Përshkrimi i fenomenit të emetimit termionik. Emetimi i elektroneve nga përcjellësit. Varësia e rrymës termionike nga temperatura. Formula Richardson-Deshman

Sot fokusi është në emetimin termionik. Variantet e emrit të efektit, manifestimi i tij në një medium dhe në vakum merren parasysh. Janë eksploruar kufijtë e temperaturës. Përcaktohen përbërësit e varur të densitetit të rrymës së ngopjes së emetimit termionik.

Emrat e efektit të emetimit termionik

Termi "emetim termionik" ka emra të tjerë. Bazuar në emrat e shkencëtarëve që zbuluan dhe studiuan për herë të parë këtë fenomen, ai përkufizohet si efekti Richardson ose efekti Edison. Kështu, nëse një person i ndesh këto dy fraza në tekstin e një libri, ai duhet të kujtojë se nënkuptohet i njëjti term fizik. Konfuzioni u shkaktua nga mosmarrëveshja mes botimeve të autorëve vendas dhe të huaj. Fizikanët sovjetikë u përpoqën të jepnin përkufizime shpjeguese për ligjet.

Termi "emetim termionik" përmban thelbin e fenomenit. Një person që e sheh këtë frazë në faqe e kupton menjëherë se po flasim për emetimin e temperaturës së elektroneve, por mbetet në prapaskenë se kjo sigurisht që ndodh në metale. Por kjo është arsyeja pse ekzistojnë përkufizime, për të zbuluar detaje. Shkenca e huaj është shumë e ndjeshme ndaj përparësisë dhe të drejtës së autorit. Prandaj, një shkencëtar që ishte në gjendje të regjistronte diçka merr një fenomen të emërtuar dhe studentët e varfër duhet të mësojnë përmendësh emrat e zbuluesve, dhe jo vetëm thelbin e efektit.

Përcaktimi i emetimit termionik

Fenomeni i emetimit termionik është kur elektronet lirohen nga metalet në temperatura të larta. Kështu, hekuri, kallaji ose merkuri i nxehtë janë burimi i këtyre grimcave elementare. Mekanizmi bazohet në faktin se ka një lidhje të veçantë në metale: rrjeta kristalore e bërthamave të ngarkuara pozitivisht është, si të thuash, një bazë e përbashkët për të gjithë elektronet që formojnë një re brenda strukturës.

Kështu, midis grimcave të ngarkuara negativisht që ndodhen afër sipërfaqes, do të ketë gjithmonë ato që kanë energji të mjaftueshme për të lënë vëllimin, domethënë për të kapërcyer pengesën potenciale.

Temperatura e efektit të emetimit termionik

Falë lidhjes metalike, pranë sipërfaqes së çdo metali do të ketë elektrone që kanë forcë të mjaftueshme për të kapërcyer pengesën potenciale të daljes. Megjithatë, për shkak të të njëjtit shpërndarje të energjisë, një grimcë mezi shkëputet nga struktura kristalore, ndërsa tjetra fluturon jashtë dhe mbulon një distancë të caktuar, duke jonizuar mediumin rreth saj. Natyrisht, sa më shumë kelvin në medium, aq më shumë elektrone fitojnë aftësinë për të lënë vëllimin e metalit. Kështu, lind pyetja se cila është temperatura e emetimit termionik. Përgjigja nuk është e thjeshtë, dhe ne do të shqyrtojmë kufijtë e poshtëm dhe të sipërm të ekzistencës së këtij efekti.

Kufijtë e temperaturës së emetimit termionik

Lidhja midis grimcave pozitive dhe negative në metale ka një sërë veçorish, duke përfshirë një shpërndarje shumë të dendur të energjisë. Elektronet, duke qenë fermione, secili zë vendin e vet të energjisë (ndryshe nga bozonet, të cilët mund të jenë të gjithë në të njëjtën gjendje). Pavarësisht kësaj, ndryshimi midis tyre është aq i vogël sa që spektri mund të konsiderohet i vazhdueshëm dhe jo diskret.

Nga ana tjetër, kjo çon në një densitet të lartë të gjendjeve të elektroneve në metale. Megjithatë, edhe në temperatura shumë të ulëta afër zeros absolute (mos harroni, kjo është zero kelvin, ose afërsisht minus dyqind e shtatëdhjetë e tre gradë Celsius) do të ketë elektrone me energji më të larta dhe më të ulëta, pasi ato nuk mund të jenë të gjithë në gjendjen më të ulët në të njëjtën kohë. Kjo do të thotë se në kushte të caktuara (fletë e hollë) shumë rrallë do të vërehet lirimi i një elektroni nga metali edhe në temperatura jashtëzakonisht të ulëta. Kështu, kufiri i poshtëm i temperaturës së emetimit termionik mund të konsiderohet të jetë një vlerë afër zeros absolute.

Në anën tjetër të shkallës së temperaturës është shkrirja e metaleve. Sipas të dhënave fiziko-kimike, kjo karakteristikë ndryshon për të gjitha materialet e kësaj klase. Me fjalë të tjera, nuk ka metale me të njëjtën pikë shkrirjeje. Mërkuri ose lëngu në kushte normale shkon nga forma kristalore tashmë në minus tridhjetë e nëntë gradë Celsius, ndërsa tungsteni - në tre mijë e gjysmë.

Sidoqoftë, të gjitha këto kufij kanë një gjë të përbashkët - metali pushon së qeni një trup i fortë. Kjo do të thotë se ligjet dhe efektet ndryshojnë. Dhe nuk ka nevojë të thuhet se ka emetim termionik në shkrirje. Kështu, kufiri i sipërm i këtij efekti bëhet temperatura e shkrirjes së metalit.

Emetimi termionik në kushte vakum

Gjithçka e diskutuar më sipër lidhet me një fenomen në një medium (për shembull, në ajër ose në një gaz inert). Tani le t'i drejtohemi pyetjes se çfarë është emetimi termionik në një vakum. Për ta bërë këtë, ne do të përshkruajmë pajisjen më të thjeshtë. Në balonën nga e cila është nxjerrë ajri, vendoset një shufër e hollë metalike, me të cilën lidhet poli negativ i burimit të rrymës. Vini re se materiali duhet të shkrihet në temperatura mjaft të larta në mënyrë që të mos humbasë strukturën e tij kristalore gjatë eksperimentit. Katoda e përftuar në këtë mënyrë është e rrethuar nga një cilindër prej një metali tjetër dhe poli pozitiv është i lidhur me të. Natyrisht, anoda ndodhet gjithashtu në një enë të mbushur me vakum. Kur qarku është i mbyllur, marrim një rrymë emetimi termionik.

Vlen të përmendet se në këto kushte varësia e rrymës nga tensioni në një temperaturë konstante të katodës nuk i bindet ligjit të Ohm-it, por ligjit të tre të dytë. Ai është emëruar gjithashtu pas Child (në versione të tjera Child-Langmuir dhe madje Child-Langmuir-Boguslavsky), dhe në literaturën shkencore në gjuhën gjermane - ekuacioni Schottky. Me rritjen e tensionit në një sistem të tillë, në një moment të caktuar të gjitha elektronet e emetuara nga katoda arrijnë në anodë. Kjo quhet rrymë e ngopjes. Në karakteristikën e tensionit aktual, kjo shprehet në faktin se kurba arrin një pllajë, dhe rritja e mëtejshme e tensionit nuk është efektive.

Formula e emetimit termionik

Këto janë veçoritë që ka emetimi termionik. Formula është mjaft komplekse, kështu që ne nuk do ta paraqesim këtu. Për më tepër, është e lehtë të gjendet në çdo libër referimi. Në përgjithësi, nuk ka formulë për emetimin termionik si të tillë vetëm densiteti i rrymës së ngopjes. Kjo vlerë varet nga materiali (i cili përcakton funksionin e punës) dhe nga temperatura termodinamike. Të gjithë përbërësit e tjerë të formulës janë konstante.

Shumë pajisje funksionojnë në bazë të emetimit termionik. Për shembull, televizorët dhe monitorët e vjetër të mëdhenj kanë pikërisht këtë efekt.

Fenomeni i emetimit termionik u zbulua në 1883 . shpikësi i famshëm amerikanEdison.

Ky fenomen u vëzhgua prej tij në një llambë vakum me dy elektroda - një anodë që ka një potencial pozitiv, dhe
katodë me potencial negativ.

Katoda e llambës mund të jetë një filament i bërë nga
metal zjarrdurues (tungsten, molibden
tantal, etj.), ngrohur me energji elektrike
goditje elektrike

Kjo llambë quhetdiodë vakum .

Diodëpërbëhet nga prej qelqi ose metali

strehimitnganga e cila është nxjerrë ajri. Ngjitur në cilindër

dy elektroda - katodë dhe anodë. Në një diodë me një katodë

ngrohje indirekte ka një "sobë" miniaturë,

e cila shërben për ngrohjen e katodës Zakonisht katoda është e rregulluar

në formën e një cilindri brenda të cilit ndodhet ngrohësi, anoda është një cilindër që ndodhet rreth katodës. Nëse aplikoni një potencial pozitiv në anodën e llambës në lidhje me katodën
atëherë fusha elektrike midis anodës dhe katodës do të nxisë lëvizjen e elektroneve nga katoda në anodë.

Nëse katoda është e ftohtë, atëherë rryma në qarkun katodë-anodë
praktikisht mungon.

Me rritjen e temperaturës së katodës në qark

katodë - anodë shfaqet një rrymë elektrike, e cila
më shumë, aq më e lartë është temperatura e katodës.

Në një temperaturë konstante të katodës, rryma në qark

katodë-anodë rritet me rritjen e diferencës

potencialetUndërmjet katodës dhe anodës dhe del jashtë

në një vlerë të palëvizshme,

e quajtur rryma e ngopjes / n .

Në këtë rast, të gjitha elektronet termionike të emetuara nga katoda
arrijnë në anodë. Rryma e anodës nuk është proporcionaleU, dhe për këtë arsye
Për një diodë vakum, ligji i Ohmit nuk zbatohet.

Dukuria e emetimit të elektroneve nga trupat e nxehtë (emetuesit) në vakum quhet emetim termionik.

Emetimi termionik - elektronet fitojnë energji kinetike kur metali nxehet. Një metal i ngrohur në 1000 - 1500°C do të rrethohet nga një "re" elektronesh. Një numër i konsiderueshëm elektronesh do të kenë energji kinetike më të madhe se funksioni i punës, dhe këto elektrone mund të nxirren nga metali.

Diodat vakum përdoren për të korrigjuar rrymën elektrike alternative

Natyra e rrymës në lëngje. Ligji i elektrolizës. Elektrolitet.

Jo vetëm metalet dhe gjysmëpërçuesit janë përçues të rrymës elektrike. Rryma elektrike kryhet nga tretësirat e shumë substancave në ujë. Siç tregon përvoja, uji i pastër nuk përcjell rrymë elektrike, domethënë nuk ka transportues të lirë të ngarkesave elektrike në të. Kristalet e kripës së tryezës dhe klorurit të natriumit nuk përçojnë elektricitetin. Sidoqoftë, tretësira e klorurit të natriumit është një përcjellës i mirë i rrymës elektrike. Tretësirat e kripërave, acideve dhe bazave që mund të përcjellin rrymën elektrike quhen elektrolite

Kalimi i një rryme elektrike përmes një elektroliti shoqërohet domosdoshmërisht me lëshimin e një substance në gjendje të ngurtë ose të gaztë
në sipërfaqen e elektrodave. Lëshimi i një lënde në elektroda tregon
se në elektrolite, ngarkesat elektrike barten nga atome të ngarkuara
substancat janë jone. Ky proces quhet elektrolizë.

Ligji i Elektrolizës

Michael Faraday, bazuar në eksperimentet me elektrolite të ndryshme, vërtetoi se gjatë elektrolizës masame substancës së lëshuar në elektrodë është proporcionale me ngarkesën e kaluar nëpër elektrolit∆ qose forca aktuale I dhe koha ∆trrjedha aktuale:

m = k ∆ q = kI ∆ t .

Ky ekuacion quhet ligji i elektrolizës. Koeficientk , në varësi të substancës së çliruar quhet ekuivalent elektrokimik i substancës.

Përçueshmëria e elektroliteve

Përçueshmëria e elektroliteve të lëngët shpjegohet me faktin se kur treten
në ujë, molekulat neutrale të kripërave, acideve dhe bazave zbërthehen në
jonet negative dhe pozitive. Në një fushë elektrike, jonet hyjnë
lëvizjen dhe krijimin e një rryme elektrike.

Gjendja fizike e elektroliteve

Nuk ka vetëm elektrolite të lëngshme, por edhe të ngurta. Një shembull i një të ngurtë
qelqi mund të shërbejë si elektrolit. Xhami përmban jone pozitive dhe negative. Në gjendjen e tij të ngurtë, qelqi nuk përcjell elektricitet sepse jonet nuk mund të lëvizin në trup të ngurtë.
Kur xhami nxehet, jonet janë në gjendje të lëvizin nën ndikimin e një fushe elektrike, dhe xhami bëhet një përcjellës.

Aplikimet e Elektrolizës

Fenomeni i elektrolizës përdoret në praktikë për të marrë shumë
metale nga tretësira e kripës. Përdorimi i elektrolizës për të mbrojtur kundër
oksidimi ose për dekorim, veshje të ndryshme
objekte dhe pjesë makinerish me shtresa të holla metalesh si kromi,
nikel, argjend, ari.

Një rrymë elektrike në një vakum krijohet nga lëvizja e drejtuar e elektroneve të emetuara nga metali përmes emetimit termionik (emetimi i elektroneve nga sipërfaqja e një metali të nxehtë në një temperaturë të lartë). Për të dalë nga një metal, një elektron duhet të kapërcejë një pengesë potenciale pranë sipërfaqes së tij. Puna për të kapërcyer këtë pengesë quhet funksioni i punës elektron nga metali. Për të kryer këtë punë, elektroni duhet të ketë një energji të caktuar. Elektroni e merr këtë energji kur metali nxehet.

tensioni në katodë matet me voltmetër U K.Tensionet U K Dhe U A të rregulluara nga rezistenca të ndryshueshme R K Dhe R A, rrymat në qarqet e katodës dhe anodës regjistrohen me ampermetra Unë K Dhe Unë A përkatësisht. Katoda ka një potencial më të ulët në krahasim me anodën. Katoda dhe anoda gjenden brenda një shishe (zakonisht) qelqi, e cila krijon një vakum të lartë.

Disa nga elektronet termionike të lëshuara nga katoda arrijnë në anodë edhe në mungesë të tensionit midis katodës dhe anodës. Për të ndalur rrymën përmes diodës, është e nevojshme të aplikohet një fushë kundër që pengon lëvizjen e elektroneve. Kjo fushë është krijuar tension bllokues U z.

Në pjesën e mesme të karakteristikës së tensionit aktual, varësia e rrymës së anodës nga tensioni i aplikuar përshkruhet nga ekuacioni:

Ky ekuacion është marrë teorikisht nga Boguslavsky dhe Langmuir dhe quhet ligji i tre sekondave, që mban emrin e këtyre shkencëtarëve. Koeficient ME në këtë ekuacion është e barabartë me:

Këtu e/m ngarkesa specifike e elektroneve, gështë një vlerë konstante për një diodë të caktuar që karakterizon gjeometrinë e saj.

Ndërsa tensioni midis katodës dhe anodës rritet, rryma përmes diodës rritet dhe arrin rrymë ngopjeje I n. Ekzistenca e një rryme ngopjeje do të thotë që për një intensitet të caktuar fushe (për një tension të caktuar U A) dhe temperaturën e katodës Kjo eshte e gjitha elektronet që largohen nga katoda arrijnë në anodë. Varësia e rrymës së ngopjes nga temperatura e katodës përshkruhet me formulën:

Këtu Dhe ne funksioni i punës së një elektroni që largohet nga metali, k- konstante Boltzmann, NË- vlerë konstante.

Studimi i karakteristikave të tensionit aktual të diodës në temperatura të ndryshme të katodës na lejon të përcaktojmë ngarkesën specifike të elektronit e/m dhe funksionin e punës Dhe ne elektrone nga metali.

EMISIONI I ELEKTRONIT TERMAK-emetimi i elektroneve nga trupat e nxehte (emetuesit) ne vakum ose medium tjeter. Vetëm ato elektrone mund të largohen nga trupi, energjia e të cilit është më e madhe se energjia e elektronit në pushim jashtë emetuesit (shih. Funksioni i punës).Numri i elektroneve të tilla (zakonisht elektroneve me energji 1 eV në raport me nivelin e Fermit në emetues) në kushte termodinamike. ekuilibri në përputhje me shpërndarjen Fermi-Dirac është i papërfillshëm në temp-pax T 300 K dhe rritet në mënyrë eksponenciale me T. Prandaj, T.e aktuale. vërehet vetëm për trupat e nxehur. Emetimi i elektroneve çon në ftohjen e emetuesit. Në mungesë të një elektrike "thithëse". fushë (ose me një vlerë të ulët), elektronet e emetuara formojnë hapësira negative pranë sipërfaqes së emetuesit. , duke kufizuar rrymën T.e.

Marrëdhëniet bazë. Në tensione të ulëta V ndërmjet emetuesit dhe anodës dendësia e rrymës është monoenergjetike. elektronet përshkruhen nga një ligj i njohur (ligji i tre sekondave) j~ V 3/2 (shih formula Langmuir); duke marrë parasysh përhapjen e shpejtësive të elektroneve që përshkojnë hapësirën e krijuar. potenciali i ngarkimit pengesë, e ndërlikon ndjeshëm procesin, por natyrën e varësisë j(V)nuk ndryshon; me rritje V hapësirat. ngarkesa shpërbëhet dhe rryma arrin ngopjen j 0, dhe me rritje të mëtejshme V rryma rritet pak në përputhje me Efekti Schottky(fig.) - Në të fortë ( E> 10 6 V/cm) elektrike. fusha te T. e. shtohet emetimet auto-elektronike(emetimi termofield).

Shprehje për densitetin e rrymës së ngopjes j 0, për shkak të parimit të ekuilibrit të detajuar, mund të merret duke llogaritur rrjedhën e elektroneve nga vakuumi në emetues. Në kushte termodinamike. ekuilibri, kjo rrjedhë duhet të përkojë me rrjedhën e elektroneve që fluturojnë në vakum. Duke supozuar se sipërfaqja e emetuesit është homogjene, ext. fusha është e vogël, dhe koeficienti. reflektimi i elektroneve nga sipërfaqja e emetuesit në vakum r në fushën e energjisë ~ kT afër nivelit të vakumit varet dobët nga energjia dhe nuk është shumë afër unitetit, një llogaritje e tillë çon në f-le (Formula Richardson - Deshman)

Këtu A=A 0 (1-) (bar sipër r do të thotë mesatare mbi energjitë e elektroneve), A 0 = 4 f ek 2 m e /h= 120,4 A/cm 2. K 2, F - elektron. Supozimi i dobët i varësisë r nga energjia shkelet vetëm në raste të jashtëzakonshme (por ende reale), kur niveli i vakumit bie brenda njërës prej zonave të ndaluara në spektrin elektronik të një trupi të ngurtë ose korrespondon me k-l. veçori të tjera në spektrat e gjendjeve të masës dhe sipërfaqes. Funksioni i punës së metaleve varet dobët nga temperatura (për shkak të zgjerimit termik); Zakonisht kjo marrëdhënie është lineare: F = F 0 + a T, a~10 -4 -10 -5 eV/deg; dhe koeficienti a mund të jetë ose pozitive ose negative. Për këtë arsye, megjithatë, përcaktohet duke komplotuar varësitë j 0 /T 2 nga 1 /T në semilogarithmike koordinatat (metoda e vijës së drejtë të Richardson), vlerat ndryshojnë nga F dhe A nga skedari (*). Për shumicën e metaleve të pastra, të ashtuquajturat vlerat A variojnë nga 15 në 350 A/cm 2. K 2.

Ndikimi i papastërtive dhe defekteve. Papastërtitë dhe defektet sipërfaqësore, edhe në një përqendrim të ulët (10 monoshtresa), mund të kenë një efekt të rëndësishëm. ndikim në vetitë termionike të metaleve dhe dhe çon në një shpërndarje të dukshme në vlerat e funksionit të punës (0,1 eV). Të tilla papastërti aktive emetuese përfshijnë, për shembull, atomet e elementeve alkali dhe alkaline tokësore dhe oksidet e tyre. Ndodh gjatë adsorbimit të atomeve dhe molekulave të kimisë kuantike. lidhja shkakton një rishpërndarje të ngarkesave midis atomeve (dhe atomeve) të absorbuar dhe atomeve të sipërfaqes së vetë emetuesit. Në distanca të mëdha nga adatom, potenciali i krijuar nga këto ngarkesa mund të përshkruhet në termat e zgjerimit shumëpolësh, d.m.th., si shuma e dipolit, katërpolit, etj. potencialet. Ndryshimi në funksionin e punës (kërcimi i potencialit të dipolit) përcaktohet nga momentet e dipolit DF = 4 f eN s d, Ku N s është përqendrimi sipërfaqësor i adatomeve, d-moment dipol. Me vlera d rreth disa D (1 D = 10 -18 njësi SGSE) tashmë sasi të vogla papastërtish ( N 5 10 12 -10 13 cm -2), që përbëjnë vetëm 0.1-0.01 veshje me një shtresë, çojnë në ndryshime të dukshme në funksionin e punës: DF~10 -2 - 10 -1 eV. Papastërtitë aktive ndaj emisioneve karakterizohen pikërisht nga vlera të larta d~ 1-10 D; rekord vlerash d~ 10 D korrespondojnë me adsorbimin e ceziumit. Ndryshimi në funksionin e punës përshkruan ndryshimin në potencialin mesatar përgjatë sipërfaqes. Mikroskopik Struktura e potencialit të shkaktuar nga adatomet pranë sipërfaqes është komplekse. Në veçanti, në një pjesë të caktuar të sipërfaqes ekziston një potencial. një pengesë që e bën të vështirë që elektronet me energji afër pragut të dalin në vakum. Megjithatë, në shumicën e rasteve d~ 1 D dhe në të tilla d barrierat janë të përshkueshme nga tuneli - "transparente". Në këto raste, ndryshimet lidhen me mekanikën kuantike. shpërndarjen dhe elektronet. Papastërtitë dhe defektet mund të stimulojnë ristrukturimin e sipërfaqes, gjë që ndikon gjithashtu në vetitë emetuese. Përveç përthithjes së atomeve të papastërtive në sipërfaqe, proceset e ndarjes dhe sipërfaqësore, të cilat janë shumë efektive në nivele më të larta, mund të shërbejnë si burime të kontaminimit të saj. temp-pax. Për të eliminuar ndikimin e pakontrolluar të ndotësve dhe për të marrë rezultate të riprodhueshme gjatë studimit të vetive të emetimit të sipërfaqeve, është e nevojshme të kryhen matje në kushte vakumi ultra të lartë prej ~ 10 -9 - 10 -10 mm Hg. Art. (rrjedhja e atomeve nga një mjedis i gaztë në sipërfaqe, duke krijuar veshje me një shtresë në 1 s, korrespondon me një presion prej ~ 10 -6 mm Hg në temperaturën e dhomës); Në të njëjtën kohë, është e nevojshme të kontrollohet përbërja dhe struktura e sipërfaqes duke përdorur teknologjinë moderne. Metodat e spektroskopisë së sipërfaqes. Objektet më të mira për studimin e mekanizmave të emetimit janë dep. fytyrat e kristaleve të vetme të metaleve në tranzicion, që lejojnë një shkallë të lartë pastrimi dhe karakterizohen nga një përsosmëri e lartë e strukturës sipërfaqësore.

Potenciali i forcave të imazhit(PSI), e cila nuk është elektrostatike. potencial dhe jo të kënaqshëm Ekuacioni Poisson në vakum, përshkruan potencialin. energjia e bashkëveprimit të një elektroni me një emetues. PSI jep një kontribut të rëndësishëm V funksioni i punës (1 eV) dhe zakonisht shfaqet në distanca nga sipërfaqja z100 A. Vetitë e tij të veçanta lidhen me llojin "Coulomb" të varësisë nga koordinatat V~z -1 (deri në largësi nga sipërfaqja e rendit të atyre ndëratomike). Lëvizja e një elektroni në fushën e një potenciali të tillë rezulton të jetë në thelb kuantike. Për më tepër, për shkak të analogjisë formale, analiza e zgjidhjeve për ekuacionin përkatës të Shrodingerit dhe vetitë e vetë zgjidhjeve janë afër rastit të potencialit të zakonshëm 3-dimensional të Kulombit. Në veçanti, nëse një elektron nuk mund të depërtojë brenda emetuesit (për shkak të mungesës së gjendjeve të mëdha me energjinë përkatëse atje), atëherë PSI shkakton gjendje sipërfaqësore me një spektër të ngjashëm me Kulombin (gjendjet PSI). Nëse një elektron mund të largohet nga niveli si rezultat i një procesi ose një tjetër, por probabiliteti i kësaj ngjarje është i vogël (siç ndodh shpesh në realitet), atëherë gjendjet e sipërfaqes bëhen rezonante dhe nivelet e energjisë fitojnë një gjerësi të kufizuar. Elektrone të vendosura në një spektër të vazhdueshëm, duke lëvizur mbi potencialin. mirë, ata "ndjejnë" praninë në të të një niveli të një gjendjeje të lidhur me një energji lidhëse që është e vogël në krahasim me thellësinë e pusit, nëse energjia e tyre është e vogël (e krahasueshme me thellësinë e nivelit). Në këtë rast, për shkak të efekteve të reflektimit të shumëfishtë mbi barrierë, elektroni mund të kapet në mënyrë efektive në rajonin e veprimit të potencialit dhe shpërndarja fiton një karakter rezonant. Ky fenomen çon në lëkundje rezonante në varësi të koeficientit. reflektimet nga jashtë fusha. Probabiliteti që një elektron të lëvizë nga brenda një trupi të ngurtë në sipërfaqen e tij për të hyrë në vakum lidhet me koeficientin. reflektimi nga relacionet e unitaritetit, të cilat janë një analog kuantik i parimit të ekuilibrit të detajuar dhe sigurojnë ligjin e ruajtjes së numrit të grimcave. Prandaj, në varësinë në terren të T.e aktuale. vërehen gjithashtu të dobëta (por ende të dukshme). Në kufirin e fushave të dobëta, vlera r dhe varësia r nga energjia përcaktohen dukshëm nga lloji i potencialit.

Nëse potenciali mjaft shpejt (më i shpejtë se z -2) tenton në asimptotik të tij. kuptimi, atëherë r priret drejt unitetit dhe probabiliteti që një elektron të largohet nga vakuumi bëhet zero sipas ligjit e | 1/2 pranë pragut të emetimit (p.sh | - një pjesë e energjisë së elektronit në lidhje me nivelin e vakumit, që korrespondon me lëvizjen e elektronit normal në sipërfaqe, me fjalë të tjera, përbërësi normal i energjisë totale të elektronit). Në rastin e potencialeve që ndryshojnë ngadalë me z, që përfshin PSI, prania e tyre nuk shton vlerë. veçoritë në energji. varësia r afër nivelit të vakumit. Prandaj, vlera (1- r) nga f-ly (*) në ​​shumicën e rasteve rezulton të jetë jo shumë i vogël. Vetëm në rastet kur emetimi ndodh në një mjedis me një gjatësi të vogël karakteristike të skanimit të fushës, që nuk tejkalon<= 100 (обычных для области действия ПСИ), r rezulton të jetë afër unitetit.

Emetimi termionik nga gjysmëpërçuesit. F-la (*) është gjithashtu i zbatueshëm për të përshkruar T. e. nga gjysmëpërçuesit. Megjithatë, ndikimi i temperaturës, elektrike fushat, papastërtitë në emetues, etj. në rrymën e emetimit dhe në vlerat e F dhe A në këtë rast është dukshëm i ndryshëm në krahasim me metalet. Dallimet janë për shkak të përqendrimit të ulët të elektroneve të përcjelljes dhe pranisë së gjendjeve elektronike të lokalizuara sipërfaqësore që ndikojnë në vendndodhjen e nivelit Fermi në sipërfaqen e gjysmëpërçuesit, deri në "fiksimin" e tij në një pikë të caktuar të hendekut të brezit (shih Fik. Gjendjet sipërfaqësore, Sipërfaqja). Në këtë rast, në sipërfaqen e gjysmëpërçuesit dhe F janë pothuajse (me një saktësi prej ~ 0,1 eV) të pavarura nga vëllimi (d.m.th., lloji dhe përqendrimi i dopantit). Një fiksim i tillë shoqërohet me gjendje sipërfaqësore me përqendrime mjaft të larta (>=10 12 cm -2), të shkaktuara kryesisht nga të tyret. defekte kristalore që lindin kur një gjysmëpërçues ekspozohet ndaj dekompozimit. ext. faktorë të tillë si adsorbimi, mekanik, termik. përpunimi etj.Në këtë rast natyra e T. e. të ngjashme me T. e. nga metalet.

Në sipërfaqe gjysmëpërçuese mjaft të pastra dhe të përsosura, dendësia e gjendjeve të brendshme (të mbushura dhe të zbrazëta) të sipërfaqes në hendekun e brezit është e vogël dhe niveli i Fermit në sipërfaqe mund të lëvizë brenda hendekut të brezit, duke ndjekur pozicionin e tij në masë. Prandaj, kur ndryshon lloji dhe përqendrimi i papastërtive në vëllimin e gjysmëpërçuesit, F dhe rryma T ndryshojnë. Përveç kësaj, elektrike fusha në gjysmëpërçues të tillë nuk kontrollohet nga ngarkesat e gjendjeve sipërfaqësore dhe nuk depërton në emetues. thellësia, e cila çon në një ndryshim në F për shkak të përkuljes afër sipërfaqes së zonave dhe ngrohjes nga fusha.

Një situatë e ngjashme lind kur ext. fusha tejkalon një vlerë të mjaftueshme për të eliminuar ndikimin mbrojtës të gjendjeve të sipërfaqes. Për këto arsye, përzgjedhja e rrymës së emetimit nga gjysmëpërçuesit (në krahasim me metalet, ku këto efekte janë zakonisht të vogla) mund të çojë në shkelje e termodinamikës ekuilibër. Një situatë e veçantë lind kur emetimi nga sistemet negative. afiniteti i elektroneve (shih Emetimi i fotoelektronit), në të cilën natyra jo ekuilibër e proceseve të emetimit (përfshirë T. e.) është për shkak të veçorive fillestare të energjisë sipërfaqësore. strukturat e emetuesve.

Ndikimi i heterogjeniteteve. Sipërfaqja e shumicës së emetuesve është johomogjene mbi të ka "njolla" me funksione të ndryshme pune. Df dhe elektrike shfaqen midis tyre. fushat (fushat me pika) të ~Df/ R(ku R- madhësia karakteristike e heterogjeniteteve). Këto fusha krijojnë shtesë. potencial barrierat për elektronet e emetuara, gjë që çon në një varësi më të fortë të rrymës nga tensioni i anodës (efekti anomal Schottky), dhe gjithashtu rrit varësinë e rrymës nga T. Meqenëse madhësitë e inhomogjeniteteve zakonisht nuk janë të vogla, >> 100, dhe diferenca e mundshme midis pikave fqinje është ~0.1 - 1 eV, vlerat tipike të fushës së njollave nuk janë të mëdha (~10 4 V/cm ose më pak) dhe kërkojnë “hapje” relativisht të vogël (krahasuar me rastin e efektit normal Schottky) ext. fusha, e cila është përgjegjëse për madhësinë (anomalinë) e madhe të efektit në rastin e sipërfaqeve johomogjene.

Nëse sipërfaqja është shumë johomogjene, kështu që madhësitë e pikave aktive të emetimit r janë shumë më të vogla se distancat ndërmjet tyre, atëherë potenciali f është i ndarë. njollat ​​në largësi r prej tij mund të paraqiten si një shumë e termave dipol, katërpolësh etj. Në veçanti, varësia e fushës së pikës nga distanca në sipërfaqen z mbi qendrën e pikës në këtë rast është afër një ligji të fuqisë. Kjo rrethanë e fundit (në analogji të plotë me efektin normal Schottky) çon në një ligj të fuqisë ose afër saj varësinë e madhësisë së reduktimit të potencialit. barrierë mbi qendrën e pikës Df nga jashtë. fusha E(p.sh. në rastin e një potenciali të pastër dipoli f~z -2 dhe Df~ E 2/3). Në kushte reale, varësia e potencialit nga koordinatat është më komplekse, por cilësisht faktorët që përcaktojnë llojin e varësisë së fushës së rrymës në kushtet e efektit anomal Schottky mbeten të njëjtë. Për më tepër, ka gjithmonë një shpërndarje në vlerat e parametrave të inhomogjenitetit, dhe në disa raste (për shembull, për emetuesit e përgatitur nga pluhurat e imta) hierarkia e madhësisë mund të jetë shumë e pasur (nga 100 në 10-100 mikronë). Në këtë rast, me rritjen e fushës, fushat e njollave hapen në mënyrë alternative, gjë që zgjeron ndjeshëm gamën e fushës së manifestimit të efektit anomal Schottky.

Llojet e emetuesve termik. Në numrin e shumicës i njohur eff. emetuesit përfshijnë oksidet e tokës alkaline, tokës së rrallë dhe elementë të tjerë, të përdorur zakonisht në formën e përzierjeve me aditivë të ndryshëm (në varësi të qëllimit të katodës) (shih. Katoda termionike). Më e njohura është një katodë e bazuar në një përzierje të oksideve Ba, Ca dhe Sr - një katodë oksidi. Duke qenë komponime me një lidhje jonike të theksuar, oksidet kanë një<= 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.

Katoda termionike përdoren në shumë pajisje elektrike me vakum dhe shkarkim gazi, në kërkimin shkencor. dhe teknologjisë. instalimet.

Lit.: Fomenko V.S., Vetitë e emetimit të materialeve, botimi i 4-të, K., 1981; Dobretsov L. N., Gomoyunova M. V., Emission Electronics, M., 1966; Katoda termionike, M.-L., 1966. S. G. Dmitriev.

Varësisht nga mënyra se si energjia u jepet elektroneve, dallohen llojet e emetimit të elektroneve. Nëse elektronet fitojnë energji nga energjia termike e një trupi ndërsa temperatura e tij rritet, mund të flasim për emetim termionik. Për të vëzhguar emetimin termionik, mund të përdorni një llambë të zbrazët që përmban dy elektroda: një katodë e ngrohur nga rryma dhe një elektrodë të ftohtë që mbledh elektronet termionike - anoda. Llambat e tilla quhen dioda vakum. Rryma në këtë qark shfaqet vetëm nëse poli pozitiv i baterisë është i lidhur me anodën, dhe poli negativ me katodën. Kjo konfirmon që katoda lëshon grimca negative, elektrone. Fuqia e rrymës termionike në diodë varet nga madhësia e potencialit të anodës në raport me katodën. Kurba që përshkruan varësinë e rrymës në diodë nga tensioni i anodës quhet karakteristika e tensionit aktual. Kur potenciali i anodës është zero, forca aktuale është e vogël, e përcaktuar vetëm nga elektronet termionike më të shpejta të afta për të arritur në anodë. Me rritjen e potencialit pozitiv të anodës, rryma rritet dhe më pas arrin ngopjen, d.m.th. pothuajse pushon së varuri nga tensioni i anodës. Me rritjen e temperaturës së katodës, rritet edhe vlera aktuale në të cilën arrihet ngopja. Në të njëjtën kohë, tensioni i anodës në të cilin vendoset rryma e ngopjes gjithashtu rritet. Kështu, karakteristika aktuale e tensionit të diodës rezulton të jetë jolineare, d.m.th. Ligji i Ohmit nuk zbatohet. Kjo shpjegohet me faktin se gjatë emetimit termionik krijohet një densitet elektron mjaft i lartë në sipërfaqen e katodës. Ata krijojnë një ngarkesë të përgjithshme negative dhe elektronet e emetuara me shpejtësi të ulët nuk mund t'i shpëtojnë. Me rritjen e tensionit të anodës, përqendrimi i elektroneve në renë e ngarkesës hapësinore zvogëlohet. Prandaj, efekti i frenimit të ngarkesës hapësinore bëhet më i vogël, dhe rryma e anodës rritet më shpejt sesa në varësi të drejtpërdrejtë nga tensioni i anodës. Me rritjen e tensionit të anodës, më shumë elektrone të emetuara nga katoda thithen drejt anodës. Në një vlerë të caktuar, të gjitha elektronet e emetuara nga katoda për njësi të kohës arrijnë në anodë. Një rritje e mëtejshme e tensionit të anodës nuk mund të rrisë fuqinë e rrymës së anodës, pasi arrihet ngopja. Rryma maksimale termionike e mundshme në një temperaturë të caktuar të katodës quhet rryma e ngopjes. Me rritjen e temperaturës, shpejtësia e lëvizjes kaotike të elektroneve në metal rritet. Në këtë rast, numri i elektroneve që mund të largohen nga metali rritet ndjeshëm. Dendësia e rrymës së ngopjes, d.m.th. Forca e rrymës së ngopjes për njësi të sipërfaqes së katodës S llogaritet duke përdorur formulën Richardson-Deshman: , ku është konstanta e emetimit, k është konstanta Boltzmann, =1,38 10-23 J/K. Dendësia e rrymës së ngopjes karakterizon emetueshmërinë e katodës, e cila varet nga natyra e katodës dhe temperatura e saj.