Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

________________________________________________________

621.38 № 2431

В 148

ВАКУУМНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания

к лабораторным работам № 1 – 4

по второй части «Электроника и микроэлектроника»

для студентов II курса РЭФ направления 550700

(специальностей 200200, 200300, 200400)

Новосибирск

2003

УДК 621.385 (076.5)

В 148

Составили: А.Б. Беркин, доц.,

Н.А. Подъякова, доц.,

Л.И. Лисицина, проф.,

С.А. Чипурнов, ст. преп.

Редактор В.М. Геллер, проф.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.И. Василевский

Работа подготовлена на кафедре электронных приборов

 Новосибирский государственный

технический университет, 2003

Лабораторная работа № 1

Исследование термоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы

Знакомство с методикой исследования термоэлектронной эмиссии и проверка закономерностей термоэлектронной эмиссии в тормозящих и ускоряющих полях.

Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из нагретых твердых тел (металлов и полупроводников). Это явление, впервые замеченное Эдисоном в 1881 году, в настоящее время широко используется в промышленных приборах и устройствах (как вакуумных, так и газонаполненных).

Термоэлектронная эмиссия относится к классу эмиссий с предварительным возбуждением электронов. Источником энергии возбуждения электронов является тепловая энергия решетки твердого тела, которая в виде фононных волн распространяется по его объему. Стоячие электронные волны в твердом теле взаимодействуют с фононными волнами, и в результате часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни, в том числе и на такие, которые лежат выше уровня потенциального барьера.

Термоэлектронная эмиссия наблюдается из металлов, полупроводников и их комбинаций. Наиболее широко распространены:

– металлические катоды из тугоплавких металлов, работающие при высоких температурах (используют вольфрам, молибден, тантал и другие металлы);

– металлопленочные катоды из тугоплавких металлов, покрытые пленкой, снижающей работу выхода металла, а следовательно, и рабочую температуру. Наиболее широко распространен вольфрамо-ториевый катод (W – Th);

– полупроводниковые катоды из материалов, имеющих низкие работы выхода, дающие значительный ток эмиссии при невысоких температурах. Широко распространен оксидный катод и его различные модификации.

Основные характеристики современных катодов приведены в таблице.

Тип катода	eφo, эВ	А, А/м2гр2	Траб, К
W – вольфрамовый	4,52	75·104	2200…2800
WА–Th – вольфрамо-ториевый	2,63	3·104	1600…1800
Оксидный	0,9…1,1	200…500	800…1000

Основным недостатком металлических катодов является высокая работа выхода, что требует высоких рабочих температур. Однако металлические катоды сильноточные и обладают стабильностью в работе.

Пленочный W–Th катод работает при менее высоких температурах, но его стабильность ниже, чем вольфрамового, что связано с наличием пленки и ее испарением с поверхности.

Оксидный полупроводниковый катод имеет еще более низкую температуру, в этом состоит его основное преимущество, однако стабильность катода снижена из-за процессов, происходящих в объеме катода: появления внутренних электрических, тепловых полей и запорных слоев.

В данной лабораторной работе исследуется прибор с оксидным катодом (ОК). Оксидный катод получается на основе карбонатов щелочно-земельных металлов, основным из которых является BaCO₃, а CaCO₃ и SrCO₃ – структурообразующие. Карбонаты в вакууме разлагаются по следующей схеме:

BaCO₃ → BaО + C0₂ ↑ ,

2BaO 2Ba + O₂ ↑ .

В результате образуется широкозонный полупроводник (BaO + CaO + SrO) с донорной примесью Ba, располагающейся в объеме и на поверхности материала. На рис. 1 представлена схема оксидного катода.

Энергетическая диаграмма оксидного катода представлена на рис. 2, где также изображена функция распределения электронов по энергиям F(W). Площадь М отображает группу электронов, эммитирующих за пределы катода при данной температуре.

При рассмотрении явления термоэлектронной эмис-сии и выводе основного уравнения для плотности термоэмиссионного тока ис-пользуют два подхода к этому явлению:

1

Рис. 1. Схема оксидного катода

. Задачу можно решать исходя из законов термодинамики, устанавливая глубокую аналогию между явлениями испарения атомов и испусканием электронов при нагреве твердого тела. Динамическое равновесие наступает в этом случае тогда, когда число частиц, уходящих из эмиттера, равно количеству частиц, возвращающихся обратно («термодинамическая» теория). В «термодинамической» теории принимается, что насыщенный электронный газ есть одноатомный газ с максвелловским распределением по скоростям. Подобно молекулам над поверхностью жидкости электроны создают над катодом определенное давление, находящееся в равновесии с температурой катода.

2. К изучению термоэлектронной эмиссии можно подойти и исходя из рассмотрения свойств электронного газа внутри эмиттера, подчиняющегося статистике Ферми («статистическая» теория), основанной на приближении «свободных электронов». Согласно этому приближению при повышенной температуре в твердом теле основная масса электронов находится на уровне донора и на энергетических уровнях, расположенных ниже уровня Ферми (рис. 2), но при этом непременно имеются частицы, обладающие большими энергиями, вплоть до значений, равных полной работе выхода и выше, при которых уже начинается эмиссия электронов за пределы катода.

На поверхности тела электроны встречают потенциальный барьер и частично могут отразиться от него. Выход электронов характеризуется коэффициентом прозрачности D = (I – R). Если отражение с коэффициентом R обусловлено только квантово-механическими воздействиями на одномерном потенциальном пороге на границе катода, то величина D вычисляется исходя из формы потенциального барьера и известной функции состояния электронов в твердом теле. Экспериментально установлено, что

для быстрых электронов, обеспечивающих термоэлектронную эмиссию и выходящих перпендикулярно к поверхности потенциального барьера, D = 0,97 + I.

К

Рис. 2. Энергетическая диаграмма оксидного катода и функция распределения электронов по энергиям

ак «термодинамический», так и «статистический» выводы в общем случае не могут быть доведены до конца исходя из одних только законов термодинамики либо статистики. В первом случае необходимо привлечение законов квантовой статистики, во втором – рассматривается только частная система (система свободных электронов),и для перехода к общему случаю требуется термо-динамическое рассмотре-ние равновесия всех многочисленных систем электронов в твердом теле. Поэтому и «термодинамическая» и «статистическая» теории фактически являются комбинированными.

Термоэлектронная эмиссия характеризуется величиной плотности тока насыщения . Теоретическое рассмотрение механизма эмиссии приводит к следующему выражению для , полученному Ричардсоном и Дешманом (для металлов):

. (1)

где – универсальная постоянная Зоммерфельда, не зависящая от материала катода и определяемая только родом эмитированных частиц,

, (2)

– прозрачность потенциального порога; – элементарная работа выхода электронов из материала катода.

Плотность тока эмиссии из полупроводникового оксидного катода определяется уравнением Козляковской

, (3)

где – постоянная термоэлектронной эмиссии полупроводникового оксидного катода, равная

, (4)

– концентрация атомов бария на уровне донора; – внешняя работа выхода катода; – внутренняя работа выхода материала катода.

Уравнение (3) показывает, что плотность тока эмиссии в случае оксидного катода слабее зависит от температуры, чем для чисто металлического катода (1). Это объясняется тем, что уровень Ферми у полупроводников с донорной примесью является функцией температуры и с увеличением Т резко снижается, ослабляя эффект выхода электронов. Кроме того, уровень Ферми зависит и от концентрации примеси. Для оксидного катода, представляющего собой донорный полупроводник, W_f определяется выражением

. (5)

Теория термоэлектронной эмиссии строится на использовании функции Ферми–Дирака, которой электроны подчиняются внутри объема твердого тела:

, (6)

где W – энергия электрона; – вероятностная функция Ферми–Дирака, показывающая, с какой вероятностью электроны обладают энергией W;

; (7)

dW – интервал энергии.

Электроны, которые вышли за пределы катода и стали свободными, изменяют характер статистики и подчиняются функции Максвелла–Больцмана:

. (8)