Лекция 2 (Лекционный курс)

Лекция № 2Вторичная эмиссияВыбивание электронов из кристалла при бомбардировке его пучком первичных электроновназывают вторичной эмиссией. Первичный электрон движется в твёрдом теле и отдает своюэнергию по пути многим электронам в кристалле. Причем основную долю энергии первичныйэлектрон отдает в конце пути. Энергетический спектр вторичных электронов сложен. Чистовторичные электроны имеют энергию порядка 20 эВ, есть доля отраженных первичныхэлектронов, имеющих энергию первичных электронов.Число вторичных электронов N2 пропорционально для твёрдого тела числу первичныхэлектронов N1. Можно записать:N2N;1I2I1,где  – коэффициент вторичной эмиссии. показывает, сколько вторичных электронов приходится на один первичный электрон.Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии первичных электронов (рис.

2.1).1500 эВЕ, эВРис. 2.1 Зависимость  от энергии первичных электроновДля вторичной электронной эмиссии важны два элементарных процесса:1) движение первичных электронов в материале эмиттера, сопровождающееся передачейэнергии вторичным электронам;2) движение вторичных электронов, сопровождающееся потерей энергии при столкновениис другими электронами.

Эти факторы и объясняют зависимость коэффициента вторичной эмиссииот энергии первичных электронов. С одной стороны, в результате увеличения энергии первичныхэлектронов в эмиттере растет число вторичных электронов, создаваемых каждым первичнымэлектроном. В этом случае растет коэффициент вторичной эмиссии.С другой стороны, проникающий в эмиттер первичный электрон на первых этапах своегопути обладает большой скоростью и редко передает энергию электронам эмиттера. По мереторможения первичного электрона в эмиттере основную часть своей энергии он отдаетэлектронам эмиттера в конце пути. Чем больше энергия первичных электронов, тем глубже онипроникают в эмиттер.

Выход вторичных электронов затрудняется, т.к. возрастают ихэнергетические потери в пути из эмиттера. Это ведет к уменьшению коэффициента вторичнойэмиссии.Распределение вторичных электронов по энергиям представлено на рис. 2.2.dnn250100100200е U2 (эВ)Рис. 2.2 Распределение вторичных электронов по энергиямШирокий пик, максимум которого приходится на энергию порядка 20 эВ, соответствуетистинно вторичным электронам. Этот пик не зависит от энергии первичных электронов. Узкийпик, соответствующий энергии первичных электронов (~ 200 эВ), показывает упруго отраженныеот эмиттера первичные электроны.

При изменении энергии первичных электронов узкий пиксоответственно перемещается.Особенностью вторичной эмиссии является то, что коэффициент вторичной эмиссии независит от эффективной работы выхода эмиттера. Это связано с тем, что за счет большой энергиипервичных электронов энергия вторичных электронов значительно больше эффективной работывыхода любого материала.Зависимость коэффициента  от энергии первичных электронов у диэлектриков иполупроводников качественно такая же, как и у металлов. Однако  у диэлектриков иполупроводников значительно выше.

При этом из-за плохой проводимости диэлектрика илиполупроводника на поверхности кристалла под действием первичных электронов формируетсязаряд, который существенно изменяет процессы взаимодействия первичных электронов скристаллом.Допустим, что материал кристалла – диэлектрик, при этом  < 1. В этом случае наповерхность кристалла электронов приходит больше, чем уходит за счет вторичных. Избыточныезаряды не могут уйти в объем диэлектрика и в цепь, поверхность кристалла заряжаетсяотрицательно. На поверхности кристалла формируется тормозящее поле.

Это ведет к уменьшению. Происходит дальнейшее накопление отрицательного заряда на поверхности кристалла и т.д.Это будет продолжаться до тех пор, пока потенциал поверхности не достигнет потенциала катодаи не прекратятся и первичный и вторичный токи.Допустим теперь, что  > 1, т.е. с поверхности диэлектрика уходит электронов больше, чемприходит, и поверхность заряжается положительно. Возникает ускоряющее поле, энергияпервичных электронов увеличивается. Накопление заряда на поверхности будет происходить дотех пор, пока  = 1.

Это означает, что при  = 1 наступает установившийся режим.У полупроводниковых кристаллов эффект зарядки поверхности выражен слабее из-зазначительной проводимости.Вторичная ионно-электронная эмиссияВторичная эмиссия может происходить не только под действием электроннойбомбардировки твёрдого тела, но и при бомбардировке его положительными ионами.

Такаяэмиссия называется ионно-электронной.Коэффициент ионно-электронной эмиссии представляет отношение вторичногоэлектронного тока Ie2 к ионному току Ii, зависит отматериала твёрдого тела, родабомбардирующих ионов и их кинетической энергии. При энергиях порядка десятков и сотенэлектронвольт значения  лежат в пределах 10–310–1. С увеличением энергии ионов этоткоэффициент возрастает и при энергиях в несколько тысяч электронвольт может стать большеединицы.Эксперименты показывают, что существуют два разных процесса выбивания вторичныхэлектронов ионами.

Выбивание электронов ионами за счет кинетической энергии последнихназывается кинетическим вырыванием. Вырывание электронов ионами за счет энергии,высвобождающейся при рекомбинации на поверхности твёрдого тела или вблизи ее, называютпотенциальным вырыванием.Кинетическое вырывание: при столкновении иона с атомом кристаллической решёткитвёрдого тела происходит «встряска» их электронных оболочек, в результате которой можетосвободиться электрон с достаточно большой для преодоления потенциального барьера энергией.Также это может быть результатом ионизации поверхностного слоя атомов кристалла ударамиионов.При потенциальном вырывании положительный ион подходит к поверхности кристалла,при этом потенциальный барьер между ними будет снижаться и сужаться, и станет возможнымпереход одного из наиболее быстрых валентных электронов кристалла к иону.Вторичная ионно-электронная эмиссия наблюдается в условиях электрического разряда вгазах.Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитном поляхВ электрическом поле напряженностью Е на электрон действует сила, противоположная понаправлению вектору Е:FЭ  eEВ магнитном поле с индукцией В на движущийся электрон действует сила Лоренца.

Припроизвольной ориентации векторов эту силу удобно представить в векторной форме:F М  e[vB],где v – вектор скорости электрона.При наличии электрического и магнитного полей действующая на электрон сила:F  eE  e[ vB ].Поскольку при движении в вакууме электрон не испытывает столкновений, приводящих кизменению величины и направления его скорости, получаем уравнение движения электронаmdv eE  e[ vB ].dtЭто уравнение позволяет полностью описать движение электрона, найти его траекторию искорость в любой точке, если известны начальные условия: координаты, величина и направлениескорости в начале пути и, главное, если известна картина поля, т.е. заданы в виде функциикоординат векторы напряженности электрического поля E и магнитной индукции B.Нахождение картины поля является первым этапом решения задач о движении электроновв межэлектродном пространстве.Аналитически картину электрического поля в пространстве, свободном от зарядов, можнонайти решением уравнения Лапласа:2U  0.Это для случая малых потоков или единичных электронов.В случаях, когда электроны и другие заряженные частицы находятся в межэлектродномпространстве в большом количестве и влияют на картину электрического поля, в основу расчетадолжно быть положено уравнение Пуассона:где2U   0 ,– плотность объемного заряда; 0 – диэлектрическая проницаемость.Однако картины электрического поля аналитическим путем можно найти для простыхконфигураций электродов, а для сложных электродов используют эксперимент (электрическаяванна, метод сеток, метод сопротивлений) или приближенные методы расчета.Картину магнитного поля также можно получить аналитически только для простейшихслучаев.Вернемся к уравнению:dvm eE  e[vB].dtУмножив левую и правую части скалярно на скорость электрона v, получимd  mv 2   eE.dt  2 Второе слагаемое равно нулю потому, что сила Лоренца перпендикулярна направлениюдвижения электрона.Выясняется, что под действием магнитного поля изменяется только направление движенияэлектрона, а его скорость не меняется по величине.Электрическое поле влияет на кинетическую энергию и на направление движения.Уравнение, связывающее энергию свободного электрона с пройденной разностьюпотенциалов U:mv 2 mv02 eU .22Если начальную энергию электрона охарактеризовать некоторой разностью потенциаловU0 , т.е.

выразить ее в электрон-вольтах, то скорость электрона, прошедшего разность потенциаловU,2еv(U  U 0 ) .mНапомним, что при скоростях электрона, близких к скорости света, во всех приведенныхуравнениях должна быть релятивистская масса электрона. Однако, как показывает расчет,релятивистский эффект учитывается только при анализе движения электрона, ускоряемогоразностью потенциалов в несколько десятков киловольт. Поэтому далее будем считать массуэлектрона постоянной.Движение электрона в однородном электрическом полеЭлектроды плоскопараллельны на расстоянии d один от другого (рис.