Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников
Энергетический барьер при переходе электрона с поверхности полупроводника в вакуум (полная работа выхода), как видно из рис. 1.1, складывается из полуширины запрещенной зоны полупроводника и внешней работы выхода:
полн= Е/2 + внешн. (1.20)
Для невырожденного полупроводника можно использовать классическое уравнение Ричардсона (1.15) для описания зависимости плотности эмиссионного тока от температуры. Но следует учитывать, что концентрация электронов в зоне проводимости зависит от температуры:
(1.21)
Комбинируя это уравнение с уравнением Ричардсона, можно получить:
(1.22)
Отметим, что плотность термоэмиссионного тока определяется в основном температурой в показателе экспоненты. Температура в предэкспоненциальном множителе слабо влияет на величину тока эмиссии.
Термокатоды
Эмиттеры, в которых используется испускание электронов при нагревании твёрдого тела, называются термокатодами. Термокатоды классифицируют по способу нагрева (прямого и косвенного накала) и по виду эмитирующей поверхности (металлические, плёночные, в том числе эффективные, и полупроводниковые).
Различные типы термокатодов сравнивают по следующим параметрам: плотность эмиссионного тока при рабочей температуре;
эффективность, представляющая собой отношение тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на разогрев катода;
долговечность.
Наиболее распространенным металлическим катодом является вольфрамовый прямонакальный термокатод. Рабочая температура такого катода составляет 2400–2700К, эффективность 2–10 мА/Вт, удельная эмиссия до 0.5 А/см2. Достоинствами вольфрамового катода являются стабильность эмиссии при высоких напряжениях и устойчивость к электронной и ионной бомбардировке. К недостаткам вольфрамовых катодов следует отнести их низкую термоокислительную устойчивость. От этого недостатка свободны металлические термокатоды на основе иридия. В плёночных катодах используется эффект уменьшения работы выхода при адсорбции электроположительных атомов. Торированный катод представляет собой вольфрам с плёнкой тория на поверхности. Для улучшения адгезии последней проводят карбидирование вольфрама с образованием промежуточного слоя карбида. Рабочая температура таких катодов 2000–2600К, удельная эмиссия до 2 А/см2, эффективность 50–70 мА/Вт.
К плёночным относится и большая группа так называемых эффективных термокатодов. Примером является металло-капиллярный или L-катод, представляющий собой плёночный катод системы W-Ва, в котором одноатомная плёнка бария на поверхности вольфрамовой губки непрерывно пополняется за счёт поступления бария из специальной камеры с большим запасом активного вещества (рис. 1.4)
Рис. 1.4. Металлокапиллярный катод:
1 – молибденовый корпус; 2 – подогреватель; 3 – полость с активным веществом;
4 – вольфрамовая губка
При рабочей температуре 1300–1400К достигается долговечность около 5000 часов при плотности эмиссионного тока 2 А/см2. В металлопористых, прессованных и пропитанных катодах запас активного вещества находится в порах вольфрамовой губки. Удельная эмиссия таких катодов достигает 6А/см2 при 1400 К. Недостатком указанных типов катодов является высокая скорость испарения бария. Основой металлокерамических катодов являются спрессованные порошки вольфрама и оксидов тория и редкоземельных элементов. В рабочем режиме на поверхности создаётся плёнка тория или редкоземельного элемента (чаще всего иттрия). Рабочая температура катода составляет 1500–1900К, удельная эмиссия – порядка 0.5 А/см2.
Гексаборидные катоды представляют собой соединение бора с редкоземельными элементами. Чаще всего используется гексаборид лантана, наносимый на подложку из молибдена или тантала. Рабочая температура таких катодов – 2900К, эффективность 30–50 мА/Вт. Катод малочувствителен к окислению, его основной недостаток – сравнительно малая долговечность (до 1000 часов). Основным типом полупроводниковых катодов является оксидный катод, представляющий собой смесь оксидов щелочноземельных металлов (Ва, Са, Sr), активированную барием. Параметры оксидного катода: рабочая температура 900–1100К, эффективность около 100 мА/Вт, удельная эмиссия порядка 1 А/см2 в непрерывном режиме и до 100 А/см2 в импульсном. С точки зрения полупроводниковой системы рассматривают барий как примесь в полупроводнике ВаО, при этом работа выхода катода составляет 1–1.2 эВ. Оксидный катод находит наибольшее применение в электровакуумных приборах. В частности, он используется в таких массовых приборах, как кинескопы, дисплейные трубки.