Elektronu un jonu emisija ir lādētu daļiņu izdalīšanās, kas notiek pie cieta ķermeņa robežas ar vakuumu vai gāzi, kad emitents tiek pakļauts termiskai karsēšanai, gaismas starojumam, elektronu vai jonu bombardēšanai, pastāvīgai vai augstfrekvences elektriskajai elektrībai. lauks utt.

Par elektronu emisiju vakuumā no sakarsēta ķermeņa sauc fenomenu termiskā emisija.

Noskaidrots, ka plkst T = 0 no kristāla nevar izdalīties elektroni, jo pat ātrāko elektronu enerģija nav pietiekama, lai pārvarētu potenciālo barjeru pie tā robežas.

Cietu vielu karsējot, palielinās kristāla režģa atomu vibrāciju amplitūdas. Temperatūrai paaugstinoties, arvien lielāks skaits elektronu (2.10. att.) iegūst enerģiju, kas ir pietiekama, lai ar vakuumu pārvarētu potenciālo barjeru pie cieta ķermeņa robežas.

Ja katrs kubikmetrs metāla satur dn u , u,u brīvie elektroni ar ātruma komponentēm no u x pirms tam u x + du x, no tu y pirms tam u y + +du y un no u z pirms tam u z + du z, (kur u x ir ātruma komponents virzienā, kas ir perpendikulārs ķermeņa virsmai), tad šādu elektronu plūsma, kas nāk uz virsmu, ir vienāda ar

Tikai elektroni ar ātruma komponenti virzienā X pietiekami, lai pārvarētu potenciālo barjeru, t.i.

Lai noteiktu elektronu skaitu, kas noteiktā temperatūrā atstāj 1 m 2 no metāla virsmas laika vienībā, ir nepieciešams formulā aizstāt elektronu ātruma sadalījuma funkciju metālā un integrēt iegūto izteiksmi.

Saskaņā ar kvantu mehānisko teoriju ne visi elektroni nonāk vakuumā, pastāv iespēja, ka tie atspīd no potenciālās barjeras. Tāpēc tiek ieviests barjeras D caurspīdīguma jēdziens.

Ričardsona-Deshmana vienādojums nosaka termiskās emisijas strāvas blīvumu:

kur ir universāla konstante un nav atkarīga no emitētāja veida.

Fermi enerģiju nosaka sakarība Ir redzams, ka pirmajā tuvinājumā tā nav atkarīga no temperatūras un tāpēc to var aizstāt ar efektīvā darba funkciju, tad

kur ir darba funkcija, kas izteikta džoulos.

Ričardsona-Deshmana vienādojums parāda, ka strāvas blīvums, kas rodas termiskās emisijas no metāla virsmas, ir atkarīgs no temperatūras un materiāla efektīvās darba funkcijas.

Termioniskās strāvas blīvuma noteikšanas vienādojums ir piemērojams ne tikai metāla, bet arī jebkura veida pusvadītāju katodiem. Tomēr specifika slēpjas apstāklī, ka, ja Fermi līmeņa stāvokli metālos varētu uzskatīt, pirmajā tuvinājumā par neatkarīgu no temperatūras un ņemt vērā j eff. kā dotā materiāla konstante, tad Fermi līmeņa pozīcija piemaisījumu pusvadītājos ir atkarīga no temperatūras. Izejas darba temperatūras koeficients ( a) metāliem tika noteikts kā êa½ ~ 10–5. un pusvadītāji a ~ 10–4. Ņemot vērā, ka tiek ietekmēts koeficients liels skaits faktoriem, un tam nav precīzas definīcijas, kas dod nenozīmīgu daļu siltuma emisijas strāvas blīvuma noteikšanā, mēs izmantosim Ričardsona-Dešmana formulu visu veidu termiskajiem katodiem.

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

Termiskās emisijas efekta nosaukumi

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

Termins "termiskā emisija" ietver fenomena būtību. Cilvēks, kurš ierauga lapā šo frāzi, uzreiz saprot, ka runa ir par elektronu termisko emisiju, tikai aizkulisēs paliek, ka metālos tas noteikti notiek. Bet tam ir definīcijas, lai atklātu detaļas. Ārzemju zinātnē viņi ir ļoti skrupulozi attiecībā uz prioritāti un autortiesībām. Tāpēc zinātnieks, kurš spēja kaut ko salabot, iegūst nominālu parādību, un nabaga studentiem faktiski ir jāiegaumē atklājēju vārdi, nevis tikai efekta būtība.

Termioniskās emisijas definīcija

Termioniskās emisijas parādība ir tāda, ka elektroni izdalās 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

Metāliskās saites dēļ jebkura metāla virsmas tuvumā ir elektroni, kuriem ir pietiekami daudz spēka, lai pārvarētu potenciālās izejas barjeru. Taču vienas un tās pašas enerģijas izplatības dēļ viena daļiņa tik tikko atraujas no kristāla struktūras, bet otra izlido un pārvar kādu 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

Attiecībām 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 spēj atrasties 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 atrasties zemākais stāvoklis tajā pašā laikā. Tas nozīmē, ka noteiktos apstākļos (plānā folija) ļoti reti elektrons izplūst no metāla pat ļoti zemā temperatūrā. Tādējādi vērtību, kas ir tuvu absolūtajai nullei, var uzskatīt par termiskās emisijas temperatūras apakšējo robežu.

Temperatūras skalas otrā pusē ir metāla kušana. 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 kristāliskās 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 metāla kušanas temperatūra kļūst par šī efekta augšējo robežu.

Termioniskā emisija vakuuma apstākļos

Viss iepriekš minētais attiecas uz parādību vidē (piemēram, gaisā vai inertā gāzē). Tagad pievērsīsimies jautājumam par to, kas ir termoemisija vakuumā. Lai to izdarītu, mēs aprakstam vienkāršāko ierīci. Kolbā, no kuras izvadīts gaiss, tiek ievietots plāns metāla stienis, kuram pievienots strāvas avota negatīvais pols. Ņemiet vērā, ka materiāls ir jākausē pietiekami augstā temperatūrā, lai eksperimenta laikā nezaudētu kristāla struktūru. Šādi iegūto katodu ieskauj cita metāla cilindrs un ar to ir savienots pozitīvais pols. Protams, anods atrodas arī traukā, kas piepildīts ar vakuumu. Kad ķēde ir aizvērta, mēs iegūstam termisko emisijas strāvu.

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

Termioniskās emisijas formula

Šīs ir īpašības, kas piemīt termiskajai emisijai. Formula ir diezgan sarežģīta, tāpēc mēs to šeit neparādīsim. Turklāt to ir viegli atrast jebkurā uzziņu grāmatā. Parasti nav formulas termioniskajai 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 pamatā ir šāds efekts.

Jau tika atzīmēts, ka, šķērsojot saskarni starp vadītāju un vakuumu, elektriskā lauka stiprums un indukcija strauji mainās. Ar to ir saistītas īpašas parādības. Elektrons ir brīvs tikai metāla robežās. Tiklīdz tas mēģina šķērsot “metāla-vakuuma” robežu, starp elektronu un uz virsmas izveidoto pozitīvo lādiņu pārpalikumu rodas Kulona pievilkšanās spēks (6.1. att.).

Virsmas tuvumā veidojas elektronu mākonis, un saskarnē veidojas dubults elektriskais slānis ar potenciālu starpību (). Potenciālie lēcieni pie metāla robežas ir parādīti 6.2. attēlā.

Metāla aizņemtajā tilpumā veidojas potenciālās enerģijas aka, jo metālā elektroni ir brīvi, un to mijiedarbības enerģija ar režģa vietām ir nulle. Ārpus metāla elektrons iegūst enerģiju W 0 . Tā ir pievilkšanās enerģija.Lai izietu no metāla, elektronam jāpārvar potenciālā barjera un jāveic darbs.

(6.1.1)

Šo darbu sauc elektrona darba funkcija no metāla . Lai to pabeigtu, elektronam jāpiegādā pietiekami daudz enerģijas

Termiskā emisija

Darba funkcijas vērtība ir atkarīga no vielas ķīmiskās dabas, no tās termodinamiskā stāvokļa un no saskarnes stāvokļa. Ja karsējot elektroniem tiek nodota enerģija, kas ir pietiekama darba funkcijas veikšanai, tad sauc procesu, kurā elektroni izplūst no metāla termiskā emisija .

Klasiskajā termodinamikā metāls tiek attēlots kā jonu režģis, kas satur elektronu gāzi. Tiek uzskatīts, ka brīvo elektronu kopiena pakļaujas ideālās gāzes likumiem. Tāpēc saskaņā ar Maksvela sadalījumu pie temperatūras, kas nav 0 K, metālā ir noteikts skaits elektronu, kuru siltumenerģija ir lielāka par darba funkciju. Šie elektroni atstāj metālu. Ja temperatūra tiek paaugstināta, tad palielinās arī šādu elektronu skaits.

Tiek saukta parādība, ka uzkarsēti ķermeņi (emiteri) izdala elektronus vakuumā vai citā vidē. termiskā emisija . Sildīšana nepieciešama, lai elektrona termiskās kustības enerģija būtu pietiekama, lai pārvarētu Kulona pievilkšanās spēkus starp negatīvi lādētu elektronu un tā inducēto pozitīvo lādiņu uz metāla virsmas, noņemot no virsmas (6.1. att.). Turklāt pietiekami augstā temperatūrā virs metāla virsmas veidojas negatīvi lādētu elektronu mākonis, kas neļauj elektronam no metāla virsmas izkļūt vakuumā. Šie divi un, iespējams, citi faktori nosaka elektrona darba funkciju no metāla.

Termioniskās emisijas fenomenu 1883. gadā atklāja slavenais amerikāņu izgudrotājs Edisons. Šo parādību viņš novēroja vakuuma lampā ar diviem elektrodiem - anodu ar pozitīvu potenciālu un katodu ar negatīvu potenciālu. Lampas katods var būt kvēldiegs, kas izgatavots no ugunsizturīga metāla (volframa, molibdēna, tantala u.c.), ko silda ar elektrisko strāvu (6.3. att.). Šādu lampu sauc par vakuuma diodi. Ja katods ir auksts, tad katoda-anoda ķēdē praktiski nav strāvas. Palielinoties katoda temperatūrai katoda-anoda ķēdē, parādās elektriskā strāva, kas ir lielāka, jo augstāka ir katoda temperatūra. Pie nemainīgas katoda temperatūras strāva katoda-anoda ķēdē palielinās, palielinoties potenciālu starpībai U starp katodu un anodu un iet uz kādu stacionāru vērtību, ko sauc piesātinājuma strāva es n. Kurā visi katoda izstarotie termoelektroni sasniedz anodu. Anoda strāva nav proporcionāla U, un tāpēc Oma likums neattiecas uz vakuuma diodēm.

6.3. attēlā parādīta vakuuma diodes ķēde un strāvas-sprieguma raksturlielumi (CV) Es a(U a). Šeit U h - bremzējošais spriegums, pie kura es = 0.

Aukstā un sprādzienbīstama emisija

Tiek saukta elektroniskā emisija, ko izraisa elektriskā lauka spēku iedarbība uz brīvajiem elektroniem metālā aukstā emisija vai autoelektronika . Šim nolūkam lauka intensitātei jābūt pietiekamai un nosacījumam ir jābūt izpildītam

(6.1.2)

Šeit d ir elektriskā dubultā slāņa biezums multivides saskarnē. Parasti tīriem metāliem un Tomēr praksē aukstuma emisija tiek novērota pie kārtības stipruma, un šī neatbilstība ir saistīta ar klasisko jēdzienu nekonsekvenci procesu aprakstīšanai mikrolīmenī.

Lauka emisiju var novērot labi evakuētā vakuuma caurulē, kuras katods ir uzgalis, bet anods ir parasts elektrods ar plakanu vai nedaudz izliektu virsmu. Elektriskā lauka stiprums uz gala virsmas ar izliekuma rādiusu r un potenciāls U attiecībā pret anodu ir

Pie un , kas novedīs pie vājas strāvas parādīšanās lauka emisijas dēļ no katoda virsmas. Emisijas strāvas stiprums strauji palielinās, palielinoties potenciālu starpībai U. Šajā gadījumā katods nav īpaši karsēts, un tāpēc emisiju sauc par aukstu.

Ar lauka emisijas palīdzību būtībā ir iespējams iegūt strāvas blīvumu bet tam ir nepieciešami izstarotāji liela skaita uzgaļu komplekta veidā, pēc formas identiski (6.4. att.), kas praktiski nav iespējams, un turklāt strāvas palielināšana līdz 10 8 A / cm 2 noved pie sprādzienbīstamības. uzgaļu un visa emitētāja iznīcināšana.

AEE strāvas blīvums kosmosa lādiņa ietekmē ir (Childe-Langmuir likums)

Kur ir proporcionalitātes koeficients, ko nosaka katoda ģeometrija un materiāls.

Vienkārši sakot, Čailda-Langmuira likums parāda, ka strāvas blīvums ir proporcionāls (trīs sekunžu likums).

Lauka emisijas strāva pie enerģijas koncentrācijas katoda mikrotilpumos līdz 10 4 J×m–1 un vairāk (ar kopējo enerģiju 10 -8 J) var izraisīt kvalitatīvi atšķirīgu emisijas veidu, jo mikropunktu eksplozija uz katoda (6.4. att.).

Šajā gadījumā parādās elektronu strāva, kas par lieluma kārtām pārsniedz sākotnējo strāvu - novērotā sprādzienbīstama elektronu emisija (WEE). EEE atklāja un pētīja Tomskas Politehniskajā institūtā 1966. gadā darbinieku komanda, kuru vadīja G.A. Mēneši.

EEE ir vienīgais elektronu emisijas veids, kas ļauj iegūt elektronu plūsmas ar jaudu līdz 10 13 W ar strāvas blīvumu līdz 10 9 A/cm 2 .

	Rīsi. 6.4	Rīsi. 6.5

EEE strāva pēc struktūras ir neparasta. Tas sastāv no atsevišķām elektronu daļām 10 11 ¸ 10 12 gabaliem, kam ir elektronu lavīnu raksturs, ko sauc ektoni(sākuma burti " sprādzienbīstams centrs”) (6.5. att.). Lavīnu veidošanās laiks 10 -9 ¸ 10 -8 s.

Elektronu parādīšanos ektonā izraisa katoda mikrosekciju strauja pārkaršana, un tā būtībā ir sava veida termiskā emisija. Ektona esamība izpaužas kā krātera veidošanās uz katoda virsmas. Elektronu emisijas pārtraukšana ektonā ir saistīta ar emisijas zonas atdzišanu siltumvadītspējas dēļ, strāvas blīvuma samazināšanos un atomu iztvaikošanu.

Sprādzienbīstamai elektronu emisijai un ektoniem ir fundamentāla loma vakuuma dzirkstelēs un lokos, zema spiediena izlādes, saspiestās un augstas stiprības gāzēs, mikrostarpās, t.i. kur uz katoda virsmas ir augsts elektriskais lauks.

Sprādzienbīstamas elektronu emisijas fenomens kalpoja par pamatu impulsu elektrofizikālo iekārtu, piemēram, augstas strāvas elektronu paātrinātāju, jaudīgu impulsu un rentgenstaru ierīču un jaudīgu relativistisku mikroviļņu ģeneratoru, izveidei. Piemēram, impulsu elektronu paātrinātāju jauda ir 10 13 W vai lielāka ar impulsa ilgumu 10 -10 ¸ 10 -6 s, elektronu strāvu 10 6 A un elektronu enerģiju 10 4 ¸ 10 7 eV. Šādus starus plaši izmanto plazmas fizikas, radiācijas fizikas un ķīmijas pētījumiem, gāzes lāzeru sūknēšanai u.c.

Fotoelektroniskā emisija

Fotoelektroniskā emisija (fotoelektriskais efekts) sastāv no elektronu "izsitīšanas" no metāla elektromagnētiskā starojuma ietekmē.

Instalācijas izkārtojums fotoelektriskā efekta un CVC izpētei ir līdzīgs attēlā redzamajam. 6.3. Šeit katoda sildīšanas vietā uz to tiek virzīta fotonu plūsma jeb γ-kvanti (6.6. att.).

Fotoelektriskā efekta likumi vēl vairāk neatbilst klasiskajai teorijai nekā aukstuma emisijas gadījumā. Šī iemesla dēļ, apspriežot kvantu jēdzienus optikā, mēs apsvērsim fotoelektriskā efekta teoriju.

Fiziskās ierīcēs, kas reģistrē γ - starojumu, tās izmanto fotopavairotāji (PMT). Ierīces shēma ir parādīta 6.7. attēlā.

Tas izmanto divus emisijas efektus: fotoelektriskais efekts Un sekundārā elektronu emisija, kas sastāv no elektronu izsitīšanas no metāla, bombardējot to ar citiem elektroniem. Elektronus izsit gaisma no fotokatoda ( FC). Paātrinot starp FC un pirmais emitētājs ( KS 1), viņi iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai izsistītu vairāk elektronu no nākamā emitētāja. Tādējādi elektronu pavairošana notiek, palielinoties to skaitam, secīgi pārejot potenciālajai starpībai starp blakus esošajiem emitētājiem. Pēdējo elektrodu sauc par kolektoru. Reģistrē strāvu starp pēdējo emitētāju un kolektoru. Tādējādi PMT kalpo kā strāvas pastiprinātājs, un pēdējais ir proporcionāls starojumam, kas krīt uz fotokatodu, ko izmanto radioaktivitātes novērtēšanai.

Termiskā emisija

Termiskā emisija (Ričardsona efekts, Edisona efekts) - karsētu ķermeņu elektronu emisijas parādība. Brīvo elektronu koncentrācija metālos ir diezgan augsta, tāpēc arī pie vidējās temperatūras, pateicoties elektronu sadalījumam pēc ātrumiem (enerģijas izteiksmē), dažiem elektroniem ir pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu potenciālo barjeru pie metāla robežas. Temperatūrai paaugstinoties, palielinās to elektronu skaits, kuru termiskās kustības kinētiskā enerģija ir lielāka par darba funkciju, un kļūst pamanāma termoemisijas parādība.

Termioniskās emisijas modeļu izpēti var veikt, izmantojot vienkāršāko divu elektrodu lampu - vakuuma diodi, kas ir evakuēts balons, kas satur divus elektrodus: katodu K un anodu A. Vienkāršākajā gadījumā katods ir kvēldiegs. no ugunsizturīga metāla (piemēram, volframa), ko silda ar elektrisko strāvu. Anods visbiežāk ir metāla cilindra formā, kas ieskauj katodu. Ja diode ir iekļauta ķēdē, tad, kad katods tiek uzkarsēts un anodam tiek pievienots pozitīvs spriegums (attiecībā pret katodu), diodes anoda ķēdē parādās strāva. Ja akumulatora polaritāte ir mainīta, strāva apstājas neatkarīgi no tā, cik spēcīgi katods tiek uzkarsēts. Līdz ar to katods izstaro negatīvas daļiņas – elektronus.

Ja uzkarsētā katoda temperatūra tiek uzturēta nemainīga un tiek noņemta anoda strāvas atkarība no anoda sprieguma - strāvas-sprieguma raksturlielums, tad izrādās, ka tas nav lineārs, tas ir, Ohma likums neizpildās a. vakuuma diode. Termioniskās strāvas atkarība no anoda sprieguma nelielu pozitīvo vērtību apgabalā ir aprakstīta ar trīs sekunžu likumu (ko izveidoja krievu fiziķis S. A. Boguslavskis (1883-1923) un amerikāņu fiziķis I. Langmuirs (1881). -1957)): , kur B ir koeficients atkarībā no elektrodu formas un izmēra, kā arī to relatīvā stāvokļa.

Palielinoties anoda spriegumam, strāva palielinās līdz noteiktai maksimālajai vērtībai, ko sauc par piesātinājuma strāvu. Tas nozīmē, ka gandrīz visi elektroni, kas atstāj katodu, sasniedz anodu, tāpēc turpmāka lauka intensitātes palielināšanās nevar izraisīt termioniskās strāvas palielināšanos. Tāpēc piesātinājuma strāvas blīvums raksturo katoda materiāla emisijas spēju. Piesātinājuma strāvas blīvumu nosaka pēc Ričardsona - Dešmana formulas, kas teorētiski iegūta, pamatojoties uz kvantu statistiku: acīmredzot virsmas efektu dēļ). Darba funkcijas samazināšanās izraisa strauju piesātinājuma strāvas blīvuma palielināšanos. Tāpēc tiek izmantoti oksīda katodi (piemēram, niķelis, kas pārklāts ar sārmzemju metālu oksīdu), kuru darba funkcija ir 1–1,5 eV.

Daudzu vakuuma elektronisko ierīču darbība ir balstīta uz termoizstarošanas fenomenu.

Literatūra

• Fizikas kurss Trofimova T.I.

Wikimedia fonds. 2010 .

• Kūrija Mūrija
• plūdmaiņu spēkstacija

Skatiet, kas ir "Thermionic Emission" citās vārdnīcās:

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- karsētu ķermeņu (emitāru) elektronu emisija vakuumā vai citā vidē. No ķermeņa var iziet tikai tie elektroni, kuru enerģija ir lielāka par elektrona enerģiju, kas atrodas ārpus emitētāja (sk. Darba funkciju). Šādu elektronu skaits (parasti tie ir elektroni ... Fiziskā enciklopēdija

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- karsētu ķermeņu (emitāru) elektronu emisija vakuumā vai citā vidē. Ķermeni var atstāt tikai tie elektroni, kuru enerģija ir lielāka par ārpus ķermeņa esošā elektrona enerģiju (sk. IZIEŠANAS DARBS). Šādu elektronu skaits termodinamiskos apstākļos. līdzsvarā, ...... Fiziskā enciklopēdija

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- karsētu cietvielu vai šķidrumu elektronu emisija (emiteri). Termisko emisiju var uzskatīt par elektronu iztvaikošanu no emitētāja. Vairumā gadījumu termiskā emisija tiek novērota temperatūrā ... ... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

termiskā emisija- termiskā emisija; nozare termiskā emisija Elektronu emisija, ko izraisa tikai cieta vai šķidra ķermeņa termiskais stāvoklis (temperatūra), kas izstaro elektronus ... Politehnisko terminu skaidrojošā vārdnīca

termiskā emisija- Elektroniskā emisija tikai elektroda temperatūras dēļ. [GOST 13820 77] Tēmas par elektrovakuuma ierīcēm ... Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA, ELEKTRONU "iztvaikošana" no vielas virsmas, kad tā tiek karsēta ... Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- karsētu ķermeņu (emitāru) elektronu emisija vakuumā vai citā vidē. Parādība tiek novērota temperatūrā, kas ir ievērojami augstāka par istabas temperatūru; šajā gadījumā daļa ķermeņa elektronu iegūst enerģiju, kas pārsniedz (miljoniem vienādu) darba funkciju ... ... Lielā Politehniskā enciklopēdija

termiskā emisija- karsētu cietvielu vai šķidrumu elektronu emisija (emiteri). Termisko emisiju var uzskatīt par elektronu iztvaikošanu to termiskās ierosmes laikā. Vairumā gadījumu termiskā emisija tiek novērota, kad ... ... enciklopēdiskā vārdnīca

Termiskā emisija- Ričardsona efekts, karsētu ķermeņu (cietvielu, retāk šķidrumu) elektronu emisija vakuumā vai dažādās vidēs. Pirmo reizi pētīja O. W. Richardson 1900. 1901. T. e. var uzskatīt par elektronu iztvaikošanas procesu ...... Lielā padomju enciklopēdija

TERMOELEKTRONISKĀ EMISIJA- elektronu emisija ar apsildāmu virsmu. Jau pirms 1750. gada bija zināms, ka sakarsētu cietvielu tuvumā gaiss zaudē savu ierasto īpašību būt sliktam elektrības vadītājam. Tomēr šīs parādības iemesls palika neskaidrs līdz 1880. gadiem. Skaitā…… Collier enciklopēdija

termiskā emisija- termoelektroninė emisijas statusas T joma chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: engl. termoelektroniskā emisija. termiskā emisija... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

Kontroles jautājumi .. 18

9. Laboratorijas darbs Nr.2. Termioniskās emisijas pētījums pie zema emisijas strāvas blīvuma . 18

Darba kārtība .. 19

Prasības ziņojumam . 19

Kontroles jautājumi .. 19

Ievads

Emisijas elektronika pēta parādības, kas saistītas ar elektronu emisiju (emisiju) no kondensētas vides. Elektroniskā emisija rodas, ja kāda ķermeņa elektronu daļa ārējās ietekmes rezultātā iegūst enerģiju, kas ir pietiekama, lai pārvarētu potenciāla barjeru tās robežās, vai ja ārējs elektriskais lauks padara to "caurspīdīgu" daļai elektronu. Atkarībā no ārējās ietekmes rakstura ir:

• termoemisija (ķermeņu sildīšana);
• sekundārā elektronu emisija (virsmas elektronu bombardēšana);
• jonu-elektronu emisija (virsmas bombardēšana ar joniem);
• fotoelektroniskā emisija (elektromagnētiskais starojums);
• eksoelektroniskā emisija (mehāniskā, termiskā un cita veida virsmas apstrāde);
• lauka emisija (ārējais elektriskais lauks) utt.

Visās parādībās, kurās ir jāņem vērā vai nu elektrona izeja no kristāla apkārtējā telpā, vai pāreja no viena kristāla uz otru, noteicošais kļūst raksturlielums, ko sauc par "Darba funkciju". Darba funkcija ir definēta kā minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai izdalītu elektronu no cietas vielas un novietotu to punktā, kur tā potenciālā enerģija parasti tiek uzskatīta par nulli. Papildus dažādu emisijas parādību aprakstam darba funkcijas jēdzienam ir liela nozīme, skaidrojot kontakta potenciālu starpības rašanos divu metālu, metāla ar pusvadītāju, divu pusvadītāju saskarē, kā arī galvaniskās parādības.

Vadlīnijas sastāv no divām daļām. Pirmajā daļā ir ietverta pamata teorētiskā informācija par emisijas parādībām cietās vielās. Galvenā uzmanība tiek pievērsta termoemisijas fenomenam. Otrajā daļā ir aprakstīti laboratorijas darbi, kas veltīti termoemisijas eksperimentālai izpētei, kontaktpotenciālu starpības un darba funkcijas sadalījuma pa parauga virsmu izpētei.

1. daļa. Teorētiskā pamatinformācija

1. Elektrona darba funkcija. Ietekme uz virsmas stāvokļa darba rezultātu

Fakts, ka elektroni tiek turēti cietās vielas iekšpusē, norāda, ka cietās vielas virsmas slānī rodas aizkavējošs lauks, kas neļauj elektroniem to atstāt apkārtējā vakuumā. Shematisks potenciālās barjeras attēlojums uz cieta ķermeņa robežas ir parādīts attēlā. 1. Lai izietu no kristāla, elektronam jāveic darbs, kas vienāds ar darba funkciju. Atšķirt termodinamiskā Un ārējā iziet no darba.

Termodinamiskā darba funkcija ir starpība starp nulles vakuuma līmeņa enerģiju un cietas vielas Fermi enerģiju.

Ārējā darba funkcija (jeb elektronu afinitāte) ir starpība starp nulles vakuuma līmeņa enerģiju un vadītspējas joslas dibena enerģiju (1. att.).

Rīsi. 1. Kristāla potenciāla forma U pa jonu izvietojuma līniju kristālā un kristāla virsmas tuvumā: jonu pozīcijas atzīmētas ar punktiem uz horizontālās līnijas; φ=- U /e ir darba funkcijas potenciāls; E F ir Fermi enerģija (negatīva); E Cir vadītspējas joslas dibena enerģija; WO ir termodinamiskā darba funkcija; Wa ir ārējā darba funkcija; ēnotajā zonā parasti tiek attēloti aizpildīti elektroniskie stāvokļi

Var norādīt divus galvenos iemeslus potenciālas barjeras parādīšanās saskarnē starp cietu ķermeni un vakuumu. Viens no tiem ir saistīts ar faktu, ka no kristāla izstarots elektrons inducē pozitīvu elektrisko lādiņu uz tā virsmas. Starp elektronu un kristāla virsmu rodas pievilcīgs spēks (elektriskā attēla spēks, sk. 5. sadaļas 12. att.), kam ir tendence atgriezt elektronu atpakaļ kristālā. Vēl viens iemesls ir saistīts ar faktu, ka elektroni termiskās kustības dēļ var šķērsot metāla virsmu un attālināties no tās nelielos attālumos (atomu secībā). Tie veido negatīvi lādētu slāni virs virsmas. Šajā gadījumā pēc elektronu atbrīvošanās uz kristāla virsmas veidojas pozitīvi uzlādēts jonu slānis. Rezultātā veidojas elektrisks dubultslānis. Tas nerada lauku kosmosā, bet tas prasa arī darbu, lai pārvarētu elektrisko lauku pašā dubultā slāņa iekšpusē.

Darba funkcijas vērtība lielākajai daļai metālu un pusvadītāju ir daži elektronu volti. Piemēram, litijam darba funkcija ir 2,38 eV, dzelzs - 4,31 eV, germānijam - 4,76 eV, silīcijam - 4,8 eV. Lielā mērā darba funkcijas vērtību nosaka monokristāla virsmas, no kuras notiek elektronu emisija, kristalogrāfiskā orientācija. Volframa plaknei (110) darba funkcija ir 5,3 eV; plaknēm (111) un (100) šīs vērtības ir attiecīgi 4,4 eV un 4,6 eV.

Darba funkciju lielā mērā ietekmē plāni slāņi, kas nogulsnēti uz kristāla virsmas. Atomi vai molekulas, kas nosēžas uz kristāla virsmas, bieži tam ziedo elektronu vai paņem no tā elektronu un kļūst par joniem. Uz att. 2 parādīta metāla un izolēta atoma enerģijas diagramma gadījumam, kad elektrona termodinamiskā darba funkcija no metāla W0 vairāk nekā jonizācijas enerģija E jons nogulsnējas uz tās atoma virsmas, Šajā situācijā atoma elektrons ir enerģētiski labvēlīgs tunelis metālā un nolaisties tajā līdz Fermi līmenim. Ar šādiem atomiem pārklāta metāla virsma ir negatīvi lādēta un veido dubultu elektrisko slāni ar pozitīvajiem joniem, kuru lauks samazinās metāla darba funkciju. Uz att. 3a attēlā parādīts volframa kristāls, kas pārklāts ar cēzija monoslāni. Šeit tiek realizēta iepriekš apspriestā situācija, jo enerģija E jons cēzija (3,9 eV) ir mazāka par volframa darba funkciju (4,5 eV). Eksperimentos darba funkcija samazinās vairāk nekā trīs reizes. Ja volframs ir pārklāts ar skābekļa atomiem, tiek novērota pretēja situācija (3.b att.). Tā kā skābeklī valences elektronu saite ir stiprāka nekā volframā, tad skābeklim adsorbējoties uz volframa virsmas, veidojas dubults elektriskais slānis, kas palielina metāla darba funkciju. Visbiežāk sastopams gadījums, kad atoms, kas nosēdies uz virsmas, pilnībā neatdod savu elektronu metālam vai pieņem papildu elektronu, bet deformē savu elektronu apvalku tā, ka uz virsmas adsorbētie atomi kļūst polarizēti un kļūst par elektriskiem dipoliem ( 3.c att.). Atkarībā no dipolu orientācijas metāla darba funkcija samazinās (dipolu orientācija atbilst 3.c att.) vai palielinās.

2. Termioniskās emisijas fenomens

Termiskā emisija ir viens no elektronu emisijas veidiem no cietas virsmas. Termioniskās emisijas gadījumā ārējā darbība ir saistīta ar cietas vielas sildīšanu.

Termioniskās emisijas fenomens ir uzkarsētu ķermeņu (emitoru) elektronu emisija vakuumā vai citā vidē.

Termodinamiskā līdzsvara apstākļos elektronu skaits n(E) kam enerģija ir diapazonā no E pirms tam E+d E, nosaka Fermi-Dirac statistika:

,(1)

Kur g(E) ir kvantu stāvokļu skaits, kas atbilst enerģijai E; E F ir Fermi enerģija; k ir Bolcmaņa konstante; T ir absolūtā temperatūra.

Uz att. 4 parāda metāla enerģijas shēmu un elektronu enerģijas sadalījuma līknes pie T\u003d 0 K, zemā temperatūrā T 1 un augstā temperatūrā T 2. Pie 0 K visu elektronu enerģija ir mazāka par Fermi enerģiju. Neviens no elektroniem nevar atstāt kristālu un netiek novērota termiskā emisija. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās termiski ierosināto elektronu skaits, kas var atstāt metālu, kas izraisa termiskās emisijas fenomenu. Uz att. 4 to ilustrē fakts, ka T=T 2 Sadales līknes "aste" pārsniedz potenciālās akas nulles līmeni. Tas norāda uz elektronu parādīšanos ar enerģiju, kas pārsniedz potenciālās barjeras augstumu.

Metāliem darba funkcija ir daži elektronu volti. Enerģija k T pat tūkstošiem kelvinu temperatūrā tā ir daļa no elektronvolta. Tīriem metāliem ievērojamu elektronu emisiju var iegūt 2000 K temperatūrā. Piemēram, tīrā volframā ievērojamu emisiju var iegūt 2500 K temperatūrā.

Termioniskās emisijas pētīšanai nepieciešams pie apsildāma ķermeņa virsmas (katoda) izveidot elektrisko lauku, kas paātrina elektronus to noņemšanai (iesūkšanai) no emitētāja virsmas. Elektriskā lauka iedarbībā izstarotie elektroni sāk kustēties un veidojas elektriskā strāva, ko sauc termiski. Termioniskās strāvas novērošanai parasti tiek izmantota vakuuma diode - elektronu lampa ar diviem elektrodiem. Lampas katods ir kvēldiegs, kas izgatavots no ugunsizturīga metāla (volframa, molibdēna utt.), ko silda ar elektrisko strāvu. Anods parasti ir metāla cilindra formā, kas ieskauj kvēlspuldžu katodu. Lai novērotu termisko strāvu, diode ir pievienota ķēdei, kas parādīta attēlā. 5. Ir acīmredzams, ka, palielinoties potenciālajai starpībai, jāpalielinās termioniskās strāvas stiprumam V starp anodu un katodu. Tomēr šis pieaugums nav proporcionāls V(6. att.). Sasniedzot noteiktu spriegumu, termiskās strāvas pieaugums praktiski apstājas. Termioniskās strāvas ierobežojošo vērtību noteiktā katoda temperatūrā sauc par piesātinājuma strāvu. Piesātinājuma strāvas vērtību nosaka termoelektronu skaits, kas laika vienībā spēj atstāt katoda virsmu. Šajā gadījumā visi elektroni, kas tiek piegādāti katoda termiskās emisijas rezultātā, tiek izmantoti elektriskās strāvas ģenerēšanai.

3. Termioniskās strāvas atkarība no temperatūras. Formula Ričardsons-Dešmanis

Aprēķinot termiskās strāvas blīvumu izmantosim elektronu gāzes modeli un pielietosim tai Fermi-Diraka statistika. Acīmredzot termioniskās strāvas blīvumu nosaka elektronu mākoņa blīvums kristāla virsmas tuvumā, ko apraksta ar formulu (1). Šajā formulā pāriesim no elektronu enerģijas sadalījuma uz elektronu impulsa sadalījumu. Tajā pašā laikā mēs ņemam vērā, ka pieļaujamās elektronu viļņu vektora vērtības k V k -vieta ir sadalīti vienmērīgi tā, lai katrai vērtībai k kontu 8.sējums lpp 3 (kristāla tilpumam, kas vienāds ar vienotību). Ņemot vērā, ka elektrona impulss p =ћ k iegūstam, ka kvantu stāvokļu skaits impulsa telpas tilpuma elementā dp xdpydpz būs vienāds ar

(2)

Divi formulas (2) skaitītājā ņem vērā divas iespējamās elektronu spina vērtības.

Novirzīsim asi z taisnstūra koordinātu sistēma, kas ir normāla pret katoda virsmu (7. att.). Atvēlēsim uz kristāla virsmas laukuma vienības laukumu un uz tā pamata uzbūvēsim taisnstūrveida paralēlskaldni ar sānu malu. vz =p z /m n(m n ir efektīvā elektronu masa). Elektroni veicina komponenta piesātinājuma strāvas blīvumu vz ass ātrums z. Viena elektrona ieguldījums strāvas blīvumā ir

(3)

Kur e ir elektrona lādiņš.

Elektronu skaits paralēlskaldņā, kuru ātrums ir ietverts aplūkotajā intervālā:

Lai kristāla režģis elektronu emisijas laikā nesabojātos, no kristāla jāiznāk nenozīmīgai elektronu daļai. Šim nolūkam, kā parāda (4) formula, nosacījums VIŅAF>> k T. Šādiem elektroniem vienību formulas (4) saucējā var neņemt vērā. Tad šī formula tiek pārveidota par formu

(5)

Tagad atrodiet elektronu skaitu dN izskatāmajā sējumā z- kura impulsa sastāvdaļa atrodas starp R z Un R z +dpz. Lai to izdarītu, iepriekšējā izteiksme ir jāintegrē R x Un R y diapazonā no –∞ līdz +∞. Integrējot jāņem vērā tas

,

un izmantojiet tabulas integrāli

,.

Rezultātā mēs iegūstam

.(6)

Tagad, ņemot vērā (3), mēs atrodam termioniskās strāvas blīvumu, ko rada visi paralēlskaldņa elektroni. Lai to izdarītu, izteiksme (6) jāintegrē visiem elektroniem, kuru kinētiskā enerģija ir Fermi līmenī E≥E F+W0.Tikai tādi elektroni var iziet no kristāla un tikai tiem ir nozīme termiskās strāvas aprēķināšanā. Šādu elektronu impulsa komponents pa asi Z jāapmierina nosacījums

.

Tāpēc piesātinājuma strāvas blīvums

Integrācija tiek veikta visām vērtībām. Mēs ieviešam jaunu integrācijas mainīgo

Tad p z dp z =m n du Un

.(8)

Rezultātā mēs iegūstam

,(9)

,(10)

kur ir konstante

.

Vienādību (10) sauc par formulu Ričardsons-Dešmanis. Mērot piesātinājuma termiskās strāvas blīvumu, ar šo formulu var aprēķināt konstanti A un darba funkciju W 0 . Eksperimentāliem aprēķiniem formula Ričardsons-Dešmanis ir ērti attēlot formā

Šajā gadījumā grafikā atkarība ln(js /T2) no 1 /T izteikta kā taisna līnija. Taisnes krustpunkts ar y asi aprēķina ln A , un darba funkciju nosaka pēc taisnes slīpuma (8. att.).

4. Kontaktu potenciālu starpība

Apsveriet procesus, kas notiek, kad tuvojas un saskaras divi elektroniskie vadītāji, piemēram, divi metāli ar dažādām darba funkcijām. Šo metālu enerģijas shēmas ir parādītas attēlā. 9. Ļaujiet EF1 Un EF2 ir Fermi enerģija attiecīgi pirmajam un otrajam metālam, un W01 Un W02 ir viņu darba funkcija. Izolētā stāvoklī metāliem ir vienāds vakuuma līmenis un līdz ar to arī dažādi Fermi līmeņi. Pieņemsim skaidrības labad, ka W01< W02, tad pirmā metāla Fermi līmenis būs augstāks nekā otrā (9.a att.). Kad šie metāli saskaras pret aizņemtajiem elektroniskajiem stāvokļiem metālā 1, ir brīvi enerģijas līmeņi metāls 2. Tāpēc, šiem vadītājiem saskaroties, rodas elektronu plūsma no vadītāja 1 uz vadītāju 2. Tas noved pie tā, ka pirmais vadītājs, zaudējot elektronus, ir pozitīvi uzlādēts, bet otrais vadītājs iegūst papildu negatīvs lādiņš ir negatīvi uzlādēts. Uzlādes dēļ visi metāla 1 enerģijas līmeņi tiek novirzīti uz leju, bet metāla 2 - uz augšu. Līmeņu maiņas process un elektronu pārejas process no 1. vadītāja uz 2. vadītāju turpināsies līdz abu vadītāju Fermi līmeņu izlīdzināšanai (9.b att.). Kā redzams no šī attēla, līdzsvara stāvoklis atbilst potenciālajai starpībai starp vadītāju 0 1 un 0 2 nulles līmeņiem:

.(11)

Iespējamā atšķirība V K.R.P sauca kontakta potenciāla atšķirība. Tāpēc kontaktpotenciālu starpību nosaka elektronu darba funkciju atšķirība no kontaktvadītājiem. Iegūtais rezultāts ir derīgs jebkurai elektronu apmaiņas metodei starp diviem materiāliem, ieskaitot termisko emisiju vakuumā, caur ārēju ķēdi utt. Līdzīgi rezultāti tiek iegūti, ja metāls saskaras ar pusvadītāju. Starp metāliem un pusvadītāju rodas kontakta potenciāla atšķirība, kas ir aptuveni tāda pati kā divu metālu kontakta gadījumā (apmēram 1 V). Vienīgā atšķirība ir tāda, ka, ja vadītājos visa kontakta potenciālu starpība krīt praktiski uz spraugu starp metāliem, tad metālam saskaroties ar pusvadītāju, visa kontakta potenciāla starpība krīt uz pusvadītāju, kurā veidojas pietiekami liels slānis, bagātināts. vai ir noplicināts elektronu skaits. Ja šis slānis ir noplicināts ar elektroniem (gadījumā, ja n-veida pusvadītāja darba funkcija ir mazāka par metāla darba funkciju), tad šāds slānis sauc par bloķēšanu un šādu pāreju būs iztaisnošanas īpašības. Tiek saukta potenciāla barjera, kas rodas metāla rektifikācijas kontaktā ar pusvadītāju Šotkija barjera, un diodes, kas darbojas uz tā pamata - Šotkija diodes.

Volts-ampērsraksturīgs karstajam katodam pie zema emisijas strāvas blīvuma. Šotkija efekts

Ja starp termisko katodu un diodes anodu (5. att.) izveido potenciālu starpību V, kas novērš elektronu kustību uz anodu, tad uz anodu var nokļūt tikai tie elektroni, kas izlidoja no katoda ar kinētiskās enerģijas rezervi, kas nav mazāka par elektrostatiskā lauka enerģiju starp anodu un katodu, t.i. –e V(V< 0). Lai to izdarītu, to enerģijai karstajā katodā jābūt vismaz W 0 -eV. Pēc tam aizstājot formulā Ričardsons-Dešmanis (10) W0 ieslēgts W 0 -eV, mēs iegūstam šādu termiskās emisijas strāvas blīvuma izteiksmi:

,(12)

Šeit j S ir piesātinājuma strāvas blīvums. Mēs logaritējam šo izteiksmi

.(13)

Ar pozitīvu potenciālu pie anoda visi elektroni, kas atstāj karsto katodu, pāriet uz anodu. Tāpēc strāvai ķēdē nevajadzētu mainīties, paliekot vienādai ar piesātinājuma strāvu. Tādējādi volts-ampērs termiskā katoda raksturlielumam (CVC) būs tāda forma, kā parādīts 1. 10 (līkne a).

Līdzīgs I–V raksturlielums novērojams tikai pie salīdzinoši zema emisijas strāvas blīvuma un lieliem pozitīvajiem potenciāliem pie anoda, kad emitējošās virsmas tuvumā nav ievērojama elektronu kosmosa lādiņa. Karstā katoda voltu ampēru raksturlielums, ņemot vērā telpas lādiņu, apskatīts Sec. 6.

Atzīmēsim vēl vienu svarīgu CVC iezīmi pie zema emisijas strāvas blīvuma. Secinājums, ka termiskā strāva sasniedz piesātinājumu plkst V=0 ir spēkā tikai gadījumā, ja katoda un anoda materiāliem ir vienāda termodinamiskā darba funkcija. Ja katoda un anoda darba funkcijas nav vienādas viena ar otru, tad starp anodu un katodu parādās kontakta potenciāla atšķirība. Šajā gadījumā pat tad, ja nav ārēja elektriskā lauka ( V=0) starp anodu un katodu rodas elektriskais lauks kontakta potenciālu starpības dēļ. Piemēram, ja W 0k< W 0а anods būs negatīvi uzlādēts attiecībā pret katodu. Lai iznīcinātu kontakta potenciāla starpību, anodam jāpiemēro pozitīva novirze. Tāpēc volts-ampērs karstā katoda raksturlielums tiek nobīdīts par kontaktpotenciāla starpības vērtību pozitīvā potenciāla virzienā (10. att., līkne b). Ar apgrieztu attiecību starp W 0k Un W 0а CVC nobīdes virziens ir pretējs (līkne c 10. att.).

Secinājums par piesātinājuma strāvas blīvuma neatkarību plkst V>0 ir ļoti idealizēts. Termioniskās emisijas reālajos I–V raksturlielumos tiek novērots neliels termiskās emisijas strāvas pieaugums, palielinoties V piesātinājuma režīmā, kas ir saistīts ar Šotkija efekts(11. att.).

Šotkija efekts ir elektronu darba funkcijas samazināšanās no cietām vielām ārējā paātrinātā elektriskā lauka iedarbībā.

Lai izskaidrotu Šotkija efektu, apsveriet spēkus, kas iedarbojas uz elektronu kristāla virsmas tuvumā. Saskaņā ar elektrostatiskās indukcijas likumu uz kristāla virsmas tiek inducēti pretējas zīmes virsmas lādiņi, kas nosaka elektrona mijiedarbību ar kristāla virsmu. Saskaņā ar elektrisko attēlu metodi reālu virsmas lādiņu darbība uz elektronu tiek aizstāta ar fiktīvu darbību. punkts pozitīvs maksas +e atrodas vienādā attālumā no kristāla virsmas kā elektrons, bet pretējā virsmas pusē (12. att.). Tad saskaņā ar Kulona likumu divu punktu lādiņu mijiedarbības spēks

,(14)

Šeit ε o- elektriskā konstante: X ir attālums starp elektronu un kristāla virsmu.

Elektrona potenciālā enerģija elektriskā attēla spēka laukā, ja to skaita no nulles vakuuma līmeņa, ir vienāda ar

.(15)

Elektrona potenciālā enerģija ārējā paātrinātā elektriskā laukā E

Elektrona kopējā potenciālā enerģija

.(17)

Attēlā parādīts grafisks elektrona kopējās enerģijas atradums, kas atrodas netālu no kristāla virsmas. 13, kas skaidri parāda elektrona darba funkcijas samazināšanos no kristāla. Kopējā elektrona potenciālās enerģijas līkne (cietā līkne 13. att.) punktā sasniedz maksimumu. x m:

.(18)

Šis punkts atrodas 10Å attālumā no virsmas ārējā lauka intensitātē » 3× 10 6 V/cm.

Punktā X m kopējā potenciālā enerģija, kas vienāda ar potenciālās barjeras samazinājumu (un līdz ar to arī darba funkcijas samazinājumu),

.(19)

Šotkija efekta rezultātā termiskās diodes strāva pie pozitīva sprieguma pie anoda palielinās, palielinoties anoda spriegumam. Šis efekts izpaužas ne tikai tad, kad elektroni tiek emitēti vakuumā, bet arī tad, kad tie pārvietojas pa metāla-pusvadītāja vai metāla-dielektrisko kontaktiem.

6. Strāvas vakuumā, ko ierobežo telpas lādiņš. Trīs sekunžu likums

Pie augsta termiskās emisijas strāvas blīvuma strāvas-sprieguma raksturlielumu būtiski ietekmē tilpuma negatīvais lādiņš, kas rodas starp katodu un anodu. Šis tilpuma negatīvais lādiņš neļauj elektroniem, kas izstaro no katoda, sasniegt anodu. Tādējādi anoda strāva ir mazāka par elektronu emisijas strāvu no katoda. Ja anodam tiek pielikts pozitīvs potenciāls, katoda papildu potenciāla barjera, ko rada kosmosa lādiņš, samazinās un anoda strāva palielinās. Šis ir kvalitatīvs priekšstats par telpas lādiņa ietekmi uz termiskās diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu. Teorētiski šo jautājumu Langmuirs pētīja 1913. gadā.

Izmantojot vairākus vienkāršojošus pieņēmumus, mēs aprēķinām termiskās diodes strāvas atkarību no ārējā potenciāla starpības, kas pielietota starp anodu un katodu, un atrodam lauka, potenciāla un elektronu koncentrācijas sadalījumu starp anodu un katodu, ņemot vērā kosmosa lādiņš.

Rīsi. 14. Līdz likuma "trīs sekundes" noslēgumam

Pieņemsim, ka diodes elektrodi ir plakani. Ar nelielu attālumu starp anodu un katodu d tos var uzskatīt par bezgala lieliem. Uz katoda virsmas novietojam koordinātu sākumpunktu un asi X virziet to perpendikulāri šai virsmai pret anodu (14. att.). Katoda temperatūra tiks uzturēta nemainīga un vienāda ar T. Elektrostatiskā lauka potenciāls j , kas atrodas telpā starp anodu un katodu, būs tikai vienas koordinātas funkcija X. Viņam jāapmierina Puasona vienādojums

,(20)

Šeit r ir tilpuma lādiņa blīvums; n ir elektronu koncentrācija; j , r Un n ir koordinātu funkcijas X.

Ņemot vērā, ka strāvas blīvums starp katodu un anodu

un elektrona ātrums v var noteikt pēc vienādojuma

Kur m ir elektrona masa, vienādojumu (20) var pārvērst formā

, .(21)

Šis vienādojums jāpapildina ar robežnosacījumiem

Šie robežnosacījumi izriet no fakta, ka potenciālajam un elektriskā lauka stiprumam katoda virsmā ir jāpazūd. Reizinot abas vienādojuma (21) puses ar dj /dx, saņemam

.(23)

Atsaucoties uz

(24a)

Un ,(24b)

mēs rakstām (23) kā

.(25)

Tagad mēs varam integrēt abas vienādojuma (25) daļas X diapazonā no 0 līdz šai vērtībai x, kurā ir potenciāls j . Tad, ņemot vērā robežnosacījumus (22), iegūstam

Integrējot abas (27) daļas X=0, j =0 līdz X=1, j= Va, saņemam

.(28)

Abas vienādības (28) puses kvadrātā un strāvas blīvuma izteikšana j no A saskaņā ar (21) mēs iegūstam

.(30)

Formulu (29) sauc par Langmuira "trīs sekunžu likumu".

Šis likums ir spēkā patvaļīgas formas elektrodiem. Skaitliskā koeficienta izteiksme ir atkarīga no elektrodu formas. Iepriekš iegūtās formulas ļauj aprēķināt potenciāla, elektriskā lauka intensitātes un elektronu blīvuma sadalījumu telpā starp katodu un anodu. Izteiksmes (26) integrācija robežās X=0 līdz vērtībai, kad potenciāls ir j , noved pie attiecībām

tie. potenciālās izmaiņas proporcionāli attālumam no katoda X 4/3 pakāpē. Atvasinājums dj/ dx raksturo elektriskā lauka intensitāti starp elektrodiem. Saskaņā ar (26) elektriskā lauka intensitātes lielums E ~X 19 . Visbeidzot, elektronu koncentrācija

(32)

un saskaņā ar (31) n(x)~ (1/x) 2/9 .

Atkarības j (X ), E(X) Un n(X) ir parādīti attēlā. 15. Ja X→0, tad koncentrācijai ir tendence uz bezgalību. Tas ir sekas tam, ka tiek ignorēti elektronu termiskie ātrumi katoda tuvumā. Reālā situācijā ar termisko emisiju elektroni atstāj katodu nevis ar nulles ātrumu, bet ar noteiktu ierobežotu emisijas ātrumu. Šajā gadījumā anoda strāva pastāvēs pat tad, ja katoda tuvumā ir neliels reversais elektriskais lauks. Līdz ar to tilpuma lādiņa blīvums var mainīties līdz tādām vērtībām, pie kurām potenciāls katoda tuvumā samazinās līdz negatīvām vērtībām (16. att.). Palielinoties anoda spriegumam, potenciālais minimums samazinās un tuvojas katodam (16. att. 1. un 2. līkne). Pie pietiekami augsta sprieguma pie anoda potenciālais minimums saplūst ar katodu, lauka stiprums pie katoda kļūst vienāds ar nulli un atkarība j (X) pieejas (29), kas aprēķinātas, neņemot vērā sākotnējos elektronu ātrumus (3. līkne 16. attēlā). Pie augsta anoda sprieguma telpas lādiņš tiek gandrīz pilnībā absorbēts, un potenciāls starp katodu un anodu mainās lineāri (4. līkne, 16. att.).

Tādējādi potenciālu sadalījums starpelektrodu telpā, ņemot vērā sākotnējos elektronu ātrumus, būtiski atšķiras no tā, kas ir idealizētā modeļa pamatā, atvasinot "trīs sekunžu" likumu. Tas noved pie anoda strāvas blīvuma izmaiņām un atkarības. Aprēķins, kurā ņemti vērā sākotnējie elektronu ātrumi potenciāla sadalījuma gadījumā, kas parādīts attēlā. 17, un cilindriskiem elektrodiem sniedz šādu atkarību no kopējās termiskās emisijas strāvas es (es=jS, Kur S ir termiskās strāvas šķērsgriezuma laukums):

.(33)

Iespējas x m Un Vm nosaka atkarībā no atkarības veida j (X), to nozīme ir skaidra no att. 17. Parametrs X m ir vienāds ar attālumu no katoda, kurā potenciāls sasniedz savu minimālo vērtību = Vm. Faktors C(x m), izņemot x m, ir atkarīgs no katoda un anoda rādiusiem. Vienādojums (33) ir spēkā nelielām anoda sprieguma izmaiņām, jo Un X m Un Vm, kā minēts iepriekš, ir atkarīgi no anoda sprieguma.

Tādējādi likums "trīs sekundes" nav universāls, tas ir spēkā tikai salīdzinoši šaurā spriegumu un strāvu diapazonā. Tomēr tas ir uzskatāms piemērs nelineārai sakarībai starp elektroniskās ierīces strāvu un spriegumu. Strāvas-sprieguma raksturlīknes nelinearitāte ir daudzu radio un elektrisko ķēžu elementu, tostarp cietvielu elektronikas elementu, vissvarīgākā iezīme.

2. daļa. Laboratorijas darbi

7. Eksperimentāls uzstādījums termioniskās emisijas pētīšanai

Laboratorijas darbi Nr.1 ​​un 2 tiek veikti uz vienas un tās pašas laboratorijas iekārtas, kas realizētas uz universāla laboratorijas stenda bāzes. Iestatīšanas diagramma ir parādīta attēlā. 18. Mērīšanas sekcijā atrodas vakuuma diode EL ar tiešas vai netiešas sildīšanas katodu. Kvēldiega "Kvēlspuldze", anoda "Anods" un katoda "Katods" kontakti tiek novadīti uz mērīšanas sekcijas priekšējo paneli. Siltuma avots ir stabilizēts līdzstrāvas avots, tips B5-44A. I ikona diagrammā norāda, ka avots darbojas pašreizējā stabilizācijas režīmā. Procedūra darbam ar līdzstrāvas avotu ir atrodama šīs ierīces tehniskajā aprakstā un lietošanas instrukcijā. Līdzīgi apraksti ir pieejami visiem elektriskajiem mērinstrumentiem, ko izmanto laboratorijas darbos. Anoda ķēde ietver stabilizētu līdzstrāvas avotu B5-45A un universālu digitālo voltmetru V7-21A, ko izmanto līdzstrāvas mērīšanas režīmā, lai mērītu termiskās diodes anoda strāvu. Lai izmērītu anoda spriegumu un katoda kvēldiega strāvu, varat izmantot strāvas avotā iebūvētās ierīces vai pievienot papildu RV7-32 voltmetru, lai precīzāk izmērītu katoda spriegumu.

Mērīšanas daļā var būt vakuuma diodes ar dažādiem darba katoda pavedieniem. Pie nominālās kvēldiega strāvas diode darbojas režīmā, kas ierobežo anoda strāvu ar telpas lādiņu. Šis režīms ir nepieciešams, lai pabeigtu 1. laboratoriju. Laboratorijas darbs Nr.2 tiek veikts pie samazinātām kvēldiega strāvām, kad telpas lādiņa ietekme ir nenozīmīga. Iestatot kvēldiega strāvu, jābūt īpaši uzmanīgiem, jo. kvēldiega strāvas pārsniegums pār tās nominālvērtību konkrētai elektronu caurulei izraisa katoda kvēldiega izdegšanu un diode nav kārtībā. Tāpēc, gatavojoties darbam, noteikti pārbaudiet pie skolotāja vai inženiera darbā izmantotās diodes svelmes darba strāvas vērtību, noteikti pierakstiet datus darba burtnīcā un izmantojiet tos, sastādot atskaiti. par laboratorijas darbiem.

8. Laboratorijas darbs Nr.1. Pētījums par kosmosa lādiņa ietekmi uz volts-ampērstermiskās strāvas raksturlielums

Darba mērķis: eksperimentāls pētījums par termoemisijas strāvas atkarību no anoda sprieguma, eksponenta noteikšana likumā "trīs sekundes".

Volts-ampērs Termioniskās emisijas strāvas raksturlielumu apraksta “trīs sekunžu” likums (sk. 6. nodaļu). Šis diodes darbības režīms notiek pie pietiekami lielām katoda kvēldiega strāvām. Parasti pie nominālās kvēldiega strāvas vakuuma diodes strāvu ierobežo telpas lādiņš.

Eksperimentālā iekārta šī laboratorijas darba veikšanai ir aprakstīta sadaļā. 7. Darbā ir jāņem diodes strāvas-sprieguma raksturlielums pie kvēldiega nominālās strāvas. Darba strāvas vērtība izmantotās vakuuma caurules skalā ir jāņem no skolotāja vai inženiera un jāpieraksta darba burtnīcā.

Darba kārtība

1. Iepazīstieties ar aprakstu un procedūru darbam ar ierīcēm, kas nepieciešamas eksperimentālās iekārtas darbībai. Samontējiet ķēdi saskaņā ar 18. attēlu. Instalāciju var pievienot tīklam tikai pēc tam, kad inženieris vai skolotājs ir pārbaudījis saliktās ķēdes pareizību.

2. Ieslēdziet katoda kvēldiega strāvas barošanas avotu un iestatiet nepieciešamo kvēldiega strāvu. Tā kā, mainoties kvēldiega strāvai, mainās kvēldiega temperatūra un pretestība, kas savukārt izraisa kvēldiega strāvas izmaiņas, regulēšana jāveic ar secīgu tuvinājumu metodi. Pēc regulēšanas beigām ir jāgaida aptuveni 5 minūtes, līdz kvēldiega strāva un katoda temperatūra stabilizējas.

3. Pievienojiet anoda ķēdei pastāvīgu sprieguma avotu un, mainot spriegumu pie anoda, ņemiet strāvas-sprieguma raksturlielumu punktu pa punktam. Ņemiet strāvas-sprieguma raksturlielumu diapazonā no 0 ... 25 V, ik pēc 0,5 ... 1 V.

Es a(Va), Kur Es a- anoda strāva, Va ir anoda spriegums.

5. Ja anoda sprieguma variācijas diapazonu ņem par mazu, tad vērtības x m, C(x,n) Un Vm, kas iekļauts formulā (33), var uzskatīt par nemainīgu. Brīvībā Va lielums Vm var atstāt novārtā. Rezultātā formula (33) tiek pārveidota formā (pēc pārejas no termiskās strāvas blīvuma j uz viņa pilna vērtība es)

6. No formulas (34) nosakiet vērtību AR trim maksimālajām anoda sprieguma vērtībām strāvas-sprieguma raksturlīknē. Aprēķināt iegūto vērtību vidējo aritmētisko. Aizvietojot šo vērtību formulā (33), nosakiet vērtību Vm trim minimālajiem anoda spriegumiem un aprēķina vidējo aritmētisko Vm.

7. Izmantojot saņemto vērtību Vm, gabals ln Es a no ln( Va+|Vm|). Nosakiet atkarības pakāpi pēc šī grafika leņķa pieskares Es a(V a + Vm). Tam vajadzētu būt tuvu 1,5.

8. Izsniegt aktu par darbu.

Prasības ziņojumam

5. Secinājumi par darbu.

Kontroles jautājumi

1. Kā sauc termoizstarošanas fenomenu? Definējiet elektrona darba funkciju. Kāda ir atšķirība starp termodinamisko un ārējo darba funkciju?

2. Izskaidrojiet potenciālās barjeras parādīšanās iemeslus cietvielu un vakuuma saskarnē.

3. Pamatojoties uz metāla enerģijas shēmu un elektronu enerģijas sadalījuma līkni, izskaidrojiet elektronu termisko emisiju no metāla.

4. Kādos apstākļos tiek novērota termiskā strāva? Kā var novērot termisko strāvu? Kā termiskās diodes strāva ir atkarīga no pielietotā elektriskā lauka?

5. Norādiet likumu Ričardsons-Dešmanis

6. Izskaidrojiet tilpuma negatīvā lādiņa ietekmes uz termiskās diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu kvalitatīvo ainu. Formulējiet Langmuira trīs sekunžu likumu.

7. Kādi ir potenciāla, elektriskā lauka stipruma un elektronu blīvuma sadalījumi telpā starp katodu un anodu pie strāvām, ko ierobežo telpas lādiņš?

8. Kāda ir termiskās emisijas strāvas atkarība no sprieguma starp anodu un katodu, ņemot vērā telpas lādiņu un sākotnējos elektronu ātrumus? Izskaidrojiet to parametru nozīmi, kas nosaka šo atkarību;

9. Izskaidrojiet eksperimentālās iekārtas izkārtojumu termioniskās emisijas pētīšanai. Izskaidrojiet atsevišķu ķēdes elementu mērķi.

10. Izskaidrojiet eksponenta eksperimentālās noteikšanas metodi "trīs sekunžu" likumā.

9. Laboratorijas darbs Nr.2. Termioniskās emisijas pētījums pie zema emisijas strāvas blīvuma

Darba mērķis: izpētīt termiskās diodes strāvas-sprieguma raksturlielumus pie zemas katoda sildīšanas strāvas. Katoda un anoda kontaktpotenciālu starpības noteikšana no eksperimentālajiem rezultātiem, katoda temperatūra.

Pie zema termiskās strāvas blīvuma volts-ampērs raksturlielumam ir raksturīga forma ar lēciena punktu, kas atbilst katoda un anoda kontaktpotenciāla starpības modulim (10. att.). Katoda temperatūru var noteikt šādi. Ļaujiet mums iziet vienādojumu (12), kas apraksta volt-ampēru raksturlielumus termiskajai emisijai pie zema strāvas blīvuma, no termostrāvas blīvuma j līdz pilnai vērtībai es(j=es /S, Kur S ir termiskās strāvas šķērsgriezuma laukums). Tad mēs saņemam

Kur Es S ir piesātinājuma strāva.

Logaritmizēšana (35), mums ir

.(36)

Tā kā vienādojums (36) apraksta strāvas-sprieguma raksturlielumu sadaļā pa kreisi no lēciena punkta, tad, lai noteiktu katoda temperatūru, ir jāņem jebkuri divi punkti šajā sadaļā ar anoda strāvām. Es a 1, Es a 2 un anoda spriegumi U un 1, U un 2 attiecīgi. Tad saskaņā ar vienādojumu (36)

Tādējādi katoda temperatūrai mēs iegūstam darba formulu

.(37)

Darba kārtība

Lai veiktu laboratorijas darbus, jums ir:

1. Iepazīstieties ar aprakstu un procedūru darbam ar ierīcēm, kas nepieciešamas eksperimentālās iekārtas darbībai. Samontējiet ķēdi saskaņā ar att. 18. Instalāciju var pieslēgt tīklam tikai pēc tam, kad inženieris vai skolotājs ir pārbaudījis saliktās shēmas pareizību.

2. Ieslēdziet katoda kvēldiega strāvas padevi un iestatiet nepieciešamo kvēldiega strāvu. Pēc strāvas iestatīšanas ir jāgaida aptuveni 5 minūtes, līdz stabilizējas kvēldiega strāva un katoda temperatūra.

3. Pievienojiet anoda ķēdei pastāvīgu sprieguma avotu un, mainot spriegumu pie anoda, ņemiet strāvas-sprieguma raksturlielumu punktu pa punktam. Volts-ampērsņem raksturlielumu diapazonā no 0 ... 5 V. ik pēc 0,05 ... 0,2 V.

4. Mērījumu rezultātus attēlot grafikā koordinātēs ln Es a(Va), Kur Es a- anoda strāva, Va ir anoda spriegums. Tā kā šajā darbā kontakta potenciālu starpību nosaka ar grafisku metodi, tad skala gar horizontālo asi jāizvēlas tā, lai noteikšanas precizitāte V K.R.P nebija mazāks par 0,1 V.

5. Pamatojoties uz strāvas-sprieguma raksturlīknes lēciena punktu, nosaka kontakta potenciāla starpību starp anodu un katodu.

6. Nosakiet katoda temperatūru trim punktu pāriem strāvas-sprieguma raksturlīknes slīpajā lineārajā daļā pa kreisi no lēciena punkta. Katoda temperatūra jāaprēķina, izmantojot formulu (37). No šiem datiem aprēķiniet vidējo temperatūras vērtību.

7. Sagatavot atskaiti par darbu.

Prasības ziņojumam

Ziņojums ir sastādīts uz standarta A4 papīra lapas, un tajā jāiekļauj:

1. Pamatinformācija par teoriju.

2. Eksperimentālās iekārtas shēma un tās īss apraksts.

3. Mērījumu un aprēķinu rezultāti.

4. Iegūto eksperimentālo rezultātu analīze.

5. Secinājumi par darbu.

Kontroles jautājumi

1. Uzskaitiet elektronu emisijas veidus. Kāds ir elektronu atbrīvošanās iemesls katrā elektronu emisijas veidā?

2. Izskaidrojiet termiskās emisijas fenomenu. Definējiet elektrona darba funkciju no cietas vielas. Kā var izskaidrot potenciālās barjeras esamību cietā un vakuuma saskarnē?

3. Pamatojoties uz metāla enerģijas shēmu un elektronu enerģijas sadalījuma līkni, izskaidrojiet elektronu termisko emisiju no metāla.

4. Norādiet likumu Ričardsons-Dešmanis. Izskaidrojiet šajā likumā ietverto daudzumu fizisko nozīmi.

5. Kādas ir termioniskā katoda strāvas-sprieguma raksturlielumi pie zema emisijas strāvas blīvuma? Kā to ietekmē katoda un anoda kontakta potenciāla atšķirība?

6. Kas ir Šotkija efekts? Kā šis efekts tiek izskaidrots?

7. Izskaidrojiet potenciāla barjeras samazināšanos elektroniem elektriskā lauka ietekmē.

8. Kā šajā laboratorijā tiks noteikta katoda temperatūra?

9. Izskaidrojiet kontaktpotenciālu starpības noteikšanas metodi šajā darbā.

10. Izskaidrojiet laboratorijas iekārtojuma atsevišķu elementu shēmu un mērķi.