Физическая энциклопедия

АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ


(туннельная эмиссия, полевая эмиссия), испускание эл-нов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внеш. электрич. поля высокой напряжённости E(=107 В/см) у их поверхности. Механизм А. э.— туннельное прохождение эл-нов сквозь потенц. барьер на границе проводник — непроводящая среда (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). Наиболее полно изучена А. э. металлов в вакуум. Плотность тока А. э. в этом случае определяется приближённой ф-лой:
работа выхода эмиттера (j — потенциал работы выхода, е — заряд эл-на). Характерные св-ва А. э.: высокие j (до 1010 А/см2) и экспоненциальная зависимость j от Е и Ф. При j>106 А/см2 могут наблюдаться отклонения зависимости lgj=f(1/E) от линейной, что связывают с влиянием объёмного заряда или же с особенностями формы потенц. барьера. При j=108—1010 А/см2 А. э. может перейти в вакуумный пробой с разрушением эмиттера. Этот переход сопровождается интенсивной, т. н. взрывной электронной эмиссией. А. э. слабо зависит от темп-ры Т, малые отклонения от зависимости (*) с ростом Т пропорц. T2, С дальнейшим ростом Т и понижением Е т. н. термоавтоэлектронная эмиссия переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем за счёт Шоттки эффекта.
Энергетпч. спектр эл-нов, вылетающих из металла в случае А. э., весьма узок (полуширина =0,1 эВ). Форма спектра чувствительна к распределению эл-нов по энергиям внутри эмиттера, а также к наличию примесей на его поверхности. Для А. э. полупроводников характерны внутр. ограничения j, связанные с меньшей концентрацией эл-нов, дополнит. влияние поля на j из-за проникновения поля в ПП, а также термо- и фоточувствительность ПП, влияющая на j.
Автоэмиттеры (холодные катоды) имеют большую кривизну поверхности (острия, лезвия, выступы и т. п.). Анод, совмещённый с люминесцирующим экраном, превращает одноострийный автоэмиссионный диод в эмиссионный безлинзовый электронный микроскоп (проектор).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

(полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внеш. электрич. поляЕдостаточно высокой напряжённости (Е~ 10 В/см). А. э. обнаружена в 1897 Р. У. Вудом. В 1929 Р. Э. Милликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности токаjА. э. от1/Eвида (АиВ -константы). В 1928-29 Р. Фаулер и Л Нордхейм дали теоретич. объяснение А. э. на основетуннельного эффекта.Термин "А. э." отражает отсутствие энергетич. затрат на возбуждение электронов, свойственных др. видам электронной эмиссии (в зарубежной лит-ре чаще употребляется термин "полевая эмиссия").

При А. э. электроны преодолевают потенц. барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счёт ки-нетич. энергии теплового движения, как притермоэлектронной эмиссии,а путём туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрич. полем. Электронная волна (см.Волны де Бройля),встречая на пути потенц. барьер, частично отражается и частично проходит сквозь него (рис. 1). По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенц. барьера над уровнем Ферми . Од-новрем. уменьшается ширина барьера.

Рис. 1. Потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла - в отсутствие электрического поля. - обусловленная слабым внешним электрическим полем; - более сильным полем; - энергия, соответствующая отсутствию сил изображения в случае сильного поля; - энергия Ферми;х1-х2-ширина потенциального барьера при наличии внешнего поля, -работа выхода.

В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т. н. прозрачность барьераD(отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соотв. плотность тока А. э.

Теоретич. расчёт плотности токаjА. э. приводит к ф-ле

,

гдее -заряд электрона; - концентрация электронов проводимости в проводнике с энергией , связанной с компонентой импульса, нормальной к поверхности;Е -напряжённость электрич. поля у поверхности эмиттера. Из (1) следует зависимостьjот концентрации электронов в проводнике и их энергетич. распределения , а также от высоты и формы барьера, к-рые определяют его прозрачностьD.

А. э. из металлов в вакуумизучена наиб. полно. В этом случаеjследует т. н. закону Фаулера - Норд-хейма:

(2),

где .

Здесьт -масса электрона, -потенциалработы выходаметалла,tи-табулированные ф-ции аргумента , , . Подставив значения констант я положивt2(у) = 1,1, а , получим из (2) приближенную ф-лу

(3)

(j,Еи.в А/см2, В/см и эВ, см. табл.). Ф-ла (2) получена в след. предположениях: свободные электроны в металле подчиняются статистике Ферми - Дирака; вне металла на электрон действуют только силы зеркального изображения.

Значениядля некоторыхЕи, рассчитанные по формуле (2)

= 2,0

= 4,5

= 6,3







1,0

2,98

2,0

-3,33

2,0

- 12,90

1,2

4,45

3,0

1,57

4,0

-0,88

1,4

5, 49

4,0

4,06

6,0

3,25

1,6

6,27

5,0

5,59

8,0

5,34

1,8

6,89

6,0

6,62

10,0

6,66

2,0

7,40

7,0

7,36

12,0

7,52

2,2

7,82

8,0

7,94

14,0

8,16

2,4

8, 16

9,0

8,39

16,0

8,65

2,6

8,45

10 ,0

8,76

18,0

9,04



12,0

9,32

20,0

9,36

Прозрачность барьераD (, Е)рассчитывалась вквазиклассическом приближении.

Несмотря на упрощения, ф-ла Фаулера - Нордхейма хорошо согласуетсясэкспериментом. Характерными свойствами А. э. из металлов являются высокие предельные плотности токаj(вплоть до 1010А/см2) и экспоненц. зависимостьjот иЕ.Приj=106- 10' А/см2наблюдается нек-рое уменьшениеjпо сравнению с (2). Это связано с влиянием объёмного заряда или с деталями формы потенц. барьера. Рост токаjс повышением напряженияVзаканчивается приj= 108-1010А/см2вакуумным пробоем и гибелью эмиттера. Этому предшествует более интенсивная, но кратковременнаявзрывная электронная эмиссия.

А. э. слабо зависит от темп-рыТ.Малые отклоненияjот (2) с ростомТпрямо пропорц.Т2:

(4)

Ф-ла (4) верна с точностью ~ 1% для приращений тока ~ 18%. Для отношения справедлива т. н. ф-ла Мёрфи и Гуда

(5).

Для больших измененийj(Т)существуют более громоздкие ф-лы и графики, полученные численными расчётами.

Рис. 2. Энергетический спектр автоэлектронов при разных температурах Т и внешних поляхЕдля Ф = 4,5 эВ; - уровень покоящегося электрона в вакууме.

При повышенииТи сниженииЕА. э. (термоавтоэлектронная эмиссия) переходит втермоэлектронную эмиссию,усиленную полем (Шоттки аффект).Энергетич. спектр автоэлектронов из металла узок (рис. 2). Полуширина а распределения по полным нергиям при Т=0К определяется ф-лой

(6)

При =4,4 эВ и lgjот 0 до 7 варьируется от 0,08 до 0,2 эВ. Величина с повышениемТвозрастает, в частности при 300 К (в том же диапазонеj) изменяется от 0,17 до 0,3 эВ. Форма спектра отклоняется от теоретической (в модели свободных электронов) при сложной конфигурацииферми-поверхностиили при наличии адсорбир. молекул и атомов на поверхности, особенно если они неметаллич. происхождения (напр., нек-рых органич. молекул, к-рые играют роль волноводов для электронных волн).

Отбор тока при низких темп-pax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в ср. меньшую, чем энергия Ферми , тогда как вновь поступающие в металл через контакт электроны имеют энергию (Ноттингема эффект). С возрастаниемТнагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через т. н. темп-ру инверсии, соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. При большихТ,когда эмиттер разогревается за счёт джоулевых потерь, инверсия эффекта Ноттингема в нек-рых пределах препятствует лавинному саморазогреву и стабилизирует А. э.

А. э. из полупроводников. Особенности А. э. из полупроводников связаны с неск. факторами: 1) элект-рич. поле глубоко проникает в полупроводник, что приводит к смещению энергетич. зон, к изменению вблизи поверхности концентрации носителей заряда и их энергетич. спектра; 2) концентрация электронов во много раз меньше, чем в металле, что ограничивает величинуj, и она сильно зависит от внеш. воздействий (темп-pa, освещение и др.); 3) поверхностные состояния носителей заряда могут сказываться на характеристиках А. э.; 4) вольт-амперные характеристики и энергетич. спектры автоэлектронов отражают зонную структуру полупроводников; 5) протекающий через полупроводник ток может приводить к перераспределению потенциала на нём, а также влиять на энергетич. спектр электронов. Все эти особенности привлекаются для объяснения наблюдаемых вольт-амперных характеристик и энергетич. спектров автоэлектронов из полупроводников.

Автоэлектронные эмиттеры (катоды) делают в виде поверхностей с большой кривизной: острия, лезвия, шероховатые края фольг и плёнок, торцы нитей и т. п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях плёнок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжениеV,обеспечивающее величину электрич. поляБ,достаточную для возникновения А. э., может составлять от сотен В до неск. десятков кВ.

Стабильность А. э. связана с постоянством распределения вдоль катода и т. Оба эти фактора могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов или молекул как примесей, так и материала эмиттера. Напр., локальные значения возрастают в результате миграции поверхностных атомов под действием сильного электрич. поля (перестройка в поле) или в результате "изъязвления" поверхности при ионной бомбардировке. Повышение стабильности А. э. достигается улучшением вакуума, очисткой эмиттера, использованием импульсного напряжения (для ослабления миграции атомов в электрич. поле и саморазогрева эмиттера), умеренным подогревом эмиттера (для защиты от адсорбции и для "заглаживания" дефектов в местах удара ионов), применением слабо адсорбирующих материалов (нек-рые карбиды, бориды, нитриды металлов, углерод). Исследование А. э. из монокристаллов тугоплавких металлов, а также хим. соединений с металлич. проводимостью ( и др.) в сверхвысоком вакууме (поверхность эмиттера остаётся чистой в течение часов или суток) позволило уточнить параметры А. э. для этих веществ.

Применение. Металлич. автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность токаj, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрир. электронные пучки. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются отсутствие энергетич. затрат на подогрев и безынерци-онность. Металлич. автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной характеристики используется в устройствах СВЧ (преобразователи частоты, усилители, детекторы сигналов). Автоэмиссионный эмиттер в качестве интенсивного точечного источника электронов применяется в растровых микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и обычнойэлектронной микроскопии,в рентгеновской дефектоскопии, в рентгеновских микроанализаторах иэлектронно-лучевых приборах.Автоэмиссионные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронных устройствах и в чувствит. индикаторах изменения напряжения.

Автоэлектронный катод в сочетании с анодом, совмещённым с люминесцирующим экраном, превращает такой автоэмиссионный диод в эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать картину углового распределения тока А. э. с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности (см.Электронный проектор).

Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры перспективны как чувствит. приёмники ИК-излучения. Многоострийные системы эмиттеров служат основой для мозаичных систем в преобразователях ИК-изоб-ражений.

В высоковольтных вакуумных устройствах А. э. может играть и "вредную роль", способствуя утечкам тока, развитию вакуумного пробоя. Для подавления А. э. в этих случаях снижают поле у поверхности электродов (уменьшая их кривизну), подбирают расположение электродов и распределение потенциалов, а также повышают работу выхода из поверхности (подбором материала или покрытия).

Лит.: Елинсон М. И., Васильев Г. Ф., Автоэлектронная эмиссия, М., 1958: Фишер Р., Нойман X., Автоэлектронная эмиссия полупроводников, пер. с нем., М., 1971; Ненакаливаемые катоды, М., 1974; Wood R. W., A new form of cathode discharge and the production ox X-rays, together with some notes of diffraction, "Phys. Rev.", 1897, v. 5, № 1, p. 1. Mi11ikan Л. A., Lauritsen С. С., Temperature dependence of field currents, там же, 1929, v. 33, Mi 4, p. 598: Fowler R. H., Nоrdheim L., Electron emission in intense electric fields, "Proc. Roy. Soc.", 1928, ser. A, v. 119, № 781, p. 173; Gооd R. H., Mu11er E. W., Field emission. in: Handbuch der Physik, Bd 21, В.- Guttingen - Heidelberg, 1956.В. Н. Шредник.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.


  1. автоэлектронная эмиссия—выход электронов из металла См. Металлы или полупроводника См. Полупроводники под действием сильного электрического поля. Более точное название отражающее природу явления...Большая Советская энциклопедия II
  2. автоэлектронная эмиссия—туннельная эмиссия полевая эмиссия испускание электронов проводящим тврдым или жидким телом под действием сильного электрич. поля крое создатся у поверхности тела играющ...Большой энциклопедический политехнический словарь
  3. автоэлектронная эмиссия—туннельная эмиссия полевая эмиссия испусканиеэлектронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием сильногоэлектрического поля обусловлена туннельным эффектом....Большой энциклопедический словарь II
  4. автоэлектронная эмиссия—АВТОЭЛЕКТРОННАЯ эмиссия туннельная эмиссия полевая эмиссия испускание электронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием сильного электрического поля обусловл...Большой Энциклопедический словарь V
  5. автоэлектронная эмиссия—туннельная эмиссия полевая эмиссия испускание электронов поверхностью тв. тел и жидкостей под действием сильного электрич. поля обусловлена туннельным эффектом.i Автоэлек...Естествознание. Энциклопедический словарь
  6. автоэлектронная эмиссия—АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ туннельная эмиссия полевая эмиссия испускание электронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием сильного электрического поля обусловле...Новый большой англо-русский словарь II
  7. автоэлектронная эмиссия—автоэлектронды эмиссия...Орысша-қазақша «Электроника, радиотехника және байланыс» терминологиялық сөздік
  8. автоэлектронная эмиссия—автоэлектронды эмиссия...Орысша-қазақша «Энергетика» терминологиялық сөздік
  9. автоэлектронная эмиссия—эл.р. ф.аст. автоэлектронды эмиссияэн. автоэлектронды эмиссия...Орысша-қазақша салааралық терминологиялық сөздік
  10. автоэлектронная эмиссия—mission par champ lectrique mission froide...Политехнический русско-французский словарь
  11. автоэлектронная эмиссия—autoelectronic emission cold emission field emission autoelectronic emission...Русско-английский политехнический словарь
  12. автоэлектронная эмиссия—field emission...Русско-английский словарь по машиностроению
  13. автоэлектронная эмиссия—field emission field electron emission field cold emission...Русско-английский словарь по физике
  14. автоэлектронная эмиссия—autoemission autoelectronic emission cold emission field emission tunnel emission...Русско-английский словарь по электронике
  15. автоэлектронная эмиссия—emissione autoelettronica elettrostatica di campo autoemissione f...Русско-итальянский политехнический словарь
  16. автоэлектронная эмиссия—Autoelektronenemission Autoemission Feldemission...Русско-немецкий политехнический словарь
  17. автоэлектронная эмиссия—Feldemission Kaltemission...Русско-немецкий словарь по химии и химической технологии
  18. автоэлектронная эмиссия—Feldemission Kaltemission...Русско-немецкий химический словарь
  19. автоэлектронная эмиссия—автоелектронна емся...Русско-украинский политехнический словарь
  20. автоэлектронная эмиссия—autoemise...Русско-чешский словарь
  21. автоэлектронная эмиссия—автоэлектронная эмиссия см.em авто. электронный эмиссия фаз. выход электронов из металла или полупроводника под действием сильного внешнего электрического поля. Новый ...Словарь иностранных слов русского языка
  22. автоэлектронная эмиссия—АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ туннельная эмиссия полевая эмиссия испускание электронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием сильного электрического поля обусловле...Современный энциклопедический словарь