18133

Автоелектронна емісія

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Автоелектронна емісія Автоелектронною емісією називається емісія електронів яка обумовлена сильним електричним полем у поверхні твердого тіла. Цю емісію ще називають холодною емісією електростатичною емісією тунельною емісією. При розгляданні впливу на термо...

Украинкский

2013-07-06

449.19 KB

11 чел.

Автоелектронна емісія

Автоелектронною емісією називається емісія електронів, яка обумовлена сильним електричним полем у поверхні твердого тіла. Цю емісію, ще називають холодною емісією, електростатичною емісією, тунельною емісією.

При розгляданні впливу на термоелектрону емісію зовнішнього електричного поля ми встановили, що це поле зменшує потенціальний барєр катоду на величину . Робота виходу при цьому стає меншою й тому емісійний струм зростає

                                            

Зрозуміло, що при напруженості поля ε>>   потенціальний бар’єр може понизитись настільки, що його вершина зрівняється з  рівнем Фермі. При цьому повинна бути дуже значна електронна емісія, навіть при холодному металі. Згідно з теорією Шотткі критична напруженість поля, при якій це може мати місце, визначається з попереднього рівняння для після заміни на еφ:                    (1)

 Тоді, наприклад, для W, якій має еφ=4.52 еВ, . Практика ж показує, що реально значна автоелектронна емісія відбувається вже при напруженості поля . Тобто, на один-два порядки менших полях.

Це розходження можна пояснити тим, що в теорії Шотккі некоректно розглядається звуження потенційного бар’єру під впливом зовнішнього електричного поля. Тобто теорія Шотккі не враховує можливості здійснення тунелювання.

Набагато краще з цим завданням справилася теорія Фаулера – Нордгєйма, яка дозволила отримати наступний вираз для густини струму автоелектронної емісії:

                                                                               (2)

де - робота виходу твердого тіла без врахування її зниження зовнішнім полем по Шотткі, ,       , - функція Нордгейма, яка ним табульована. Графік цієї функції має вигляд

- це відношення зниження роботи виходу по Шотккі до роботи виходу катоду.

      Слід зауважити, що формула (2) для строго описує явище термоелектронної емісії тільки для Т=0 К. Якщо температура катоду мала, наприклад, кімнатна, тобто, коли , теплове збудження електронів лише трохи розмиває границю Фермі.

При достатньо високих температурах, коли струм термоелектронів наближається до значення струму авто електронів, емісія стає термоавтоелектронною.

 Для напівпровідників автоелектронна емісія має свої особливості, які повязані, головним чином, з виникненням у них внутрішнього електричного поля. Це відбувається за рахунок проникнення зовнішнього електричного поля в приповерхневий шар напівпровідника. Ми вже знаємо, що ця глибина проникнення поля визначається радіусом екранування Дебая-Гюккеля D . Результатом є вигинання зон, тобто зміна енергетичного розподілення електронів в зоні провідності, а також на донорних рівнях. При сильних полях рівень Фермі може бути вище дна зони провідності і на границі твердого тіла з вакуумом (див. рис.) при цих полях можлива ударна іонізація електронів валентної зони, які завдяки цьому і потрапляють у зону провідності. Якщо потенціальний бар’єр дуже вузький, то буде тунелювання електронів і з рівня донорів, і з валентної зони (див.рис.).  

Як бачимо, механізм автоелектронної емісії з напівпровідників набагато складніший ніж з металів. Тому до нашого часу немає повної фізичної теорії цієї емісії.

 Експериментальне вивчення автоелектронної емісії – це дослідження залежностей  , , а також . Було проведено багато роботи і по вивченню енергетичного спектру автоелектронів. Але найбільше робіт присвячено дослідженню залежності .

Формулу Фаулера-Нордгейма можна переписати, трохи її спростивши:

                                              

де А,С – константи, які залежать від роботи виходу емітера. Далі робимо так: . Зверніть увагу на те, що ця формула дуже схожа по структурі з формулою, яка застосовується в методі прямих Річардсона.

Вивчення автоелектронної емісії проводять в таких пристроях:

 

Крім того, в звичайному вакуумному діоді. Радіус кривини вістря можна довести до сотень . Але це не проста задача. Досить легко можна отримати . Тоді навіть при  . Часто доводиться працювати  в імпульсному режимі, щоб не зруйнувати катод: струм автоемісії може досягати значень 2 Але й ці застереження не завжди допомагають. Тобто радіус кривини вістря може постійно змінюватися. Це означає, що завжди є помилка при визначені .

Тому  ВАХ для автокатодів будують в координатах  ln = f().

Слід зазначити, що є тонкощі і в визначенні роботи виходу: поверхня реального вістря, навіть коли воно і монокристалічне, має різні грані з різними еφ.

Однак експеримент показав, що теорія Фаулера-Нордгейма вірна, бо дуже в широких межах струму автоемісії (18 порядків) залежність ln = f( ) лінійна.

Автоелектронна емісія, як і термоелектронна емісія, має багато застосувань. Автокатоди, наприклад, ставлять в електроннопроменеві прилади спеціального призначення. В них використовується їх така особливість, як висока густина струму при малих розмірах джерела. Крім того пучок автоелектронів можна сфокусувати в дуже малу пляму при великій густині струму. А це потрібно, наприклад в електронних та рентгенівських мікроскопах. Завдяки автокатодам в сучасних мікроскопах вже можна роздивитися окремі атоми та молекули. Тобто їх роздільна здатність сягає одиниць Å(!)

Автокатоди використовуються і в телебаченні з високою роздільною здатністю, і при виготовленні мікроелектронних схем. Висока крутизна ВАХ  автоемісійних катодів (АЕК) дозволила на їх основі зробити датчики для вимірювань і стабілізації напруги, а також безконтактні мікрометри для вимірювання відстані у вакуумі з точністю до одиниць Å. Вже є роботи по використанню автокатодів в приладах НВЧ діапазону.

Подібних прикладів застосування АЕК можна навести ще багато. Зараз розглянемо більш детально лише принцип роботи автоелектронного проектора, тому що  цей прилад достатньо простий, але ж з великими можливостями для різних досліджень поверхні  твердого тіла.

Автоелектронний проектор

     АП – це особлива галузь електронної мікроскопії. АП – це потужна і різнобічно наукова методика.

K = - збільшення проектора.

δ = 2R

eV0 – власна енергія електронів

K~104-105

δ = 20÷60Å

     Емісійна картина на екрані проектора – сильно збільшена топографія густини струму j поблизу поверхні катоду. Тобто на екрані ми бачимо емітуючу поверхню при сильному збільшенні в „світлі власних променів”. На емісійній картині найбільш яскраві ділянки мають найменьшу роботу виходу, або над ними підвищено локальне поле ε (на цих ділянках різна кривина поверхні). Якщо такі участки під впливом поля, розжарення, іонного бомбардування і.т.д., деформуються, зміщуються, то це дуже добре буде видно на екрані з роздільною здатністю 20÷60Å і збільшенням в 104÷105 разів. В електронному проекторі можна побачити не тільки дуже малі об’єкти, але й надповільні зміщення по поверхні. Останнє використовується для вивчення поверхневої міграції, випаровування, а також різних хімічних реакцій.

     АП – прилад, який дуже широко використовувався в фізиці, хімії та фізичній хімії.

     Слід зазначити, що збільшення АП можна зробити і в 107 разів ( r = 100Å, R = 10см). Але це вже ніякої нової інформації про зразок не дасть, бо при зростанні „К” δ не змінюється. Гранична роздільна здатність δгран визначається розкиданням електронів по тангенціальним складовим швидкості υt. При чому, взв’язку з розподілом електронів в твердому тілі за Фермі-Діраком (а не за Максвелом) зменшити розкид електронів по υt, наприклад, зниженням температури вістря, не є можливим. Найкраща роздільна здатність, яку можна досягти в АП, не менше 10÷20 Å на вістрі.

Якщо в АП ввести рухому діафрагму, то завдяки їй можна з загального потоку автоелектронів вирізати пучки електронів які йдуть з окремих ділянок та вимірювати струм. Це вже буде кількісна характеристика струму автоемісії по поверхні автокатоду. Якщо робити виміри струму пучка електронів з тієї чи іншої ділянки коли на неї дїє якась сила

(наприклад адатоми), то можна отримати кількісну характеристику цієї сили.

Емісія електронів стимульована сильним електричним полем в катоді

Ми вже знаємо, що величина струму емісії, тобто кількість електронів, які потрапляють з твердого тіла у вакуум за одиницю часу, визначається розподілом електронів по енергіям в середині емітера та прозорістю бар’єру на межі твердого тіла з вакуумом. Чим більше є швидких електронів всередині катоду та чим нижчий тонкіший потенціальний бар’єр, тим більше струм емісії.

Для металів функція розподілу валентних електронів за енергією є функцією Фермі-Дірака. Для напівпровідників електрони зони провідності описуються функцією Максвела. Цей розподіл є сферично-симетричним, тому повний струм в твердому тілі дорівнює нулю.

Коли в твердому тілі є електричне поле, цей розподіл електронів вже не є рівноважним і через нього, тобто тверде тіло, починає текти струм. Цей спрямований рух супроводжується не тільки розсіянням електронів при їх взаємодії з фононами ( коливаннями гратки), з домішками та один з одним. Між двома актами розсіяння електричне поле підвищує кінетичну енергію електрона, що рухається в напрямку поля. В зв’язку з тим, що є струм, таких електронів набагато більше, аніж тих, що рухаються в зворотньому напрямку.

Якщо величина електричного поля достатньо помітна, то електрон набуває енергії більше, аніж витрачає. Тому електронний газ середньому поглинає деяку енергію, тобто енергія кожного електрона стає більше, а ніж  КT, де T – температура гратки твердого тіла.

При зростанні енергії електрона зростають і його енергетичні втрати. Але поле їх постійно поповнює і тому настає динамічна рівновага: скільки електрон отримав енергії, стільки й віддав. Однак енергія електронів за цей час  вже стала помітно більшою, анвж середня енергія іх хаотичного руху, тобто >> КT,  де T- температура гратки. Природньо, що електронний газ при цьому вже не знаходиться в термодинамічній (температурній) рівновазі з граткою. Він є „гарячим”.

Однак, якщо строго підійти до цієї назви „гарячі електрони”, то треба щоб функція розподілу електронів по енергіям відповідала розподілу Максвела ( або Фермі при виродженні ) з температурою що відрізняється від температури гратки.

В умовах розігрівання вигляд функції розподілу залежить від значення поля, концентрації електронів та діючих механізмів розсіювання електронів. Аналіз цих умов дає відповідь на питання: „Чому гарячі електрони є в одних матеріалах, а в інших немає”.

Теорія показує, що все визначається балансом енергії:

= δkæυ(Τе – Τграт) ,

де зліва – потужність, що поле дає одному електрону, а справа – потужність, що розсіюється в оточуюче середовище від одного електрону.                                                                                   

δ – енергія, що передається одним електроном при зіткненні з фотонами або електронами

K,æ – постійні теорії

ne – концентрація вільних електронів

υ – частота співударів

Te – температура електронів

Tграт – температура гратки

     З рівняння видно, що чим більша кількості зіткнень, тим більшу треба вводити потужність, тобто тим менше буде розігрів електронів. Розігрів також буде менше, коли в твердому тілі багато вільних електронів, а потужність поля незмінна. Ці умови показують, що гарячі електрони дуже легко одержати в напівпровідниках, бо в них мало вільних електроні, і майже неможливо іх мати у металах. Дуже легко одержати гарячі електрони в таких напівпровідниках як Ge, Si, Te, InSb. А щоб ефект був ще помітнішим, треба працювати з імпульсними полями: поки прийде черговий імпульс напруги, потужність, що отримала гратка від електронів встигне розсіятись.

     Отже в напівпровідникові зявилися гарячі електрони. Ті електрони, що мають енергію більше ніж χ, тобто більше зовнішньої роботи виходу, виходять у вакуум. При цьому температура гратки зовсім недостатня для термоемісії, а напруженість поля недостатня для автоелектронної емісії. Ми маємо справу з новим видом емісії – емісією гарячих електронів.

Теорія цієї емісії складніша, ніж попередні. До нашого часу катоди, що емітують гарячі електрони, поки не знайшли широкого застосування на практиці, бо вони ще низько ефективні. Однак вважається, що перспектива у них є, бо вже зараз з деяких емітерів відбирається струм 1÷10 А/см2. Але термін роботи у них малий настільки, що про практичне застосування поки що не має мови.

В заключення я тільки скажу, що найкращі результати отримані на р-n переходах напівпровідникових кристалів, на транзисторних структурах, та на структурах метал- діелектрик – метал, тобто на МДМ – структурах.

Як видно з рисунків, напругу на p-n перехід прикладено в запорному напрямку.

На рис. б) товщина n- області дуже мала, тому гарячі електрони і йдуть крізь неї.

(Ширина p-n переходу ) . Тому поле )

Неосновні носії струму в р – області – електрони, попадають в область сильного поля і розігріваються у ньому. Коли перехід вузький, то можуть розігріватися і електрони валентної зони р – області після тунелювання в область просторового заряду. Якщо після проходження р-n переходу енергія електрона більша , то електрони вийдуть у вакуум через тонку n – область (див рис. а)).

Якщо р-n перехід покрити адатомами, наприклад Cs  або BаO, то відбудеться суттєве зниження цього переходу і він буде емітувати гарячі електрони (див. рис. б)).

Поверхнева іонізація

Коли атоми чи молекули потрапляють на поверхню розжареного твердого тіла,  деяка їх частина відбивається від поверхні у вигляді таких самих нейтральних частинок, а інша – у вигляді іонів.

Явище іонізації атомних частинок при їх взаємодії з поверхнею розжареного твердого тіла називається поверхневою іонізацією (ПІ). В результаті цієї взаємодії можуть утворитися як позитивні, так і негативні іони. В залежності від цього розрізняють позитивну та негативну поверхневу іонізацію.

Розглянемо закономірності позитивної поверхневої іонізації. Маємо метал, робота виходу якого дорівнює . Над ним є пара деякої речовини, що має потенціал іонізації . Метал розжарений до помітної температури. В стаціонарному стані потік атомів N, що падають на поверхню, дорівнює сумі потоків атомів Na та іонів , що відлітають від поверхні, тобто:                                                                                           (1)                

Характеристикою явища поверхневої іонізації може бути ступінь поверхневої іонізації :

                                                                                                                  (2)

або коефіцієнтом іонізації:

                                                                                                                              (3)

Враховуючи (1), з (2) і (3) витікає, що

            .    Коли  

Основні положення явища поверхневої іонізації полягають в наступному. Атом, потрапивши на поверхню металу, адсорбується на ній. Коли відбувається обмін валентним електроном із зоною провідності металу завдяки тунелювання крізь потенціальний бар’єр металу, бо він став достатньо вузьким. Атом стає іоном і ми маємо едину систему адатом – метал, в якій «електронні хмари» з деякою ймовірністю розподілені по обєму як адатома, так і підкладки. Тобто електрон в певний момент часу знаходиться в металі, а в інший момент часу знаходиться в адатомі. В звязку з тим, що метал має високу температуру, адатоми коливаються і можуть «відірватися» від підкладки  (десорбувати). Коли в адатом «прийшов» валентний електрон, то  адатом десорбується у вигляді нейтральної частинки. Коли електрона немає (він у цей час у металі), то десорбція адатома відбувається у вигляді іона.

Ймовірність знайти електрон в металі або в адатомі залежить від взаємного розміщення рівння валентного електрона адатома та рівня Фермі в металі. Коли >eVi , ймовірність знайти електрон в металі більша, ніж знайти його в адатомв. Тому в цьому випадку практично всі адатоми будуть десорбуватися у вигляді позитивних іонів.

 При видалені адатома з поверхні металу, валентний електрон атома буде знаходитися в стані «колективізації» до відстані від поверхні металу. Починаючи з ймовірність тунельного ефекту крізь широкий потенціальний бар’єр наближається до нуля. Ця відстань називається критичною відстанню перезарядки. Процес позитивної поверхневої іонізації описується рівнянням Саха – Ленгмюра:

                                                             ,                                                  (4)

де  - статистична  вага іонного та атомного станів (це число способів, якими можна розподілити N електронів на G енергетичних рівнях).  (бо вільних електронів у іона менше, а число енергетичних станів не змінилося).

- робота виходу металу, - потенціал іонізації адатома

                                                                                                                        (5)

Це є густина струму позитивних іонів

Так от, ми маємо справу з ще однією емісією – термоіонною емісією, або просто іонною емісією.

Вивчення цієї емісії показує, що формула Саха – Ленгмюра для багатьох випадків вірна. Треба тільки уважно визначити роботу виходу металу, бо вона змінюється (часто і помітно) з температурою. Це повязано зі змінами ступеня покриття підкладки адатомами, які  впливають на роботу виходу.

Ось приклад іонної емісії системи WCs

- температурний поріг поверхневої іонізації.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52180. Завершення формування індустріального суспільства у провідних країнах світу 86.5 KB
  Організаційний момент Учитель пропонує учням об’єднатися в групи пари для подальшої. Учитель наголошує про наявність завдань випереджувального характеру. Учитель..
52181. Виды методического анализа и самоанализа уроков 1.02 MB
  Теоретические основы анализа урока. Основные требования к современному уроку 5 Основные учебные умения которые должны формироваться на уроке 9 Технология педагогического анализа Поэлементный подход Системный подход Личностноориентированный подход Здоровьесберегающий подход 10 Требования к организации анализа урока 13 Особенности анализа урока в условиях введения ФГОС нового поколения 14 Часть2. Варианты схем анализа 18 Полный анализ урока 18 Поэтапный и структурный анализ урока 22 Аспектный анализ урока...
52185. Где твое место, уран 24 KB
  Уран находится в почти таком же затруднительном положении. Но Разве Mendeleyev не определил его положение раз и навсегда В течение многих десятилетий никто не сомневался в том что уран находится в шестой группе Периодической таблицы в качестве самого тяжелого члена семьи включая также хром молибден и вольфрам и его положение казались довольно безошибочными. Но времена изменились и уран больше не был последним в серии элементов.
52187. REGULATION AND CONTROL OF FINANCIAL INSTITUTIONS 77.5 KB
  The Fed controls the money supply and prevents the economy from crisis. Its most powerful tool in controlling the money supply is the reserve requirement. It is the percentage of all deposits that a bank must keep on hand at the bank or on deposit with the Fed. If the Fed requires banks to keep 20 percent of all funds on deposit, then they can loan out the other 80 percent to individuals and companies.
52188. Одяг. Покупки 36 KB
  Мета: Удосконалювати навички усного мовлення та читання тексту з повним охопленням змісту прочитаного; навчити учнів уживати нові лексичні одиниці в мовленні – ознак якостей характеру людини. Навчити критичного та логічного мислення, уміння давати власну оцінку подіям; сприяти розвитку самостійного мислення, уміння чітко виконувати інструкції вчителя.