Termioniskās emisijas fenomena apraksts. Elektronu emisija no vadītājiem. Termioniskās strāvas atkarība no temperatūras. Ričardsona-Dešmana formula

Mūsdienās galvenā uzmanība tiek pievērsta termiskajai emisijai. Tiek aplūkoti efekta nosaukuma varianti, tā izpausme vidē un vakuumā. Tiek pētīti temperatūras ierobežojumi. Tiek noteiktas termioniskās emisijas piesātinājuma strāvas blīvuma atkarīgās sastāvdaļas.

Termiskās emisijas efekta nosaukumi

Terminam "termiskā emisija" ir citi nosaukumi. Pamatojoties uz to zinātnieku vārdiem, kuri atklāja un pirmo reizi pētīja šo fenomenu, tas ir definēts kā Ričardsona vai Edisona efekts. Tādējādi, ja cilvēks sastopas ar šīm divām frāzēm grāmatas tekstā, viņam jāatceras, ka tiek domāts viens un tas pats fiziskais termins. Apjukumu izraisīja nesaskaņas starp pašmāju un ārvalstu autoru publikācijām. Padomju fiziķi centās sniegt likumiem skaidrojošas definīcijas.

Termins "termiskā emisija" ietver fenomena būtību. Cilvēks, kurš lapā ierauga šo frāzi, uzreiz saprot, ka runa ir par elektronu temperatūras emisiju, taču paliek aizkulisēs, ka metālos tas noteikti notiek. Bet tāpēc pastāv definīcijas, lai atklātu detaļas. Ārzemju zinātne ir ļoti jutīga pret prioritāti un autortiesībām. Tāpēc zinātnieks, kurš varēja kaut ko ierakstīt, saņem nosauktu parādību, un nabaga studentiem patiesībā ir jāiegaumē atklājēju vārdi, nevis tikai efekta būtība.

Termioniskās emisijas noteikšana

Termioniskās emisijas parādība ir tad, kad elektroni tiek atbrīvoti no metāliem augstā temperatūrā. Tādējādi uzkarsēta dzelzs, alva vai dzīvsudrabs ir šo elementārdaļiņu avots. Mehānisms ir balstīts uz to, ka metālos pastāv īpašs savienojums: pozitīvi lādētu kodolu kristāliskais režģis ir it kā kopēja bāze visiem elektroniem, kas struktūras iekšpusē veido mākoni.

Tādējādi starp negatīvi lādētajām daļiņām, kas atrodas virsmas tuvumā, vienmēr būs tādas, kurām ir pietiekami daudz enerģijas, lai atstātu tilpumu, tas ir, pārvarētu potenciālo barjeru.

Termiskās emisijas efekta temperatūra

Pateicoties metāliskajai saitei, jebkura metāla virsmas tuvumā atradīsies elektroni, kuriem ir pietiekami daudz spēka, lai pārvarētu potenciālās izejas barjeru. Taču šīs pašas enerģijas izkliedes dēļ viena daļiņa tik tikko atraujas no kristāliskās struktūras, bet otra izlido un aptver noteiktu attālumu, jonizējot apkārtējo vidi. Acīmredzot, jo vairāk kelvīnu vidē, jo vairāk elektronu iegūst spēju atstāt metāla tilpumu. Tādējādi rodas jautājums par to, kāda ir termioniskās emisijas temperatūra. Atbilde nav vienkārša, un mēs apsvērsim šī efekta pastāvēšanas apakšējo un augšējo robežu.

Termioniskās emisijas temperatūras robežas

Saiknei starp pozitīvajām un negatīvajām daļiņām metālos ir vairākas pazīmes, tostarp ļoti blīvs enerģijas sadalījums. Elektroni, būdami fermioni, katrs ieņem savu enerģijas nišu (atšķirībā no bozoniem, kas visi var būt vienā stāvoklī). Neskatoties uz to, atšķirība starp tām ir tik maza, ka spektru var uzskatīt par nepārtrauktu, nevis diskrētu.

Savukārt tas noved pie augsta elektronu stāvokļu blīvuma metālos. Tomēr pat ļoti zemās temperatūrās, kas ir tuvu absolūtai nullei (atcerieties, tas ir nulle kelvinu jeb aptuveni mīnus divi simti septiņdesmit trīs grādi pēc Celsija) būs elektroni ar lielāku un zemāku enerģiju, jo tie visi nevar būt zemākajā stāvoklī plkst. tajā pašā laikā. Tas nozīmē, ka noteiktos apstākļos (plānā folija) ļoti reti tiks novērota elektrona izdalīšanās no metāla pat ārkārtīgi zemās temperatūrās. Tādējādi termiskās emisijas temperatūras apakšējo robežu var uzskatīt par vērtību, kas ir tuvu absolūtai nullei.

Temperatūras skalas otrā pusē ir metāla kausēšana. Saskaņā ar fizikāli ķīmiskajiem datiem šis raksturlielums atšķiras visiem šīs klases materiāliem. Citiem vārdiem sakot, nav metālu ar vienādu kušanas temperatūru. Dzīvsudrabs vai šķidrums normālos apstākļos no kristāliskas formas iziet jau pie mīnus trīsdesmit deviņiem grādiem pēc Celsija, bet volframs - pie trīsarpus tūkstošiem.

Tomēr visām šīm robežām ir viena kopīga iezīme – metāls pārstāj būt ciets ķermenis. Tas nozīmē, ka mainās likumi un sekas. Un nav jāsaka, ka kausējumā pastāv termoemisija. Tādējādi šī efekta augšējā robeža kļūst par metāla kušanas temperatūru.

Termiskā emisija vakuuma apstākļos

Viss, kas tika apspriests iepriekš, attiecas uz parādību vidē (piemēram, gaisā vai inertā gāzē). Tagad pievērsīsimies jautājumam par to, kas ir termoemisija vakuumā. Lai to izdarītu, mēs aprakstīsim vienkāršāko ierīci. Kolbā, no kuras izsūknēts gaiss, tiek ievietots plāns metāla stienis, kuram pievienots strāvas avota negatīvais pols. Ņemiet vērā, ka materiālam ir jāizkausē pietiekami augstā temperatūrā, lai eksperimenta laikā nezaudētu savu kristālisko struktūru. Šādi iegūto katodu ieskauj cita metāla cilindrs, un pozitīvais pols ir savienots ar to. Dabiski, ka anods atrodas arī vakuuma pildītā traukā. Kad ķēde ir aizvērta, mēs iegūstam termisko emisijas strāvu.

Jāatzīmē, ka šādos apstākļos strāvas atkarība no sprieguma nemainīgā katoda temperatūrā nepakļaujas Oma likumam, bet gan otrā trijnieka likumam. Tas ir nosaukts arī bērna vārdā (citās versijās Child-Langmuir un pat Child-Langmuir-Boguslavsky), bet vācu valodas zinātniskajā literatūrā - Šotki vienādojums. Pieaugot spriegumam šādā sistēmā, noteiktā brīdī visi elektroni, kas izstaro no katoda, sasniedz anodu. To sauc par piesātinājuma strāvu. Strāvas-sprieguma raksturlīknē tas izpaužas faktā, ka līkne sasniedz plato, un turpmāka sprieguma palielināšana nav efektīva.

Termiskās emisijas formula

Šīs ir termiskās emisijas īpašības. Formula ir diezgan sarežģīta, tāpēc mēs to šeit neparādīsim. Turklāt to ir viegli atrast jebkurā uzziņu grāmatā. Parasti nav formulas termiskajai emisijai kā tādai, tiek ņemts vērā tikai piesātinājuma strāvas blīvums. Šī vērtība ir atkarīga no materiāla (kas nosaka darba funkciju) un termodinamiskās temperatūras. Visas pārējās formulas sastāvdaļas ir konstantes.

Daudzas ierīces darbojas, pamatojoties uz termisko emisiju. Piemēram, veciem lieliem televizoriem un monitoriem ir tieši šāds efekts.

Termioniskās emisijas fenomens tika atklāts 1883. gadā . slavens amerikāņu izgudrotājsEdisons.

Viņš novēroja šo parādību vakuuma lampā ar diviem elektrodiem - anodu ar pozitīvu potenciālu un
katods ar negatīvu potenciālu.

Lampas katods var būt kvēldiegs, kas izgatavots no
ugunsizturīgs metāls (volframs, molibdēns
tantals u.c.), silda ar elektrību
elektrošoks

Šo lampu saucvakuuma diode .

Diodesastāv no izgatavots no stikla vai metāla

mājoklisnono kura ir izsūknēts gaiss. Ielodēts cilindrā

divi elektrodi - katods un anods. Diodē ar katodu

netiešā apkure ir miniatūra "plīts",

kas kalpo katoda sildīšanai Parasti katods ir sakārtots

cilindra formā, kurā atrodas sildītājs, anods ir cilindrs, kas atrodas ap katodu. Ja lampas anodam piemēro pozitīvu potenciālu attiecībā pret katodu
tad elektriskais lauks starp anodu un katodu veicinās elektronu kustību no katoda uz anodu.

Ja katods ir auksts, tad strāva katoda-anoda ķēdē
praktiski nav.

Palielinoties katoda temperatūrai ķēdē

katods - anods parādās elektriskā strāva, kas
vairāk, jo augstāka katoda temperatūra.

Pie nemainīgas katoda temperatūras strāva ķēdē

katoda anods palielinās, palielinoties starpībai

potenciāliemUstarp katodu un anodu un iznāk

uz kādu stacionāru vērtību,

sauc par piesātinājuma strāvu / n .

Šajā gadījumā visi termoelektroni, ko izstaro katods
sasniegt anodu. Anoda strāva nav proporcionālaU, un tāpēc
Vakuuma diodei Ohma likums nav spēkā.

Parādību, kad uzkarsēti ķermeņi (izstarotāji) elektronus izstaro vakuumā, sauc par termisko emisiju.

Termiskā emisija - elektroni iegūst kinētisko enerģiju, kad metāls tiek uzkarsēts. Metālu, kas sakarsēts līdz 1000 - 1500°C, ieskauj elektronu “mākonis”. Ievērojamam skaitam elektronu kinētiskā enerģija būs lielāka par darba funkciju, un šie elektroni var tikt izmesti no metāla.

Vakuuma diodes izmanto, lai iztaisnotu maiņstrāvu

Strāvas raksturs šķidrumos. Elektrolīzes likums. Elektrolīti.

Ne tikai metāli un pusvadītāji ir elektriskās strāvas vadītāji. Elektrisko strāvu nodrošina daudzu vielu šķīdumi ūdenī. Kā liecina pieredze, tīrs ūdens nevada elektrisko strāvu, tas ir, tajā nav brīvu elektrisko lādiņu nesēju. Galda sāls un nātrija hlorīda kristāli nevada elektrību. Tomēr nātrija hlorīda šķīdums ir labs elektriskās strāvas vadītājs. Sāļu, skābju un bāzu šķīdumus, kas var vadīt elektrisko strāvu, sauc par elektrolītiem

Elektriskās strāvas pāreja caur elektrolītu obligāti ir saistīta ar vielas izdalīšanos cietā vai gāzveida stāvoklī
uz elektrodu virsmas. Vielas izdalīšanās uz elektrodiem parāda
ka elektrolītos elektriskos lādiņus nes lādēti atomi
vielas ir joni. Šo procesu sauc par elektrolīzi.

Elektrolīzes likums

Maikls Faradejs, pamatojoties uz eksperimentiem ar dažādiem elektrolītiem, konstatēja, ka elektrolīzes laikā masamuz elektroda izdalītās vielas daudzums ir proporcionāls lādiņam, kas iziet caur elektrolītu∆ qvai strāvas stiprums I un laiks ∆tpašreizējais fragments:

m = k ∆ q = kI ∆ t .

Šo vienādojumu sauc par elektrolīzes likumu. Koeficientsk , atkarībā no izdalītās vielas sauc par vielas elektroķīmisko ekvivalentu.

Elektrolītu vadītspēja

Šķidru elektrolītu vadītspēja ir izskaidrojama ar to, ka izšķīdinot
ūdenī neitrālas sāļu, skābju un bāzu molekulas sadalās
negatīvie un pozitīvie joni. Elektriskajā laukā nonāk joni
kustību un radīt elektrisko strāvu.

Elektrolītu fiziskais stāvoklis

Ir ne tikai šķidri, bet arī cietie elektrolīti. Cietā materiāla piemērs
stikls var kalpot kā elektrolīts. Stikls satur pozitīvos un negatīvos jonus. Cietā stāvoklī stikls nevada elektrību, jo joni nevar kustēties cietā vielā.
Sildot stiklu, joni spēj kustēties elektriskā lauka ietekmē, un stikls kļūst par vadītāju.

Elektrolīzes pielietojumi

Elektrolīzes fenomens tiek izmantots praksē, lai iegūtu daudzus
metāli no sāls šķīduma. Izmantojot elektrolīzi, lai aizsargātu pret
oksidēšana vai dekorēšanai, dažādu pārklājumu
priekšmeti un mašīnu daļas ar plāniem metālu slāņiem, piemēram, hromu,
niķelis, sudrabs, zelts.

Elektrisko strāvu vakuumā rada elektronu virziena kustība, ko izstaro metāls, izmantojot termisko emisiju (elektronu emisiju no metāla virsmas, kas sakarsēta līdz augstai temperatūrai). Lai izietu no metāla, elektronam jāpārvar potenciāla barjera tā virsmas tuvumā. Darbu šīs barjeras pārvarēšanai sauc darba funkcija elektrons no metāla. Lai veiktu šo darbu, elektronam ir jābūt noteiktai enerģijai. Elektrons saņem šo enerģiju, kad metāls tiek uzkarsēts.

spriegumu pie katoda mēra ar voltmetru U K.Spriegumi U K Un U A regulē mainīgas pretestības R K Un R A, strāvas katoda un anoda ķēdēs reģistrē ar ampērmetriem Es K Un Es A attiecīgi. Katodam ir mazāks potenciāls salīdzinājumā ar anodu. Katods un anods atrodas (parasti) stikla pudelē, kas rada augstu vakuumu.

Daži no katoda atbrīvotajiem termoelektroniem sasniedz anodu pat tad, ja starp katodu un anodu nav sprieguma. Lai apturētu strāvu caur diodi, ir jāpiemēro skaitītāja lauks, kas novērš elektronu kustību. Šis lauks ir izveidots bloķēšanas spriegums U z.

Strāvas-sprieguma raksturlīknes vidusdaļā anoda strāvas atkarību no pielietotā sprieguma apraksta ar vienādojumu:

Šo vienādojumu teorētiski ieguva Boguslavskis un Langmuirs, un to sauc trīs sekunžu likums, kurā ir šo zinātnieku vārds. Koeficients ARšajā vienādojumā ir vienāds ar:

Šeit e/m specifisks elektronu lādiņš, g ir konstanta vērtība noteiktai diodei, kas raksturo tās ģeometriju.

Palielinoties spriegumam starp katodu un anodu, strāva caur diodi palielinās un sasniedz piesātinājuma strāva I n. Piesātinājuma strāvas esamība nozīmē, ka noteiktai lauka intensitātei (noteiktam spriegumam U A) un katoda temperatūru Tas ir viss elektroni, kas atstāj katodu, sasniedz anodu. Piesātinājuma strāvas atkarību no katoda temperatūras apraksta ar formulu:

Šeit Un iekšā elektrona darba funkcija, kas atstāj metālu, k- Bolcmana konstante, IN- nemainīga vērtība.

Diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu izpēte dažādās katoda temperatūrās ļauj noteikt elektrona īpašo lādiņu e/m un darba funkcija Un iekšā elektroni no metāla.

TERMĀLĀ ELEKTRONU EMISIJA-karsētu ķermeņu (emitāru) elektronu emisija vakuumā vai citā vidē. Tikai tie elektroni var atstāt ķermeni, kuru enerģija ir lielāka par elektrona enerģiju miera stāvoklī ārpus emitētāja (sk. Darba funkcija).Šādu elektronu (parasti elektronu ar enerģijām 1 eV attiecībā pret Fermi līmeni emitētājā) skaits termodinamiskos apstākļos. līdzsvars saskaņā ar Fermi-Dirak sadalījumu ir niecīgs temp-pax T 300 K un pieaug eksponenciāli ar T. Tāpēc pašreizējā T.e. pamanāms tikai sakarsušiem ķermeņiem. Elektronu emisija noved pie emitētāja atdzišanas. Ja nav "iesūkšanas" elektriskās laukā (vai ar zemu vērtību), emitētie elektroni veido negatīvas telpas emitētāja virsmas tuvumā. , ierobežojošā strāva T. e.

Pamata attiecības. Pie zemiem spriegumiem V starp emitētāju un anodu strāvas blīvums ir monoenerģisks. elektronus apraksta zināms likums (trīs sekunžu likums) j~ V 3/2 (skat Langmuir formula);ņemot vērā izveidoto telpu šķērsojošo elektronu ātrumu izplatību. uzlādes potenciāls barjera, būtiski sarežģī procesu, bet atkarības raksturs j(V)nemainās; palielinoties V atstarpes. lādiņš izšķīst un strāva sasniedz piesātinājumu j 0, un ar turpmāku izaugsmi V strāva nedaudz palielinās saskaņā ar Šotkija efekts(att.) - Spēcīgā ( E> 10 6 V/cm) elektrisks. lauki uz T. e. ir pievienots automātiskās elektroniskās emisijas(termolauka emisija).

Piesātinājuma strāvas blīvuma izteiksme j 0, pateicoties detalizēta līdzsvara principam, var iegūt, aprēķinot elektronu plūsmu no vakuuma uz emitētāju. Termodinamiskos apstākļos. līdzsvara stāvoklī šai plūsmai jāsakrīt ar elektronu plūsmu, kas lido vakuumā. Pieņemot, ka emitētāja virsma ir viendabīga, ekst. lauks ir mazs, un koeficients. elektronu atstarošana no emitētāja virsmas vakuumā r enerģētiskajā laukā ~ kT tuvu vakuuma līmenim tas vāji atkarīgs no enerģijas un nav pārāk tuvu vienotībai, šāds aprēķins noved pie f-le (Ričardsona - Dešmana formula)

Šeit A=A 0 (1-) (josla augstāk r nozīmē vidējo elektronu enerģiju), A 0 = 4p ek 2 m e /h= 120,4 A/cm 2. K 2, F - elektrons. Vājas atkarības pieņēmums r no enerģijas tiek pārkāpts tikai izņēmuma (bet tomēr reālos) gadījumos, kad vakuuma līmenis nokrīt iekšā kādā no aizliegtajām zonām cieta ķermeņa elektroniskajā spektrā vai atbilst k--l. citas pazīmes tilpuma un virsmas stāvokļu spektros. Metālu darba funkcija vāji atkarīga no temperatūras (termiskās izplešanās dēļ); Parasti šī atkarība ir lineāra: F = F 0 + a T, a~10 -4 -10 -5 eV/deg; un koeficients a var būt gan pozitīva, gan negatīva. Šī iemesla dēļ tomēr nosaka, uzzīmējot atkarības j 0 /T 2 no 1 /T puslogaritmikā koordinātas (Ričardsona taisnes metode), vērtības atšķiras no F un A no faila (*). Lielākajai daļai tīru metālu ts vērtības A svārstās no 15 līdz 350 A/cm 2. K 2.

Piemaisījumu un defektu ietekme. Virsmas piemaisījumi un defekti pat zemā koncentrācijā (10 vienslāņi) var būtiski ietekmēt. ietekmē metālu termiskās īpašības un rada ievērojamu darba funkciju vērtību izkliedi (0,1 eV). Pie šādiem izstarojoši aktīviem piemaisījumiem pieder, piemēram, sārmu un sārmzemju elementu atomi un to oksīdi. Rodas kvantu ķīmijas atomu un molekulu adsorbcijas laikā. saite izraisa lādiņu pārdali starp adsorbētajiem atomiem (un atomiem) un paša emitētāja virsmas atomiem. Lielos attālumos no adatoma šo lādiņu radīto potenciālu var raksturot ar daudzpolu izplešanos, t.i., kā dipola, kvadrupola utt. potenciāliem. Darba funkcijas izmaiņas (dipola potenciāla lēcienu) nosaka dipola momenti DF = 4p eN s d, Kur N s ir adatomu virsmas koncentrācija, d-dipola moments. Ar vērtībām d par vairākiem D (1 D = 10 -18 SGSE vienības) jau mazs piemaisījumu daudzums ( N 5 10 12 -10 13 cm -2), kas veido tikai 0,1-0,01 vienslāņu pārklājumu, rada ievērojamas izmaiņas darba funkcijā: DF~10 -2 - 10 -1 eV. Emisijas aktīvos piemaisījumus precīzi raksturo augstas vērtības d~ 1-10 D; ieraksta vērtības d~ 10 D atbilst cēzija adsorbcijai. Darba funkcijas izmaiņas raksturo potenciāla izmaiņas, kas aprēķinātas vidēji gar virsmu. Mikroskopisks Virsmas tuvumā esošo adatomu izraisītā potenciāla struktūra ir sarežģīta. Jo īpaši noteiktā virsmas daļā ir potenciāls. barjera, kas apgrūtina elektronu, kuru enerģija ir tuvu slieksnim, izkļūšanu vakuumā. Tomēr vairumā gadījumu d~ 1 D un pie tā d barjeras ir tuneļa caurlaidīgas - "caurspīdīgas". Šajos gadījumos izmaiņas ir saistītas ar kvantu mehāniku. izkliede un elektroni. Piemaisījumi un defekti var stimulēt virsmas pārstrukturēšanu, kas ietekmē arī emisijas īpašības. Papildus piemaisījumu atomu adsorbcijai uz virsmas, segregācijas un virsmas procesi, kas ir ļoti efektīvi augstākos līmeņos, var kalpot par tā piesārņojuma avotiem. temp-pax. Lai novērstu piesārņotāju nekontrolētu ietekmi un iegūtu reproducējamus rezultātus, pētot virsmu emisijas īpašības, nepieciešams veikt mērījumus ultraaugsta vakuuma apstākļos ~10 -9 - 10 -10 mm Hg. Art. (atomu plūsma no gāzveida vides uz virsmu, veidojot vienslāņu pārklājumus 1 s, atbilst ~ 10 -6 mm Hg spiedienam istabas temperatūrā); Tajā pašā laikā ir nepieciešams kontrolēt virsmas sastāvu un struktūru, izmantojot mūsdienu tehnoloģijas. virsmas spektroskopijas metodes. Labākie objekti emisijas mehānismu izpētei ir nod. pārejas metālu monokristālu virsmas, kas nodrošina augstu attīrīšanas pakāpi un raksturojas ar augstu virsmas struktūras pilnību.

Tēla spēku potenciāls(PSI), kas nav elektrostatisks. potenciāls un neapmierinošs Puasona vienādojums vakuumā, apraksta potenciālu. elektrona mijiedarbības enerģija ar emitētāju. PSI sniedz būtisku ieguldījumu V darba funkcija (1 eV) un parasti izpaužas attālumos no virsmas z100 A. Tās īpašās īpašības ir saistītas ar “kulona” atkarību no koordinātām V~z -1 (līdz attālumiem no starpatomu kārtas virsmas). Elektrona kustība šāda potenciāla laukā izrādās būtībā kvantu. Turklāt formālās analoģijas dēļ atbilstošā Šrēdingera vienādojuma risinājumu analīze un pašu risinājumu īpašības ir tuva parastajam 3-dimensiju Kulona potenciālam. Jo īpaši, ja elektrons nevar iekļūt emitētājā (jo tur nav lielapjoma stāvokļu ar atbilstošo enerģiju), tad PSI inducē virsmas stāvokļus ar Kulonam līdzīgu spektru (PSI stāvokļi). Ja elektrons var iziet no līmeņa viena vai otra procesa rezultātā, bet šī notikuma iespējamība ir maza (kā tas bieži notiek patiesībā), tad virsmas stāvokļi kļūst rezonējoši, un enerģijas līmeņi iegūst ierobežotu platumu. Elektroni, kas atrodas nepārtrauktā spektrā, pārvietojoties virs potenciāla. nu viņi “sajūt” tajā piesaistīta stāvokļa līmeņa klātbūtni ar saistīšanas enerģiju, kas ir maza, salīdzinot ar urbuma dziļumu, ja viņu enerģija ir maza (salīdzināma ar līmeņa dziļumu). Šajā gadījumā vairāku virsbarjeras atstarošanas ietekmes dēļ elektronu var efektīvi notvert potenciāla darbības zonā un izkliede iegūst rezonanses raksturu. Šī parādība izraisa rezonanses svārstības atkarībā no koeficienta. atspulgi no ārējiem lauki. Varbūtība, ka elektrons no cieta ķermeņa iekšpuses uz tā virsmu nonāks vakuumā, ir saistīta ar koeficientu. atspoguļojums ar unitaritātes attiecībām, kas ir detalizēta līdzsvara principa kvantu analogs un nodrošina daļiņu skaita saglabāšanās likumu. Tāpēc lauka atkarībā no strāvas T.e. tiek novēroti arī vāji (bet tomēr pamanāmi). Vāju lauku robežās vērtība r un atkarību r no enerģijas būtiski nosaka potenciāla veids.

Ja potenciāls pietiekami ātri (ātrāk par z -2) tiecas uz savu asimptotisku. nozīme, tad r tiecas uz vienotību, un varbūtība, ka elektrons iziet no vakuuma, kļūst par nulli saskaņā ar likumu e | 1/2 tuvu emisijas slieksnim (piem | - daļa no elektronu enerģijas attiecībā pret vakuuma līmeni, kas atbilst elektrona kustībai normālā virzienā pret virsmu, citiem vārdiem sakot, kopējās elektronu enerģijas normālā sastāvdaļa). Potenciālu gadījumā, kas lēnām mainās ar z, kas ietver PSI, to klātbūtne nedod pievienoto vērtību. iezīmes enerģētikā. atkarība r tuvu vakuuma līmenim. Tāpēc vērtība (1- r) no f-ly (*) vairumā gadījumu izrādās ne pārāk mazs. Tikai gadījumos, kad emisija notiek vidē ar nelielu raksturīgo lauka skrīninga garumu, kas nepārsniedz<= 100 (обычных для области действия ПСИ), r izrādās tuvu vienotībai.

Termioniskā emisija no pusvadītājiem. F-la (*) ir piemērojams arī T. e. no pusvadītājiem. Tomēr temperatūras ietekme, elektriskā lauki, piemaisījumi emitētājā utt. uz emisijas strāvu un F un A vērtībām šajā gadījumā ievērojami atšķiras no metāliem. Atšķirības ir saistītas ar zemo vadītspējas elektronu koncentrāciju un lokalizētu virsmas elektronisko stāvokļu klātbūtni, kas ietekmē Fermi līmeņa atrašanās vietu uz pusvadītāja virsmas līdz tā “fiksācijai” noteiktā joslas spraugas punktā (sk. att. Virsmas stāvokļi, Virsma). Šajā gadījumā uz pusvadītāja virsmas un F ir gandrīz (ar precizitāti ~ 0,1 eV) neatkarīgi no tilpuma (t.i., dopanta veida un koncentrācijas). Šāda fiksācija ir saistīta ar virsmas stāvokļiem ar pietiekami augstu (>=10 12 cm -2) koncentrāciju, ko izraisa galvenokārt paši. kristāla defekti, kas rodas, kad pusvadītājs tiek pakļauts sadalīšanās procesam. ext. tādi faktori kā adsorbcija, mehāniskie, termiskie. apstrāde utt. Šajā gadījumā T. e. līdzīgs T. e. no metāliem.

Uz pietiekami tīrām un perfektām pusvadītāju virsmām iekšējo (piepildīto un tukšo) virsmas stāvokļu blīvums joslas spraugā ir mazs, un Fermi līmenis uz virsmas var pārvietoties joslas spraugas iekšpusē, sekojot tās pozīcijai. Tāpēc, mainoties piemaisījumu veidam un koncentrācijai pusvadītāja tilpumā, mainās F un strāva T. Turklāt elektriskā lauks šādos pusvadītājos netiek ekranēts ar virsmas stāvokļu lādiņiem un neiekļūst emitētājā. dziļums, kas izraisa F izmaiņas zonu tuvējās virsmas liekšanas un lauka sasilšanas dēļ.

Līdzīga situācija rodas, kad izl. lauks pārsniedz vērtību, kas ir pietiekama, lai novērstu virsmas stāvokļu ekranēšanas ietekmi. Šo iemeslu dēļ emisijas strāvas izvēle no pusvadītājiem (pretstatā metāliem, kur šie efekti parasti ir nelieli) var izraisīt termodinamikas pārkāpums līdzsvaru. Īpaša situācija rodas, ja emisija no negatīvām sistēmām. elektronu afinitāte (sk fotoelektronu emisija), kurā emisijas procesu nelīdzsvarotība (ieskaitot T. e.) ir saistīta ar virsmas enerģijas sākotnējām iezīmēm. emitenta struktūras.

Neviendabīgumu ietekme. Lielākajai daļai emitētāju virsma ir neviendabīga, uz tās ir “plankumi” ar dažādām darba funkcijām. Starp tiem parādās Df un elektriskā. lauki (punktlauki) no ~Df/ R(Kur R- neviendabīgumu raksturīgais lielums). Šie lauki izveido papildu. potenciāls šķēršļi emitētajiem elektroniem, kas izraisa spēcīgāku strāvas atkarību no anoda sprieguma (anomalais Šotkija efekts), kā arī palielina strāvas atkarību no T. Tā kā neviendabīgumu izmēri parasti nav mazi, >> 100, un potenciālā starpība starp blakus esošajiem plankumiem ir ~0,1 - 1 eV, plankumu tipiskās lauka vērtības nav lielas (~10 4 V/cm vai mazāk) un nepieciešama “atvēršana” salīdzinoši maza (salīdzinājumā ar parastā Šotkija efekta gadījumu) ext. lauki, kas ir atbildīgs par efekta lielo apjomu (anomaliju) neviendabīgu virsmu gadījumā.

Ja virsma ir ļoti neviendabīga, tā ka emisijas aktīvo punktu r izmēri ir daudz mazāki par attālumiem starp tiem, tad potenciāls f ir atsevišķs. plankumus attālumos r no tā var attēlot kā dipola, kvadrupola uc terminu summu. Jo īpaši plankuma lauka atkarība no attāluma līdz virsmai z virs plankuma centra šajā gadījumā ir tuva jaudas likumam. Pēdējais apstāklis ​​(pilnīgā analoģijā ar parasto Šotka efektu) noved pie varas likuma vai tuvu tam atkarības no potenciāla samazināšanās lieluma. barjera virs plankuma centra Df no ārpuses. lauki E(piemēram, tīra dipola potenciāla f~z -2 un Df~ gadījumā E 2/3). Reālos apstākļos potenciāla atkarība no koordinātām ir sarežģītāka, taču kvalitatīvi faktori, kas nosaka strāvas lauka atkarības veidu anomālā Šotka efekta apstākļos, paliek nemainīgi. Turklāt neviendabīguma parametru vērtībās vienmēr ir izkliede, un dažos gadījumos (piemēram, no smalkiem pulveriem gatavotiem emitētājiem) izmēru hierarhija var būt ļoti bagāta (no 100 līdz 10-100 mikroniem). Šajā gadījumā, palielinoties laukam, pārmaiņus atveras plankumu lauki, kas ievērojami paplašina anomālā Šotka efekta izpausmes lauka diapazonu.

Siltuma izstarotāju veidi. Uz lielāko skaitu zināms eff. izstarotāji ietver sārmzemju, retzemju un citu elementu oksīdus, ko parasti izmanto maisījumu veidā ar dažādām (atkarībā no katoda mērķa) piedevām (sk. termiskais katods). Vispopulārākais ir katods, kura pamatā ir Ba, Ca un Sr oksīdu maisījums – oksīda katods. Tā kā oksīdi ir savienojumi ar izteiktu jonu saiti, tiem ir salīdzinoši maza (<= 1 эВ) электронным сродством, широкой (порядка неск. эВ) запрещённой зоной и являются изоляторами при комнатных темп-pax. Для реализации высоких эмиссионных свойств используется процесс термообработки, во время к-рого происходят очистка поверхности, образование донорных центров, формирование структуры эмиттера и оптим. состава его поверхности. Доноры, к-рые в такого рода соединениях имеют, как правило, вакансионную природу, возникают в результате конкуренции между процессами и адсорбции атомов (происходящими при повыш. темп-pax в условиях относительно невысокого вакуума) с последующей диффузией вакансий в объём эмиттера, а также и в др. процессах. Возникающая нестехиометрия состава катода, особенно состава его приповерхностной области, значительна, но всё же не настолько, чтобы образовывались сплошные тонкослойные покрытия поверхности атомами металлов. Важную роль в формировании и работе катода играют процессы поверхностной диффузии атомов (в т. ч. и диффузия по границам зёрен). Они имеют обычно активац. характер; при этом энергия активации поверхностной диффузии (=< 1 эВ) заметно меньше, чем энергия активации объёмного процесса. Поэтому во мн. случаях поверхностная диффузия более эффективна. На контакте полупроводникового эмиссионного слоя с металлом подложки (керном) существует барьер контактной разности потенциалов - , к-рый "включён" в запирающем направлении и при отборе тока эмиссии препятствует транспорту электронов из металла в эмиссионный слой. Кроме того, из-за хим. реакций, протекающих в этой области при повыш. темп-pax (особенно при наличии в металле нежелат. примесей), возможно образование диэлектрич. прослойки между металлом и эмиссионным слоем, значительно ухудшающей свойства катода и приводящей к быстрой его деградации. Поэтому одна из задач, возникающая при создании эмиттера,- формирование хорошего контакта эмиссионного слоя с керном, сохраняющего свои свойства при работе катода. В отличие от технологий мн. др. приборов, в к-рых для создания омического контакта предпринимаются спец. меры, в оксидном катоде формирование контакта происходит в процессе термообработки заодно с др. процессами и не требует дополнит. операций. Иногда в материал контакта вводятся спец. активные присадки, способствующие образованию донорных центров в процессе термообработки. Эфф. термокатоды отличаются от др. эмиттеров прежде всего низкими значениями работы выхода. Достигнутые значения этой величины группируются ок. ~ 1 эВ, а дальнейшие усилия в направлении уменьшения работы выхода наталкиваются на серьёзные трудности. В связи с этим возникает вопрос о существовании факторов, препятствующих снижению работы выхода до величин, значительно меньших 1 эВ. К числу таких факторов могло бы относиться существование незаполненных поверхностных состояний (в частности, состояний ПСИ), накопление заряда на к-рых ограничивает возможность уменьшения Ф. Среди термокатодов др. типов можно назвать металлич. катоды (особенно вольфрамовые) и катоды из полуметаллов, напр. из гексаборида лантана, используемые для создания электронных пучков с повышенной плотностью тока.

Termioniskos katodus izmanto daudzās elektriskās vakuuma un gāzizlādes ierīcēs, zinātniskos pētījumos. un tehnoloģijām. instalācijas.

Lit.: Fomenko V.S., Materiālu emisijas īpašības, 4. izd., K., 1981; Dobrecovs L. N., Gomojunova M. V., Emisijas elektronika, M., 1966; Termioniskie katodi, M.-L., 1966. gads. S. G. Dmitrijevs.

Atkarībā no veida, kādā enerģija tiek nodota elektroniem, tiek izdalīti elektronu emisijas veidi. Ja elektroni iegūst enerģiju no ķermeņa siltumenerģijas, paaugstinoties tā temperatūrai, mēs varam runāt par termisko emisiju. Lai novērotu termisko emisiju, varat izmantot dobu lampu, kurā ir divi elektrodi: katods, ko silda strāva, un auksts elektrods, kas savāc termiskos elektronus - anodu. Šādas lampas sauc par vakuuma diodēm. Strāva šajā ķēdē parādās tikai tad, ja akumulatora pozitīvais pols ir savienots ar anodu, bet negatīvais pols ir savienots ar katodu. Tas apstiprina, ka katods izstaro negatīvas daļiņas, elektronus. Termioniskās strāvas stiprums diodē ir atkarīgs no anoda potenciāla lieluma attiecībā pret katodu. Līkni, kas attēlo diodes strāvas atkarību no anoda sprieguma, sauc par strāvas-sprieguma raksturlielumu. Ja anoda potenciāls ir nulle, strāvas stiprums ir mazs, ko nosaka tikai ātrākie termoelektroni, kas spēj sasniegt anodu. Palielinoties anoda pozitīvajam potenciālam, strāva palielinās un pēc tam sasniedz piesātinājumu, t.i. gandrīz vairs nav atkarīgs no anoda sprieguma. Palielinoties katoda temperatūrai, palielinās arī pašreizējā vērtība, pie kuras tiek sasniegts piesātinājums. Tajā pašā laikā palielinās arī anoda spriegums, pie kura tiek izveidota piesātinājuma strāva. Tādējādi diodes strāvas-sprieguma raksturlielums izrādās nelineārs, t.i. Oma likums nav spēkā. Tas izskaidrojams ar to, ka termioniskās emisijas laikā uz katoda virsmas veidojas diezgan augsts elektronu blīvums. Tie rada vispārēju negatīvu lādiņu, un elektroni, kas izstaro zemā ātrumā, nevar no tā izvairīties. Palielinoties anoda spriegumam, elektronu koncentrācija kosmosa lādiņa mākonī samazinās. Tāpēc telpas lādiņa bremzēšanas efekts kļūst mazāks, un anoda strāva pieaug ātrāk nekā tiešā atkarībā no anoda sprieguma. Palielinoties anoda spriegumam, vairāk elektronu, kas izstaro no katoda, tiek iesūkti pret anodu. Pie noteiktas vērtības visi elektroni, kas izstaro no katoda laika vienībā, sasniedz anodu. Turpmāks anoda sprieguma pieaugums nevar palielināt anoda strāvas stiprumu, jo tiek sasniegts piesātinājums. Maksimālo termisko strāvu, kas iespējama noteiktā katoda temperatūrā, sauc par piesātinājuma strāvu. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās elektronu haotiskās kustības ātrums metālā. Šajā gadījumā strauji palielinās elektronu skaits, kas spēj atstāt metālu. Piesātinājuma strāvas blīvums, t.i. Piesātinājuma strāvas stiprumu uz katoda virsmas S vienību aprēķina, izmantojot Ričardsona-Dešmana formulu: , kur ir emisijas konstante, k ir Bolcmana konstante, =1,38 10-23 J/K. Piesātinājuma strāvas blīvums raksturo katoda izstarojošo spēju, kas ir atkarīga no katoda rakstura un tā temperatūras.