Електронна емісія

Основним електродом кожного електровакуумного приладу є катод, який емітує електрони. Електронною емісією називають процес виходу електронів із твердих чи рідких тіл у вакуум чи газ. Щоб викликати електронну емісію, необхідно надати електронам додаткову енергію, яку називають роботою виходу. Вона різна для різних металів і складає декілька електрон-вольт. У металів, які мають великі, в порівнянні з іншими речовинами, міжатомні віддалі, робота виходу менша. До них відносяться лужні і лужноземельні метали, наприклад цезій, барій, кальцій.

Якщо на поверхні основного металу розташовані атоми речовин, які віддають електрони даному металу, то спостерігається підсилення емісії. Такі речовини називаються активуючими. Можна також зменшити роботу виходу шляхом покриття поверхні металу шаром оксиду лужних і лужноземельних металів.

Розглянемо основні види електронної емісії.

Термоелектронна емісія зумовлена нагріванням тіла, що емітує електрони, і широко використовується в електронних приладах. З підвищенням температури енергія електронів провідності в провіднику чи напівпровіднику зростає і може виявитися достатньою для здійснення роботи виходу. Якщо електрони, які вилетіли, не відводяться електричним полем, від поверхні, що емітує, то біля неї утвориться скупчення електронів ("електронна хмарка"). В ній енергії електронів різні і середня енергія звичайно складає десяті частки електрон-вольта. "Електронна хмарка" знаходиться в динамічній рівновазі. Нові електрони вилітають з нагрітого тіла, а ті, що раніше вилетіли повертаються назад.

У приладах з розжареним активованим катодом (наприклад, оксидним) спостерігається значне підсилення термоелектронної емісії під впливом зовнішнього прискорюючого поля (ефект Шоткі). Якби катод не був розжареним, то емісія була б відсутня. А при високій температурі і наявності зовнішнього прискорюючого електричного поля з катода вилітає додатково значна кількість електронів, які при відсутності прискорюючого поля не могли б вийти. При короткочасній дії сильного прискорюючого поля вихід електронів з розжареним оксидних і інших активованих катодів дуже великий. Така емісія у виді короткочасних імпульсів струму використовується в деяких електронних і іонних приладах.

Електростатична (або автоелектронна) емісія виникає внаслідок виривання електронів сильним електричним полем. Цю емісію іноді називають "холодною". Вихід електронів при нормальній (кімнатній) температурі відбувається за допомогою електричних полів напруженістю не менш 10⁵ В/см.

Електростатична емісія значно підсилюється при нерівній поверхні, що пояснюється концентрацією поля в мікроскопічних виступах цієї поверхні. При наявності активуючих, особливо оксидних покриттів електростатична емісія також підсилюється. Крім зменшення роботи виходу, властивого оксидному шару, тут відіграє роль проникнення зовнішнього поля в напівпровідниковий оксидний шар і нерівність поверхні оксиду.

Вторинна електронна емісія зумовлена ударами електронів по поверхні тіла. При цьому електрони, що вдаряють, називаються первинними. Вони проникають у поверхневий шар і віддають свою енергію електронам даної речовини. Деякі з останніх, одержавши значну енергію, можуть вийти з тіла. Такі електрони називаються вторинними. Вторинна емісія звичайно виникає при енергії первинних електронів (10-15) еВ і вище. Якщо енергія первинного електрона досить велика, то він може вибити декілька вторинних електронів.

Вторинна емісія характеризується коефіцієнтом вторинної емісії що дорівнює відношенню числа вторинних електронів n ₂ до числа первинних n ₁

. (10.5)

Коефіцієнт δ залежить від речовини тіла, структури його поверхні, енергії первинних електронів, кута їхнього падіння і деяких інших факторів. Для чистих металів максимальне значення δ знаходиться в межах (0,5-1,8). При наявності активуючих покриттів δдосягає 10 і більше.

Для інтенсивної вторинної емісії застосовують сплави магнію зі сріблом, алюмінію з міддю, берилію з міддю та ін. У них коефіцієнт δ може бути в межах (2-12) і більше, причому емісія більш стійка, ніж в інших речовин. Вторинна емісія спостерігається також у напівпровідників і діелектриків.

На рис.10.5 дана залежність коефіцієнта δ від енергії первинних електронів W ₁. При W ₁< (10 ÷ 15) еВ вторинна емісія відсутня. Потім вона з ростом W ₁ підсилюється, доходячи до максимуму, після чого слабшає. Крива 1 - залежність для чистого металу, а крива 2 - для металу з активуючим покриттям. Максимум вторинної емісії досягається звичайно при енергії W ₁ у сотні електрон-вольтів. Зниження δ при більш високих значеннях W ₁ зумовлюється тим, що первинні електрони проникають більш глибоко і передають енергію електронам, які більш віддалені від поверхні. Останні передають отриману енергію іншим електронам і не можуть дійти до поверхні.

Рис.10.5. Залежність коефіцієнта вторинної емісії від енергії первинних електронів