Раздел 2. Электронные лампы

Глава 2.1.

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

1. Работа выхода электронов

Электронной эмиссией называют процесс испускания электро­нов с поверхности вещества в вакуум. На этом явлении основан принцип действия электровакуумных приборов.

В атомах металла валентные электроны внешнего слоя элект­ронной оболочки слабо связаны с ядром. При образовании кри­сталлов валентные электроны перестают принадлежать данному атому и становятся свободными, а атомный остаток превраща­ется в положительный ион. Поэтому кристаллическая решетка металла образуется положительными ионами, а между узлами решетки, в которых эти ионы расположены, хаотически пере­мещаются свободные электроны — электроны проводимости. Как было показано в главе 1.1, этому соответствует диаграмма энер­гетических уровней металла, в которой разрешенные энергети­ческие зоны перекрывают друг друга и между валентной и сво­бодной зонами нет запрещенной зоны.

При движении внутри кристаллической решетки металла сво­бодные электроны, являясь носителями заряда, взаимодействуют друг с другом и с положительными ионами, так что их ско­рость, направление движения и кинетическая энергия все время изменяются. Энергия электрона внутри металла не равна нулю даже при температуре абсолютного нуля. С увеличением энергии возрастает число электронов, обладающих ею.

Максимальная энергия электрона внутри металла при тем­пературе абсолютного нуля называется уровнем Ферми Wi и яв­ляется постоянной величиной для данного металла. Максималь­ной энергией Wi при температуре абсолютного нуля обладает наибольшее число электронов, и нет электронов с большей энер­гией, чем Wi.

При повышении температуры происходит перераспределение энергии между электронами: часть электронов, имевших энер­гию Wi и близкую к ней, получает дополнительную энергию, т. е. появляется некоторое число электронов с большей, чем Wi, энергией, но уменьшается число электронов с энергией, равной Wi и немного меньшей.

Однако, несмотря на большую энергию электронов, их выходу из металла в вакуум при низких температурах препятствуют два фактора.

©	©
©
ie	©5
5©	©|
“0	©
©	©

Во-первых, электроны с максимальной энергией Wi и ско­ростью, направленной перпендикулярно поверхности металла, вылетая из него, создают на поверхности слой, заряженный отрицательно, а оставшиеся в металле ионы, не уравновешенные электронами, создают у поверхности слой, заряженный положи­тельно (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Двойной электриче­ский слой на поверхности ме­талла

Во-вторых, на поверхности металла электрон испытывает силы притяжения к положительным ионам, направленные внутрь металла.

Таким образом, для выхода на поверхность электрон, нахо­дящийся внутри металла, должен обладать максимальной энер­гией, затрачиваемой им на преодоление двойного электриче­ского слоя на границе металл — вакуум, а для отрыва от поверх­ности металла — получить извне дополнительную энергию Wo, идущую на преодоление сил притяжения к положительным ионам металла.

Дополнительная энергия, необходимая электрону, имеющему внутри металла максимальную энергию Wi, для выхода в вакуум, называется работой выхода UV Полная энергия электрона W_a, минимально необходимая для выхода его из металла, равна сумме максимальной внутренней энергии и работы выхода:

W_a = Wi + Wo.

Если электрон обладал в металле меньшей, чем Wi, энергией, то для выхода в вакуум ему должна быть извне сообщена энер­гия большая, чем работа выхода, на величину энергии, недоста­ющей до максимального значения Wi.

Работу выхода принято выражать в электрон-вольтах (эВ). Величина работы выхода постоянна для каждого материала; например, для вольфрама 4,52 эВ, для тантала 4,2 эВ, для бария 2,52 эВ. Покрытие поверхности металла некоторыми веще­ствами уменьшает работу выхода. Например, полупроводниковый слой окиси бария с примесью чистого бария имеет работу выхода 1,1 эВ.