ЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ
Підтримувати емісію можна під час двох умов. Перше підведення до електронів енергії, що забезпечує подолання потенційного бар'єру, або створення такого сильного зовнішнього поля, що потенційний бар'єр робиться тонким і стає істотний тунельний ефект (автоелектронна емісія), квантове проникнення електронів крізь потенційний бар'єр, тобто. емісія електронів, що мають енергію менше роботи виходу. Передача енергії бомбардуючими тіло фотонами призводить до фотоемісії, бомбардування електронами викликає вторинну електронну емісію, іонами іон-електронну емісію. Емісія може бути викликана внутрішніми полями - емісія гарячих електронів. Всі ці механізми можуть діяти і одночасно (наприклад, термоавтоемісія, фотоавтоемісія).
Друга умова - створення зовнішнього електричного поля, що забезпечує відведення від тіла електронів, що випускаються, для цього, зокрема, потрібно до емітера підвести електрони, щоб він не заряджався. Якщо зовнішнє поле, що забезпечує виведення емітованих електронів, недостатньо для автоелектронної емісії, але достатньо зниження потенційного бар'єру, стає помітний ефект Шоттки залежність емісії від зовнішнього поля. У випадку, коли поверхня, що емітує, неоднорідна і на ній є «плями» з різною роботою виходу, над її поверхнею виникає електричне «поле плям». Це поле гальмує електрони, що вилітають із ділянок катода з меншою, ніж у сусідніх, роботою виходу. Зовнішнє електричне поле складається з полем плям і, зростаючи, усуває дію плям, що гальмує. Внаслідок цього емісійний струм з неоднорідного емітера зростає зі збільшенням поля швидше, ніж у разі однорідного емітера (аномальний ефект Шоттки).
Термоелектронна емісія. У середині 19 в. буловідомо, що поблизу нагрітих твердих тіл повітря стає провідником електрики, проте причина цього явища залишалася неясною. В результаті проведених дослідів Ю.Ельстер та Г.Гейтель встановили, що при зниженому тиску навколишнього повітря розпечена добіла поверхня металу набуває позитивного заряду. Протікання струму у вакуумі між розжареним електродом і позитивно зарядженим електродом було відкрито Т. Едісоном (1884), пояснено випромінюванням електронів (негативно заряджених частинок) Дж. Томсоном (1887), теорію термоелектронної емісії розробив О. Річардсон (1902, іноді йому самого ефекту). Одностороння провідність була виявлена Дж.Флемінгом (1904, іноді це приписується Едісону), хоча його діод був не зовсім вакуумним, а з частковою компенсацією просторового заряду. Струм термоелектронної емісії визначається температурою катода, (тобто. енергією електронів) та роботою виходу. Максимальний струм емісії визначається ставленням роботи виходу до температури, він називається струмом насичення. Температура катода обмежується, своєю чергою, випаровуванням матеріалу катода (тобто терміном служби).
Фотоелектронна емісія ¦ випускання електронів твердими тілами і рідинами під дією електромагнітного випромінювання (фотонів), при цьому кількість електронів, що випускаються, пропорційно інтенсивності випромінювання. Для кожної речовини існує поріг мінімальна частота (максимальна довжина хвилі) випромінювання, нижче якої емісія не виникає, максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою випромінювання і не залежить від його інтенсивності. Фотоемісія чутлива до виходу поверхні. Збільшення квантового виходу та зсуву порога фотоемісії досягають покриттям поверхні металу моноатомним.шаром електропозитивних атомів Cs (цезію) або Rb (рубідію), що знижують роботу виходу для більшості металів до 1,4?1,7 ев. Фотоемісія була відкрита Густавом Герцем (1887), який виявив, що освітлення ультрафіолетовим світлом електродів іскрового проміжку, що знаходиться під напругою, полегшує пробою. Систематичні дослідження провели В. Гальвакс, А. Риги, А. Г. Столетов (1885) і показали, що в досвіді Герца справа зводиться до звільнення зарядів під дією світла. Те, що це саме електрони, надали Ф.Ленард і Дж.Томсон (1898).
Фотоемісія з напівпровідників та діелектриків визначається сильним поглинанням електромагнітного випромінювання.
Автоелектронна емісія (польова емісія, електростатична емісія, тунельна емісія) ¦ випускання електронів твердими і рідкими тілами, що проводять, під дією зовнішнього електричного поля високої напруженості, її відкрив Р.Вуд (1897) при дослідженні вакуумного розряду. Автоелектронна емісія пояснюється тунельним ефектом і відбувається без витрат енергії збудження електронів, необхідні електронної емісії інших видів. При автоелектронній емісії електрони долають потенційний бар'єр, не проходячи над ним за рахунок кінетичної енергії теплового руху (як при термоелектронній емісії), а шляхом тунельного просочування крізь бар'єр, знижений та звужений електричним полем.
Автоемісія істотно залежить від поля та роботи виходу та слабо залежить від температури. Відбір струму при низьких температурах призводить до нагрівання емітера, т.к. електрони, що йдуть, забирають енергію, в середньому меншу, ніж енергія Фермі, зі зростанням температури нагрівання змінюється охолодженням ефект змінює знак, проходячи через «температуру інверсії», відповідну симетричному щодо рівня Фермі розподілуелектронів, що вийшли по повних енергіях. Особливості автоелектронної емісії з напівпровідників пов'язані з проникненням електричного поля в емітер, меншою концентрацією електронів та наявністю поверхневих станів. Максимальні щільності струму, які можуть бути отримані в режимі автоемісії, обмежені джоулевим розігрівом емітера струмом, що протікає через нього, і руйнуванням емітера електричним полем. У режимі автоемісії одержують струми порядку 10 7 А/см 2 (на поверхні емітера) у стаціонарному та 10 9 А/см 2 в імпульсному режимах. При спробі у стаціонарному режимі отримати більший струм емітер руйнується. В імпульсному режимі при спробі збільшити струм емітер починає працювати в іншому режимі, так званому режимі вибухової емісії.
Сильна залежність автоемісії від виходу тягне у себе нестабільність роботи автокатода. Робота виходу поверхні залежить як від процесів, що відбуваються на поверхні у високому вакуумі, так і від впливу недостатньо високого вакууму: дифузії, міграції, перебудови поверхні, сорбції залишкових газів. Найчастіше застосовуваний матеріал - вольфрам - добре сорбує гази. Це викликало численні спроби застосування металів, що не так добре сорбують гази, наприклад, ренію або ще більш пасивного вуглецю, який має, проте, великий опір. Пропонувалося покривати метал плівкою вуглецю. Зменшувати сорбцію газу на поверхні можна постійним невеликим нагріванням автоемітера або періодичним сильним імпульсним нагріванням для очищення поверхні. Загалом для стабільної роботи сучасних автокатодів потрібен вакуум, на один-три порядки вищий, ніж той, який потрібен для термокатодів.
Другий після роботи виходу параметр, від якого сильно залежить автоемісія - напруженість електричного поля наемітері, яка, у свою чергу, залежить від середнього поля в приладі (відношення зовнішньої напруги до величини зазору) і геометрії емітера, бо для збільшення поля на емітері застосовуються, як правило, «гострі» форми виступи, нитки, вістря, леза, торці трубок або їх системи - пучки ниток, пакети лез, вуглецеві нанотрубки і т.п. Для відбору щодо великих струмів використовують багатогострійні системи, багатоемітерні системи на краях плівок та фольг тощо. Те, що як емітери використовуються вістря, має наслідком непаралельність траєкторій електронів, причому компонента швидкості, що лежить паралельно площині емітуючого електрода, може бути порівняна з поздовжньою компонентою. Пучок виходить таким, що розширюється, віяловим, а якщо катод багатогострий або багатолезовий, то не ламінарним.
Вторинна електронна емісія (відкрита Л.Остін та Г.Штарке, 1902) ¦ випускання електронів поверхнею твердого тіла при її бомбардуванні електронами. Електрони, що бомбардують тіло (звані первинними), частково відбиваються тілом без втрати енергії (пружно відбиті електрони), інші з втратами енергії (непружне відображення). Якщо енергія та імпульс електронів, що отримали енергію, виявляються достатніми для подолання потенційного бар'єру на поверхні тіла, то електрони залишають поверхню тіла (вторинні електрони). У тонких плівках вторинна електронна емісія спостерігається не тільки з тієї поверхні, яка бомбардується (емісія на відображення), але і з протилежної поверхні (емісія на простріл). Кількісно вторинна електронна емісія характеризується «коефіцієнтом вторинної емісії» (КВЕ) - відношенням струму вторинних електронів до струму первинних, коефіцієнтом пружного та непружного відображення електронів, а також коефіцієнтомемісії вторинних електронів (відносини струмів відповідних електронів до первинного струму). Усі коефіцієнти залежать як від енергії первинних електронів, і від кута їх падіння, хімічного складу і рельєфу поверхні зразка. У металах, де щільність електронів провідності велика, ймовірність того, що вторинні електрони, що утворилися, можуть вийти назовні, мала. У діелектриках із малою концентрацією електронів ймовірність виходу вторинних електронів більша. Можливість виходу електронів залежить від висоти потенційного бар'єру лежить на поверхні.
В результаті у ряду неметалевих речовин (оксиди лужноземельних металів, лужногалоїдні сполуки) КВЕ > 1, у спеціально виготовлених ефективних емітерів (див. нижче) КВЕ >> 1, у металів і напівпровідників зазвичай КВЕ 5 10 6 в/см) призводить до збільшення КВЕ до 50 100 (вторинна емісія, посилена полем). У цій ситуації КВЕ починає залежати від пористості шару наявність пір збільшує ефективну поверхню емітера, а поле витягує з них вторинні електрони, які, ударяючись об стінки пір, можуть викликати, у свою чергу, емісію з КВЕ > 1 та виникнення електронних лавин. Це може призводити до холодної емісії, що самопідтримується, що триває (при підведенні заряду до емітера) і після припинення бомбардування електронами.
Основними областями застосування вторинно-електронних катодів є вторинно-електронні (ВЕУ) та фотоелектронні (ФЕУ) помножувачі, ЕВП М-типу (у яких електрони рухаються у взаємно-перпендикулярних електричному та магнітному полях) та приймально-підсилювальні лампи з вторинною емісією. Для всіх застосувань найбільш суттєвими вторинно-емісійними параметрами є: коефіцієнт вторинної емісії КВЕ в галузі малих енергій первинних електронів, зазвичайхарактеризується енергією, коли він КВЕ = 1, максимальною величиною КВЕ і енергією первинних електронів, коли КВЕ досягає максимуму.
Іон-електронна емісія ¦ випускання електронів під дією іонів. Відомі два механізми іон-електронної емісії: потенційний виривання електронів з тіла полем підлітає іона і кінетичний вибивання електронів з тіла за рахунок кінетичної енергії іона. Коефіцієнт потенційної емісії збільшується зі збільшенням енергії іонізації іона та зменшенням роботи виходу мішені, і для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелій/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) становить, наприклад, 0, 24, 0,24 та 0,1 відповідно, і слабо залежить від енергії іонів. Для Мо (молібденової) мішені і тих самих іонів ці коефіцієнти приблизно на 10% більше.
При бомбардуванні багатозарядними іонами іон-електронна емісія зростає для 2-х, 3-х, 4-х зарядних іонів вона більша, ніж для однозарядних, приблизно в 4, 10, 20 разів відповідно. Потенційна іон-електронна емісія залежить від стану поверхні, оскільки вона визначається роботою виходу. Це спричиняє великий розкид експериментальних даних.
Кінетичної іонно-електронної емісії практично немає при енергіях менше 1 кеВ, потім зростає лінійно, потім повільніше, проходить через максимум і зменшується, до енергій в одиниці МеВ коефіцієнт падає приблизно до одиниці. Іон-електронна емісія відіграє істотну роль у роботі ряду електронних газорозрядних приладів, у яких джерелом електронів є катод, що бомбардується іонами. У деяких випадках процес іонно-електронної емісії створює основну кількість електронів обсягом приладу.
Емісія гарячих електронів це емісія з допомогою «нагріву» електронів, тобто. передачі електронам енергії абовплив електричним полем. Якщо термоелектронна емісія визначається величиною потенційного бар'єру на виході з твердого тіла і енергією електронів, що його долають, і для її отримання тверде тіло нагрівають (найпростіший спосіб нагріти електрони), то можна спробувати нагріти електрони і не вдаючись до нагрівання тіла. Оскільки електрони заряджені частинки, то найбільш простий спосіб їх «нагрівання» вплив на них електричним полем. Створення катода з емісією гарячих електронів - це, перш за все, створення у провіднику або напівпровіднику великого електричного поля. І тому провідник і напівпровідник треба «зіпсувати», зменшивши їх провідність, т.к. інакше через них у цьому великому полі піде великий струм і катод вийде з ладу.
Один із способів «зіпсувати» метал – це розділити його на окремі частинки. Якщо зазори між ними будуть невеликі, близько 10 ммк, електрони будуть тунелювати (долати потенційний бар'єр, знижений і звужений великим полем) з однієї частинки в іншу, і так здійснюватиметься провідність. Але струм проти струмом через монолітний метал сильно зменшиться, тобто. зросте опір. Це дозволяє збільшити поле. Тоді енергія електронів збільшиться настільки, що вони виявляться здатними емітуватись у вакуум. Катоди з емісією гарячих електронів виконуються у вигляді діелектричної підкладки, на яку напилено тонку плівку металу або напівпровідника. При малих товщинах плівки зазвичай виходять «острівцеві», тобто. складаються з окремих дрібних частинок, розділених зазорами. Для полегшення виходу електронів катод часто покривають тонкими (приблизно моноатомними) плівками речовин, що знижують роботу Cs (цезію), BaO. Як речовина основної плівки зазвичай використовують Au (золото), SnO2,BaO. Кращі отримані параметри такі струмовідбір 1 А/см 2 протягом тривалого часу і 10 А/см 2 короткочасно. При цьому ефективність (ставлення струму емісії до струму, що протікає через плівку) може наближатися до 100%.
Добрецов Л.М., Гомоюнова М.В. Емісійна електроніка. М., Наука, 1966 Бронштейн І.М., Фрайман Б.С. Вторинна електронна емісія. М., Наука, 1969 Брусилівський Б.А. Кінетична іонно-електронна емісія. М., Вища школа, 1990