Автоэлектронная эмиссия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внеш. электрич. поля Е достаточно высокой напряжённости (Е ~ 10 В/см). А. э. обнаружена в 1897 Р. У. Вудом. В 1929 Р. Э. Милликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j автоэлектронной эмиссии от 1/E вида

(А и В - константы). В 1928-29 Р. Фаулер и Л Нордхейм дали теоретич. объяснение автоэлектронной эмиссии на основе туннельного эффекта. Термин "А. э." отражает отсутствие энергетич. затрат на возбуждение электронов, свойственных др. видам электронной эмиссии (в зарубежной лит-ре чаще употребляется термин "полевая эмиссия").

При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенц. барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счёт ки-нетич. энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путём туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрич. полем. Электронная волна (см. Волны де Бройля ),встречая на пути потенц. барьер, частично отражается и частично проходит сквозь него (рис. 1). По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенц. барьера над уровнем Ферми

. Од-новрем. уменьшается ширина барьера.

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла

- в отсутствие электрического поля.

- обусловленная слабым внешним электрическим полем;

- более сильным полем;

- энергия, соответствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля;

- энергия Ферми; х₁-х₂- ширина потенциального барьера при наличии внешнего поля,

-работа выхода.

В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т. н. прозрачность барьера D (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соотв. плотность тока А. э.

Теоретич. расчёт плотности тока j А. э. приводит к ф-ле

где е - заряд электрона; - концентрация электронов проводимости в проводнике с энергией

, связанной с компонентой импульса, нормальной к поверхности; Е - напряжённость электрич. поля у поверхности эмиттера. Из (1) следует зависимость j от концентрации электронов в проводнике и их энергетич. распределения

, а также от высоты и формы барьера, к-рые определяют его прозрачность D.

А. э. из металлов в вакуум изучена наиб. полно. В этом случае j следует т. н. закону Фаулера - Норд-хейма:

Здесь т - масса электрона,

-потенциал работы выхода металла, t и -табулированные функции аргумента

. Подставив значения констант я положив t²(у) = 1,1, а

, получим из (2) приближенную ф-лу

(j, Е и

в А/см², В/см и эВ, см. табл.). Ф-ла (2) получена в след. предположениях: свободные электроны в металле подчиняются статистике Ферми - Дирака; вне металла на электрон действуют только силы зеркального изображения.

Значения

для некоторых Е и

, рассчитанные по формуле (2)

Несмотря на упрощения, ф-ла Фаулера - Нордхейма хорошо согласуется с экспериментом. Характерными свойствами А. э. из металлов являются высокие предельные плотности тока j (вплоть до 10¹⁰ А/см²) и экспоненц. зависимость j от

и Е. При j=10⁶- 10' А/см² наблюдается нек-рое уменьшение j по сравнению с (2). Это связано с влиянием объёмного заряда или с деталями формы потенц. барьера. Рост тока j с повышением напряжения V заканчивается при j= 10⁸-10¹⁰ А/см² вакуумным пробоем и гибелью эмиттера. Этому предшествует более интенсивная, но кратковременная взрывная электронная эмиссия.

А. э. слабо зависит от температуры Т. Малые отклонения j от (2) с ростом Т прямо пропорц. Т²:

Ф-ла (4) верна с точностью ~ 1% для приращений тока ~ 18%. Для отношения

справедлива т. н. ф-ла Мёрфи и Гуда

(5).

Для больших изменений j(Т)существуют более громоздкие ф-лы и графики, полученные численными расчётами.

Рис. 2. Энергетический спектр автоэлектронов при разных температурах Т и внешних полях Е для Ф = 4,5 эВ; - уровень покоящегося электрона в вакууме.

При повышении Т и снижении Е А. э. (термоавтоэлектронная эмиссия) переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем (Шоттки аффект). Энергетич. спектр автоэлектронов из металла узок (рис. 2). Полуширина а распределения по полным нергиям при Т=0К определяется ф-лой

При

=4,4 эВ и lg j от 0 до 7

варьируется от 0,08 до 0,2 эВ. Величина

с повышением Т возрастает, в частности при 300 К (в том же диапазоне j)

изменяется от 0,17 до 0,3 эВ. Форма спектра отклоняется от теоретической (в модели свободных электронов) при сложной конфигурации ферми-поверхности или при наличии адсорбир. молекул и атомов на поверхности, особенно если они неметаллич. происхождения (напр., нек-рых органич. молекул, к-рые играют роль волноводов для электронных волн).

Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в ср. меньшую, чем энергия Ферми

, тогда как вновь поступающие в металл через контакт электроны имеют энергию

(Ноттингема эффект). С возрастанием Т нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через т. н. температуру инверсии, соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. При больших Т, когда эмиттер разогревается за счёт джоулевых потерь, инверсия эффекта Ноттингема в нек-рых пределах препятствует лавинному саморазогреву и стабилизирует А. э.

А. э. из полупроводников. Особенности А. э. из полупроводников связаны с неск. факторами: 1) элект-рич. поле глубоко проникает в полупроводник, что приводит к смещению энергетич. зон, к изменению вблизи поверхности концентрации носителей заряда и их энергетич. спектра; 2) концентрация электронов во много раз меньше, чем в металле, что ограничивает величину j, и она сильно зависит от внеш. воздействий (температуpa, освещение и др.); 3) поверхностные состояния носителей заряда могут сказываться на характеристиках А. э.; 4) вольт-амперные характеристики и энергетич. спектры автоэлектронов отражают зонную структуру полупроводников; 5) протекающий через полупроводник ток может приводить к перераспределению потенциала на нём, а также влиять на энергетич. спектр электронов. Все эти особенности привлекаются для объяснения наблюдаемых вольт-амперных характеристик и энергетич. спектров автоэлектронов из полупроводников.

Автоэлектронные эмиттеры (катоды) делают в виде поверхностей с большой кривизной: острия, лезвия, шероховатые края фольг и плёнок, торцы нитей и т. п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях плёнок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжение V, обеспечивающее величину электрич. поля Б, достаточную для возникновения А. э., может составлять от сотен В до неск. десятков кВ.

Стабильность А. э. связана с постоянством распределения

вдоль катода и т.н полевого множителя

Оба эти фактора могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов или молекул как примесей, так и материала эмиттера. Напр., локальные значения

возрастают в результате миграции поверхностных атомов под действием сильного электрич. поля (перестройка в поле) или в результате "изъязвления" поверхности при ионной бомбардировке. Повышение стабильности А. э. достигается улучшением вакуума, очисткой эмиттера, использованием импульсного напряжения (для ослабления миграции атомов в электрич. поле и саморазогрева эмиттера), умеренным подогревом эмиттера (для защиты от адсорбции и для "заглаживания" дефектов в местах удара ионов), применением слабо адсорбирующих материалов (нек-рые карбиды, бориды, нитриды металлов, углерод). Исследование А. э. из монокристаллов тугоплавких металлов, а также хим. соединений с металлич. проводимостью (

и др.) в сверхвысоком вакууме (поверхность эмиттера остаётся чистой в течение часов или суток) позволило уточнить параметры А. э. для этих веществ.

Применение. Металлич. автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока j, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрир. электронные пучки. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются отсутствие энергетич. затрат на подогрев и безынерци-онность. Металлич. автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной характеристики используется в устройствах СВЧ (преобразователи частоты, усилители, детекторы сигналов). Автоэмиссионный эмиттер в качестве интенсивного точечного источника электронов применяется в растровых микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и обычной электронной микроскопии, в рентгеновской дефектоскопии, в рентгеновских микроанализаторах и электронно-лучевых приборах. Автоэмиссионные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронных устройствах и в чувствит. индикаторах изменения напряжения.

Автоэлектронный катод в сочетании с анодом, совмещённым с люминесцирующим экраном, превращает такой автоэмиссионный диод в эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать картину углового распределения тока А. э. с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности (см. Электронный проектор).

Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры перспективны как чувствит. приёмники ИК-излучения. Многоострийные системы эмиттеров служат основой для мозаичных систем в преобразователях ИК-изоб-ражений.

В высоковольтных вакуумных устройствах А. э. может играть и "вредную роль", способствуя утечкам тока, развитию вакуумного пробоя. Для подавления А. э. в этих случаях снижают поле у поверхности электродов (уменьшая их кривизну), подбирают расположение электродов и распределение потенциалов, а также повышают работу выхода из поверхности (подбором материала или покрытия).

Литература по автоэлектронной эмиссии

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

= 2,0		= 4,5		= 6,3

1,0	2,98	2,0	-3,33	2,0	- 12,90
1,2	4,45	3,0	1,57	4,0	-0,88
1,4	5, 49	4,0	4,06	6,0	3,25
1,6	6,27	5,0	5,59	8,0	5,34
1,8	6,89	6,0	6,62	10,0	6,66
2,0	7,40	7,0	7,36	12,0	7,52
2,2	7,82	8,0	7,94	14,0	8,16
2,4	8, 16	9,0	8,39	16,0	8,65
2,6	8,45	10 ,0	8,76	18,0	9,04
		12,0	9,32	20,0	9,36