Эмисионная электроника

На рис.2.13 представлено снижение потенциального барьера под действием внешнего ускоряющего поля.

1 – барьер в отсутствии поля;

2 – энергия, сообщаемая полем;

3 – барьер при наличии поля.

На рис. 2.13 кривая 1 показывает изменение потенциальной энергии электрона в отсутствии внешнего электрического поля, т.е. обычный потенциальный барьер металла, и линия 2 – изменение энергии вн

ешнего, ускоряющего, однородного поля. Когда оба поля накладываются, кривая изменения потенциальной энергии электрона, иными словами форма потенциального барьера, изобразится кривой 3, это графическая разность кривых 1 и 2.

На кривой 3 имеется широкий максимум – потенциальный холм, вершина которого лежит ниже уровня потенциального барьера без поля на величину j. Изменение работы выхода под действием внешнего электрического поля называют эффектом Шоттки. Как видно из рис. 2.13, слева от вершины потенциального холма на электрон действует тормозящая сила кристалла, справа – ускоряющая электрического поля, а на вершине сила равна нулю. Вершина потенциального холма расположена на расстоянии хкр от поверхности катода. Это расстояние равно постоянной кристаллической решетки.

Уравнение силы, действующей на электрон при наличии внешнего электрического поля, можно записать

Снижение потенциального барьера за счет электрического поля

Теперь можно определить плотность тока термоэмиссии при наличии внешнего ускоряющего поля, взяв вместо

® ().

Обозначив символом плотность тока эмиссии в отсутствии поля и заменив его значением, получаем уравнение Шоттки:

На практике при сильных электрических полях ток эмиссии возрастает быстрее, чем это следует из уравнения Шоттки. Причина расхождения расчета и эксперимента состоит в том, что при выводе уравнения учитывали понижение потенциального барьера и не учитывали его сужение. Между тем, заметное сужение потенциального барьера приводит к тому, что начинает проявлять туннельный эффект «просачивания» сквозь барьер (не совершая работы) электронов с энергией меньше (jэфф –Dj ).

Это, в свою очередь, приводит к дополнительному увеличению плотности тока эмиссии.

Вопрос 4: Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия

Опыт показывает, что и при сколь угодно низкой температуре, но в сильных электрических полях, порядка 108¸109 В/м, наблюдается автоэлектронная эмиссия, быстро возрастающая с увеличением напряженности поля.

Автоэлектронной эмиссией называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности катода сильного ускоряющего электрического поля.

Внешнее ускоряющее электрическое поле, снижая потенциальный барьер на величину увеличивает эмиссионный ток.

При очень высокой напряженности электрического поля у поверхности катода потенциальный барьер может снизиться настолько, что его вершина окажется на одной высоте с уровнем Ферми. При этом должна наблюдаться электронная эмиссия из холодного металла. Заменив в уравнении Dj на jэфф, можно рассчитать критическую напряженность электрического поля:

Например, для

э

В получаем

В/м

а в действительности на практике

В/м

Не учитывается просачивание электронов сквозь барьер. Не учитывается сужение барьера под действием внешнего электрического поля.

Дело в том, что при автоэлектронной эмиссии формируется узкий потенциальный порог, сквозь который электроны могут туннелировать за счет чисто квантовомеханического эффекта. Такие переходы сквозь барьер совершаются без затраты электронами работы. Возможность туннельных переходов объясняется волновыми свойствами электронов.

Упрощенная формула для предельной плотности тока jАm автоэлектронной эмиссии из металла:

Так как jэфф порядка нескольких электрон-вольт, то предельная плотность тока автоэлектронной эмиссии может быть более 1010 А/см2.

Достоинства автокатодов: 1) отсутствие накала, следовательно, безынерционность; 2) очень высокие плотности тока; 3) малые размеры катода; 4) малый разброс эмиттированных электронов по энергиям; 5) высокая крутизна вольт-амперной характеристики. Основные недостатки: 1) высокие напряжения, 2) нестабильность тока.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронной эмиссией, или внешним фотоэффектом, называют эмиссию электронов из кристалла под действием падающего на его поверхность светового потока (квантов).

Основные законы фотоэмиссии:

1. Отношение числа эмиттированных электронов Ne к числу приходящих на катод фотонов Nф (U=Ne/Nф) – величина, которая зависит от рода материала и от частоты падающего на фотокатод света. Это отношение называют квантовым выходом фотокатода. Представим число приходящих на фотокатод фотонов как отношение светового потока к энергии фотона:

Тогда спектральная чувствительность фотокатода будет:

Видно, что спектральная чувствительность фотокатода, как и квантовый выход U, является величиной, зависящей от рода кристалла (материала фотокатода) и частоты (энергии квантов) падающего на фотокатод света.

2. Проникая в металл фотокатода, каждый фотон взаимодействует только с одним свободным электроном, отдавая ему полностью свою энергию. Энергия фотона суммируется с энергией электрона , которую он имел до встречи с фотоном. Если при этом электрон движется в сторону поверхности металла и компонента его скорости в этом направлении достаточна для преодоления потенциального барьера на границе, то электрон может покинуть металл. Вероятность этого зависит от величины энергии фотона и от того, какой из валентных электронов (быстрый или медленный) приобретает эту энергию. При своем движении в металле электрон может потерять часть энергии при рассеянии на дефектах кристаллической решетки и на примесных атомах.

Уравнение баланса энергии эмиттированного электрона

где – кинетическая энергия электрона после выхода из кристалла.

Если считать, что электрон после получения энергии фотона при движении к поверхности не потерял ее (), а первоначально он имел энергию, равную уровню Ферми, то можно записать:

Это максимальная энергия, которую может иметь электрон за пределами кристалла. Она определяется энергией кванта света ().

3. При уменьшении частоты световых колебаний (энергии кванта) должна уменьшаться максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов. При некоторой пороговой частоте n0 она станет равной нулю.

 Скачать реферат