Физический механизм автоэлектронной эмиссии. Автоэмиссионные катоды

Открытый  факультет 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по курсу  «Физика твердого тела» 

ФИЗИЧЕСКИЙ  МЕХАНИЗМ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.

АВТОЭМИССИОННЫЕ КАТОДЫ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 

ВВЕДЕНИЕ

    Под электронной эмиссией понимается испускание электронов из твердого тела или какой-либо другой среды. Наибольший интерес представляет эмиссия электронов в вакуум. Тело, из которого испускаются электроны, называется катодом. Электроны не могут  самопроизвольно покинуть поверхность  катода, так как для этого надо совершить работу против внутренних сил, удерживающих их на границе раздела  катод-вакуум. Таким образом, для  того чтобы высвободить электроны  из катода, необходимо затратить энергию. По способу, которым эта энергия  передается катоду, эмиссионные процессы называются:

    - термоэмиссией, когда энергия  передается электронам при нагревании  катода за счет тепловых колебаний  решетки; 

    - вторичной электронной эмиссией, когда эта энергия передается  другими частицами (электронами  или ионами, бомбардирующими катод);

    - фотоэлектронной эмиссией, при которой  электроны выбиваются квантами  света;

    - автоэлектронная эмиссия (полевая  эмиссия, электростатическая эмиссия,  туннельная эмиссия) – испускание  электронов проводящими твердыми  и жидкими телами под действием  внешнего электрического поля  высокой напряженности. Автоэлектронная  эмиссия объясняется туннельным  эффектом и происходит без  затрат энергии на возбуждение  электронов, необходимых для электронной  эмиссии иных видов. При автоэлектронной  эмиссии электроны преодолевают  потенциальный барьер, не проходя  над ним за счет кинетической  энергии теплового движения (как  при термоэлектронной эмиссии), а  путем туннельного просачивания  сквозь барьер, сниженный и суженный  электрическим полем.

    Открытие  явления автоэлектронной эмиссии  в 1897 году связано с именем Роберта  Вуда. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном  электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление. 
 
 
 
 

МЕХАНИЗМ  АВТОЭЛЕКТРОННОЙ  ЭМИССИИ

    Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов в вакуум с поверхности  твердого тела или другой среды под  действием очень сильного электрического поля напряженностью F = 10⁷-10⁸ В/см. Для того чтобы создать такие сильные электрические поля, к обычным макроскопическим электродам необходимо было бы прикладывать напряжения в десятки миллионов вольт. Практически автоэлектронную эмиссию можно возбудить при гораздо меньших напряжениях, если придать катоду форму тонкого острия с радиусом вершины в десятые или сотые доли микрона. Сейчас реализованы условия, когда при микроскопических расстояниях катод-анод, равных единицам или долям микрона, и очень малых радиусах кривизны катода r=20-50Å (1Å=10^-8 см) автоэмиссию удается получать при напряжениях всего в сотни и даже десятки вольт.

    Потенциальный барьер

     Работа против сил, удерживающих электрон внутри катода, обычно представляется в виде энергетической диаграммы (рис. 1).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1. Потенциальный барьер на границе  металл-вакуум: 1 – потенциал сил  зеркального изображения, 2 – потенциальный  барьер в сильном электрическом  поле, Уровень Ферми – энергия, соответствующая максимальной энергии  электрона в металле при температуре  абсолютного нуля, Дно зоны –  дно зоны проводимости. 

    Совершение  работы против удерживающих сил равнозначно  тому, что электрону требуется  преодолеть потенциальный барьер U, созданный этими силами. Основными  силами, удерживающими электрон на поверхности катода, являются так  называемые силы зеркального изображения, связанные с тем, что электрон, покидающий катод, поляризует электронный  газ внутри твердого тела таким образом, как будто он создает внутри положительный  заряд, равный по абсолютной величине заряду эмитированного электрона. Взаимодействие между этими зарядами осуществляется по закону Кулона, и потенциал этих сил:  

    где e - заряд электрона, x - расстояние, характеризующее  удаление эмитированного электрона  от поверхности катода. Знак минус  связан с тем, что за нуль энергии  принята энергия свободного электрона, находящегося на бесконечном расстоянии от поверхности.

     Туннельный  эффект

     Работа, которую необходимо затратить для  преодоления потенциального барьера  на границе катод-вакуум, носит название работы выхода A = ej, где j - потенциал работы выхода. Для того чтобы электрон мог покинуть поверхность катода, согласно представлениям классической физики его энергия обязательно должна быть больше, чем высота потенциального барьера.

    Однако  есть физические ситуации, в которых  электрон может освободиться не перепрыгивая через барьер, а проходя сквозь него. Это возможно в том случае, когда барьер на границе очень  тонкий. Такой очень тонкий барьер может быть создан сильным электрическим  полем. Процесс просачивания электрона  сквозь потенциальный барьер называется туннельным эффектом. Именно в результате этого туннельного эффекта и  осуществляется автоэлектронная эмиссия.

       Суммарный потенциал в этом случае имеет  вид: 

    При этом форма потенциального барьера  изменяется так, как это показано на рис. 1. Чем сильнее поле, тем  уже потенциальный барьер.

     Для описания туннельного эффекта обычно вводят характеристику, которая называется прозрачностью потенциального барьера. Прозрачность барьера D определяет вероятность  того, что электрон, упав изнутри  металла на барьер, пройдет сквозь него в вакуум. Квантово-механические расчеты показывают, что выражение  для прозрачности произвольного  барьера может быть записано в  виде: 

где h=6,62*10^-34Дж*с - постоянная Планка, m - масса туннелирующей частицы, U - потенциальная энергия, Е - энергия электрона, падающего на барьер.

    Из  этого выражения следует, что  вероятность прохождения частицы  сквозь потенциальный барьер очень  сильно зависит от ширины барьера  и его превышения над уровнем  энергии туннелирующего электрона E, то есть от U-E или в конечном счете  от высоты барьера, определяемой работой  выхода. Ширина же барьера, как можно  видеть из рис. 1, зависит от напряженности  электрического поля.

    Если  мы знаем, сколько электронов падает изнутри металла на потенциальный  барьер, а это может быть рассчитано из теории твердого тела, и знаем  прозрачность, то можно рассчитать полный эмиссионный ток j электронов, выходящих в вакуум, и получить формулу для автоэлектронной  эмиссии. Такие квантово-механические расчеты впервые были выполнены  Р. Фаулером и Л.В. Нордгеймом. 

где y=3,79*10^-4()/j, Функции J(y) и t(y) табулированы, Функция t(y), стоящая в предэкспоненциальном множителе, близка к единице и слабо изменяется с изменением аргумента, Функция J(y) называется функцией Нордгейма и учитывает понижение потенциального барьера.

    Теория  Фаулера-Нордгейма прекрасно объяснила  экспериментальные факты. Она полностью  подтвердила экспоненциальную зависимость  эмиссионного тока от поля. Из нее также  следует возможность получения  гигантских плотностей тока, в миллионы раз превышающих плотности тока, которые могли бы быть получены любым  другим традиционным способом - в результате термо-, фото- и других видов эмиссии. Вследствие экспоненциальной зависимости  следует, что разброс эмитированных  электронов по энергиям оказывался в  несколько раз более узким, чем  в случае термоэмиссии. Из теории вытекает, что автоэмиссия должна наблюдаться  также при низких температурах вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Все эти свойства автоэмиссии были подтверждены экспериментально. Процесс автоэмиссии оказался практически безынерционным.

    Автоэлектронная эмиссия - квантово-механическое явление. Ее эмиссионная способность в  миллионы раз больше, чем у всех других известных видов эмиссии. Сейчас это явление переживает второе рождение в связи с его применениями в микроскопии, электронной голографии атомного разрешения, наноэлектронике. Уникальные свойства автоэмиссии вызвают  интерес у инженеров и технологов, так как открывают совершенно новые перспективы приложений в  области приборостроения, диагностики  и технологии. 

АВТОЭМИССИОННЫЕ КАТОДЫ

    Автоэмиссионные катоды называются источники электронов, принцип работы которого основан  на явлении автоэлектронной эмиссии, то есть на туннелировании электронов через потенциальный барьер на границе  раздела твердое тело – вакуум под действием приложенного электрического поля. Вероятность такого туннелирования определяется высотой потенциального барьера (работой выхода электрона) и величиной приложенного электрического поля. Работа выхода определяется фундаментальными свойствами материала и для большинства металлов составляет 4 – 5 эВ, при этом для получения необходимых для практических применений токов эмиссии требуется напряженности электрического поля порядка 10⁷В см^-1.

    Для получении столь больших напряженностей используют эффекты усиления электрического поля на микроостриях. Поэтому традиционным направлением в разработке автоэмиссионных  катодов является создание поля идентичных микроострий на поверхности металлического или кремниевого катодов. Использование традиционных металлов или кремния приводит к быстрому снижению их эмиссионных свойств в результате распыления и химической деградации даже в условиях высокого вакуума.

    Кремний - очень удобный материал для изготовления автоэмиссионных катодов. Его работа выхода 4,2 эВ сравнима с работой выхода электронов из металлов, его механические, электрические и химические свойства хорошо изучены, технология работы с кремнием тщательно отработана при разработке сверхбольших интегральных схем, устройства на кремниевых полевых эмиттерах могут быть легко интегрированы в микросхемы. Кроме того, разработаны методы изготовления острий из кремния с радиусом кривизны атомных размеров, что позволяет существенно понизить рабочее напряжение. Самое замечательное свойство кремниевых катодов в том, что форма образующегося острия, его радиус скругления и высота практически идентичны для всех элементов решетки. Однако автоэмиссионные катоды из кремния имеют более низкую плотность тока, чем металлические катоды. Ситуацию можно исправить покрывая кремниевые эмиттеры тонким слоем металла, в качестве которого можно использовать вольфрам, титан, тантал, платину, палладий и золото.

    Альтернативным  подходом к созданию автоэмиссионных  катодов является поиск материалов, характеризующихся появлением эмиссионных  токов уже в сравнительно низких электрических полях порядка 10⁵ В см^-1 (10 Вмкм^-1).из известных материалов, которые, с одной стороны, обладают этим свойством, а с другой могут иметь реальное практическое применение, в последнее время наиболее интенсивно изучаются пленки на основе углерода, например для использования в плоских дисплеях или для создания источников электронов в мощных СВЧ-приборах, нет необходимости, чтобы катод имел регулярную структуру в виде периодических острий.

    Еще одной областью использования автоэмиссионных  катодов является создание микросенсоров, которые могут работать как датчики давления, акселерометры, измерители перемещений, элементы микрофонов. Автокатоды стали использовать в различных элементах вакуумной микроэлектроники: транзисторах, преобразователях частоты, усилителях, различного рода прецизионных датчиках давления, регулировки управления микрозазорами и др