АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Расстановка ударений: АВТОЭЛЕКТРО`ННАЯ ЭМИ`ССИЯ

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. Мил-Кликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j А. э. от ¹/_Е вида lgj=A-^B/_E (А и В — константы). В 1928—29 Р. Фау-Слери Л. Нордхейм дали теоретич. объяснение А. э. 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 А. э. электроны преодолевают потенц. Барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счёт кинетич. 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 ξ_F. Одноврем. уменьшается ширина барьера. 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.

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла: ξ1 — в отсутствие электрического поля; ξ2 — обусловленная слабым внешним электрическим полем; ξ3 - болеe сильным полем; ξ4 — энергия, соответветствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля; ξF — энергия Ферми; x1—x2 — ширина потенциального барьера при наличии внешнего поля; Φ=еφ — работа выхода

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла: ξ₁ — в отсутствие электрического поля; ξ₂ — обусловленная слабым внешним электрическим полем; ξ₃ - болеe сильным полем; ξ₄ — энергия, соответветствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля; ξ_F — энергия Ферми; x₁—x₂ — ширина потенциального барьера при наличии внешнего поля; Φ=еφ— работа выхода

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

где е — заряд электрона; n — концентрация электронов проводимости в проводнике с энергией ξ, 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 n(ξ), 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 — Нордхейма:

Здесь m — масса электрона, φ — потенциал работы выхода

=eφ металла, t и

— табулированные ф-ции аргумента

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

(y)≈0,95—1,03y², получим из (2) приближённую ф-лу

Ф-ла (2) получена в след. предположениях: свободные электроны в металле подчиняются статистике Ферми — Дирака; вне металла на электрон действуют только силы зеркального изображения. Прозрачность барьера D(ξ, Е) рассчитывалась в квазиклассическом приближении.

Значения lgj для некоторых E и φ, 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 φ и Е. При j=10⁶—10⁷^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 темп-ры Т. Малые отклонения j от (2) сростом Т прямо пропорц. T²:

Ф-ла (4) верна сточностью ∼1% для приращений тока ∼18%. Для отношения ^j(T)/_j(0) ≤10 справедлива т. н. ф-ла Мёрфи и Гуда

Для больших изменений j(Т) существуют более громоздкие ф-лы и графики, полученные численными расчётами. При повышении Т и снижении Е А. э. (термоавтоэлектронная эмиссия) переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем (Шоттки эффект).

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

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

Энергетич. спектр автоэлектронов из металла узок (рис. 2). Полуширина а распределения по полным энергиям при Т=0К определяется ф-лой

При φ=4,4 эВ и lgj от 0 до 7σ варьируется от 0,08 до 0,2 эВ. Величина σ с повышением Т возрастает, в частности при 300 К (в том же диапазоне j) σ 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 темп-pax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в ср. меньшую, чем энергия Ферми ξ_F тогда как вновь поступающие в металл через контакт электроны имеют энергию ξ_F (Ноттингема эффект). С возрастанием Т нагрев сменяется охлаждением — эффект меняет знак, проходя через т. н. темп-ру 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) электрич. 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 (темп-pa, 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 ав-тоэлектронов 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 испольуют 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 Е, достаточную для возникновения А. э., может составлять от сотен В до неск. десятков кВ.

Стабильность А. э. связана с постоянством распределения φ вдоль катода и т. н. полевого множителя α=^E/_V. Оба эти фактора могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов или молекул как примесей, так и материала эмиттера. Напр., локальные значения α 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 с металлов, углерод). Исследование А. э. из монокри сталлов тугоплавких металлов, а также хим. соединений с металлич. проводимостью (LaB₆, ZrC 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 безынерционность. Металлич.автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной хaрактеристики 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 микроаналиаторах и электроннолучевых приборах. Автоэмиссиoнные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронньгх устройствах и вчувствит. 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-изображений.

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).

Лит.: Елинсон М. И., Васильев Г. Ф. Автоэлектронная эмиссия, М., 1958; Фишер Р., Нойман Х., Автоэлектронная эмиссия полупроводников, пер. с нем., М., 1971; Ненакаливаемые катоды, М., 1974; Wооd R. W., A new form of cathode discharge and the production ox X-rays together with some notes of diffraction, «Phys. Rev.», 1897 v.5 № 1 p. 1; Millikan R. A., Lauritsеn С. С., Temperature dependence of field currents, там же, 1929, v. 33, № 4, p. 598; Fоwler R. H., Nоrdheim L., Electron emission in intense electric fields, «Proc. Roy. Soc.», 1928, ser. A, v. 119, № 781, p. 173; Good R. H., Müller E. W., Field emission, in: Handbuch der Physik, Bd 21, В.— Göttingen — Heidelberg, 1956.