность α, угла регистрации вторичных электронов φ и др.

Работа выхода электронов, то есть энергия связи электронов с твердым телом, влияет на характеристики вторичной эмиссии не так значительно, как при других видах эмиссии. Вторичные электроны в твердом теле возбуждаются в результате разных физических процессов

Кроме них имеются малые характеристические группы:

1)характеристические электроны, электроны с характеристической энергией;

2)оже-электроны;

3)ионизационные электроны;

4)характеристические плазмонные электроны;

5)плазмонные низко-энергетические электроны;

6)каналированные электроны.

Отношение тока истинно вторичных электронов IИВЭ к первичному току I1 определяется как коэффициент истинно вторичной элек- тронно-электронной эмиссии: δ = IИВЭ / I1.

Аналогично определяются коэффициент вторичной эмиссии неупруго отраженных электронов η = IНОЭ / I1 и коэффициент упруго отраженных электронов r = IУОЭ / I1.

Величина коэффициента вторичной электронной эмиссии зависит в основном от глубины выхода λ вторичных электронов (табл. 4.1), угла падения первичных электронов, концентрации свободных электронов. Вторичная электронная эмиссия используется во вторичных электронных умножителях и в фотоумножителях. Вторичная эмиссия играет важную роль в работе катодов газоразрядных приборов.

Группы разных типов характеристических электронов используются для получения информации об элементном составе, об электронной и атомной структуре, а также о рельефе поверхности. При падении первичных электронов на поверхность по нормали величина коэффициента вторичной эмиссии наименьшая.

С отклонением от нормали при падении под углом коэффициент σ увеличивается. При угле бомбардировки в 700 от нормали (200 от поверхности) вторичная эмиссия увеличивается в 3 – 5 раз. Так как коэффициент вторичной эмиссии значительно зависит от угла падения первичных электронов, то растровые вторично-электронные изображения хорошо отражают геометрический рельеф и похожи на оптические изображения.

Разрешение невооруженного человеческого глаза составляет ~ 1 угловую минуту. На расстоянии 30 см линейный размер в 1 угловую минуту равен 15 мкм. Самые лучшие растровые электронные микроскопы имеют диаметр электронного пучка 50 - 70 Å. Разрешение изображения в электронном микроскопе обычно составляет 0.5 – 0.25 диаметра пучка, то есть предельно около 20 Å. Увеличение микро-

37

скопа при такой простой оценке составит 15 мкм / 15 Å = 10000 крат.

Рис. 4.10. Распределение вторичных электронов по энергиям: ИВЭ – истинно-вторичные электроны; НОЭ – неупруго отраженные электроны; УОЭ – упруго отраженные электроны

Вторичная ионно-электронная эмиссия. Сущность этого вида эмиссии заключается в испускании электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке ионами (любых типов атомов). По применению, по аппаратной реализации и по физическим процессам, происходящим в твердом теле в процессе эмиссии, бомбардирующие ионы разделяются на следующие группы:

-ионы металлов;

-ионы инертных газов;

-ионы химически активных газов;

-ионы остальных газов;

-молекулярные ионы;

-кластерные ионы;

-многозарядные и кластерные многомолекулярные ионы. Кластер - короткоживущее, распадающееся многоатомное или

многомолекулярное соединение размером обычно меньше микрона. Многие многоатомные частицы размером меньше 5 микрон под действием внутренних и поверхностных сил согласно термодинамической теории из-за большой кривизны поверхности распадаются на отдельные молекулы и атомы.

Вторичная ионно-электронная эмиссия разделяется на два отдельных вида по физике возбуждения вторичных электронов:

1)потенциальная ионно-электронная эмиссия;

2)кинетическая ионно-электронная эмиссия.

Потенциальная ионно-электронная эмиссия проявляется ис-

пусканием электронов при облучении поверхности ионами с нулевой кинетической энергией. На практике сделать ионную пушку, форми-

38

рующую ионный пучок с кинетической энергией ионов, близкой к нулю, очень трудно. Реально созданы пушки ионов инертных газов с энергией ионов в пучке до 2 эВ. Распространенными являются ионные пушки с энергиями ионов пучка около 20 эВ.

Физический процесс потенциального вырывания электронов заключается в следующем. Ионы с нулевой энергией, например ионы гелия с первым потенциалом ионизации eVi1 = 24.3 эВ, оседают на поверхности, например, вольфрама с работой выхода eφw = 4.52 эВ. Происходит адсорбция иона гелия на поверхность вольфрама без всякого кинетического удара.

В системе вольфрам - ион гелия происходит поверхностная нейтрализация иона гелия со свободным энергетическим уровнем eVi1 = – 24.3 эВ электроном вольфрама с уровня Ферми ЕF = – 4.52 эВ. При этом выделяется энергия eVi1 – ЕF = – 4.52 – ( –24.3) = 19.78 эВ. При электронных переходах энергия выделяется тремя вариантами, а именно излучением или фотона, или фонона, или электрона с некоторой кинетической энергией.

При безызлучательной передаче выделившейся энергии электрону с уровня Ферми этот электрон, имея скорость в направлении поверхности, может выйти из вольфрама в вакуум. Считается, что энергия передается электрону, имеющему энергию, соответствующую уровню Ферми. Таким образом, вторичная потенциальная ионно-электронная эмиссия возбуждается облучением поверхности ионами, потенциал ионизации которых в два и более раза больше, чем работа выхода поверхности, с которой возбуждается потенциальная эмиссия. Выделяе-

Е > eφ, тогда eφ < EF – eVi1.

Так как энергия уровня Ферми – величина отрицательная и энергия уровня первого потенциала ионизации атома (иона) – величина тоже отрицательная, а работа выхода – величина положительная, то

Из этого условия следует, что потенциальная эмиссия может возникать при облучении ионами пленочных эмиттеров с малой работой выхода. Потенциальная эмиссия возникает под действием ионов с большим потенциалом ионизации (He, Ne, Ar, Kr, Xe, H, N, O, Cl и

39

др.). У большинства металлов работа выхода находится в пределах 3.5 – 5.5 эВ, а наибольшие потенциалы ионизации у инертных газов (больше 10 эВ).

Кинетическая ионно-электронная эмиссия согласно названию есть процесс выбивания электронов из поверхности твердого тела под действием удара налетающих ионов на поверхность. Однако кинетическая энергия иона передается эмитируемому электрону через промежуточное участие атомов и электронов твердого тела. Так как размеры и структура иона и электрона принципиально различаются, прямая передача кинетической энергии ионом электрону невозможна.

Эмитируемый электрон получает кинетическую энергию внутри твердого тела, либо в результате прямого кинетического удара другого электрона, либо от атома в результате внутренних энергетических электронных переходов с выделением энергии.

При ионной бомбардировке поверхности основным энергетическим процессом является выбивание атомов с поверхности, распыление поверхности. При ударе о поверхность одиночный ион сталкивается с одним атомом поверхности и между ними происходит перераспределение кинетической энергии иона.

Если ион тяжелее атома, то он дальше соударяется с другим атомом, а первый атом тоже соударяется с соседним атомом. Дальше происходит лавинообразно увеличивающееся количество соударений, в результате которых энергия первичного иона перераспределяется между окружающими атомами поверхности. Повышение кинетической энергии атомов равносильно повышению температуры. Средняя

энергия атома поверхности при температуре 2500 К составит

E = (3/2) kT = (3/2)·1.38·10 – 23 ·2500 / (1.6·10 – 19 ) = 0.32 эВ.

Если перераспределить энергию иона по атомам величиной 0.32 эВ, то получится N = E0 /0.32 = 1000 / 0.32 = 3000 возбужденных атомов. Нагрев до 600 К эквивалентен возбуждению ~ 30000 атомов. В кристаллической решетке такое количество атомов составляет условно куб со стороной 10 – 30 атомов.

Диссипация (рассеяние, распределение по атомам) энергии иона происходит с участием электронного газа. Локальное повышение температуры решетки приводит к локальному повышению температуры электронного газа. Кинетическое движение атомов проявляется как колебаниями атома в своей потенциальной яме решетки, так и разрывом связи с решеткой и вероятным выходом атома из кристалла в виде нейтрального атома (распыление) либо в виде положительного или отрицательного иона (вторичная ионно-ионная эмиссия).

Колебания атомов ввиду их связанности в решетке происходят

40

коллективно. Пространственное распределение энергии колебаний разлагается в ряд Фурье на гармоники с частотами ωn, каждая из которых изображается в виде условной частицы – фонона с энергией E = ћωn. Кроме фононов, сильные энергетические взаимодействия (соударения) приводят к возбуждению электронных оболочек с испусканием электронов и фотонов.

Основная доля энергии иона уходит на нагрев (колебания атомов), и сотые доли уходят на возбуждение электронов и фотонов. Величина коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии не превышает десятых долей. Например, при бомбардировке поверхности вольфрама ионами аргона Ar+ → W c энергией E = 5 кэВ коэффициент ион- но-электронной эмиссии равен γкин = 0.3.

Кинетическая ионно-электронная эмиссия оказывается по энергетической доле распределения энергии первичных ионов в значительной мере второстепенным процессом. Тем не менее, физические процессы ионно-электронной эмиссии могут быть использованы в практических целях. В частности, в составе вторичных электронов имеется группа оже-электронов, несущих информацию о поверхности.

4.8. Стимулированные виды эмиссий, эмиссии с двумя энерге-

тическими возбуждениями, например фотоавтоэмиссия, термоавтоэмиссия, термофотоэлектронная эмиссия. В полупроводниках предварительное возбуждение электронов валентной зоны в зону проводимости можно осуществить, облучая их поверхности световыми квантами соответствующих энергий. Возникающая в таких условиях эмиссия электронов при наложении электрического поля у поверхности полупроводника является комбинированной фотоавтоэмиссией (см. Добрецов Л.Н., § 42 гл. VIII). То же самое может происходить при подогреве автоэлектронного острия созданием условий для термоавтоэлектронной эмиссии. Во всех видах эмиссий, кроме вторичных эмиссий, величина тока эмитируемых электронов зависит, в основном, от величины работы выхода электрона с поверхности. Величина работы выхода, в свою очередь, зависит от состава, типа атомов одного внешнего моноатомного слоя поверхности на определенной подложке. Подложку называют адсорбентом, а чужеродные атомы на поверхности – адсорбатом. Наименьшие значения работ выхода получены на катодах с подложкой из тугоплавких материалов и с адсорбатом из атомов щелочных или щелочноземельных металлов.