Лекции2 (Лекции - Физические основы электронных приборов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАДисциплина:Физические основы электронных приборовМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 3Формирование потоков заряженных частиц ввакуумеЭлектронная эмиссияРассмотрим явление надбарьерной эмиссии электроновна границе «металл-вакуум».В соответствии с квантовой статистикой Ферми-Диракаэлектроны в металле распределены по энергетическим уровнямтак, как показано на рисунке.Энергия Ферми EF - максимальная энергия электронов вметалле при Т=0 К.При увеличении Т электроны могут перемещаться наболее высокие свободные энергетические уровни.Явление надбарьерной эмиссии электронов на границе«металл-вакуум»а) Функция распределения электронов вб) Энергетический барьер дляметалле по энергетическим уровням дляэлектронов на границе «металл-Т=0 К и Т>0 Квакуум»На графиках:Е - энергия электронов;dn/dE – количество электронов в единице объема металла,приходящееся на единичный энергетический интервал.При некоторой температуре Т энергия электронов начинаетпревышать энергетический барьер Е0 на границе “металлвакуум” и электроны начинают эмитировать в вакуум.Работа выхода электронов Авых – энергия, равнаяразности энергии Е0 бесконечно удалённого от поверхностиметалла неподвижного электрона и энергии Ферми ЕF:Авых = Е0 - ЕFФизическая сущность работы выхода электронов АвыхСогласно квантовой теории при абсолютном нуле Т=0 К:• электроны с энергией Ферми ЕF могут выходить нанекоторое время из кристаллической решётки металла.• Они образуют возле поверхности слой электронов сотрицательным зарядом.• При этом на проводящей поверхности металла наводитсяслой с положительным зарядом, т.е.

на границе “металл –вакуум” образуется двойной электрический слой шириной r0.• После прохождения двойного электрического слоя наэлектрондействуетсилаотнаведённогозарядаэлектрического зеркального изображения q.Схемаобразованиядвойного Энергетическийэлектрического слоя 1 шириной r0 и электроновнабарьерграницедля«металл-заряда 2 электрического зеркального вакуум» с учётом сил со стороныизображениядвойногозарядаэлектрическогоэлектрическогоизображенияслояизеркальногоЭнергия электрона вблизи поверхности металла с учётомэлектрических сил описывается следующим образом:E = E0 - q2/(2x),где q – заряд, равный заряду электрона; х – расстояние отэлектрона до поверхности металла.Работа выхода электрона Авых равна работе попреодолению силы со стороны двойного электрического слояи силы со стороны заряда электрического зеркальногоизображения.Значения работы выхода Авых для различных металловМЕТАЛЛWMoBaCsАвых, эВ4.64.12.41.8Виды электронных эмиссийВ зависимости от вида сообщаемой телу энергииразличают следующие виды электронных эмиссий:термоэлектронная, автоэлектронная, вторичная электронная,фотоэлектронная и т.д.Термоэлектронная эмиссияПроцесс эмиссии электронов описывается закономРичардсона:je = A0T e2[- ( E0 - E F ) / kT ]2 ( - Aвых / kT )= A0T eгде je – плотность электронного тока с катода, А/см2;А0 – термоэлектронная постоянная (А0=10…300 А/(см2К2));Т – абсолютная температура тела, К;k – постоянная Больцмана, Дж/К.С учетом внешнего электрического поля E уравнениеРичардсона преобразуется в уравнение Ричардсона-Дэшмана:é Aвых - e eE ùj e = Ao T (1 - r ) exp êúkTêëúû2где r - коэффициент отражения электронов от потенциальногобарьера.Значения плотности электронноготока je для WТ, Кje, А/см226000,723000,04100010 -5300»0Электростатическая (автоэлектронная) эмиссияПотенциальная энергия электрона во внешнемэлектрическом поле напряжённостью E равна - q E x , аполная энергия потенциального барьера электрона:2qE = E0 - q E x 2xВ результате действия внешнего поля E работа выходаэлектронов Авых уменьшается на величину D E0 и при значенияхE ³ 106 В/см начинается эмиссия электронов с поверхностиметалла.Этоявлениеназываетсяэлектростатической(автоэлектронной) эмиссией.Энергетический барьер для электронов при действии внешнегоэлектрического поля E :1– энергетический барьер в отсутствии внешнего электрического поля;2– потенциальная энергия электронов во внешнем полеE;3– результирующая кривая энергетического барьераФормирование пучков электронов в ЭВПЭлектронные пучки используются в различных типахЭВП: рентгеновских трубках, электронно-лучевых трубках(ЭЛТ)различногоназначения,вакуумныхсверхвысокочастотных (СВЧ) приборах и др.В ЭВП используются пучки электронов с энергией от0,1 кэВ до 100 кэВ.

При этом минимальный диаметр пучкаравен 10 нм и определяется рассеянием электронов.Физические процессы в межэлектродномпространствеЭлектровакуумный диод – электронная лампа, содержащаядва электрода: катод и анод. Термоэлектронный катод служит дляэмиссии электронов. Анод является коллектором, т.е. электродом,который собирает электроны. Оба электрода размещены встеклянном, металлическом или металлокерамическом баллоне.Распределение потенциала в межэлектродномпространствеПредставим катод и анод в виде неограниченныхплоскостей.Начальные условия: UK = 0, UA = const, UH – принимаетразличные значения.Распределение потенциала при UA=constПри нулевом напряжении накала UH=0 – эмиссииэлектронов нет и диод можно рассматривать как плоскийконденсатор (прямая 1).При повышении UH эмитирующие электроны создают вмежэлектродномпространствеобъемныйотрицательныйзаряд, который изменяет распределение U (кривая 2).

Однаковектор направлен в любой точке кривой 2 от анода к катоду,поэтому все эмиттирующие электроны перемещаются к аноду,т.е. IA=Ie. Этот режим называется режимом насыщения.При дальнейшем повышении UHэмитирующиеэлектроны увеличивают объемный отрицательный заряд.Электронное “облако” образует область отрицательногопотенциала Umin, находящегося на расстоянии Xmin(Xmin»0,01…0,1 мм). Таким образом, вблизи катода (0 < X <Xmin) существует тормозящее электронное поле и векторнаправлен от катода к аноду (кривая 2).

Для преодоления этогопотенциального барьера Umin начальная скорость электронадолжна превышать следующее значение:2 × U min × eVo =mгде e, m – заряд и масса электронов.Электроны с меньшей скоростью не могут преодолетьэтот барьер и возвращаются на катод, т.е. IA < Ie. Таким образом,диод работает в режиме ограничения тока IA объемным зарядом,или в режиме объемного заряда.Начальные условия: UK = 0, UH = const, UA – принимаетразличные значения.Распределение U при UH = constUA1 = 0 – эмитирующие электроны образуют вмежэлектродном пространстве объемный отрицательныйзаряд (кривая 1).При повышении UA2вблизи катода сохраняетсяотрицательный потенциальный барьер (Umin), которыйпрепятствует движению электронов к аноду (IA<Ie). Диодработает в режиме объемного заряда (кривая 2).При UA3 >UA2 – наступает режим насыщения (кривая 3),когда в каждой точке вектор направлен от анода к катоду, т.е.все эмитирующие электроны достигают анода. При этом IA=Ie.Режим объемного заряда (Р.О.З.) является основнымрежимом работы в диоде и других ЭВП.

Все ЭВП работают, какправило, при UH=const и IA регулируется за счет изменения UA.Этим достигается безинерционность ЭВП.Зависимость анодного тока IA от анодного напряжения UAВ режиме объемного заряда (Р.О.З.) анодный ток IA длядиода,образованногодвумяплоскимиэлектродами,определяется по “закону степени 3/2”:3I A = G × U A2где G – постоянная величина G = 2,33×10-6 ПА/XA2;ПА – эффективная площадь поверхности анода (та частьповерхности анода, куда попадают электроны); XA – расстояниеот катода до анода (IA – [A], UA –[B], ПА – [см2], XA –[см]).Анодные характеристики идеального диодаВ режиме насыщения IA не зависит от UA и определяетсятолько напряжением накала UH.Модуляция электронного пучка по плотности токаУправление интенсивностью электронного пучкаосуществляетсяизменениемэлектрическогополявмодуляторе в прикатодной части электронного прожектора,между катодом и первым анодом.Модулятор выполнен в виде цилиндра с небольшимотверстием – диафрагмой в центре.Модулятор по отношению к катоду имеет небольшойотрицательный потенциал (Uм = 0…-60 В).

Действиемодулятора сходно с действием управляющей сетки в триоде:приувеличенииотрицательногопотенциалавозрастаетпотенциальный барьер для электронов.Ток катода Iкзависит от напряжения Uм намодуляторе в соответствие с законом “степени 3/2”:I K = b(U M - U M 0 )3/ 2где Uм0 – запирающее напаряжение на модуляторе; b –коэффициент пропорциональности.Эквипотенциальные поверхности междукатодом, модулятором и первым анодомМодуляционные характеристики ЭЛТПри уменьшении помодулюотрицательногопотенциала модулятора Uм Iквозрастаетбыстреет.к.увеличивается эмиттирующаяповерхность катода (--- линияэквипотенциальнойповерхности).МодуляционнаяхарактеристикаЭЛТ–зависимость катодного тока Iкот напряжения модулятора Uманалогична анодно-сеточнойхарактеристике триода.Iк определяется как:gæ U M -U M 0 ö3/ 2÷ UM 0I K = bçç÷UM0èøгде Iк –[мкА]; Uм , Uм0 – [В];b = 2,3…3; γ = 2,5…3,5.Фокусирующие системыПринцип фокусировки потока электронов в узкий лучоснован на законах движения электрона в электрических имагнитных полях.

Эти законы изучаются в специальномразделе физики – электронной оптике, в которой используетсятерминология геометрической оптики.Лекция № 4Электронные линзыНеоднородные аксиально-симметричные электрическиеполя называются электронными линзами.Вкачествелинзтакжеиспользуютоднородныеинеоднородные аксиально-симметричные магнитные поля.В электронной оптике различают линзы – диафрагмы,одиночные линзы, иммерсионные линзы и иммерсионныеобъективы.Электронные линзы в электронно-лучевой трубке1 – подогреваемый оксидный катод;2 – управляющий электрод (модулятор);3, 4 – первый и второй аноды (образуют иммерсионную линзу);Электроды 1,2,3 образует иммерсионный объектив5 – отклоняющая система;6 – токопроводящий слой;7 – экран;8 – анодный выводРаспределение потенциала вдольоси линзыЛинза-диафрагма–электродскруглымотверстием,расположенныймеждукатодомианодом.Различают собирающиеи рассеивающие линзыдиафрагмы.В собирающей линзе вплоскости диафрагмы:¶ 2U Д¶x2>0в рассеивающей линзе:а) – собирающая б) – рассеивающая--- - распределение потенциала нарасстоянии от оси, большем или равномрадиусу отверстия¶ 2U Д¶x2<0Одиночные линзыОдиночные линзыобразуютсясистемой линз –диафрагмихарактеризуютсяпостояннымииравнымипотенциалами пообе стороны линз.потенциалвдоль оси линзы;- потенциал нарасстоянии от оси,большемилиравномрадиусуотверстия.Иммерсионные линзы и объективыИммерсионные линзы образуются цилиндрическимиэлектродами равных или разных диаметров, потенциалыостаются постоянными, но разными по величине.Систему, состоящую из катода (объекта изображения),диафрагм и цилиндров, создающих у катода ускоряющие поля,называют иммерсионным объективом.Схемы иммерсионных линз и распределения потенциалаЗакон Лагранжа-Гельмгольца для электронных линзКак известно из геометрической оптики для сферическойлинзы:q1n1y2 = y1q 2 n2где y1,y2 – размеры объекта и изображения; θ1,θ2 - апертурныеуглы; n1,n2 – показатели преломления двух сред.Для электронно-оптической системы границей разделадвух сред служит эквипотенциальная поверхность, форма которойприближается к сферической.В качестве показателя преломления n используетсяотношениеvecгде ve – скорость движения электрона, с – скорость света.Посколькутоve =2UemU1n1 ve1==n 2 ve 2U2Таким образом, для электронных линз:y 2 = y1ЭтовыражениеГельмгольца.Дляq1 U1q2 U2называетсяуменьшениязакономразмераЛагранжа-изображенияy2необходимо уменьшить размеры объекта (эмиттирующейповерхности катода), отношение углови соотношениескоростей электронов до и после электронной линзы.Выполнить все эти условия при помощи одной линзысложно, поэтому в ЭЛТ применяют фокусирующие системыиз двух или трех линз.Первая линза должна быть электростатической, т.к.

онане только фокусирует электронный луч, но и ускоряетэлектроны с катода.Вторая линза в двухлинзовом прожекторе и третья втрехлинзовом (главная проекционная линза) служит длясозданияизображения на экране. Она может быть какэлектростатической, так и магнитной.Современные фокусирующие системы обеспечиваютдиаметр светящегося пятна на экране менее 0,1 мм.Типы электронных прожекторов сэлектростатической фокусирующей системойТриодный электронный прожектор образован тремяэлектродами: модулятором, первым и вторым анодами.Электростатическаясистемафокусировкисостоитизиммерсионного объектива (катод – модулятор - первыйанод) и иммерсионной линзы (первый анод - второй анод) –главной проекционной линзы.Основнойнедостатоктриодногопрожектора–взаимное влияние процессов регулировки тока (яркости) ифокусировки луча.