Электронная эмиссия и ее виды. Эмиссия электронов из металла Понятие электронной эмиссии типы электронной эмиссии

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Глава XII

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

В связи с автоматизацией производственных процессов всех отраслей промышленности большое значение приобрела промышленная электроника - наука о техническом использовании электронных, ионных и полупроводниковых приборов.
Главная особенность электронных приборов (электронных ламп) состоит в том, что прохождение электрического тока в них связано с перемещением электронов в вакууме, а управление перемещающимися электронами осуществляется электрическим полем.
Ионными приборами называются устройства, в которых электрический ток представляет собой поток электронов и заряженных частиц - ионов в сильно разреженной газовой среде под действием сил электрического поля.
Полупроводниковыми приборами являются такие приборы, в которых электрический ток создается перемещающимися под действием электрического поля электронами и дырками (процессы, связанные с дырочной проводимостью, изложены в § 146 главы XIV) в полупроводниковой среде.

§ 126. Электронная эмиссия

Работа электронных и ионных приборов основана на использовании электронной эмиссии. Последняя заключается в выходе в вакуум или разреженный газ электронов с поверхности металлов. Движение этих электрически заряженных частиц создает ток в электронных и ионных приборах. Основные виды электронной эмиссии, используемые в электронике: термоэлектронная, вторичная электронная и фотоэлектронная.
Термоэлектронная эмиссия. В металлах вокруг каждого атома имеются электроны, слабо связанные с ним. Часть этих электронов, оторвавшихся от своих ядер, находится в беспорядочном движении. Скорость хаотического движения этих свободных электронов зависит от температуры металла: чем выше температура, тем быстрее перемещаются электроны.
При некоторых значениях температуры (900 - 1000° С и выше) скорость движения части электронов становится настолько значительной, что, преодолевая силы притяжения ядер атомов, они вырываются из металла и вылетают за его пределы. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии .
У различных металлов количество испускаемых при одинаковой температуре электронов различно. Наибольшей термоэлектронной эмиссией обладают натрий, калий, цезий, барий и некоторые другие металлы.
При очень высоких температурах нагретый металл начинает испаряться и это ограничивает возможность увеличения термоэлектронной эмиссии путем повышения температуры.
Вторичная электронная эмиссия. Если в вакууме на некотором расстоянии от электрода, из которого вылетают электроны, поместить металлическую пластинку и подать на нее положительный потенциал, то вылетающие с поверхности электрода электроны, несущие отрицательный электрический заряд, будут притягиваться к пластине и с большой скоростью ударять в нее. Под действием ударов быстро летящих электронов с поверхности этой пластины будут выбиваться другие электроны, носящие название электронов вторичной эмиссии .
Одной из разновидностей вторичной эмиссии является эмиссия электронов под воздействием бомбардировки материала электрически заряженных частиц - ионов, масса которых значительно больше массы электронов. Вылет электронов с поверхности материалов под действием ионной бомбардировки используется в работе ионных приборов.
Фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлектронная эмиссия происходит под воздействием световых, ультрафиолетовых и других лучей, попадающих на поверхность материалов.
Световой поток можно рассматривать как поток мельчайших частиц, носящих название фотонов .
Скорость движения фотонов (скорость света) составляет около 300 000 км/сек . Фотоны, ударяясь о поверхность материала, выбивают из него электроны.
Явление, при котором под воздействием световой энергии из материала вырываются электроны, называется фотоэффектом . Это явление используется в фотоэлементах.

Большую роль в обеспечении проводимости дугового промежутка играют электроны, поставляемые катодом под действием различных причин. Этот процесс выхода электронов с поверхности электрода катода или процесс освобождения электронов от связи с поверхностью называется эмиссией электронов. Для процесса эмиссии необходимо затратить энергию.

Энергия, которая достаточна для выхода электронов с поверхности катода, называется работой выхода (U вых )

Она измеряется в электрон-вольтах и обычно в 2-3 раза меньше работы ионизации.

Различают 4 вида эмиссии электронов:

1. Термоэлектронная эмиссия

2. Автоэлектронная эмиссия

3. Фотоэлектронная эмиссия

4. Эмиссия под действием удара тяжелых частиц.

Термоэлектронная эмиссия протекает под действием сильного нагрева поверхности электрода – катода. Под действием нагрева электроны, находящиеся на поверхности катода приобретают такое состояние, когда их кинетическая энергия становится равной или больше сил их притяжения к атомам поверхности электрода, они теряют связь с поверхностью и вылетают в дуговой промежуток. Сильный разогрев торца электрода (катода) протекает потому, что в момент его соприкосновения с деталью это соприкосновение происходит лишь в отдельных точках поверхности вследствие наличия неровностей. Такое положение при наличии тока приводит к сильному разогреву места контакта, в результате чего возбуждается дуга. Температура поверхности сильно влияет на имитирование электронов. Обычно эмиссия оценивается плотностью тока. Связь между термоэлектронной эмиссией и температурой катода установили Ричардсон и Дешман.

где j 0 – плотность тока, А/cм 2 ;

φ – работа выхода электрона, э-В;

А – константа, теоретическое значение которой А = 120 а/см 2 град 2 (опытное значение для металлов А » 62,2).

При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для выхода электронов, сообщается внешним электрическим полем, которое как бы “отсасывает” электроны за пределы воздействия электростатического поля металла. В этом случае плотность тока может быть рассчитана по формуле

, (1.9)

где Е – напряженность электрического поля, В/см;

С повышением температуры значение автоэлектронной эмиссии снижается, но при невысоких температурах ее влияние может быть определяющим, особенно при высокой напряженности электрического поля (10 6 – 10 7 В/см), что по данным Броуна М.Я. и Г.И. Погодина-Алексеева может быть получено в приэлектродных областях.

При поглощении энергии излучения могут появиться электроны настолько большой энергии, что некоторые из них выходят с поверхности. Плотность тока фотоэмиссии определяется по формуле

где α – коэффициент отражения, значение которого для сварочных дуг неизвестно.

Длины волн, которые вызывают фотоэмиссию также как и для ионизации определяются по формуле

В отличие от ионизации, эмиссия электронов с поверхности щелочных и щелочноземельных металлов вызывается видимым светом.

Поверхность катода может быть подвергнута ударам тяжелых частиц (положительных ионов). Положительные ионы в случае удара о поверхность катода могут:

Во-первых , отдать кинетическую энергию, которой они обладают.

Во-вторых , могут нейтрализоваться на поверхности катода; при этом они отдают электроду энергию ионизации.

Таким образом, катод приобретает дополнительную энергию, которая идет на нагрев, плавление и испарение, а некоторая часть затрачивается вновь на выход электронов с поверхности. В результате достаточно интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка устанавливается устойчивый разряд – электрическая дуга с протеканием в цепи определенной величины тока при определенном напряжении.

В зависимости от степени развития того или иного вида эмиссии различают три типа сварочных дуг:

Дуги с горячим катодом;

Дуги с холодным катодом;

Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

• Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля . Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект - эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения . ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

См. также

Напишите отзыв о статье "Электронная эмиссия"

Отрывок, характеризующий Электронная эмиссия

Ноттингема эффект –выделение теплоты на катоде при автоэлектронной эмиссии и поглощение теплоты при термоавтоэлектронной эмиссии, обусловленной разностью между средней энергией электронов, подходящих к поверхности катода и покидающих его. При низкой температуре (при автоэлектронной эмиссии) распределение электронов по энергиям практически не отличается от распределения Ферми при абсолютном нуле. Поэтому сквозь потенциальный барьер в вакуум уходят электроны, энергия которых несколько ниже уровня Ферми. При этом происходит нагревание эмиттера за счет энергии электронов, приходящих из электрической цепи на освобождающиеся уровни. В случае термоавтоэлектронной эмиссии (при высокой температуре) электроны уходят с уровней, лежащих выше уровня Ферми. Заполнение этих уровней электронами, приходящими из цепи, приводит к охлаждению эмиттера. Открыт У. Б. Ноттингемом в 1941 г. .

Эффект Малтера – эмиссия электронов в вакуум из тонкого диэлектрического слоя на проводящей подложке при наличии сильного электрического поля в слое. Открыт американским радиоинженером Л. Малтером в 1936 г. в слое А1 2 О 3 + Cs 2 O на А1. эмиссионный ток быстро растет с ростом анодного напряжения. Эффект Малтера обусловлен наличием сильного электрического поля в слое, что приводит к автоэлектронной эмиссии из подложки в слой .

При контакте тел с вакуумом или газами наблюдается электронная эмиссия – выпускание электронов телами под влиянием внешних воздействий: нагревания (теплоэлектронная эмиссия ) потока фотонов (фотоэмиссия ), потока электронов (вторичная эмиссия ), потока ионов, сильного электрического поля (автоэлектронная или холодная эмиссия ), механических или других "портящих структуру" воздействий (автоэлектронная эмиссия ).

Во всех видах эмиссий, кроме автоэлектронной, роль внешних воздействий сводится к увеличению энергии части электронов или отдельных электронов тела до значения, позволяющего им преодолеть потенциальный порог на границе тела с последующим выходом и вакуум или другую среду.

Эффект Малтера применяется:

Способ контроля глубины нарушенного поверхностного слоя полупроводниковых пластин, отличающихся тем, что с целью обеспечения возможности автоматизации и упрощения процесса контроля, пластину нагревают до температуры,соответствующей максимуму экзоэлектронной эмиссии , которую контролируют одним из известных способов, а по положению пика эмиссии определяют глубину нарушенного слоя;

Электронная турбина, содержащая помещенные в вакуумный баллон катод и анод и размещенный между ними ротор с лопастями, отличающийся тем, что с целью увеличения крутящегося момента на валу турбины ее ротор выполнен в виде набора соосных цилиндров с лопастями, между цилиндрами роторов установлены неподвижные направляющие лопатки имеют покрытие, обеспечивающее вторичную электронную эмиссию, например, сурьмяно-цезиевое. В случае автоэлектронной эмиссии внешнее электрическое поле превращают потенциальный порог на границе тела в барьер конечной ширины и уменьшает его высоту относительно высоты первоначального порога, вследствие чего становиться возможным квантовомеханическое тунелирование электронов сквозь барьер. При этом эмиссия происходит без затраты энергии электрическим полем;

Способ измерения объемной концентрации углеводородов в вакуумных системах путем термического разложения углеводородов на нагретом острийном автокатоде и регистрации времени накопления пиролетического углерода до одной из эталонных концентраций, отличающихся тем, что с целью повышения точности измерения время накопления углерода регистрируют по изменению значения автоэлектронного тока. Наличие на поверхности металла тонких диэлектрических пленок в сильных полях не мешает походу электронов через потенциальный барьер. Это явление называется эффектом Молтера ;

Электронно-лучевая запоминающая трубка с экранными сетками, отличающаяся тем, что с целью хранения записи неограниченно долгое время одна из экранных сеток, служащая потенциалоносителем, изготовлена из металлов, излучающих вторично-электронную эмиссию, покрытых пленкой диаэлектрика и обладающих эффектом.

Туннелирование электронов по потенциальным барьерам широко используется в специальных полупроводниковых приборах – туннельных диодах . На высоту туннельного барьера можно влиять не только электрическим полем, но и другими воздействиями.

Так же это используется в устройстве позволяющем обнаруживать магнитные домены с внутренним диаметром не более 1 мк, основано на определении изменения уровня Ферми исследуемого электрода по изменению высоты туннельного барьера и по его воздействию на величину сопротивления, туннельного перехода. Устройство применимо в магнитных долговременных и оперативных запоминающих устройствах.

А так же в устройстве для измерения контактного давления ленты на магнитную головку, содержащее упругие элементы и датчики, отличающиеся тем, что с целью осуществления одновременно интегрального и дискретного измерения указанного давления, устройство измерения выполнено в виде полуцилиндра, состоящего из упругих элементов, образующих на корпусе магнитной головки, при этом другой край полуцилиндра выполнен свободным, а под каждой полосой гребенки установлен датчик, например, с туннельным эффектом.

Туннельный эффект – преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Вероятность прохождения сквозь барьер – главных фактор, определяющий физические характеристики туннельного эффекта. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостает частице, чтобы достичь высоты барьера. В случае одномерного потенциального барьера характеристикой служит коэффициент прозрачности барьера, равный отношению потока прошедших сквозь него частиц к подающему на барьер потоку. Аналог туннельного эффекта в волновой оптике: проникновение световой волны внутрь отражающего покрытия в условиях, когда с точки зрения геометрической оптики происходит полное внутреннее отражение .

Применение: в радиоэлементах, основанных на туннельном эффекте – туннельных диодах.

Термоэлектронная Эммисия – испускание электронов нагретыми телами в вакууме или других средах. Выйти из тела могут только те электроны, энергия которые больше энергии, покоящегося электрона вне тела. Число таких электронов при Т-300 К очень мало и экспоненциально возрастает с температурой. Поэтому ток термоэлектронной эмиссии заметен только для нагретых тел. При отсутствии "отсасывающего" электрического поля вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд, ограничивающий ток термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы термоэлектрических катодов, применяющихся во многих электровакуумных и газоразрядных приборах.

Термоэлектронный преобразователь энергии – устройство преобразования тепловой энергии в электрическую на основе вышеописанного явления. Его действие основано на следующем процессе: с катода (поверхность горячего металла с большой работай выхода) "испаряются" электроны, которые пролетев межэлектродный промежуток, "конденсируются" на аноде (холодный метал); во внешней цепи течет ток КПД его превышает 20 % .

Ионно-электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью твердого тела в вакуум при бомбардировке поверхности ионами; Коэффициент ионно-электронной эмиссии у равен отношению числа эмитированных электронов n i к числу падающих на поверхность ионов n j . Для медленных ионов у практически не зависит от энергии и массы mj, но зависит от их заряда (для однозарядных ионов у ≈ 0,2, для многозарядных у может превышать единицу).

Ионно-электронная эмиссия зависит также от энергии ионизации и возбуждения ионов от работы выхода вещества мишени. Когда скорость ионов достигает 6-7-10 6 см/с, характер ее резко изменяется.

Вначале у растет пропорционально ej, затем как (si)" 2 , при Vj = 10 8 - 10 9 см/с достигается максимум, затем идет спад.

Если к поверхности твердого тела подходит медленный ион, то электрон твердого тела может перейти к иону и нейтрализовать его. Такой переход сопровождается выделением энергии и часть электронов, получивших ее, может покинуть тело. При бомбардировке быстрыми ионами происходит интенсивный электрообмен, при котором электрон вылетает в вакуум .

Рассмотрим физические основы эмиссионной электроники, т.е. явления испускания (эмиссии) электронов и ионов, происходящим на границе твердого тела с вакуумом или газом при воздействии на поверхность эмиттера постоянного или высокочастотного электрического поля, светового излучения, электронной или ионной бомбардировки, теплового нагрева, механической обработки и т. д.

Самопроизвольной (спонтанной) эмиссии электронов из твердого тела препятствует наличие на границе потенциального порога U 0 , обусловленного силами взаимодействия между электронами, вылетающими из вещества на расстояния, превышающие атомные размеры, и оставшимся нескомпенсированным положительным зарядом ионов решетки (рис. 1).

Максимально возможная кинетическая энергия электронов проводимости в металле при температуре абсолютного нуля равна E F (энергия Ферми). Для вырывания с уровня E F одного электрона за пределы эмиттера необходима дополнительная энергия eφ=U 0 –Е F , равная работе выхода электрона из данного металла.

Спонтанная , или автоэлектронная эмиссия , возможна только при условии превращения потенциального порога в потенциальный барьер, сквозь который электроны могут «просачиваться», «туннелировать» за счет чисто квантовомеханического эффекта, подобного туннельному эффекту при спонтанном испускании альфа-частиц из радиоактивных ядер. Термин «автоэлектронная эмиссия» означает, что выход электронов за пределы твердого тела происходит самопроизвольно, т.е. не связан с затратой дополнительной энергии. Электроны, «просочившиеся» за пределы барьера, приобретают энергию от электрического поля Е лишь в вакуумном промежутке эмиттер–анод.

Чем больше напряженность внешнего электрического поля Е , тем круче с изменением расстояния х от поверхности изменяется потенциальная энергия электрона U(x)=–еЕ х в этом поле, тем уже потенциальный барьер, а, следовательно, выше плотность тока автоэлектронной эмиссии j A , зависящая от квантовомеханического коэффициента прозрачности барьера (см. §3.7). Внешнее электрическое поле не только приводит к трансформации потенциального порога в барьер, но и уменьшает высоту барьера (эффект Шоттки ), что также способствует росту автоэмиссионного тока (см. §9.7). Зависимость j A (E) носит экспоненциальный характер: j A ~exp[–С/Е] , где С–постоянная, определяемая работой выхода электрона из эмиттера.

Согласно расчетам для появления значительных токов автоэлектронной эмиссии необходимы напряженности поля E ~10 8 ¸10 9 В/м.

Электрическое поле у поверхности твердого тела может быть образовано не только за счет внешней разности потенциалов, ускоряющей электроны между катодом и анодом, но также за счет поля положительных ионов, находящихся у поверхности катода. Такой слой ионов может появиться у катода, например, за счет испарения части вещества автоэмиссионного катода при его разогреве собственно автоэмиссионным током. Последующая ионизация испарившихся атомов приводит к созданию у поверхности катода слоя плотной неравновесной газоразрядной плазмы. Сильное электрическое поле в пограничной области эмиттер–плазма локализуется в пределах так называемого радиуса Дебая, зависящего от концентрации плазмы. Возникновение этого поля вызывает дополнительное усиление автоэлектронной эмиссии. Этот процесс перехода от обычной автоэлектронной эмиссии к аномально высоким плотностям эмиссионного тока носит резкий, взрывной характер и, как правило, заканчивается вакуумным пробоем (дугой). Стадия испускания автоэлектронов из металла или полупроводника в промежутке между окончанием нормальной автоэлектроннои эмиссии и началом вакуумной дуги получила название взрывной эмиссии .

В случае полупроводников электрическое поле может проникать вглубь эмиттера. Это обусловливает, во-первых, изменение характера зонной структуры в приповерхностной области (изгиб зон) и, во-вторых, разогрев электронного газа в зоне проводимости полупроводника в связи с тем, что электроны, отбирая энергию от поля на длине свободного пробега, затем испытывают квазиупругое рассеяние на колебаниях атомов решетки (фононах). При таком рассеянии резко изменяется направление импульса электрона (рассеяние носит, как правило, сферически симметричный характер), а энергия электрона изменяется мало. Очевидно, при этом средняя энергия электронов будет возрастать, т.е. температура электронного газа будет «отрываться» от температуры решетки. В результате можно наблюдать эмиссию «горячих» электронов из холодного полупроводникового катода. Ток этой эмиссии будет тем больше, чем меньше сродство эмиттера к электрону χ, поскольку выйти в вакуум смогут лишь те электроны, энергия E x =p x 2 /2m e которых, связанная с нормальной к поверхности составляющей импульса, окажется больше χ.

Особым классом эмиттеров являются полупроводниковые катоды, у которых дно зоны проводимости в объеме эмиттера оказывается расположенным выше уровня вакуума. Это – эмиттеры с отрицательным электронным сродством, получаемым, например, за счет напыления на поверхность полупроводника р-типа (с изгибом зон вниз) мономолекулярных слоев атомов Cs или молекул Cs 2 O. Из таких эмиттеров возможно испускание не только «горячих», но и термолизованных («холодных») электронов.

В металлы электрическое поле проникает на глубину, не превышающую одного-двух атомных слоев (~10 ‑10 м). В обычных условиях в металлах из-за высокой концентрации электронов невозможно повысить температуру электронного газа за счет энергии электрического поля. Однако можно создать специальный эмиттер, покрыв диэлектрическую подложку тонкой металлической пленкой с «островковой» структурой. Размеры металлических «островков» не должны при этом превышать ~10 нм, т.е. должны быть меньше длины свободного пробега электронов в металле. В таких пленках, называемых диспергированными металлическими пленками, электрическое поле создается путем подачи напряжения между специально наносимыми на пленку сплошными металлическими контактами.

В области частот электромагнитного поля, соответствующих световому диапазону (ν~10 15 –10 16 Гц), энергия одного кванта hν может оказаться больше работы выхода электрона из металла eφ. Явление испускания твердыми телами электронов под воздействием энергии световых квантов называется внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией . В собственных полупроводниках и диэлектриках фотоэлектронная эмиссия наблюдается лишь в случае, если hν 0 ≥ΔE g +χ, где ΔE g – ширина запрещенной зоны. Кроме выбивания электронов из валентной зоны возможна фотоэлектронная эмиссия с донорных уровней, а также из заполненных электронами поверхностных состояний. Особый интерес представляет фотоэлектронная эмиссия из систем с отрицательным (или близким к нулю) электронным сродством χ, когда в вакуум могут выходить термолизованные электроны.

Явление фотоэлектронной эмиссии характеризуется числом эмиттированных электронов, приходящихся в среднем на один поглощенный фотон. Эту величину называют квантовым выходом фотоэффекта и обозначают через Y. Для эмиттеров с отрицательным электронным сродством квантовый выход достигает максимально возможных значений. С повышением напряженности поля световой волны (плотности фотонов, падающих на эмиттер) вероятность поглощения электроном твердого тела одновременно двух или более фотонов может оказаться весьма заметной, что соответствует многофотонному фотоэффекту. При достаточно низких частотах из-за малости энергии одного кванта (например, на СВЧ hν~10 ‑5 –10 ‑6 эВ) взаимодействие электромагнитной волны с электронами твердого тела следует рассматривать чисто классически, т.е. как непрерывный процесс ускорения электрона в поле СВЧ-волны. Именно так описывается процесс эмиссии «горячих» электронов на СВЧ из полупроводников и «островковых» пленок.

Бомбардируя твердое тело электронами с энергией Е P >eφ (в металлах) или Е р ≥ΔE g (в диэлектриках и полупроводниках), можно наблюдать эмиссию вторичных электронов, т.е. выбивание из твердого тела электронов за счет передачи им энергии от падающих на вещество первичных электронов.

Явление испускания электронов твердыми телами при бомбардировке пучком первичных электронов называется вторичной электронной эмиссией . Отношение числа испущенных мишенью за некоторый интервал времени вторичных электронов к числу первичных электронов, упавших на мишень за тот же интервал, называют коэффициентом вторичной электронной эмиссии и обозначают через σ. Величина σ существенно зависит от энергии Е P первичных электронов. Вторичные электроны могут испускаться как с лицевой стороны мишени, бомбардируемой первичным электронным пучком, так и с ее тыльной стороны, если мишень простреливается первичным пучком насквозь. Очевидно, последнее возможно лишь для тонких пленок. В первом случае говорят о вторичной электронной эмиссии на отражение, во втором – о вторичной электронной эмиссии на прострел. Коэффициент вторичной электронной эмиссии на прострел обозначают через Σ. Зависимость Σ (Е Р) может существенно отличаться для одного и того же эмиттера от зависимости σ(Ер). Это связано, прежде всего, с тем, что вплоть до значений Е Р, начиная с которых первичные электроны простреливают мишень, величина Σ равна нулю (или пренебрежимо мала).

При нагревании твердого тела возрастают амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки (на квантовом языке это соответствует увеличению плотности фононов). Передача энергии от фононов электронному газу приводит к расширению энергетического спектра электронов. С повышением температуры все большее число электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления работы выхода на границе твердого тела с вакуумом. Явление испускания в вакуум электронов нагретым телом называют термоэлектронной эмиссией . В полупроводниках при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, электроны в зоне проводимости отсутствуют. Нагревание тела обусловливает при этом забрасывание электронов в зону проводимости с донорных уровней и из валентной зоны. При взаимодействии с фононами электроны термолизуются, спектр их приобретает максвелловский характер. Плотность тока термоэлектронной эмиссии j T определяют из формулы Ричардсона–Дэшмана: j T =(1–)AT 2 exp(–eφ/kT), где –усредненное по спектру термоэлектронов значение коэффициента отражения электронов от потенциального порога; А–термоэлектронная постоянная, равная 120,4 А/(град 2 ·м 2).

2.2. Автоэлектронная эмиссия из металлов .

Электроны с определенной вероятностью проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта. Потенциальная ступенька на границе металл–вакуум превращается в потенциальный барьер вследствие приложения между катодом и анодом высокого напряжения, от величины которого зависит высота и ширина барьера. Теория автоэлектронной эмиссии впервые была развита Р. Фаулером и Л. Нордгеймом (1928–1929).

Согласно этой теории, основная формула для плотности автоэмиссионного тока:

, (10.10)

где J(ξ)=θ(ξ)-(2ξ/3)(dθ(ξ)/dξ), θ(ξ) – функцией Нордгейма, которую вводят для учета снижения высоты потенциального барьера на величину Δ(eφ), аргументом функции θ(ξ) является безразмерная величина , представляющая собой отношение уменьшения работы выхода за счет эффекта Шоттки к работе выхода электрона с данной энергией Ε x .

Функция θ(ξ) табулирована и может быть представлена в виде графика, изображенного на рис. 10.3. Приближенное выражение функции θ(ξ) близко к параболе: θ(ξ)≈0,955–1,03ξ 2 . Онo справедливо при тех значениях аргумента, где ξ заметно отличается и от нуля, и от единицы. Так, в интервале 0,35≤ξ≤0,69 функция θ(ξ) определяется из этого выражения с погрешностью, меньшей 1%.

Выражая eφ в электрон-вольтах, а напряженность электрического поля в В/см, получим плотность автоэмиссионного тока в А/см 2:

При практических расчетах удобно пользоваться следующей формулой для плотности автоэмиссионного тока:

. (10.12)

При Е=6·10 7 В/см и еφ=4,5 эВ плотность тока j A может достигать 10 7 А/см 2 .

Для сравнения с экспериментальными данными формулу (10.11) обычно представляют в виде ln(j A /E 2)=f(1/E ). В таких координатах зависимость автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля является прямой линией, несмотря на то, что в показателе экспоненты от Е зависит также функция Нордгейма, которая сильно изменяется с изменением Е . Однако наличие функции θ(ξ) в экспоненте несущественно влияет на ход рассматриваемой зависимости, так как эта функция в пределах экспериментально используемых значений напряженности поля изменяется слабо. Отклонение зависимости ln(j A /E 2)=f(1/E ) от линейной в области очень больших напряженностей электрического поля объясняется влиянием объемного заряда эмиттированных автоэлектронов (рис. 10.4). Плотный отрицательный объемный заряд уменьшает напряженность поля у поверхности эмиттера и, следовательно, обусловливает более слабую зависимость тока от приложенной разности потенциалов V. Зависимость автоэмиссионного тока от работы выхода eφ, вытекающая из теории Фаулера-Нордгейма, также находится в согласии с экспериментальными данными. Эта зависимость определяется в основном множителем φ 3/2 в показателе экспоненты.

Приведенные формулы теории Фаулера-Нордгейма соответствуют случаю Т=0 К. С повышением температуры спектр электронов в металле уширяется, что приводит к температурной зависимости автоэмиссионного тока за счет большей вероятности прохождения сквозь потенциальный барьер электронов, термически возбужденных на уровни, лежащие выше уровня Ферми. Е. Мерфи и Р. Гуд получили следующее выражение для плотности тока автоэлектронной эмиссии с учетом температуры эмиттера:

j A (T)=j A (0)πy/sinπy. (10.13)

При малых Т, разложив sinπy в ряд, получим

j A (T)≈j(0). (10.14)

При J(ξ)=J(0,5)=1,044 имеем , где eφ выражено в эВ, Е – в В/см, а Т – в К. Подставив значение в (10.14), получим

j A (T)/j A (0)≈1+1,40·10 8 (eφ/E 2)T 2 (10.15)

Таким образом, в первом приближении изменение тока автоэлектронной эмиссии с температурой следует квадратичному закону. Формула (10.15) определяет j A (T) с точностью не хуже 10% вплоть до j A (T)/j A (0)=1,6 и 1% до A (T)/j A (0)=1,18. Расчет по этой формуле, например, при температуре жидкого азота (77 К) показывает, что отношение j A (77)/j A (0) не превышает 1,01. При комнатной температуре добавка к j A (0) не превышает 10% (для еφ≥З эВ и j A ≥10 3 А/см 2).

В области высоких температур к собственно автоэмиссионному току, обусловленному туннельным механизмом, добавляется ток термоэлектронной эмиссии, обусловленный электронами с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, сниженного за счет эффекта Шоттки. Для наглядности на рис. 10.5 энергетический спектр электронов в металле разделен на четыре области: А, Б, В и Г. Электроны группы А могут быть эмиттированы как автоэлектроны при любых температурах, включая Т=0 К. Электроны группы Б участвуют в автоэлектронной эмиссии при Т>0 К (их можно назвать термоавтоэлектронами). Выход в вакуум электронов группы В соответствует увеличению термоэлектронного тока за счет эффекта Шоттки. Наконец, электроны группы Г выходят в вакуум за счет механизма термоэлектронной эмиссии даже при Е ≈0.

Анализ энергий электронов, покинувших автокатод, может быть произведен при помощи энергоанализаторов с задерживающим полем или с отклонением электронов в электрическом либо магнитном поле (см. гл. 2). При этом автоэлектроны предварительно ускоряются определенной разностью потенциалов в промежутке между эмиттером и близлежащим электродом (например, сеткой), а затем направляются в анализирующую систему. Измерения показывают, что при низких температурах распределение автоэлектронов по энергиям имеет вид кривой с максимумом полушириной ΔE ½ в несколько десятых долей электрон-вольта (обычно ΔE ½ ~0,15¸0,20 эВ), т.е. большая часть электронов действительно туннелирует в вакуум с уровней, близких к уровню Ферми. Эти экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими представлениями о механизме автоэлектронной эмиссии с чистых поверхностей металлов.

Рассматриваемая здесь теория автоэлектронной эмиссии построена на использовании формул для прозрачности барьера, полученных при решении одномерного уравнения Шредингера. Это приближение справедливо, если: 1) поверхность эмиттера является идеальной однородной плоскостью; 2) применима модель свободных электронов, для которой поверхность Ферми в импульсном пространстве является сферой. Реальные эмиттеры имеют ступенчатую структуру с высотой ступенек в одно или несколько межатомных расстояний, а изоэнергетические поверхности Ферми для большинства металлов имеют сложную структуру, существенно отличную от сферы. Кроме того, эмиттер с адсорбированной субмонослойной пленкой, атомы которой имеют тенденцию собираться в «островки», обладает неоднородностью по работе выхода eφ, обусловливающей появление у поверхности так называемого поля пятен. Учет первых двух факторов приводит к некоторым уточнениям теории автоэлектронной эмиссии из металлов. В частности, эти уточнения касаются спектра автоэлектронов и температурной зависимости автоэмиссионного тока, однако они не являются столь значительными, чтобы нуждались в обсуждении.

Измерения автоэлектронной эмиссии производят либо в приборах с цилиндрической симметрией, где эмиттером является очень тонкая металлическая проволока, а анодом – окружающий ее цилиндр, либо в приборах, где эмиттер имеет форму острия с радиусом кривизны порядка 0,01‑1 мкм. В последнем случае напряженность поля у поверхности катода очень слабо зависит от геометрии анода. При расчетах величины Е острие обычно аппроксимируют в виде параболоида, гиперболоида, конуса со сферическим концом и т. п.

При напылении на поверхность металлического эмиттера моноатомного слоя другого металла характер потенциального барьера не меняется, однако если поверхность металла покрыть пленкой неметаллического материала, то форма поверхностного барьера может существенно измениться. В последнем случае автоэлектроны должны туннелировать сквозь адсорбированный атом, который представляет собой потенциальную яму с набором собственных дискретных уровней. Это должно приводить к изменению энергетического спектра автоэлектронной эмиссии, в частности к появлению в нем резонансных пиков, соответствующих увеличению вероятности выхода тех электронов металлической подложки, энергии которых совпадают с энергиями свободных уровней в атомной потенциальной яме. Например, при адсорбции Cs на W был получен спектр автоэлектронов с полушириной 0,05 эВ.

Так как реальные острийные эмиттеры по своей форме отличаются от перечисленных идеализированных моделей, это неизбежно вызывает погрешность в расчетной напряженности поля, которая может достигать 10–30%. Кроме того, следует учитывать, что реальная поверхность эмиттера может иметь микровыступы с повышенной напряженностью поля. При использовании монокристаллических эмиттеров локальные значения напряженности поля зависят от огранки монокристалла.

Поместив острийный эмиттер Э и близлежащий к нему кольцевой анод А в центре стеклянного баллона Б, на внутреннюю проводящую поверхность которого нанесен слой люминофора Л, можно наблюдать на люминесцирующем экране картины распределения автоэмиссионного тока по поверхности острия, обусловленные разной работой выхода граней монокристалла eφ, а также различием в локальных напряженностях электрического поля у поверхности разных граней (рис. 10.6). Увеличение такого электронного проектора, идея создания которого принадлежит Э. Мюллеру, определяется отношением R/r, где R–расстояние между эмиттером и экраном, а r – радиус острия. Например, при r=0,1 мкм и R=10 см увеличение достигает 10 6 . В связи с этим электронные проекторы используют для излучения явлений, происходящих при адсорбции на поверхности эмиттера пленок различных веществ. Разрешающая способность такого прибора, будучи еще недостаточной для наблюдения отдельных атомов, позволяет видеть на экране удаленные друг от друга атомные комплексы с поперечными размерами ~100 нм, а также измерять токи автоэлектронной эмиссии с отдельных граней монокристаллического острия. Яркость свечения экрана в определенной точке тем больше при заданном V, чем выше эмиссионная способность элементарного участка острия, который проецируется в данное место на экране.

В 1951 г. Э. Мюллер предложил ионный проектор, который имеет разрешающую способность порядка нескольких ангстрем и, следовательно, позволяет наблюдать отдельные атомы и молекулы на поверхности эмиттера. Работа ионного проектора основана на явлении поверхностной ионизации атомов, а его более высокая по сравнению с электронным проектором разрешающая способность определяется тем, что длина волны де Бройля для ионов намного меньше, чем для электронов, движущихся с той же скоростью.

Металлические автокатоды применяют в ряде электровакуумных приборов (катоды в электронных пушках, «стартовые» катоды в СВЧ-приборах и т. п.).

Преимуществами таких катодов являются: 1) отсутствие накала, а следовательно, безынерционность; 2) очень высокие плотности тока; 3) малые размеры катода, позволяющие создавать практически точечные источники электронов; 4) малый разброс по энергиям; 5) высокая крутизна вольт-амперной характеристики.

Основной недостаток – нестабильность тока автоэлектронной эмиссии, обусловленная адсорбцией остаточных газов в недостаточно хороших вакуумных условиях и катодным распылением вещества эмиттера. Эти факторы вызывают, с одной стороны, изменение работы выхода катода, а с другой – изменение его микрорельефа. Кроме того, в сильных полях и при достаточно высокой для данного материала катода температуре наблюдается заметная миграция атомов самого вещества по поверхности катода, приводящая к перестройке его микрогеометрии, что изменяет напряженность поля у поверхности эмиттера. Переход к сверхвысокому вакууму, использование материалов, более устойчивых к ионной бомбардировке, уменьшение потока ионов на катод с помощью специальных электронно-оптических устройств – все это позволяет добиваться достаточно стабильной работы автоэмиссионного катода.

Формула для предельной плотности тока j Am автоэлектронной эмиссии из металла имеет вид

(10.16)

где j Am –предельная плотность автоэмиссионного тока, А/см 2 ;

Е F =р F 2 /2m е –энергия электрона на уровне Ферми, эВ.

Так как энергия Е F порядка нескольких электрон-вольт, то предельная плотность автоэмиссионного тока может быть более 10 10 А/см 2 . Такая высокая плотность тока в принципе возможна в связи с тем, что концентрация электронов в зоне проводимости металла составляет 10 22 –10 23 см ‑3 . Основной причиной, ограничивающей предельную плотность тока автоэлектронной эмиссии, является тепловое разрушение эмиттера собственным током. Величина j Am на практике зависит от длительности импульса анодного напряжения и лежит в пределах 10 7 –10 9 А/см 2 .

2.3. Автоэлектронная эмиссия из полупроводников .

В отличие от металла полупроводник представляет собой автокатод с существенно ограниченной концентрацией электронов в зоне проводимости. Это определяет особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников: 1) значительно меньшие, чем в металлах предельные плотности токов; 2) нелинейные вольт-амперные характеристики lgi A =f(1/V); 3) более широкий по сравнению с металлами спектр эмиттированных электронов; 4) зависимость формы импульса тока от амплитуды и длительности импульса анодного напряжения при импульсном возбуждении автоэлектронной эмиссии (релаксационные эффекты); 5) термо- и фоточувствительность автоэмиссионного тока.

Внешнее электрическое поле проникает в полупроводник на расстояние, определяемое радиусом экранирования Дебая, выражение для которого имеет вид r D =(ε r ε 0 kT/2e 2 n) ½ где n–концентрация электронов, и приводит к изгибу зон. В пределах этого радиуса за счет изгиба зон возрастает концентрация электронов в зоне проводимости и на донорных уровнях. Это в свою очередь обусловливает возникновение приповерхностного слоя отрицательного объемного заряда. Электронный газ в зоне проводимости у поверхности полупроводника в случае сильного поля может стать вырожденным, если в результате изгиба зон дно зоны проводимости окажется ниже уровня Ферми (рис. 10.7).

Процесс туннелирования электронов из слоя объемного заряда сквозь потенциальный барьер в вакуум ничем не отличается от процесса автоэлектронной эмиссии из металлов. Однако в отличие от металлов участвовать в эмиссии могут также электроны валентной зоны. Другим отличием является возможность «насыщения» эмиссионного тока с ростом напряжения. Это происходит в том случае, когда скорость поступления электронов из объема образца к поверхности оказывается достаточной лишь для компенсации электронов, эмитированных из приповерхностного слоя объемного заряда в вакуум.

При этом на вольт-амперной характеристике появится «плато» (рис. 10.8), т.е. дальнейший рост анодного напряжения не будет вызывать увеличение автоэмиссионного тока до тех пор, пока не «включится» новый источник электронов. Таким дополнительным источником электронов, поступающих из объема в приповерхностную область, может стать ударная ионизация электронов валентной зоны и автоионизация электронов на донорных уровнях. Эти эффекты сильного поля ответственны за участок быстрого роста автоэмиссионного тока, предшествующий тепловому разрушению катода.

Экспериментально полученные в.а.х. для полупроводников р-типа и высокоомных образцов n-типа действительно являются нелинейными. Они имеют в координатах lgi A =f(l/V) три характерных участка: 1 – линейный, хорошо описываемый формулой Фаулера–Нордгейма; 2 – участок насыщения; 3 – область резкого возрастания тока, связанную с размножением электронов в объеме эмиттера.

Теория автоэлектронной эмиссии Фаулера–Нордгейма является по существу «приближением нулевого тока». Это означает, что эмиссионный ток представляет собой лишь малую долю полного потока электронов, падающих на потенциальный барьер. Для металлов это приближение справедливо вплоть до области очень сильных полей. В полупроводниках разность между дрейфовым потоком электронов к поверхности и диффузионным потоком от поверхности может оказаться сравнимой с потоком автоэлектронов в вакуум.

Ограниченность скорости поступления электронов из объема к поверхности является основной причиной появления области насыщения на в.а.х. тока автоэлектронной эмиссии из полупроводников указанных двух типов. При этом одновременно наблюдаются несколько связанных между собой процессов: 1) уменьшается концентрация электронов в приповерхностном слое; 2) внешнее поле глубже проникает в эмиттер; 3) возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении полупроводника; 4) изменяются геометрия и величина напряженности поля у поверхности эмиттера. Возрастание падения напряжения на образце приводит в свою очередь к увеличению средней энергии электронов, т.е. к разогреву электронного газа. Если электронное сродство кристалла невелико (χ≤0,5 эВ), то при появлении «горячих» электронов прозрачность потенциального барьера может достигнуть предельного значения и автоэмиссионный ток не будет возрастать до тех пор, пока за счет ударной ионизации не начнется процесс интенсивного размножения электронов. Для образцов с большим электронным сродством (χ≥3 – 4 эВ) и малой шириной запрещенной зоны (ΔE g ≤1 эВ) разогрев электронного газа внутренним полем не может привести к заметной «надбарьерной» эмиссии, так как функция распределения электронов по энергиям из-за процесса ударной ионизации «горячими» электронами валентной зоны не размывается в области энергий Е>ΔE g .

Повышение концентрации электронов в объеме высокоомного полупроводника, например, за счет его облучения светом вызывает рост автоэмиссионного тока. При этом добавка к току в области «плато» на в.а.х. пропорциональна освещенности I 0 . Спектральная же зависимость автоэмиссионного тока i A (υ) практически совпадает со спектральной зависимости фотопроводимости. Автоэлектронная эмиссия из полупроводника, облучаемого светом, соответствует комбинированному виду эмиссии – фотоавтоэлектронной эмиссии .

Повышение температуры катода обычно приводит к возрастанию эмиссии за счет повышения концентрации электронов в зоне проводимости. Лишь для низкоомных образцов (например, кремния для n-типа), когда имеется сильное вырождение электронного газа, температурная зависимость автоэмиссионного тока либо вовсе отсутствует, либо вызывается изменением эффективной работы выхода из полупроводника. В подобных случаях освещение образцов не изменяет ни величину автоэмиссионного тока, ни характер в.а.х. Вырождение наступает, когда уровень Ферми попадает внутрь зоны проводимости. Энергетический зазор Δ S , (рис. 10.7) между дном зоны проводимости и уровнем Ферми характеризует степень вырождения электронного газа в приповерхностном слое полупроводникового эмиттера.

В отсутствие вырождения (случай слабого проникновения поля) выражение для плотности тока автоэлектронной эмиссии из полупроводника имеет вид

где n ∞ –концентрация электронов в объеме; Δ cs –энергетический зазор между положением дна зоны проводимости в объеме и на поверхности; ε r – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В эту формулу входит масса свободного электрона m e , хотя при более строгом подходе необходимо учитывать сложную структуру зон и оперировать эффективной массой. Однако поправки, связанные с этой неточностью, обычно невелики.

Изучение энергетического распределения автоэлектронов, эмиттированных полупроводниками, показывает, что источником автоэлектронной эмиссии может быть не только зона проводимости, но и валентная зона. Если условия для эмиссии из обеих зон примерно одинаковы, то спектр автоэлектронов должен состоять из двух пиков, расстояние между которыми равно ширине запрещенной зоны ΔE g . В опытах для кремния n-типа действительно были получены «двугорбые» спектры с расстоянием между максимумами ΔE g =1,1 эВ (рис. 10.10).

В случае кремния р-типа, когда автоэлектронная эмиссия идет лишь из валентной зоны, кривая энергетического распределения автоэлектронов имеет только один максимум, ширина которого, как и следует из теории, возрастает с повышением анодного напряжения. При эмиссии электронов из зоны проводимости уширение спектра с ростом напряженности поля Е связано с эмиссией «горячих» электронов. Полуширина спектра возрастает также при повышении температуры, поскольку рост температуры приводит к большей вероятности заселения электронами энергетических состояний, лежащих выше дна зоны проводимости (отсутствие вырождения) или выше уровня Ферми (наличие вырождения). Уширение энергетических спектров автоэлектронов наблюдается лишь при отклонении в.а.х. от линейного хода, причем существует четкая взаимосвязь между увеличением полуширины спектра и ростом падения напряжения на эмиттере. При ширине спектра ΔΕ, превышающей ширину запрещенной зоны, наблюдается резкое возрастание автоэмиссионного тока (область 3 на в.а.х. рис. 10.8), связанное с ударной ионизацией.

Сам процесс туннелирования электронов является практически безынерционным, однако установление диффузионно-дрейфового равновесия при протекании автоэмиссионного тока в полупроводнике характеризуется конечными временем релаксации. Поэтому в полупроводниковых автокатодах имеются переходные процессы при импульсной подаче анодного напряжения в областях 2 и 3 в.а.х., рис. 10.8. В области 1 автоэмиссионный ток не зависит от времени. В области 2 ток спадает, а в области 3 в течение импульса он возрастает при неизменном анодном напряжении. Такой характер поведения автоэмиссионного тока объясняется процессами заполнения и опустошения центров захвата электронов в приповерхностном объемном заряде, а также поверхностных состояний. Постепенное опустошение этих центров вызывает спад тока, а в момент включения поля высвобождение электронов из центров увеличивает автоэмиссионный ток. Остаточные эффекты при выключении и повторном включении поля или освещении эмиттера связаны с инерционностью перестройки области объемного заряда вследствие того, что требуется конечное время для заполнения электронных ловушек. Время релаксации тока зависит от концентрации ловушек в образце, его температуры и напряжения на эмиттере. Для высокоомных образцов Ge и Si в зависимости от концентрации ловушек время релаксации находится в пределах от τ≤10 ‑5 с до τ≈10 ‑3 с.

Практическое значение полупроводниковых автокатодов состоит в том, что в режиме электронного «истощения» (область 2 на в.а.х.) можно получить стационарную автоэлектронную эмиссию при не очень хороших вакуумных условиях (р~10 ‑4 Па) в течение больших интервалов времени (до сотен часов). Например, для кремния n-типа была получена стационарная плотность автоэмиссионного тока до 10 4 А/см 2 .