Основные виды эмиссии из твердого тела

Эмиссионная электроника изучает явления испускания (эмиссии) электронов и ионов, происходящие на границе твердого тела с вакуумом или с газом при различных воздействиях на поверхность эмиттера.

Электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью конденсированной среды. (Конденсированное состояние вещества (конденсированное тело) – понятие, объединяющее твердые тела и жидкости в противоположности их газу. Атомные частицы (атомы, молекулы, ионы) в конденсированном теле связаны между собой. Средней энергией теплового движения частиц не хватает на самопроизвольный разрыв связи, поэтому конденсированное тело сохраняет свой объем). Жидким эмиттером может быть жидкий металл, например, ртуть.

Самопроизвольной эмиссии электронов из твердого тела препятствует наличие на границе потенциального барьера, обусловленного силами взаимодействия между электронами, вылетающими из вещества и оставшимися нескомпенсированными положительными зарядами ионов кристаллической решетки. Работа выхода составляет несколько электрон-вольт.

Электронная эмиссия возникает в случаях, когда часть электронов тела приобретает в результате внешнего воздействия энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на его границе или, если внешнее электрическое поле делает барьер «прозрачным» для электронов.

Электронная эмиссия наблюдается при нагревании тел (термоэлектронная), при бомбардировке электронами (вторичная электронная), ионами (ионно-электронная) или электромагнитным излучением (фотоэлектронная).

Для исследования электронной эмиссии необходимо создать у поверхности тела (эмиттера) электрическое поле Е, ускоряющее электроны, для удаления электронов от поверхности эмиттера. Если это поле достаточно велико (Е 104 В/см), оно уменьшает высоту потенциального барьера на границе, в результате чего электронная эмиссии возрастает (эффект Шоттки). В очень сильных полях (Е 107 В/см) потенциальный барьер становится столь тонким, что возникает туннельное просачивание электронов сквозь него (электростатическая или автоэлектронная эмиссия). В очень сильных импульсных полях (Е 5*107 В/см) автоэлектронная эмиссия приводит к быстрому разрушению (взрыву) микроострий на поверхности эмиттера и к образованию плотной плазмы. Взаимодействие плазмы с поверхностью эмиттера вызывает резкое увеличение тока электронной эмиссии (взрывная электронная эмиссия).

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах – диодах, триодах, тетродах, пентодах, гептодах, гексодах, октодах, электронно-оптическом индикаторе настройки и электронно-лучевой трубке.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии удобна вакуумная лампа с двумя электродами, называемая вакуумным диодом. Если диод включить в электрическую цепь (рис. 1), то при холодном катоде ток через миллиамперметр не пойдет. При нагревании катода из вольфрама до 2200 0С вокруг него в вакууме возникает скопление электронов («электронное облачко»). Оно находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого катода, а ранее вылетевшие падают обратно. Это явление напоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде.

На рис. 2 показана ВАХ диода. Из ВАХ видно, что анодный ток диода отличен от нуля даже при нулевом напряжении на аноде. Это объясняется тем, что некоторые электроны, покидающие нагретый катод, обладают энергией, достаточной для того, чтобы долететь до анода. Чтобы анодный ток диода стал равен нулю, требуется приложить между анодом и катодом небольшое отрицательное напряжение порядка 0,1 В. При увеличении положительного напряжения на аноде Ua, анодный ток Ia приблизительно определяется по «закону трех вторых» (формула Ленгмюра): Ia=gUa3/2, где постоянный коэффициент g зависит от геометрических размеров и формы электродов. Если повысить температуру катода, то испускание электронов усилится и новая ВАХ расположится выше первой. Увеличится при этом и ток насыщения IS. Расчеты показывают, что плотность тока насыщения JS определяется формулой Ричардсона-Дэшмана:

,

универсальная постоянная А=120 А/(см2К2) одинакова для всех металлов, W0 – работа выхода.

Для уменьшения работы выхода (понижения температуры) вольфрамовый катод покрывают одномолеклярным слоем активирующей примеси – торием. Это дает возможность получать заметную термоэлектронную эмиссию уже при температурах около 1000 0С. Активирующий многоатомный слой (Ba, Sr) выделяется из окислов при термической обработке катода. При этом сильно понижается работа выхода и увеличивается эмиссионная способность катода.

Катоды непосредственного (прямого) накала редко встречаются в аппаратуре, питаемой от сети переменного тока, потому как если нить прямого накала питать переменным током, то будут наблюдаться пульсации ее температуры, следовательно, и пульсации анодного тока, которые создают искажения полезного сигнала. Поэтому широко распространены катоды косвенного накала (подогревные). Обычно такой катод представляет собой никелевый цилиндрик с оксидным поверхностным слоем. Внутрь вставлен вольфрамовый подогреватель (нить накала). Для электрической изоляции от катода подогреватель покрывается керамической массой из оксида алюминия – алундом.

Явление испускания электронов твердыми телами при бомбардировке их пучком первичных электронов называется вторичной электронной эмиссией. Эта эмиссия применяется в ФЭУ. 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 обозначается через . Для чистых металлов = 0,5-1,8. При наличие активирующего покрытия (сплавы магния с серебром, алюминия с медью или бериллия с медью) величина достигает 10 и выше.

Явление испускания электронов твердым телом под действием энергии световых квантов называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией. Фотоэлектрическая эмиссия характеризуется числом эмитированных электронов, приходящихся в среднем на один поглощенный фотон. Эту величину называют квантовым выходом фотоэффекта.

При бомбардировке твердого тела ионами с поверхности могут вылетать ионы – вторичная ионная эмиссия (или ионно-ионная) и электроны – ионно-электронная эмиссия.

Выбивание из бомбардируемой ионами или атомами мишени нейтральных частиц (атомов, молекул) принято называть катодным распылением.

Нагревание вещества и тепловое испарение его частиц обуславливает термоионную эмиссию. При этом испускаются только однократно заряженные ионы. Электрические поля напряженностью ~107 В/см у поверхности вызывают так называемую полевую ионную эмиссию. При этом образуются однозарядные и многозарядные положительные ионы.

Эмиссия электронов может возникать также в результате различных видов обработки поверхности твердого тела: механической и термической обработки, пластической деформации, окисления, адсорбции, воздействия ионизирующего излучения и др. Этот вид испускания электронов называют экзоэлектронной эмиссией, т.к. первоначально считалось, что ее механизм связан с энергией химических реакций, идущих с выделением тепла. Экзоэлектронную эмиссию можно наблюдать и при фазовых превращениях вещества – плавления и кристаллизации, а также с поверхности сегнетоэлектриков при их поляризации. Обычно источниками экзоэлектронов являются поверхностные уровни, уровни примесей, ловушки электронов, центры окраски. Распад таких возбужденных центров приводит к эмиссии электронов.

2.34. Движение заряженной частицы в статических полях. Уравнение параксиального луча.

Рассмотрим движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях в вакууме. Гравитационной силой можно пренебречь, так как она не много порядков меньше электрических и магнитных сил.

Действующая на частицу сила в электрическом поле Е и в магнитном поле В выражается формулой

.

Движение частицы под действием этой силы описывается классическим законом

,

утверждающим, что изменение импульса за единицу времени равно силе. В такой формулировке закон движения справедлив и для релятивистской области. При малых скоростях, когда m может быть отожествлена с массой покоя, это уравнение справедливо и другой форме:

, (1)

Е и В в общем случае являются функциями координат и времени:

; .

Понятно, что интегрирование уравнения движения возможно только тогда, когда Е и В известны. Задача упрощается, если Е и В не зависят от времени и их изменение в пространстве выражается простым законом.

Обратное влияние частиц на поле принципиально не учитывается.

Рассмотрим простейший случай – однородное электрическое поле; тогда можно получить описание простого, но весьма важного для практики типа движения. Поле, близкое к однородному, создается между двумя плоскими поверхностями большой протяженности (рис. 1). На частицу с зарядом q и массой m действует сила qE, так что уравнение движения имеет вид:

.

Направление и величина ускорения постоянны, так как, по нашему предположению, Е постоянно:

.

Для любого момента t скорость имеет вид:

.

Радиус-вектор частицы выражается в форме

.

В конечном итоге получим:

.

В последнем уравнении величина соответствует движению с постоянной скоростью ; первый член, напротив, характеризует равноускоренное движение в направлении поля. Возникающая в результате траектория движения представлена на рис. 2а и подобна известной из механики траектории движения тела, брошенного под углом к горизонту с некоторой начальной скоростью.

Выберем систему координат таким образом, чтобы направление поля совпадало с направлением отрицательной оси у (рис. 2б). Рассмотрим теперь 2 особых, практически важных случая. Сначала предположим, что частица стартует из центра системы координат с начальной скоростью, равной нулю. Это соответствует свободному падению.

Достигнув нижнего электрода, ускоренная частица сталкивается с ним, передавая ему свою кинетическую энергию, что приводит к нагреванию электрода. Конечную скорость легко получить:

.

Отсюда следует, что конечные скорости частиц с одинаковыми зарядами, но разными массами будут различны. Поэтому если пучок, состоящий из смеси ионов ускоряется, то отдельные компоненты пучка достигают электрода с различной скоростью и после прохождения через электрод ионы с разными массами разделяются на отдельные группы. Этот весьма простой принцип действия положен в основу одного из типов масс-спектрометров.

Рассмотрим теперь второй случай, когда начальная скорость перпендикулярна электрическому полю. В этом случае частица влетает в поле конденсатора с начальной скоростью v_вх перпендикулярной силовым линиям. Это соответствует случаю бросания тела параллельно линии горизонта. Это используется при построении электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с электростатическими отклонениями.

Рассмотрим движение частицы в однородном магнитном поле. Для силы, действующей на частицу в однородном магнитном поле, можно написать:

,

которая показывает, что сила всегда направлена перпендикулярно к скорости. Это означает, что поле влияет лишь на направление, но не на величину скорости. Умножив написанное выше уравнение на , получим:

,

откуда .

Рассмотрим частицу, начальная скорость которой перпендикулярна к магнитной индукции (рис. 3). В этом случае вектор скорости, так же как и вектор силы, лежит в плоскости, перпендикулярной к И, так что движение является плоским, причем действующая сила все время направлена перпендикулярно к скорости, а абсолютное значение скорости постоянно: . В этом случае движение является расномерным движением по окружности. Частица, таким образом, движется по круговой орбите. Ускорение тела, движущегося по окружности, выражается формулой v²/r. Тогда уравнение движения Ньютона запишется в виде: .

Теперь можно получить: .

Время оборота выражается формулой

.

Частота обращения

.

Если частица приобрела скорость v, пролетая ускоряющее напряжение U, то

.

Тогда .

Следовательно, радиус зависит от удельного заряда q/m, т.е. от типа частицы. Таким образом, можно обеспечить разделение частиц с разными удельными зарядами. Это принцип действия простейшего масс-спектрометра.

При одновременном наложении электрического и магнитного полей оба поля действуют независимо друг от друга, так что можно получить самые различные результирующие движения и в соответствии с этим самые разнообразные возможности применения. В простейшем случае силы, действующие со стороны электрического и магнитного полей, взаимно компенсируются. Так получают прибор, создающий однородный по скорости пучок частиц (рис. 4). Такое устройство обеспечивает селекцию частиц с заданной скоростью.

Если электрическое и магнитные поля параллельны, то отклонения частицы, вызываемые этими полями, перпендикулярны друг другу.

Частицы, обладающие одинаковыми свойствами, т.е. одинаковым удельным зарядом, попадают в зависимости от их скорости в различные точки. Эти точки образуют параболу.

Каждому отдельному типу ионов соответствует своя парабола. Отличающиеся друг от друга ионы, имеющие различные скорости, разделяются в этом устройстве, а именно, ионы с одинаковым удельным зарядом и любым значением скорости попадают на отдельную ветвь параболы, вызывая почернение на фотопластинке.