Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Энергетический спектр вторичных электронов З.2.4. Кинетическая ионно-электронная эмиссия йэикеикическия воино-элекикрон кия элли сии — это явление испускания электронов поверхностью твердого тела под действием поступательной энергии ионов (кинетическое выбиванис1. Это явлегпзе обнаружил в 1899 году французский физик Поль ульриш Вилард. Однако поскольку в зо время отсутствовали надежные методы очистки поверхности, устойчивыХ закономерностей получить пе удалось.
Ионне-электронная эмиссия характеризуется ко. эффнцнентом у„-- и,П им где и„,— число эмитированных электронов, и„— число попавших на поверхность ионов за тот же промежуток времени. 3.2.5. Зыиссия горячих электронов Эмиссия горячих элекшроиоо — это явление испускания электронов из полупроводников элелтронный газ которого перегрет. З Вакуумная электроника 65 Существуют различные механизмы создания перегретых электронов, импульсы которых ггг определяются как р><в Р (2яг'у,к), где ш* — эффективная масса алек<рона в зоне проводимости полУпРоводника, 7 к — — сРодство алек>Рона к эмизтеРУ.
Одним из таких мехацизмов является создание в полупроводнике сильного электрического поля. уравнение для плотности тока эмиссии горячих электронов может быть описано уравнением типа уравнения Ричардсона: ггз / = ел —,) (1 — г)1; ехр — ' 2><лг' 7<Т, ~ (3.1 1) З.2.6. Экзоэлектронная эмиссия Вкзоэлектр<>яяал эмиссгш (экзоэмиссия) = это явление несгациоиарного испускания электронов твердым телом, предварительно переведенным в термодинамически неустой- чивое состояние. Существуют различные механизмы перевода твердого тела в неустойчивое состояние.
Способностью к экзоэлектронной эмиссии обладают металлы, полупроводники и диэлектрики. Токи экзозмиссии ие превышают 10 А1см и регистрируются с помощью электронных -г> детекторов. 3.2.7. Автоэлектронная эмиссия Лвшоэлектрояная элшссия - — это явление испускания электронов твердыми телами под действием внешнего элелтрического поля высокой напряженности (ЕВ 10 В1см). Аагоэлектронная эмиссия также носит название яалееая электроякая эмиссия, туннельная эмиссия, элекгиросягамическал эмиссия, разяаяидяасягь холодной эмиссии.
Автоэяектронная эмиссия не требует предварительного возбуждения электронов. Автоэлсктронная эмиссия была открыта американским физиком Робертом Уильямсом ВУдом в 1887 году. В 1928 — !929 годах американский физик Ральф Говард Фаулер и немецкий физик Лотар Вольфганг Р!ордгейм дали теоретическое обьяснение автоэлекгронпой эмиссии на основе туннельного эффекта. Плотность тока автоэлектронной эмиссии может быть вычислена по формуле Фаулера— Нордгейма: У=А — ехр - — О(у) <р ~ Е (3.12) <7 Зл (2яг)' г А — „7) — — — константы, О(у] — функция Нордгейма затабулироаан 8хй 3 09 ная Фаулером и Нордгеймом (рнс.
3.6, а). Значения функции Нордгейма О(у] лежат в диапазоне 0,7 — 0,9. Теория Фаулера — Нордгейма применима только для температуры Т = О. ~~рг< Ть О, когда 7<Т кк Чг, зависимость для плотности тока остается в силе, поскольку тепловое возбуждение электронов лишь немного размывает границу Ферми (в пределах нескольких ><1), 3 зак з>ог Йй где 7) — электронная температура в полупроводнике, зависящая от электрического поля в полупроводнике. Часть!. Вакуумная и плазменная электроника Прямые Фаулера — Нордгейма в координатах!я(1 г' Р) и 1 ) Г строятся аналогично прямым Ричардсона (см. Рнс. 3.3). С помощью этих прямых можно оценить площадь эмитирующей поверхности автокатода и коэффициент пропорциональности () зависимости напряженности электрического поля Е от приложенного напряжения ~': Е=(3 1'.
При достаточно высоких температурах вклад термически возбужденных электронов в общий эмиссионный ток становится заметным и эмиссия имеет место уже термоавтоэлектронная. б) в) Рве. 3.6. Функция нордгейма (в) и уровни энергии групп электронов (б) Такая ситуация характеризуется условным разбиением электронов по энергиям на четыре группы: А, В, Си к). Эмиссия автоэлектронов из группы 0 возможна при любых значениях температуры, включая Т= О.
Из группы С автоэлектроны могут быть эмитированы при температуре Т> О. Переход электронов из группы Ег в группу С позволяет увеличить ток автоэлектроиной эмиссии, Электроны группы В позволяют увеличивать ток термоэлектронной эмиссии за счет снижения потенциального барьера при увеличении электрического поля. Электроны группы А обуславливают термоавтоэлектронную эмиссию даже при электри- ческих полях Е-. О. Характерной особенностью автоэлектронной эмиссии яв:шются высокие плотности токов вплоть до 1О' Агом'. При перегрузке автокатода током может возникнуть яалсвве взрывной электронной эмвссин.
Оно обусловлено переходом лкатериалв эмиттера из конденсированной фазы в плотную плазму, С помощью взрывной электронной эмиссии удается получить потоки элек- ' тронов могцностью до 10 Вт и плотностью тока до 10 А/см'. Взрывная эмиссия элек-,' гэ 9 тРонов используется в сильноточных приборах силовой электроники. Основополагающие: работы принадлежат советскому физику Геннадию Андреевичу Месяцу.
Картина автоэлектронной эмиссии полупроводников усложняется за счет проникновения внешнего электрического поля в приповерхностный слой, изгиба энергетических зон, уменьшения приповерхностной концентрации электронов. В настоящее время нет полной физической теории автоэлектронной эмиссии полупроводников. 9 Вакуумная электроника 8.2.8. Потенциальная ионно-электронная эыиссия Вотеикиалывпя конно-злекпврониая эзвввссия — это явление испускания электронов за счет возбуждения электронов тела потенциальной энергией ионов.
Впервые это явление открыл нидерландский физик Франс Мишель Пеннинг. Потенциальная ионно-электроиная эмиссия имеет место ливнь для ионов таких элементов и мишеней для которых выполняется соотношение 1', ~ 2ф, где Н вЂ” ионизационпый потенциал атома, а ф — работа выхода мишени. Потенциальнаа ионно-электРоннаа эмиссиЯ хаРактеРизУетсЯ величиной уя= л,,!л„, где л,— число эмитированных электронов, и„— число попавших на поверхность ионов за тот же промежуток времени.
З.З. Эмиттеры свободных электронов 8.3.1. Электронная пушка Для формирования электронного пучка (потока) используется электронная пушка, представляющая собой электронное устройство, состоящее из катода специальной формы, ускоряющего электрода — анода и фокусирующих электродов, предназначенных для формирования пучка необходимой формы. Существует большое разнообразие конструкций электронных пушек. Одной из характеристик электронной пушки является первеоис Р, величина которого равна отношению тока электронного потока к ускоряющему анодиому напряжению в степени трех вторых: Р=А/и'в ~А В"'].
Первеанс является мерой интенсивности электронных потоков. Потоки с Р к 10 А В являются низкоинтенсивными [их генерирует электронный прожеюор), а потоки с Р> 1О А.В относятся к высокоингенснвным или высокопервеансв вгг ньвм, и лля их генерации используется электронная пушка. Наиболее распространенным типом электронных пушек является пушка Пирса (рввс. 3.7), в которой геометрией электродов достигается распределение потенциала так же, как в диодиой системе, а нормальная составляющая напряженности электрического поля на границе электронного потока равна нулю. В электронных пушках со сходящимся электронным потоком наблюдается кроссовер ~КР) "ли сечение с минимальным радиусом пучка и нулевыми радиальными составляющими скоростей электронов.
Наличие кроссовера — необходимое условие формирования пучка в ма магнитном поле, в системах с магнитной периодической фокусировкой и электростатическое фокусировкой Отно тввошеввие плотности тока в кроссовере к плотности тока катода называется каипресвъей гч)) Ри равномерной плотности тока Ч1 ~ х 20-'-50 1г, Часть!. Вакуумная и плазменная электроника бб а) б) Рис.
З.у. Пушка Пирса, формирующая аксиально-симметричный электронный поток: а — расходящийся поток; б — сходящийся поток; К вЂ” катод; А — анод; ФЭ вЂ” фокусирующий электрод; Кр — кроссоаер С помощью электронных пушек различной конструкции можно сформировать трубчатые пушки электронов, полые пучки, ленточные пучки, миоголучевые электронные пучки (рис.
3,8). Злекшроняый лучок — поток электронов, движущийся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры в направлении движения значительно больше, чем в конечной плоскости. Электронный поток состоит из одноименно заряженных частиц, формирующий внутри потока пространственный заряд. В свою очередь этот заряд создает собственное электрическое поле. Электроны в электронном пучке движутся по близким траекториям и форлгируют в пучке линейные токи, создающие собственные магнитные поля. е) а) Рис. З.В.
Схемы электронных пушек: а — пушка ленточного пучка; б — пушка полого пучка; е — многопучкоеая пушка В Вакуумная электроника В элекзронном пучке наблюдаются два взаимно протнвоположньж явления. С одной стоны, электрическое поле пространственного заряда создает силу, стремящуюся расшири нть цучок в соответствии с кулоновским отталкиванием олноименных зарядов. С другой сто ~роны, магнитное поле линейных токов порождает силу Лоренца, стремящуюся сжать лектронный поток.
Оценки показывают, что действие пространственного заряда связыэл кается при энергиях элеюронов порядка 10з эВ при токах 10 А. Сжимающее действие магнитного поля проявляется в релятивистских пучках, при скоростях электронов, близнх к скорости свегть или энергии электронон порядка 1 МэВ. З.4. Управление потоком электронов полями З.4.1. Движение электрона в однородных полях а Тогда а = — — Е = -цЕ и составляющие ускорения по осям можно записать в виде: тл г( х — =О, (тз (3.13) (2 — =О, ~т2 (3.14) (3.15) где т) = г)! тл = 1,7бх10 к/кг. Рис. З.В.
движение электрона а однородном электрическом воле рассмотрим классическую задачу движения электрона в однородном электрическом поле, у которого величина и направление вектора напряженности во всех точках континуаль- ной среды постоянны (рис. 3.9), Сила, действующая на электрон в электростатическом поле, определяется только напря- женностью поля в данной точке и не зависит от его скорости. Зададим начальные условия: при г = О, к„= у, = зэ = О, )тхэ, ру„руэ — заданные величины. Запишем систему уравнений движения электрона: Г = -ОЕ = лю .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
