Розділ 1 катодна електроніка

У всіх електровакуумних приладах, як безпосередньо вакуумних так і газонаповнених, особливу роль відіграють процеси електронної емісії — вихід електронів з матеріалу катода у вакуум або в газове середовище. Електронна емісія з катоду є необхідною умовою проходження електричного струму скрізь вакуум, а також скрізь гази, за винятком тихого (коронного) розряду і деяких видів високочастотних електричних розрядів. Крім емісії електронів, на катоді при певній природі газу і поверхні катоду можуть виникати процеси поверхневої іонізації – іонізації молекул або атомів газу, що вдаряються об катод. У деяких випадках, крім електронної емісії з катода, відбувається емісія позитивних іонів з аноду або відрив негативних іонів, адсорбованих на катоді.

Процеси електронної емісії можна умовно класифікувати наступними основними типами:

• електрони з катода виходять у навколишнє середовище при термоелектронній емісії завдяки енергії їх теплового безладного руху усередині катода;

• при холодній емісії внаслідок так званого тунельного ефекту, не сумісного з поданнями класичної електродинаміки і механіки, але поясненого у квантовій механіці;

• при зовнішньому фотоефекті за рахунок енергії світлових квантів, що поглинаються електронами;

• при вторинній електронній емісії — за рахунок енергії, що вдаряються об поверхню катода і проникаючих усередину його електронів, а також ударів інших часток (позитивних іонів, швидких нейтральних часток, збуджених або метастабільних атомів)

• екзоелектрона емісія – емісія за рахунок виникнення механічних напружень в твердому тілі (використовується для дослідженні властивостей твердого тіла).

• газовий розряд (емісія електронів та іонів при різних газових розрядах).

Окремі види електронної емісії можуть виникати та існувати одночасно з іншими типами емісій.

1.1 Робота виходу

Валентні електрони у твердому тілі або досить тісно зв'язані зі своїми атомами як у напівпровідниках і діелектриках, або, утворюючи електронний газ (метали), вільно переміщаються між вузлами кристалічної решітки. Ці електрони, при нормальних умовах, не залишають фізичних меж твердого тіла.

Виходу електронів із твердого тіла перешкоджають електричні сили взаємодії електрона з твердим тілом. Енергія Фермі Е_ф (енергія електронів при 0  К, що залежить, в першому наближенні, тільки від концентрації електронів) недостатня для подолання цих сил. Приймемо за нульовий рівень енергію електрона у вакуумі, нескінченно вилученого від поверхні твердого тіла, що і визначає висоту потенційного бар’єра. Енергетичні стани електронів у твердому тілі повинні знаходитись нижче цього рівня (мал. 1.1). Різниця повної енергії потенційного бар’єра Е₀ та енергії Фермі Е_Ф в металі, називається роботою виходу електрона.

Рисунок 1.1 - Енергетичний бар'єр на границі твердого тіла (металу) і вакууму.

Фізична природа сил, що перешкоджають виходу електрона з металу і визначають величину роботи виходу електрона, досить складна. На електрон що вийшов з металу діють поле об’ємного заряду, створене електронами, що вже вилетіли, некомпенсованих позитивних зарядів на поверхні тіла, а також сили взаємодії між електронами, що вийшли, і наведеними у тілі позитивними електричними зарядами.

Обчислення роботи виходу для металу з урахуванням цих сил приводить до наступного результату

. (1.1)

Звідси видно, що робота виходу для металів зменшується зі збільшенням міжатомної відстані. Величина роботи виходу виміряється декількома електрон-вольтами. Значення роботи виходу для основних речовин, що використовуються для створення катодів приведені в таб.1.

Таблиця 1

Метал	Cs	Ba	Ca	Th	Ta	Ni	Mo	W
Робота виходу, еВ	1,81	2,11	2,24	3,35	4,07	4,30	4,41	4,52

У випадку емісії електронів з поверхні напівпровідників необхідно враховувати те, що рівень Фермі в них знаходиться не в зоні провідності як у металів, а посередині забороненої зони. Тому повна робота виходу напівпровідника складається з суми різниці величини потенційного бар’єру та енергії Фермі і на півширини забороненої зони.

Вплив активованого шару. Робота виходу може значно змінитися, якщо на поверхню емітера з металу або напівпровідника (керну), нанести тонкий шар іншої речовини, що називається активованим шаром.

Атоми адсорбованої на поверхні речовини можуть відбирати або віддавати електрони керну. Внаслідок цього на поверхні розташовується шар іонів, які разом з їх дзеркальним відображенням у керні створюють шар диполів. На поверхні емітерів наносяться шари речовин які є електропозитивними щодо основного металу. Такі речовини називаються активаторами.

Величина зменшення роботи виходу залежить не тільки від фізичних властивостей керна та активатора, а також і від товщини адсорбованого шару. Найбільша величинавиходить при нанесенні одноатомного шару. Так, наприклад, для вольфраму, активованого барієм,еВ, а при активуванні вольфраму торіємеВ.

При виході з металу або напівпровідника електрон повинен виконати роботу за рахунок отриманої їм додаткової енергії . Ця додаткова енергія може бути тепловою (при нагріванні твердого тіла), випромінювальною (при його опроміненні, наприклад, світловим потоком), енергією зовнішнього електричного поля та ін.

Залежно від виду наданої тілу додаткової енергії розрізняють термоелектронну, фотоелектронну, вторинну електронну і електростатичну електронну емісію та екзоелектронну емісію. Число електронів, що залишають тіло, їхня швидкість у вакуумі залежать від кількості отриманої ним енергії, а також від фізичних властивостей самого емітера.