В.ыход электроггов розможен также из полупроводников и диэлектриков. Однако при этом работа затрачивается не только па преодоление тормозяпикх электрических сил, по н на возбуждение электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости.

Полная работа выхода полупроводников

;i.lO)

где еф,- - работа, затрачиваемая на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости; еф„-работа, необходимая для выхода электронов проводимости за поверхность полупроводника.

Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процесс выхода электронов из полупроводника, приведена на рис. 1.7. У некоторых примесных полупроЕодинков работа выхода может быть очень малой (порядка 1 эВ).

Таким образом, если электронам металлов или полупроводников сообщается извне дополнительная энергия, то выход электронов нз тела оказывается возможным - происходит электронная эмиссия.

Рис. 1.7. Энергетическая диаграмма выхода электронов из полупроводника.

1.3. ВИДЫ элЕктрошюй эмиссии

Для получения потока свободных электронов в электронных приборах имеется специальный металлический или полупроводниковый электрод - катод.

Для того чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить им извне некоторую энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают такие виды электронной эмиссии:

термоэлектронную, при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;

фотоэлектронную, прн которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;

вторичную электронную, являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью;

электростатическую, прн которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.

Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных видов электронной эмиссии.

Тер.иоэлгктронная эмиссия. Явление термоэлектронной эмиссии было известно уже в конце XVIII в. Ряд качественных закоио.мерностей этого явления установ1гли Ь. В. Петров (1812), Т. А. Эдисон (1889) и др. К 30-м годам нашего столетия были офсделеиы основные аналитические зависимости термоэлектронной эмиссии.

При нг;грева1П1И мет£(лла распределение электронов по энергиям в зоне про-LOAHMocTH из:.1еиг.ется (рис, 1,4, кривая 2). Появляются электроны с энергией,

превышающей уровень Ферми. Такие электроны могут выйти за прсдс.чы металла, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронн("!" эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода н свойств посерхностн (уравнение Ричардсона - Дэшмаиа);

АТЧ , (1.1!)

где /е - плотность тока эмиссии, Л/см-; А - эм1ктионная постоянная, зависящая от свойств излучающей иоесрхпостн и равная для больитн-ютва чистых металлов - 40 -4- 70 А/(см-- К); Т - абсолютная температура катода; е - основание натуральных логарифмов (е = 2,718); ещ - работа выхода электрона из металла, Дж; =1,38- 10~ Дж/К - постоянная Больцмапа.

Приведенное уравнение термоэлектронной эмисснн справедливо для металлов. Для примесных полупроводнньон существует несколько иная зависимость, однако качественно связь величинь! тока э.ммссни с iCMnepaTypori н работой выхода остается такой же.

>раБнение (1.11) нока31>1вас-т, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от температуры катода. Однако при увеличении температуры резко возрастает скорость испарения материала катода и сокранщется срок его службы. Поэтому катод должен работать в строго определенно.м интервале рабочих температур. Нижний предел температуры определяется возможностью получения требуемой эмиссии, а верхний - испарением или плавлением эмнттнрующего материала.

Существенное влияние на е.имину тока эмиссия оказывает внешнее ускоряющее электрическое поле, действующее и поверхност.и катода. Это явление получило название эффекта Шоттки. На электрон, выходящий иЗ катода, при наличии внешнего электр1н1еского поля деиствуот две силы - сила электрического притяжения, воз-нран1а1Рщая электрон, и сила внешнего поля, ycKopsnouian электрон в направлении от поверхности катода, TaKHjM образо.м, внешнее ускоряющее поле снижает потенциальный барьер, вследствие >:сго спил<ается работа выхода электронов пз катода и увеличивается электронная эмиссия.

Фотоэлектронная эмиссия. Впервые явление фотоэлектронной эмиссии (или внешнего фотоэффекта) наблюдалось Г, Герце.м в 18S7 г. Экспериментальные исследования, позволившие установить количественные соотношения для фотоэлектронной эмиссии, были проведены А. Г. Столетовым в 18ЙЙ г. Основные закономерности фотоэффекта были объяснены А. Эйнштейном [la основе фютонной теории света. В соотястствии с этой теорией лучистая энергия может испускаться и поглощаться не в виде непрерывного потока, а только определенными порциями (квантами), причем каждый квант обладает количеством энергии hv. где h - постоянная Планка, а V - частота излучения. Таким образом, электромагнитное излучение (видимый и невидимый свет, рентгеновское излучение и т. п.) представляет собой поток отдельных квантов энергии, получивших название фотонов. При падении на поверхность фотокатода энергия фотонов расходуется на сообщение электронам дополнительной энергии. За счет этой энергии электрон с массой т.- совершает работу выхода Wa и приобретает начальную скорость Kq, что математически выражается ур-шкеписм Эйнштейна

"с id

Электрон может выйти за пределы катода, если работа выхода меньше энергии кванта, так как лишь ври этих условиях начальная скорость Уц, а следовательно, I! кинетическая энергия электрона

-Y = hv - ir, > 0. Отметим основные особенности явления фотоэффекта:

1. При облучении поверхности фотокатода лучистым потоком постоянного спектрального состава ток фотоэлектронной эмиссии пропорционален интенсивности потока (закон Столетова")

/фКФ, (1.13)

где /ф - пеличимя фототоил; Ф - пеличпиа лучистого потока; К - ко5ф1т(иет1т пропорцноилльпости, xapaKi"cp))3yio)unii чувсп.птс.чьпость поверхности ()"отокатола к излучешло.

2. Chvpocmi, электронов, ист/скасмых фотокатодом, тем больше, чем больше частота v поглощаемого излучения; начальная кинетическая энергия фото.члектроисв возрастает линейно с возрастанием частоты у.

3- Фотоэффект наблюдается только при облучении лучистым потоком с частотой V > V,, где vp- критическая частота, называемая «красной границей» фото-

эффекта. Критическая длина □ол!шг к - ---, где с - ско]юсть распростр;1нення

электромагнитн1,1х волн. При X > Лр фотозлектроиная эмиссия отсутствует.

4. Фотоэффект практически безынерционен, т. е. нет запаздывания между началом облучения и появлением фотоэлектронов (5рсмя запаздывания не превышает 3 10~ с).

Как и в случае термоэлектронуюй эмиссии, звеличение напряженности внешнего электрического поля у фото11атода также увеличивает фотоэлектронную эмиссию за счет снижения потенциального барьера катода. При этом порог фотоэ([к})СКта смещается с сторону более длинных воли.

Чем меньше работа выхода металла, из которого изготовлен фотокатод, тем меньше величина пороговой частоты для данного фотонатод!. Например, для того чтобы фогокатод был чувствителен к видимому свету, м&териал его должен иметь работу выхода меньше 3,1 эВ, Такая работа выхода характерна дли щелочных и и щелочноземельных металлов (цезий, калий, натриГ)> Дя увеличения ч.} ветви тел ь-иости фогокатода к другим диапазонам лучистых потоков используют более сложн1>!е типы полунрОБОдпиковых фотокатодов (щелочио-водородиые, кислородпо-цезиевые, сурьмяно-цсзиевые и др-)-

Вторичная электронная эмиссия. Механизм вто11ичной электронной эмиссии отличается от механизма термоэлектронной и фото"глег;трО!И[ОЙ эмиссии. Пели и])и термоэлектронEioii и фото.электронной эмиссии эмиттпрую гея элегароны, расположенные главным образом иа уровнях зоны проводи>и)сти, то при бомбардировке новерхностп 1Сатода первичными электронами или ионами пх энергия может 1Ш]-лощать-ся и электронами заполненных зон. Поэтому вторичная эмиссия возможна как с проводников, так и с полупроводников и диэлектриков.

Наиболее важным параметром, характеризующим вторичную электронную эмиссию, является коэффициент вторичной эмиссии а. Он представляет собой отн01иение числа вылетающих с поверхности катода вторичных электронов 1I2 к числу падающих на катод первичных электр01Г0В n-i или же отношение тока вторичной электронной эмиссии /., к току первичных электронов Z:

11 Л

(ПИ)

Вторичная электронная эмиссия применяется в некоторых электронных приборах - фотоумножителях, передающих телевизионных трубках, отдельных типах электронных ламп. Однако во многих случаях, в частности в большинстве электронных .iiaMii, она нежелательна и ее стремятся у.меньшить.

Злечтрстатическзя эмиссия. Ес1и внешнее электрическое поле у поверхности катода иreeт напряженности, достаточную для иолно11 коу пенса ни ii тормозящего де1к-тБИи потенциального барьера, то даже при низ);их температурах Jiaтoдa мож1Ю получить значительную электроппую эмиссию. Полечит а по, что для компенсации потенциального барьера напряженность у поверхности катода должна быть порядка Ю** В/см, Однако уже при напряленности поля по1ядка 10* В/см наблюдается значительная электронная эмиссия с холодных поверх1юстсй.

Техническое получение зиачС1П1Й напряженности поля, достаточных для возникновения электростатической эмиссии, представляет значительные трудности- Поэтому электростатическая эмиссия в основном применяется в ноиных приборах с жидким ртутным катодом. В этом случае достаточную 11йП1я>иепность поля ыо/кно получить за счет создити вблизи поверхности катода слоя ионизироватпих паров ртути.