Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

• 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 (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.

Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

Испускание электронов в результате локальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

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

См. также

Напишите отзыв о статье "Электронная эмиссия"

Отрывок, характеризующий Электронная эмиссия

– Просит подкрепления? – с гневным жестом проговорил Наполеон. Адъютант утвердительно наклонил голову и стал докладывать; но император отвернулся от него, сделав два шага, остановился, вернулся назад и подозвал Бертье. – Надо дать резервы, – сказал он, слегка разводя руками. – Кого послать туда, как вы думаете? – обратился он к Бертье, к этому oison que j"ai fait aigle [гусенку, которого я сделал орлом], как он впоследствии называл его.
– Государь, послать дивизию Клапареда? – сказал Бертье, помнивший наизусть все дивизии, полки и батальоны.
Наполеон утвердительно кивнул головой.
Адъютант поскакал к дивизии Клапареда. И чрез несколько минут молодая гвардия, стоявшая позади кургана, тронулась с своего места. Наполеон молча смотрел по этому направлению.
– Нет, – обратился он вдруг к Бертье, – я не могу послать Клапареда. Пошлите дивизию Фриана, – сказал он.
Хотя не было никакого преимущества в том, чтобы вместо Клапареда посылать дивизию Фриана, и даже было очевидное неудобство и замедление в том, чтобы остановить теперь Клапареда и посылать Фриана, но приказание было с точностью исполнено. Наполеон не видел того, что он в отношении своих войск играл роль доктора, который мешает своими лекарствами, – роль, которую он так верно понимал и осуждал.
Дивизия Фриана, так же как и другие, скрылась в дыму поля сражения. С разных сторон продолжали прискакивать адъютанты, и все, как бы сговорившись, говорили одно и то же. Все просили подкреплений, все говорили, что русские держатся на своих местах и производят un feu d"enfer [адский огонь], от которого тает французское войско.

Движение вторичных электронов сопровождается потерей энергии при столкновении с другими электронами.

Сопоставление этих двух элементарных процессов позволяет качественно объяснить зависимость f (e U 1 ) .

С одной стороны, в результате увеличения энергии первичных электронов в эмиттере растет число вторичных электронов, создаваемых каждым первичным электроном. Это является предпосылкой увеличения.

С другой стороны, первичный электрон, обладающий большой скоростью, сравнительно редко передает энергию электронам эмиттера, причем небольшими порциями, недостаточными для выхода вторичных электронов. По мере торможения вторичного электрона его способность отдавать энергию растет, поэтому оставшуюся часть своей энергии он отдает в конце пути. Чем больше энергия первичного электрона, тем глубже он проникает в материал эмиттера и создает там вторичные электроны. Выход вторичных электронов при этом затрудняется, т.к. возрастают потери их энергии при многочисленных соударениях. Это является предпосылкой уменьшения.

Существенной особенностью вторичной электронной эмиссии является ее независимость от работы выхода материала эмиттера.

13.3 Вторичная электронная эмиссия полупроводников и диэлектриков

Вторичная электронная эмиссия наблюдается не только у металлов, но и полупроводников, и диэлектриков. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов у диэлектриков и полупроводников такая же, как и у металлов.

Однако у диэлектриков и сложных полупроводников значительно выше, чем у металлов (7÷12). Это обуславливает широкое применение полупроводниковых эмиттеров в приборах.

Рассмотрим зависимость f (e U 1 ) для диэлектриков (рис. 13.4). Допустим, что энергия первичных электронов соответствует области I,

где 1 1 . В этом случае на поверхность эмиттера приходит больше электронов, чем уходит, и поверхность заряжается отрицательно (до потенциала катода), что приводит к торможению первичных электронов, коэффициент уменьшается.

Область II 1 вторичных электронов уходит больше, чем приходит первичных, и эмиттер заряжается положительно (до потенциала анода), что приводит к увеличению энергии первичных электронов. Накопление заряда будет проходить до тех пор, пока потенциал не станет соответствовать точке b.

При фактической энергии первичных электронов e U b 1 . Это означает, что по достижении первичными электронами этой энергии рост поверхностного заряда прекращается, наступает установившийся режим.

Область III (1 1 ) – то же, что и область I.

У полупроводниковых эмиттеров эффект зарядки выражен слабее, но и здесь фактическая энергия первичных электронов e U 1 отличается от энергии, задаваемой ускоряемым электродом.

13.4 Аномальная вторичная электронная эмиссия

В 1936 г. Мальтер, исследуя вторичную электронную эмиссию с поверхности Al предварительно окисленного и затем обработанного парами цезия, обнаружил чрезвычайно большие значения (1000 ). Эта эмиссия, кроме высоких, отличалась от обычной вторичной электронной эмиссии рядом особенностей:

Инерционность (после прекращения бомбардировки вторичный ток спадает не сразу, а постепенно в течение длительного времени).

Непостоянные при одних и тех же e U 1 , зависящих от первичного

тока (I 1 , ).

Сильная зависимость вторичного тока от потенциала коллектора относительно подложки эмиттера (U кол , I 2 ).

Эти особенности послужили основанием назвать такую вторичную эмиссию – аномальной.

Мальтер дал следующее объяснение этому явлению:

Пучок первичных электронов бомбардирует поверхность эмиттера, которая представляет собой тонкую (~10–6 м) пленку диэлектрика Cs2 O, и вызывает вторичную эмиссию 1 . При этом поверхность эмиттера заряжается положительно, и в такой пленке у поверхности Al создается сильное электрическое поле (108 ÷109 В/м), вырывающее электроны из алюминиевой подложки в зону проводимости диэлектрика; эти электроны приобретают большую скорость и простреливают поверхностный слой положительного заряда, почти не нейтрализуя. Таким образом, к току собственно вторичной эмиссии добавляется значительно большая по величине компонента тока электростатической эмиссии.

Пробега первичных электронов может превышать толщину эмиттера. В этом случае вторичная электронная эмиссия наблюдается как с бомбардируемой поверхности (вторичная электронная эмиссия на отражение), так и с противоположной стороны эмиттера (вторичная электронная эмиссия на прострел). Поток вторичных электронов состоит из упруго и неупруго отражённых первичных электронов и истинно вторичных электронов - электронов эмиттера, получивших в результате их возбуждения первичными или отражёнными неупруго электронами энергию и импульс, достаточные для выхода из эмиттера. Энергетич. спектр вторичных электронов лежит в диапазоне энергий от Е = 0 до энергии первичных электронов Еп (рис. 1). Тонкая структура энергетических спектра обусловлена оже-эффектом и характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера.

Рис. 1. Энергетический спектр вторичных электронов: (I) упруго отражённых, (II) неупруго отражённых, (III) истинно вторичных; тонкая структура спектров, обусловленная (а) оже-электронами и (б) характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера (Е - энергия электронов; Е макс и ΔЕ макс - максимальная энергия и полуширина максимума спектра истинно вторичных электронов; Е п - энергия первичных электронов).

Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом σ, равным:

σ = I 2 /I 1 =δ + η + r,

где I 1 и I 2 - токи, создаваемые первичными и вторичными электронами; δ - коэффициент истинной вторичной электронной эмиссия; η, r - коэффициенты соответственно неупругого и упругого отражения первичных электронов. Указанные коэффициенты зависят от параметров пучка первичных электронов (Е п, угла падения φ пучка на образец) и характеристик эмиттера (элементного состава, электронного строения, кристаллической структуры, состояния поверхности и др.).

Механизмы упругого отражения электронов различны в областях малых (0-100 эВ), средних (0,1-1 кэВ) и больших (1-100 кэВ) энергий Е п. В области малых Е п упругое отражение зависит от электронного строения приповерхностной области эмиттера, рассеяния электронов на отдельных атомах, резонансного упругого рассеяния электронов вблизи порогов коллективных и одночастичных возбуждений электронов твёрдого тела. Абсолютные значения коэффициента r в этой области максимальны (при E п ≤10 эВ r может достигать величины 0,5 для металлов и 0,7-0,8 для диэлектриков). В области средних Е п в большинстве случаев на зависимости r(Е п) наблюдается широкий максимум при значениях Ε п = Ζ 2 /8 (Ζ - атомный номер вещества эмиттера). Механизм упругого отражения в этом диапазоне Е п в значительной мере определяется упругим рассеянием электронов на атомах твёрдого тела; абсолютные значения r не превышают 0,05. Для монокристаллов зависимость r(Е п) в области средних Е п имеет ярко выраженную тонкую структуру, обусловленную дифракцией электронов на кристаллической решётке эмиттера. В диапазоне больших значений Е п r уменьшается с ростом Е п. Глубина выхода упруго отражённых электронов зависит от Е п и изменяется от долей до десятков нм.

Неупругое отражение электронов определяется рассеянием и торможением первичных электронов при их движении в веществе эмиттера. Зависимость η(Е п) различна для лёгких и тяжёлых веществ (рис. 2). Коэффициент η увеличивается с ростом φ; наиболее ярко эта закономерность выражена для веществ с малыми Ζ. Средняя энергия неупруго отражённых электронов Е н = 0,31 Е п и падает с уменьшением Е п, а их средняя глубина выхода не превышает половины глубины проникновения первичных электронов при данном значении Е п.

Эмиссия истинно вторичных электронов зависит от электронного строения эмиттера, существенно влияющего на потери энергии электронов и их выход из эмиттера. Вероятность выхода возбужденных истинно вторичных электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности эмиттера, определяемого величиной работы выхода электронов. В металлах вследствие взаимодействия с электронами проводимости истинно вторичные электроны теряют много энергии и не могут преодолеть потенциальный барьер на поверхности. Для них характерна небольшая глубина выхода d истинно вторичных электронов и сравнительно малые значения коэффициента σ макс (0,4-1,8). В диэлектриках с широкой запрещённой зоной и малым сродством к электрону внутренние истинно вторичные электроны несут малые потери энергии, так как теряют её в основном только на взаимодействие с фотонами. Эти вещества имеют большие значения d (20-120 нм) и коэффициент σ макс (4-40). Наибольшие значения d (20-1500 нм) и σ макс ≥1000 имеют эмиттеры с отрицательным сродством к электрону. Создание сильного электрического поля (10 7 -10 8 В/м) в диэлектриках вызывает увеличение σ макс до 100 (вторичная электронная эмиссия, усиленная полем).

Вторичная электронная эмиссия широко используется в методах диагностики поверхности твёрдых тел. Сканирующая электронная микроскопия, используя различные группы вторичных электронов для визуализации исследуемого объекта, позволяет исследовать топографию, фазовый состав, кристаллическую структуру и другие свойства поверхности. Оже-электроны несут информацию об элементном составе, химическом состоянии поверхностных атомов.

Спектры электронов с характеристическими потерями энергии (в диапазоне единицы - сотни мэВ) дают информацию о фононных колебаниях в твёрдых телах, характеризуют колебательные моды адсорбированных атомов и молекул. Электроны с большими потерями энергии (обусловленными межзонными переходами, возбуждением плазменных колебаний в твёрдых телах и ионизацией атомов вещества эмиттера) используются для получения информации об элементном составе и электронном строении приповерхностной области эмиттеров.

Вторичная электронная эмиссия применяется для усиления электронных потоков в электронно-вакуумных приборах (вторичные и фотоэлектронные умножители, усилители яркости изображения и т.п.). Вторичная электронная эмиссия играет важную роль в работе ряда высокочастотных приборов.

Лит.: Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М., 1969; Шульман А.Р., Фридрихов С. А. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. М., 1977.

Для того чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т. е. пройти через потенциальный барьер в поверхностном слое и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциального барьера к электрону необходимо приложить внешние силы или же каким-нибудь образом

сообщить ему дополнительное количество энергии. Работа, которая должна быть совершена на освобождение электрона из металла, называется работой выхода и является одной из важных характеристик металла; она связана с электрическим полем в поверхностном слое металла:

где интегрирование (вдоль любой траектории) должно производиться от какой-нибудь точки, взятой внутри металла, до точек, расположенных достаточно далеко от его поверхности. Для чистой поверхности вольфрама эта работа равна 4,5 эВ. У других (чистых) металлов она колеблется в пределах 1,8-5,3 эВ. Если поверхностный слой металла содержит какие-нибудь примеси, то работа выхода уменьшается; например, покрытие поверхности вольфрама тонким слоем цезия уменьшает работу выхода до 1,36 эВ.

В равновесном состоянии металла некоторое количество электронов, участвующих в беспорядочном тепловом движении, ежесекундно выходит за пределы поверхности металла, но затем, под действием указанных выше сил, вновь втягиваются внутрь металла. Эти электроны образуют вблизи поверхности металла так называемое электронное облако, толщина и плотность которого (число электронов в единице объема) увеличиваются с повышением температуры.

Эмиссию («испарение») электронов с поверхности металла можно получить следующими способами:

1) нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости. Такие электроны, обладая большой кинетической энергией, могут преодолеть силы, препятствующие их освобождению из металла (термоэлектронная эмиссия);

2) воспользоваться сильным электрическим полем, которое «подхватывало» бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия электронов называется холодной, или автоэлектронной; она может быть вызвана и при низких температурах;

3) произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Электроны, вылетающие из металла, затрачивают часть полученной энергии на работу выхода, а остальную часть сохраняют в виде кинетической энергии. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);

4) произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Если эта бомбардировка производится электронами, то эмиссия обусловлена тем, что число вылетающих электронов больше, чем число бомбардирующих электронов (для чистых поверхностей - в 1,2 - 1,8 раза, а для поверхностей, содержащих примеси и покрытых тонким слоем окислов, - в десятки раз); такой способ вырывания называется вторичной электронной эмиссией.

Электроны проводника свободно перемещаются в пределах его границ, а при поглощении достаточной энергии могут и выходить наружу, преодолев стенку потенциальной ямы у поверхности тела (рис. 10.6). Это явление называется эмиссией электронов (в отдельном атоме аналогичное явление называется ионизацией).

При Т = 0 энергия, необходимая для эмиссии, определяется разностью между уровнями W = 0 и уровнем Ферми Е Р (рис. 10.6) и называется работой выхода. Источником энергии могут быть фотоны (см. параграф 9.3), вызывающие фотоэмиссию (фотоэффект).

Рис. 10.6

Причиной термоэлектронной эмиссии является нагревание металла. При искажении функции распределения электронов (см. рис. 10.5, б) се «хвост» может выйти за пределы среза потенциальной ямы, т.с. у некоторых электронов хватает энергии, чтобы покинуть металл. Обычно этим пользуются для поставки электронов в вакуум.

Простейший прибор, использующий термоэмиссию, - электровакуумный диод (рис. 10.7, а). Его катод К накаляется от источника ЭДС ? и и испускает электроны, которые создают ток иод действием электрического ноля между анодом и катодом. Электровакуумный диод отличается от фотодиода в основном источником энергии, вызвавшей эмиссию электронов, поэтому их вольтамперные характеристики похожи. Чем больше напряжение U a между анодом и катодом, тем большую часть электронов из их облака у катода вытягивает электрическое поле в единицу времени. Поэтому с ростом напряжения U a ток I растет. При некоторых напряжениях ноле вытягивает уже все электроны, покидающие катод, и дальнейший рост напряжения к росту тока нс приводит - происходит насыщение.

Рис. 10.7

ВОПРОС. Почему ток насыщения при Т, больше, чем при Г, (рис. 10.7, б)? ОТВЕТ. При Т 2 > Г, больше электронов покидает катод в единицу времени.

При обратной полярности приложенного напряжения («минус» подключен к аноду, а «плюс» - к катоду) электроны не ускоряются, а тормозятся, поэтому электровакуумный диод способен пропускать ток только в одну сторону, т.е. он обладает односторонней проводимостью. Это позволяет применять его для выпрямления тока (рис. 10.7, в): во время действия положительной полуволны напряжения диод пропускает ток, а во время отрицательной - нет.

В 1907 г. американец Ли де Форест дополнил диод третьим электродом- сеткой, который позволил усиливать электрические сигналы. Такой триод стали затем дополнять и другими электродами, что позволило создавать разного рода усилители, генераторы и преобразователи. Это обусловило бурное развитие электротехники, радиотехники и электроники. Далее эстафету подхватили полупроводниковые приборы, вытеснившие электровакуумные лампы, но в ЭЛТ, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и некоторых вакуумных лампах термоэмиссия ио-нрежнему актуальна.

Еще одним источником эмиссии электронов может быть бомбардировка поверхности материала различными частицами. Вторичная электрон-эле- ктронная эмиссия возникает в результате ударов внешних электронов, передающих часть своей энергии электронам вещества. Такую эмиссию используют, например, в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) (рис. 10.8, а). Его фотокатод 1 испускает электроны под действием света. Их ускоряют в направлении электрода (динода) 2, из которого они выбивают вторичные электроны, те ускоряются к диноду 3 и т.д. В результате первичный фототок умножается до такой степени, что ФЭУ способен регистрировать даже отдельные фотоны.

Рис. 10.8

Тот же принцип применили и в ЭОП (см. параграф 9.3) нового поколения. Он содержит сотни тысяч ФЭУ (по числу пикселей, формирующих изображения объектов), каждый из которых представляет собой металлизированный микроканал шириной ~ 10 мкм. По этому каналу так же зигзагообразно, как свет в оптоволокне и как электроны в ФЭУ, движутся электроны, размножаясь при каждом соударении со стенками канала вследствие вторичной эмиссии. Поскольку траектория электронов пренебрежимо мало отличается от прямолинейной (лишь в пределах ширины канала), то пакет таких каналов, расположенный между фотокатодом и экраном (рис. 10.8, б), избавляет от необходимости фокусировки фотоэлектронов (сравните с рис. 9.4). Каждый канал осуществляет не только размножение электронов, но и перенос их в требуемую точку, что обеспечивает четкость изображения.

При вторичной ионно-электронной эмиссии первичными частицами - носителями энергии являются ионы. В газоразрядных приборах они обеспечивают воспроизводство электронов из катода, которые затем размножаются путем ионизации молекул газа (см. параграф 5.9).

Существует и весьма экзотичный вид эмиссии, происхождение которого объясняется принципом неопределенности Гейзенберга. Если у поверхности металла есть электрическое поле, ускоряющее электроны, то на потенциальный уступ 1 накладывается прямая еЕх (2 на рис. 10.6), и уступ превращается в барьер 3. Если полная энергия электрона равна W, т.е. на АW меньше высоты барьера, то по классическим представлениям «взять» его, т.е. выйти наружу, он не может. Однако по квантовым представлениям электрон - это еще и волна, которая не только отражается от оптически более плотной среды, но и преломляется. При этом наличие функции у внутри барьера означает конечную вероятность обнаружить там электрон. На «классический» взгляд, это невозможно, так как полная энергия электрона W, а ее составляющая - потенциальная энергия - равна в этой области W + AVK, т.е. часть оказывается больше целого! В то же время существует некоторая неопределенность AVK энергии, которая зависит от времени At пребывания электрона внутри барьера: AWAt >h. С уменьшением At: неопределенность AW может достичь требуемой величины, и решение уравнения Шредингера дает конечные значения | р | 2 с внешней стороны барьера, т.е. существует вероятность того, что электрон выйдет наружу, не перепрыгивая через барьер! Она тем выше, чем меньше AW п At.

Эти выводы подтверждаются па практике наличием туннельного, или подбарьерного, эффекта. Он даже находит применение, обеспечивая эмиссию электронов из металла в полях напряженностью ~10 6 -10 7 В/см. Поскольку такая эмиссия происходит без нагревания, облучения или бомбардировки частицами, ее называют автоэлектронной. Обычно она происходит со всевозможных остриев, выступов и т.и., где напряженность ноля резко возрастает. Она может привести и к электрическому пробою вакуумного промежутка.

В 1986 г. Нобелевской премией по физике отмечено основанное на туннельном эффекте изобретение сканирующего электронного микроскопа. Ее лауреаты - немецкие физики Э. Руска и Г. Бинниг и швейцарский физик Г. Рорер. В этом приборе тонкая игла сканирует вдоль поверхности на малом от нее расстоянии. Возникающий при этом туннельный ток несет информацию об энергетических состояниях электронов. Таким образом удается получить изображение поверхности с атомной точностью, что особенно важно в микроэлектронике.

Туннельный эффект ответствен за рекомбинацию при ионно-электронной эмиссии (см. выше), за электризацию трением, при которой электроны из атомов одного материала туннелируют к атомам другого. Он определяет и обобществление электронов при ковалентной связи, ведущей к расщеплению энергетических уровней (см. рис. 10.5, а).