Электронная эмиссия

Электронная эмиссия 

Основным электродом каждого электровакуумного прибора  является катод, эмитирующий электроны. 

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в  вакуум или газ. Чтобы вызвать  электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энергию, которую называют работой выхода. Она различна для разных металлов и 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 веществ, отдающие электроны  данному металлу, то наблюдается  усиление эмиссии. Такие вещества называются активирующими. Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхности металла слоем оксида щелочных и щелочноземельных металлов. 

Рассмотрим основные виды электронной эмиссии. 

Термоэлектронная  эмиссия обусловлена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широко используется в электронных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Если вылетевшие электроны не отводятся ускоряющим полем от эмитирующей поверхности, то около нее образуется скопление электронов («электронное облачко»). В нем энергии электронов различны и средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон-вольта. 

«Электронное  облачко» находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно. Это явление напоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде. Насыщенный пар над такой жидкостью находится в динамическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости. 

В приборах с  накаленным активированным катодом (например, оксидным) наблюдается значительное усиление термоэлектронной эмиссии  под влиянием внешнего ускоряющего  поля (эффект Шоттки). Если бы катод  не был накален, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре и наличии внешнего ускоряющего поля вылетает дополнительно много электронов, которые при отсутствии поля не могли бы выйти. При кратковременном действии сильного поля выход электронов из накаленных оксидных и других активированных катодов очень велик. Такая эмиссия в виде кратковременных импульсов тока используется в некоторых электронных и ионных приборах. 

Электростатическая (или авщоэлектронная) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электрическим полем. Эту эмиссию иногда называют «холодной», что неудачно, так как все виды эмиссии, кроме термоэлектронной, можно причислить к «холодным». 

Выход электронов при нормальной (комнатной) температуре  происходит с помощью электрических полей напряженностью 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 электростатическая 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 энергию, могут выйти из тела. Такие электроны называются вторичными. Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов 10—15 эВ и выше. Если энергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов. 

Вторичная эмиссия  характеризуется коэффициентом  вторичной эмиссии а, который  равен отношению числа вторичных  электронов п2 к числу первичных n1: 

σ = n2/n1. (15.5) 

Коэффициент σ  зависит от вещества тела, структуры  его поверхности, энергии первичных  электронов, угла их падения и некоторых  других факторов. Для чистых металлов максимальное значение а бывает в  пределах 0,5—1,8. При наличии активирующих покрытий а 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 больше, причем эмиссия более устойчива, нежели у других веществ. Вторичная эмиссия наблюдается также у полупроводников и диэлектриков. 

На рис. 15.5 дана 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 обычно при энергии W1 в сотни электрон-вольт. Снижение σ при более высоких значениях 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. Подобно этому камень, падающий в воду с небольшой скоростью, вызывает сильное разбрызгивание воды; тот же камень при большой скорости быстро входит в воду, не создавая брызг. 

Вторичные электроны  вылетают в различных направлениях и с различными энергиями. Если они  не отводятся ускоряющим полем, то образуют около поверхности тела объемный заряд («электронное облачко»). Энергии большинства вторичных электронов значительно выше, нежели энергии термоэлектронов. 
 
 

Рис. 15.5. Зависимость  коэффициента вторичной эмиссии  от энергии первичных электронов 

Использование вторичной эмиссии много лет  затруднялось тем, что не обеспечивалась ее устойчивость. В дальнейшем были изготовлены устойчиво работающие вторично-электронные катоды из сплавов  металлов и стало возможным создание более совершенных электровакуумных приборов со вторичной эмиссией. 

Электронная эмиссия  под ударами тяжелых частиц имеет  сходство со вторичной эмиссией. В  большинстве случаев испускание электронов происходит от бомбардировки  тела ионами. Для характеристики такой  эмиссии служит коэффициент выбивания электронов δ, равный отношению числа выбитых электронов пе к- числу ударивших ионов ni: 

δ = nв/ni. (15.6) 

Значение δ  зависит от вещества бомбардируемого  тела, от массы и энергии бомбардирующих ионов, состояния поверхности, наличия или отсутствия на ней активирующих покрытий, угла падения ионов и других факторов. Обычно коэффициент δ значительно меньше единицы, но для полупроводниковых и тонких диэлектрических слоев наблюдаются значения δ > 1. Наименьшая энергия ионов, необходимая для выбивания электронов, составляет десятки электрон-вольт. При наличии активирующих покрытий коэффициент δ возрастает. Энергии большинства выбитых электронов 1 — 3 эВ.