Лекция 1 (Лекционный курс)

Лекция 1ЭмиссияЭлектронная эмиссия – это испускание электронов поверхностью твёрдого телаили жидкости. Чтобы перейти из твёрдого тела в вакуум, т.е. эмитировать, электрондолжен преодолеть потенциальный барьер, т.е. совершить работу выхода. Эмиссияприсутствует всегда, поскольку всегда имеются электроны с энергией, превосходящейработу выхода. Однако в нормальных условиях их достаточно мало.

Чтобы процессэмиссии стал заметен и постоянен, необходимо:1. наличие внешнего электрического поля для отвода электронов (рис. 1.1)2. сообщение телу дополнительной энергии для повышения энергии электронов.Рис. 1.1. Общая схема электронной эмиссииВ зависимости от того, каким образом сообщать телу энергию, различают иразличные механизмы эмиссии: термоэлектронная фотоэлектронная автоэлектронная вторичная электронная ион-электронная горячих электронов взрывная эмиссияВ электронике тела, используемые в качестве эмиттеров, называют катодами:термокатодами, фотокатодами, автокатодами.Термоэлектронная эмиссияТермоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретой поверхностью.Эффект протекания тока в вакууме между отрицательным нагретым и положительнымэлектродами был открыт в 1884 г.

Эдисоном и объяснён в 1887 г. Томсоном. Ток эмиссиивозрастает с температурой тела до определённого значения – тока насыщения.В итоге, чем выше температура (в разумных пределах) и чем ниже работа выходаматериала, тем выше ток насыщения и тем эффективнее катод. Для использованияэмиссии в практических целях необходимо иметь в простейшем случает пару электродов:отрицательный катод и положительный относительно электрода анод для созданияразности потенциалов и ускорения электронов.Плотность тока термоэмиссии j0 можно рассчитать по формуле РичардсонаДэшмана: ej0  AT 2 (1  r ) exp   eE  , kTгдеA = 120 А.см-2К-2 – константа Ричардсона;T - температура эмиттера, К;r – коэффициент отражения от потенциального барьера;e – заряд электрона; – работа выхода электрона;k – постоянная Больцмана;E – напряженность электрического поля, В/м.Для вольфрамового катода e = 4,5 эВ при T = 2873 К, E =105 В/м (ускоряющеенапряжение равно U=25 кВ), A(1-r) = 60 А.см-2К-2 плотность тока термоэмиссиисоставляет j0=6,3 А/см2.Для гекcаборид-лантанового катода расчетное значение j0 дляусловий A(1–r) = 40 А.см-2К-2,  = 2,6 эВ, T = 1873 К, U=25 кВ, E =106 В/м равно 49 А/см2.Материал катодаТокэмиссии,А/см20,1…1Температуранагрева, ºCСрокслужбы, часПрименениеФорма катода2150…235010000…1000ЭлектроннаяпушкаСпираль8…1501430…1830100000…10002…101460…1880100000…3000LaB61…301400…17001000…200BaO-SrO-СаО0,3…3700…900200000…5000Импрегнированные(диспенсерные) WBa сплёнкой Os3…30900…1200200000…1000МеталлW, W+ReСплавIr-La, Ir-CeКомпозитMo-La2O3, WCThСпиральМощныеэлектронныелампыЭлектроннаяпайка, плавка,ускорителиЭлектронныелампы, ЭЛТСВЧ (ЛБВ,клистроны)СпиральРазличная формаПлёнка 20-30 мкмна металлическомкерне (Ni)Различная формаЭмиссия горячих электроновПри термоэлектронной эмиссии энергия передаётся электронам путём нагревавещества через взаимодействие электронов и ионов решётки, т.е.

путём теплопередачи.Другой способ передать энергию электронам – воздействовать на них сильнымэлектрическим полем. Т.е. необходимо в проводнике или полупроводнике создатьэлектрическое поле, но при этом уменьшить проводимость. Чем больше проводимость,тем больше будет протекающий ток и тем быстрее эмиттер выйдет из строя. Понизитьпроводимость можно уменьшением тонкого слоя проводника и разделения его наостровки. Т.е. наносится тонкая плёнка, как правило, Au, SnO2, BaO, которая при крайнемалых толщинах имеет островковый характер.

В результате чего сопротивление резкоувеличивается. При приложении сильного электрического поля потенциальный барьерснижается, и при небольшом расстоянии (порядка 10 нм) электроны способнытуннелировать из одного островка в другой. Для лучшего эффекта сверху осаждаетсямонослой цезия для снижения работы выхода. Получены плотности токов до 1 А/см 2 пристационарном режиме и до 10 А/см2 в импульсном. При этом эффективность – отношениетока эмиссии к протекающему току – может приближаться к 100%.Также существует эмиссия из p-n перехода и эмиссия из катода металл-диэлектрикметалл.Ситуация по катодам с эмиссией горячих электронов в целом такова. Всем этимкатодам свойственны недостатки – широкий спектр энергий эмитированных электронов,часто – высокие шумы, нестабильная работа.

Параметры большинства систем пока недостигли уровня, при котором они заинтересуют разработчиков приборов, но вдальнейшем это вполне возможно.Фотоэлектронная эмиссияФотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект – это испусканиеэлектронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения(фотонов). Он заметил, что при облучении УФ светом двух электродов под напряжениемоблегчает проскакивание разряда между ними. Фотоэмиссию в 1887 году открыл Герц, аЛенард и Томпсон в 1898 году показали, что это именно испускание электронов.Фотоэмиссия обладает следующими закономерностями:1.

Количество испускаемых фотоэлектронов пропорционально интенсивностиизлучения.2. Для каждого материала существует пороговая частота, так называемая «краснаяграница фотоэффекта», т.е. это такая частота излучения (максимальная длинаволны), меньше/больше которой испускание электронов не происходит.3. Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частотыизлучения и не зависит от интенсивности излучения.Сущность фотоэмиссии такова: фотон излучения передаёт свою энергиюсвободным электронам, фотоэлектрон перемещается к поверхности и выходит в вакуум.Для этого энергия электрона должна быть выше работы выхода материала, которая длящелочноземельных металлов более 2-х эВ, а для других – более 3-х эВ.Параметры фотокатодовКвантовый выход [электрон/фотон] – Yλ – показывает, сколько электроновэмитируется под действием одного фотона излучения.

Вблизи красной границыфотоэффекта этот параметр для металлов составляет порядка 10-4 электрон/фотон, приэнергии 10 эВ – порядка 10-3 электрон/фотон, при энергии 15 эВ – 10-2 электрон/фотон.Часто квантовый выход выражают в процентах.Спектральная чувствительность Sλ – А/Вт, а практически – мкА/Вт – показывает,какой фототок эмитируется фотокатодом при падении единицы мощности излученияопределённой длины волны.Интегральная чувствительность SA – А/лм – отношение величины силы фототока кпадающему на фотокатод световому потоку от стандартного источника (например, лампынакаливания с вольфрамовой нитью).Фоновый ток – это ток, обусловленный термоэмиссией, которая всегдаприсутствует в малых количествах.

Вредный параметр для приборов.Рис. 1.2. Зависимость спектральной чувствительности фотокатодов от длины волныМатериалфотокатодаAgOCsNa2KSb, K2CsSbNa2KSbCsCe2Te, Rb2TeGaAsКвантовыйвыход, %0,3–0,515–2015–2010–1525–30Интегральнаячувствительность,мкА/лм30–50150–200300–600150–2501000–1200Фоновый ток,А/см210-1010-17 – 10-1610-15 – 10-1610-1610-16Применение1934, стакан ХолстаЭОП 0, I, II, II+поколенийСолнечно-слепой ЭОПIII поколениеТакже существуют такие экзотические фотокатоды, как KBr, CsI.Замечания:1.Фотокатод AgOCs, несмотря на его мизерную чувствительность иквантовый выход, используют и до сих пор, поскольку его спектральнаяхарактеристика наиболее продлена в ИК область.2.Существует несколько технологий мультищелочного фотокатода, чем иобъясняется такой разброс чувствительности.3.Для солнечно-слепых ЭОП необходимо полностью исключить влияниевидимого излучения (примерно 300 нм.), что достигается использованиемспециальных стекол, например, из искусственного сапфира и фторида магния.4.Технология производства фотокатода GaAs и ЭОП на его основезначительно сложней и дороже, нежели мультищелочного, что объясняет ихмедленную повсеместную замену.Автоэлектронная эмиссияАвтоэлектронная эмиссия (также – полевая эмиссия, электростатическая эмиссия,туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими теламипод действием внешнего электрического поля высокой напряженности.Автоэлектронную эмиссию открыл в 1897 году Р.Вуд.

При исследованиивакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов,наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление.Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит беззатрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иныхвидов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер награнице эмиттера не путем прохода над ним за счет кинетической энергии тепловогодвижения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозьбарьер, суженный и сниженный электрическим полем.Зависимость автоэмиссии от поля и работы выхода весьма сильна, чтоиллюстрируется таблицей, в которой приведены некоторые значения плотностиавтоэлектронного тока в А/см2 в зависимости от поля в В/см и работы выхода в эВ.Работа выхода,эВПоле, В/см1072·1075·1071082,04,56,31032,5·107——2·10-175·10-44·1066·108—10-132·10-25·106Рис.

1.3. Поверхностный потенциальный барьер на границе маталл-вакуум: 1 – отсутствиевнешнего поля; 2 – слабое поле; 3 – сильное поле; d – ширина барьераПо мере увеличения напряжённости внешнего поля понижается высотапотенциального барьера и уменьшается его ширина. Следовательно, увеличиваетсявероятность электронов, подлетающих со стороны металла, преодолеть барьер.В 1928 году Фаулер и Нордгейм построили теорию холодной эмиссии споверхности металлов. Объяснив механизм, они ввели характеристику для туннельногоэффекта, которая сейчас называется коэффициент прозрачности D потенциальногобарьера – отношения количества упавших на поверхность со стороны металла электроновк количеству прошедших сквозь барьер.2hl2 m (U  E )dxDe,h – постоянная Планка,m – масса электрона,E – энергия электрона, падающего на поверхность,U – высота потенциального барьера.Т.е.