Электронная эмиссия

Формула работа выхода электронов

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электронаиз металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

W_p = -eφ,где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

A_вых = eφ

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми E_F . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.

A_вых = eφ' - E_F

где φ' – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла..

Электронная эмиссия

Различаются следующие виды эмиссии: фотоэмиссия, вторичная эмиссия электронов, термоэмиссия, автоэлектронная эмиссия, эмиссия ионов в газах.

Фотоэмиссия заключается в том, что из находящихся в вакууме металлов и полупроводников при облучении их светом испускаются электроны. Скорость вылетевших электронов определяется выражением:

,

где v - максимальная скорость электронов; m - масса электрона; e - заряд электрона; h - постоянная Планка; eU - работа выхода; n - частота; U - потенциал.

Из этого выражения следует, что длинноволновая граница фотоэффекта определяется как n = eU / h при v = 0.

Термоэмиссия имеет место наряду с фотоэмиссией и объясняется отрывом электронов при тепловом воздействии на вещество. Эмпирическое выражение для плотности тока термоэмиссии имеет вид:

,

где b - коэффициент, зависящий от работы выхода при T = 0 K; A - коэффициент, характеризующий данный полупроводник. Для фотокатодов I_т = 10^-12 - 10^-17А/см².

Вторичная электронная эмиссия проявляется в результате ионизации атомов кристаллической решетки энергией внешних электронов. Облучаемый электронами материал характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии, иногда s > 1.

Автоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов за счет действия внешнего электрического поля, вырывающего электрон. Величина плотности тока такой эмиссии определяется выражением:

.

При напряженности E = 10³ - 10⁴ В/мм роль этого тока незначительна, если при механическом выполнении электродов устранены малые радиусы, заусенцы, острые края.

Для формирования электронных пучков используется фотоэмиссия и вторично-электронная эмиссия. Прочие виды эмиссии оказывают вредное действие на работу ОЭП, и их приходится избегать.

Эмитируемые поверхностью вещества электроны, полученные тем или иным путем, разлетаются по разным направлениям. Для получения четкого электронного изображения на каком-либо экране разлетающиеся электроны необходимо фокусировать. Трудность фокусировки электронного изображения обусловлена следующими факторами:

• Необходимостью отображения больших поверхностей;
• Различием начальных скоростей электронов;
• Разбросом направлений вылета электронов.

41. КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ - разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях тер-модинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей - отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень эл--хим. потенциала (ферми-уровенъ)станет одинаковым. Установившаяся К. р. п. равна разности работ выходапроводников, отнесённой к заряду электрона.

Если составить электрич. цепь из неск. разл. проводников, то К. р. п. между крайними проводниками определяется только их работами выхода и не зависит от промежуточных членов цепи (правило Вольта) К. р. п. может достигать неск. В. Она зависит от строения проводника (его объёмных электронных свойств) и от состояния его поверхности. Поэтому К. р. п можно изменять обработкой поверхностей (покрытия ми, адсорбцией и т. п.), введением примесей (для полупроводников) и сплавлением с др. веществами (в случае металлов).

Электрич. поле К. р. п., создаваемое приконтактным объёмным зарядом, сосредоточено вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Протяжённость приконтактной области тем меньше, чем больше концентрации электронов проводимости в проводниках: в металлах см, в полупроводниках до см. При контакте полупроводника с металлом практически вся область приконтактного поля локализована в полупроводнике.

Электрич. поле К. р. п. изменяет концентрации свободных носителей заряда (электронов, дырок) в при-контактном слое. Когда концентрация осн. носителей заряда в полупроводниках понижается, приконтактный слой представляет собой область повыш. сопротивления (запирающий слой). Т. к. концентрация носителей и, следовательно, сопротивление контакта изменяются несимметрично в зависимости от знака приложенного напряжения, то контакт двух полупроводников обладает вентильным (выпрямляющим) свойством. С К. р. п. связаны также вентильная фотоэдс, термоэлектричество и ряд др. электронных явлений. На существовании

К. р. п. основана работа важнейших элементов полупроводниковой электроники: р - n-переходов и контактов металл-полупроводник. Учёт К. р. п. важен при конструировании электровакуумных приборов. В электронных лампах К. р. п. влияет на вид вольт-амперных характеристик. При прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую в термоэмиссионном преобразователе создаётся напряжение как раз порядка К. р. п.