Основы эмиссионной электроники

Виды электронной эмиссии
Физические процессы, протекающие в вакуумных электронных приборах и
устройствах:
 эмиссия электронов из накаливаемых, холодных и плазменных катодов;
 формирование (фокусировка) и ускорение электронного потока (пучка,
луча);
 модуляция плотности электронного потока в лампах;
 поперечное отклонение электронного луча в электронно – лучевых
приборах;
 преобразование энергии электронного потока в энергию выходного
сигнала;
 рассеяние остаточной энергии электронов, вызывающее ряд побочных
эффектов;
 нагрев электродов;
 вторичная электронная эмиссия;
 побочное излучение (рентгеновское в нерентгеновских приборах).
Процесс, лежащий в основе принципа действия вакуумного электронного
прибора и устройства называется основным.
Процессы, не являющиеся основными и снижающие эффективность работы
основных процессов называются побочными.
Физические процессы, происходящие в ВЭПУ
Основные физические процессы в ВЭПУ
•Получение заряженных частиц в вакууме;
•Формирование потока заряженных частиц;
•Управление потоком заряженных частиц;
•Преобразование энергии электронного потока в энергию
выходного сигнала;
•Рассеяние остаточной энергии потока заряженных частиц.
Базовые узлы ВЭПУ:
Эмиттер (катод);
Формирующий узел;
Управляющий узел;
Преобразующий узел;
Коллектор (анод, экран, мишень).
Эмиссией заряженных частиц называется явление испускания электронов
или ионов поверхностью вещества при физическом воздействии на него.
Структура физико – технического эффекта эмиссии заряженных частиц
Виды электронной эмиссии
Термоэлектронная
эмиссия
Ионно-электронная
эмиссия
Фотоэлектронная
эмиссия
Вторичная
электронная
эмиссия
Туннельная эмиссия
Термоэлектронная эмиссия - Ричардсона эффект - испускание электронов
нагретыми телами (твѐрдыми, реже — жидкостями) в вакуум или в
различные среды.
Главной характеристикой является величина плотности термоэлектронного
тока насыщения jo
А — постоянная эмиттера (для
металлов в модели свободных
электронов Зоммерфельда: А = А0
= 4πek2m/h3 = 120,4 А/К2см2,
где е — заряд электрона, m — его
масса, k — Больцмана постоянная,
h — Планка постоянная), Т —
температура эмиттера в К, r̅ —
средний для термоэлектронов
разных энергий коэффициент
отражения от потенциального
барьера на границе эмиттера; eφ —
работа выхода.
Зависимость плотности тока j
термоэлектронного тока от разности
потенциалов U, приложенной между
эмиттером и коллектором электронов
(вольтамперная характеристика).
Плотность термоэлектронного
тока насыщения при различных
температурах и работах выхода
eφ, определяемых по полному
току термоэлектронной
эмиссии.
Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени,
требуются эмиттеры с малыми с малым значением φ и с большими
теплотами испарения материала; в ряде случаев к термоэлектронным
эмиттерам предъявляются специальные требования (химическая
пассивность, коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной
способностью обладают так называемые эффективные катоды
(оксиднобариевые, оксидноториевые, гексабориды (гексаборид металла —
бинарное неорганическое соединение металла и бора с формулой МеB6,
кристаллы, не растворяющиеся в воде) щелочноземельных и
редкоземельных металлов и др.) и некоторые металлоплѐночные катоды
(например, тугоплавкие металлы с плѐнкой щелочных, щѐлочноземельных
и редкоземельных металлов).
Вторичная электронная эмиссия - испускание электронов поверхностью
твѐрдого тела при еѐ бомбардировке электронами.
Открыта в 1902 немецкими физиками Аустином и Г. Штарке.
Электроны, бомбардирующие тело, называются первичными,
испущенные — вторичными. Часть первичных электронов отражается
телом без потери энергии (упруго отражѐнные первичные электроны),
остальные — с потерями энергии (неупруго отражѐнные электроны),
расходуемой в основном на возбуждение электронов твѐрдого тела,
переходящих на более высокие уровни энергии. Если их энергия и импульс
оказываются достаточно большими для преодоления потенциального
барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела
(истинно вторичные электроны). Все три группы электронов
присутствуют в регистрируемом потоке вторичных электронов .
Распределение вторичных
электронов по энергиям: I —
упруго отражѐнные электроны, II
— неупруго отражѐнные
электроны, III — coбственно
вторичные электроны; εп —
энергия первичных электронов
Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется
коэффициентом вторичной электронной эмиссии
σ = iвт/iп ,
где — iвт ток, образованный вторичными электронами,
iп — ток первичных электронов,
коэффициентом упругого r = ir/iп и неупругого η = iη/iп отражения
электронов,
а также коэффициентом эмиссии истинно вторичных электронов
δ = iδ/iп
(ir, iη, iδ — токи, соответствующие упруго отражѐнным, неупруго
отражѐнным и истинно вторичным электронам, iвт = ir + iδ + iδ).
Коэффициент σ, r, η и δ зависят как от энергии первичных электронов
Eп и угла их падения, так и от химического состава, метода
изготовления и состояния поверхности облучаемого образца.
Зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии σ от энергии
первичных электронов Еп
Зависимость коэффициентов σ и η от энергии первичных электронов Еп для
некоторых металлов.
Зависимость σ, η и r от угла падения φ первичных электронов для
монокристаллов кремния; Еп = 1000 эв; пунктир — зависимость σ (φ) для
плѐнки кремния.
Размножение электронов в высокочастотном электрическом поле (а) и в
скрещенных электрическом Е и магнитном Н полях (б). Поле Н
перпендикулярно плоскости чертежа; стрелками показаны траектории
электронов.
Ионно-электронная эмиссия - испускание электронов
поверхностью твѐрдого тела в вакуум под действием ионной
бомбардировки. Явление ионно – электронной эмиссии
используется в электронных умножителях, электронных
микроскопах, а также при изучении физики плазмы, структуры
твѐрдых тел и дефектов этой структуры.
Фотоэлектронная эмиссия - внешний фотоэффект, испускание электронов
твѐрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного
излучения (фотонов) в вакуум или др. среды.
Практическое значение в большинстве случаев имеет фотоэлектронная
эмиссия из твѐрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в
вакуум.
Основные закономерности :
1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности
излучения;
2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и
температуре Т → 0 К существует порог – минимальная частота ω0 (или
максимальная длина волны λ0) излучения, за которой фотоэлектронная
эмиссияне возникает;
3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно
возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.
Фотоэлектронная
эмиссия–
результат
3
последовательных
процессов: поглощения фотона и
появления электрона с высокой (по
сравнению со средней) энергией;
движения
этого
электрона
к
поверхности, при котором часть
энергии может рассеяться; выхода
электрона в др. среду через
поверхность
раздела.
Количественной
характеристикой
фотоэлектронной эмиссии является
квантовый выход
N ген
ф 
N пог
ηф – число вылетевших электронов,
приходящееся
на
1
фотон
излучения,
падающего
на
поверхность тела. Величина ηф
зависит от свойств тела, состояния
его поверхности и энергии фотонов.
Фотоэлектронную эмиссию можно наблюдать как в металлах, так и
полупроводниках.
Фотоэлектронная эмиссия из металлов возникает, если энергия фотона hν (h
– Планка постоянная, ν – частота излучения) превышает работу выхода
электронов из металла еφ.
В полупроводниках и
диэлектриках сильное
поглощение
электромагнитного
излучения начинается от
энергий фотонов hν,
равных ширине
запрещенной зоны ΔE
(для прямых оптических
переходов).
Энергетические схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а);
полупроводника с χ > 2ΔE (б); полупроводника с поверхностью,
обработанной до «отрицательного» электронного сродства (eφ < ΔE)
(в). В области сильного внутреннего электрического поля
энергетические зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные
электронные состояния; жирная черта — дно зоны проводимости; φ —
поверхностный потенциальный барьер.
Здесь χ - показатель поглощения.
Туннельная эмиссия (автоэлектронная, холодная, электростатическая,
полевая)
испускание электронов твѐрдыми и жидкими проводниками
под действием внешнего электрического поля Е высокой напряжѐнности (Е
туннельной эмиссии 107 в/см)
Потенциальная энергия u
электрона вблизи
поверхности металла (х —
расстояние от поверхности);
Е1 — в отсутствии
электрического поля; Е2 — в
однородном внешнем
электрическом поле; Е3 —
суммарная потенциальная
энергия электрона; ЕF —
энергия Ферми металла; Х2
— Х1 — ширина
потенциального барьера в
присутствии поля.
Туннельная эмиссия — результат туннельного «просачивания» электронов
сквозь потенциальный барьер, существующий на границе проводник —
вакуум (или др. среда). Сильное электрическое поле снижает этот барьер и
делает его достаточно проницаемым (то есть относительно тонким и
невысоким). Распространѐнный термин «автоэлектронная эмиссия»
отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов,
свойственных др. видам электронной эмиссии .
Энергетический спектр электронов, испускаемых при туннельной эмиссии для
разных температур Т и электрических полей Е; φ = 4,5 эв.