Основы эмиссионной электроники
реклама
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.
