Физические основы вакуумной и плазменной электроники

9.1 Электронная эмиссия — явление испускания электронов поверхностью твердого тела или жидкости.

При переходе границы раздела между проводником и вакуумом скачком изменяются напряженность и индукция электрического поля. С этим связаны специфические явления. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом (рис. 9.1).

Рис. 9.1

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов ( ). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке 9.2.

Рис. 9.2

В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма, так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W₀. Это энергия притяжения Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу

(9.1)

Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела.

9.2 Типы эмиссии:

· Термоэлектронная эмиссия

В металлах вокруг каждого атома имеются электроны. которые находится в беспорядочном движений. Скорость хаотического движения этих свободных электронов за­висит от температуры металла: чем выше температура, тем быстрее перемещаются электроны. При некоторых значениях температуры (900—1000° С и выше) скорость движения части электронов становится настолько значи­тельной, что, преодолевая силы притяжения ядер атомов, они врываются из металла и вылетают за его пределы. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов. При этом энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, и явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией

У различных металлов количество испускаемых при одинаковой температуре электронов различно. Наибольшей термоэлектронной эмиссией обладают натрий, калий, цезий, барий и некоторые дру­гие металлы.

При очень высоких температурах нагретый металл начинает испаряться и это ограничивает возможность увеличения термо­электронной эмиссии путем повышения температуры.

Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Этими двумя и, возможно, другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. Эдисоном, и наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током . Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I_н. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Рис. 9.3

На рисунке 9.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I_a(U_a). Здесь U_з – задерживающее напряжение при котором I = 0.

• Вторичная электронная эмиссия

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами. Если в вакууме на некотором расстоянии от электрода, из которого вылетают электроны, по­местить металлическую пластинку и подать на нее положительный потенциал, то вылетающие с поверхности электрода электроны, несущие отрицательный электрический заряд, будут притягиваться к пластине и с большой скоростью ударять в нее. Под действием ударов быстро летящих электронов с поверхности этой пластины будут выбиваться другие электроны, носящие название электронов вторичной эмиссии.

Одной из разновидностей вторичной эмиссии является эмиссия электронов под воздействием бомбардировки материала электри­чески заряженных частиц — ионов, масса которых значительно больше массы электронов. Вылет электронов с поверхности мате­риалов под действием ионной бомбардировки используется в работе ионных приборов.

• Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

• Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

• Ионно-электронная эмиссия

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

• Криогенная электронная эмиссия

испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.