Глава 6. Физические процессы в вакууме и газах

Эмиссия электронов

Прежде чем познакомиться с процессами, происходящими в вакууме и газах с заряженными частицами, необходимо обсудить способы получения этих частиц. Известно, что свободный электрон, являясь подвижным носителем элементарного отрицательного заряда, может существовать в высокоразряжённом пространстве – вакууме, где при его движении мала вероятность столкновения с другими частицами ( атомами, молекулами, ионами).

Процесс выхода электронов из твёрдых или жидких тел в вакуум или газ называется электронной эмиссией. Чтобы вызвать электронную эмиссию, надо сообщить электронам дополнительную энергию, которую называют работой выхода. Она различна для разных веществ и для разного рода металлов, например, составляет несколько электрон – вольт. У металлов, имеющих большие по сравнению с другими межатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например, цезий, барий, кальций.

Если на поверхности основного металла расположены атомы вещества, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается усиление эмиссии. Такие вещества называются активирующими. Можно также уменьшить работу выхода путём покрытия поверхности металла слоем оксида щелочных или щелочноземельных металлов.

Существует несколько видов электронной эмиссии, отличающихся видом энергии, её вызывающую и способом передачи этой энергии электронам для выхода из эмитирующего вещества.

Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широко используется в электронных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растёт и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Плотность тока при термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона и Дешмэна , где φ₀ – удельная работа выхода, φ_Т = кТ/q – тепловой потенциал, А – постоянная Ричардсона

(А = 120 А см ^-2 к ^-2 ). Отсюда видно, что плотность тока термоэлектронной эмиссии в первую очередь сильно зависит от температуры. Если вылетевшие электроны не отводятся ускоряющим полем от эмитирующей поверхности ( катода ), то около неё образуется электронное облако. В нём энергия электронов различна и средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон - вольта.

Электронное облако находится в состоянии динамического равновесия – сколько электронов вылетают из нагретого тела, столько же возвращается обратно ( в первую очередь из – за того, что вылетевшие из тела электроны оставляют там нескомпенсированный положительный заряд, который и «притягивает» электроны из облака. В приборах с накалённым активированным катодом ( например, оксидным ) наблюдается значительное усиление термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля ( эффект Шотки ). Если бы катод не был накалён, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре м наличии внешнего поля вылетает дополнительно много электронов, которые при отсутствии поля не могли бы выйти. При кратковременном действии сильного поля выход электронов из накалённых активированных катодов очень велик, что используется в некоторых импульсных электронных и ионных приборах.

Автоэлектронная ( электростатическая ) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электрическим полем. Выход электронов при нормальной температуре происходит с помощью электрических полей напряжённостью не менее 10⁵ В/см. Электростатическая эмиссия значительно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняется концентрацией поля у микроскопических выступов этой поверхности. При наличии активирующих, особенно оксидных, покрытий автоэлектронная эмиссия также усиливается. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою, здесь играет роль проникновение внешнего поля в полупроводниковый оксидный слой и шероховатость поверхности оксида.

Вторичная электронная эмиссия обусловлена ударами электронов о поверхность тела. При этом ударяющие электроны называются первичными. Они проникают в поверхностный слой и отдают свою энергию электронам данного вещества. Некоторые из последних, получив значительную дополнительную энергию, могут выйти из тела в вакуум. Такие электроны называются вторичными. Вторичная эмиссия возникает при энергии первичных электронов 10 – 15 эВ и более. Если энергия первичных электронов достаточно велика, то каждый из них может выбить несколько вторичных.

Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии σ, который равен отношению числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1: σ = n2 / n1. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от вещества и структуры эмитирующей поверхности, энергии первичных электронов, угла их падения на поверхность и ряда других факторов. Для чистых металлов значение σ равно 0,5 – 1,8. При наличии активирующих покрытий σ достигает 10 и более. Для интенсивной вторичной эмиссии применяют сплавы магния с серебром, алюминия с медью. Бериллия с медью и др. У них коэффициент σ может быть в пределах 2 – 12 и более, причём эмиссия более устойчива, чем у других веществ, что позволяет использовать её в реальных приборах. Вторичная эмиссия наблюдается также у полупроводников и диэлектриков.

На рисунке 6.1 приведена зависимость коэффициента σ от энергии первичных электронов W1. При W1 < 10 – 15 эВ вторичной эмиссии нет. Затем она с ростом W1 усиливается, доходя до максимума, после чего ослабевает. Кривая 1 – зависимость для чистого металла, а кривая 2 – для металла с активирующим покрытием. Максимум вторичной эмиссии достигается при энергии первичных электронов в сотни электрон – вольт. Снижение σ при более высоких W1 объясняется тем, что первичные электроны проникают более глубоко и передают энергию электронам, находящимся дальше от поверхности. Последние передают полученную энергию другим электронам и не могут дойти до поверхности.

Рисунок 6.1. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов.

Вторичные электроны вылетают в различных направлениях и с различными скоростями. Если они не отводятся ускоряющим полем, то около поверхности тела образуется объёмный заряд – электронное облако. Энергия вторичных электронов значительно выше энергии большинства термоэлектронов.

Электронная эмиссия под ударами тяжёлых частиц имеет сходство со вторичной эмиссией. В большинстве случаев испускание электронов происходит при бомбардировке тела ионами. Для характеристики такой эмиссии служит коэффициент выбивания электронов δ, равный отношению числа выбитых электронов к числу ударивших ионов δ = n_e / n_i . Значение δ зависит от вещества бомбардируемого тела, энергии и массы бомбардирующих ионов, наличия или отсутствия активирующего покрытия и других факторов. Обычно коэффициент δ значительно меньше единицы, но для полупроводниковых и тонких диэлектрических слоёв может достигать значений больше 1. Наименьшая энергия ионов, необходимая для выбивания электронов, составляет десятки эВ.

Фотоэлектронная эмиссия ( внешний фотоэффект ) представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Эмитирующую поверхность при этом называют фотокатодом, а испускаемые электроны – фотоэлектронами.

Рассмотрим законы и характерные особенности фотоэлектронной эмиссии.

1. Закон Столетова. Фототок Iф. Возникающий за счёт фотоэлектронной эмиссии, пропорционален световому потоку Ф: Iф = SФ, где S – чувствительность фотокатода, выражаемая обычно в микроамперах на люмен.

Если поток Ф монохроматичен, т.е. содержит лучи только одной длины волны, то чувствительность называют монохроматической ( S_λ ). Чувствительность к потоку белого ( широкополосного ) света, состоящего из лучей с разной длиной волны, называют интегральной ( S_∑ ).

2. Закон Эйнштейна. А.Эйнштейном было установлено, что при внешнем фотоэффекте энергия фотона hυ превращается в работу выхода Wо и кинетическую энергию вылетевшего электрона hυ = Wо + 0,5 mv², где m и v – масса и скорость фотоэлектрона; υ – частота излучения; h – постоянная Планка. Отсюда понятно, что энергия фотона hυ передаётся электрону, который затрачивает на выход из фотокатода энергию Wо, а разность hυ – Wо представляет собой энергию вылетевшего электрона.

3. Для внешнего фотоэффекта существует так называемая красная (длинноволновая ) граница. Если уменьшать частоту излучения υ, то при некоторой частоте υ₀ фотоэлектронная эмиссия прекращается, так как на этой частоте hυ₀ = Wо и энергия фотоэлектронов становится равной нулю. Частоте υ₀ соответствует длина волны λ₀ = с / υ₀, где с – скорость света. При υ < υ₀ или λ > λ₀ фотоэлектронной эмиссии не может быть, так как hυ < hυ₀ и энергии фотона недостаточно даже для совершения работы выхода.

4. Для фотоэффекта характерна малая инерционность. Фототок запаздывает по отношению к излучению всего на несколько наносекунд.

Оценивается фотоэффект отношением числа фотоэлектронов к числу фотонов, вызвавших эмиссию – квантовым выходом электронов. Так как большая часть фотонов не участвует в создании фототока ( поглощение, рассеивание, большая длина волны ), то обычно квантовый выход не превышает 2%.