Emisia de electroni și ioni este eliberarea de particule încărcate care are loc la interfața unui solid cu un vid sau un gaz atunci când emițătorul este expus la încălzire termică, radiații luminoase, bombardament cu electroni sau ioni, câmp electric constant sau de înaltă frecvență etc. .

Fenomenul de emisie de electroni în vid de către un corp încălzit se numește emisie termoionică.

S-a stabilit că atunci când T = 0 nu poate exista emisie de electroni din cristal, deoarece energiile chiar și ale celor mai rapizi electroni sunt insuficiente pentru a depăși bariera de potențial de la limita sa.

Când un solid este încălzit, amplitudinile de vibrație ale atomilor rețelei cristaline cresc. Odată cu creșterea temperaturii, un număr tot mai mare de electroni (Fig. 2.10) dobândesc energie suficientă pentru a depăși bariera de potențial de la limita unui corp solid cu vid.

Dacă fiecare metru cub de metal conţine dn tu, u,u electroni liberi cu componente ale vitezei din u x inainte de u x + du x, din tu y inainte de u y + +du y iar din u z inainte de u z + du z, (Unde u x– componenta vitezei pe direcția perpendiculară pe suprafața corpului), atunci fluxul unor astfel de electroni care ajung la suprafață este egal cu

Numai electronii a căror componentă de viteză este în direcția X suficient pentru a depăși bariera potențială, adică

Pentru a determina numărul de electroni care părăsesc 1 m2 dintr-o suprafață metalică pe unitatea de timp la o anumită temperatură, este necesar să se înlocuiască funcția de distribuție a vitezei electronilor în metal în formulă și să se integreze expresia rezultată.

Conform teoriei mecanicii cuantice, nu toți electronii scapă în vid; există posibilitatea reflectării lor din bariera de potențial. Prin urmare, se introduce conceptul de transparență a barierei D.

Ecuația Richardson-Deshman determină densitatea curentului de emisie termică:

unde este o constantă universală și nu depinde de tipul emițătorului.

Energia Fermi este determinată de relația Se poate observa că nu depinde de temperatură la o primă aproximare și, prin urmare, poate fi înlocuită cu funcția de lucru efectivă, apoi

unde este funcția de lucru, exprimată în jouli.

Ecuația Richardson-Deshman arată că densitatea de curent a emisiei termoionice de la o suprafață metalică depinde de temperatură și de funcția efectivă de lucru a materialului.

Ecuația pentru determinarea densității curentului de emisie termoionică este aplicabilă nu numai metalului, ci și catozilor semiconductori de orice tip. Specificul, însă, este că, dacă în metale poziția nivelului Fermi ar putea, într-o primă aproximare, să fie considerată independentă de temperatură și să ia în considerare j eff. ca constantă a unui material dat, atunci în semiconductori de impurități poziția nivelului Fermi depinde de temperatură. Coeficientul de temperatură al funcției de lucru ( A) sa determinat pentru metale să fie êa½ ~ 10 –5. iar semiconductori a ~ 10 –4. Avand in vedere ca este afectat coeficientul un numar mare de factori și nu există o definiție precisă a acesteia, care contribuie cu o parte nesemnificativă la determinarea densității curentului de emisie termică, vom folosi formula Richardson-Deshman pentru toate tipurile de catozi termoionici.

Astăzi, accentul este pus pe emisia termoionică. Sunt luate în considerare variantele denumirii efectului, manifestarea acestuia într-un mediu și în vid. Limitele de temperatură sunt explorate. Se determină componentele dependente ale densității curentului de saturație a emisiei termoionice.

Denumirile efectului de emisie termoionică

Termenul de „emisie termionică” are alte denumiri. Pe baza numelor oamenilor de știință care au descoperit și au studiat pentru prima dată acest fenomen, acesta este definit ca efectul Richardson sau efectul Edison. Astfel, dacă o persoană întâlnește aceste două fraze în textul unei cărți, trebuie să-și amintească că același termen fizic este implicat. Confuzia a fost cauzată de dezacordul dintre publicațiile autorilor autohtoni și străini. Fizicienii sovietici au căutat să dea definiții explicative legilor.

Termenul „emisie termionică” conține esența fenomenului. O persoană care vede această frază pe pagină înțelege imediat că vorbim despre emisia de temperatură a electronilor, dar rămâne în culise că acest lucru se întâmplă cu siguranță în metale. Dar de aceea există definiții, pentru a dezvălui detalii. Știința străină este foarte sensibilă la primat și dreptul de autor. Prin urmare, un om de știință care a reușit să înregistreze ceva primește un fenomen numit, iar studenții săraci trebuie să memoreze de fapt numele descoperitorilor și nu doar esența efectului.

Determinarea emisiei termoionice

Fenomenul de emisie termoionică este atunci când electronii sunt eliberați din metale la temperaturi ridicate. Astfel, fierul încălzit, staniul sau mercurul sunt sursa acestor particule elementare. Mecanismul se bazează pe faptul că există o legătură specială în metale: rețeaua cristalină a nucleelor ​​încărcate pozitiv este, parcă, o bază comună pentru toți electronii care formează un nor în interiorul structurii.

Astfel, printre particulele încărcate negativ care se află în apropierea suprafeței, vor exista întotdeauna cele care au suficientă energie pentru a părăsi volumul, adică pentru a depăși bariera de potențial.

Temperatura efectului de emisie termoionică

Datorită legăturii metalice, vor exista electroni lângă suprafața oricărui metal care au suficientă rezistență pentru a depăși bariera potențială de ieșire. Cu toate acestea, din cauza aceleiași dispersii de energie, o particulă abia se rupe de structura cristalină, în timp ce cealaltă zboară și acoperă o anumită distanță, ionizând mediul din jurul ei. Evident, cu cât sunt mai mulți kelvin în mediu, cu atât mai mulți electroni dobândesc capacitatea de a părăsi volumul metalului. Astfel, se pune întrebarea care este temperatura de emisie termoionică. Răspunsul nu este simplu și vom lua în considerare limitele inferioare și superioare ale existenței acestui efect.

Limitele de temperatură ale emisiei termoionice

Legătura dintre particulele pozitive și negative din metale are o serie de caracteristici, inclusiv o distribuție foarte densă a energiei. Electronii, fiind fermioni, fiecare ocupă propria lor nișă energetică (spre deosebire de bosonii, care pot fi toți în aceeași stare). În ciuda acestui fapt, diferența dintre ele este atât de mică încât spectrul poate fi considerat mai degrabă continuu decât discret.

La rândul său, acest lucru duce la o densitate mare a stărilor de electroni în metale. Cu toate acestea, chiar și la temperaturi foarte scăzute apropiate de zero absolut (nu uitați, acesta este zero kelvin, sau aproximativ minus două sute șaptezeci și trei de grade Celsius), vor exista electroni cu energii mai mari și mai mici, deoarece nu pot fi toți în starea cea mai joasă la acelasi timp. Aceasta înseamnă că în anumite condiții (folie subțire) foarte rar se va observa eliberarea unui electron din metal chiar și la temperaturi extrem de scăzute. Astfel, limita inferioară a temperaturii de emisie termoionică poate fi considerată a fi o valoare apropiată de zero absolut.

Pe cealaltă parte a scalei de temperatură este topirea metalului. Conform datelor fizico-chimice, această caracteristică diferă pentru toate materialele din această clasă. Cu alte cuvinte, nu există metale cu același punct de topire. Mercurul sau lichidul în condiții normale trece de la forma cristalină deja la minus treizeci și nouă de grade Celsius, în timp ce wolfram - la trei mii și jumătate.

Cu toate acestea, toate aceste limite au un lucru în comun - metalul încetează să mai fie un corp solid. Aceasta înseamnă că legile și efectele se schimbă. Și nu este nevoie să spunem că emisia termoionică există în topitură. Astfel, limita superioară a acestui efect devine temperatura de topire a metalului.

Emisia termoionică în condiții de vid

Tot ceea ce s-a discutat mai sus se referă la un fenomen într-un mediu (de exemplu, în aer sau într-un gaz inert). Acum să ne întoarcem la întrebarea ce este emisia termoionică în vid. Pentru a face acest lucru, vom descrie cel mai simplu dispozitiv. În balonul din care a fost pompat aerul este plasată o tijă subțire de metal, la care este conectat polul negativ al sursei de curent. Rețineți că materialul trebuie să se topească la temperaturi suficient de ridicate pentru a nu-și pierde structura cristalină în timpul experimentului. Catodul astfel obținut este înconjurat de un cilindru dintr-un alt metal și polul pozitiv este conectat la acesta. Desigur, anodul este de asemenea amplasat într-un vas umplut cu vid. Când circuitul este închis, obținem un curent de emisie termoionică.

Este de remarcat faptul că în aceste condiții dependența curentului de tensiune la o temperatură constantă a catodului nu respectă legea lui Ohm, ci legea celor trei secunde. De asemenea, este numit după Copil (în alte versiuni Child-Langmuir și chiar Child-Langmuir-Boguslavsky), iar în literatura științifică în limba germană - ecuația Schottky. Pe măsură ce tensiunea într-un astfel de sistem crește, la un moment dat toți electronii emiși de la catod ajung la anod. Acesta se numește curent de saturație. În ceea ce privește caracteristica curent-tensiune, aceasta se exprimă prin faptul că curba atinge un platou, iar creșterea suplimentară a tensiunii nu este eficientă.

Formula de emisie termoionică

Acestea sunt caracteristicile pe care le are emisia termoionică. Formula este destul de complexă, așa că nu o vom prezenta aici. În plus, este ușor de găsit în orice carte de referință. În general, nu există o formulă pentru emisia termoionică ca atare; este luată în considerare doar densitatea curentului de saturație. Această valoare depinde de material (care determină funcția de lucru) și de temperatura termodinamică. Toate celelalte componente ale formulei sunt constante.

Multe dispozitive funcționează pe baza emisiei termoionice. De exemplu, televizoarele și monitoarele mari vechi au exact acest efect.

S-a remarcat deja că la traversarea interfeței dintre un conductor și un vid, intensitatea și inducerea câmpului electric se modifică brusc. Fenomene specifice sunt asociate cu aceasta. Electronul este liber numai în limitele metalului. De îndată ce încearcă să treacă granița „metal-vid”, apare o forță de atracție Coulomb între electron și excesul de sarcină pozitivă formată pe suprafață (Fig. 6.1).

Un nor de electroni se formează lângă suprafață, iar la interfață se formează un strat dublu electric cu o diferență de potențial (). Salturile potențiale la limita metalului sunt prezentate în Figura 6.2.

Un puț de energie potențială se formează în volumul ocupat de metal, deoarece în interiorul metalului electronii sunt liberi, iar energia lor de interacțiune cu situsurile rețelei este zero. În afara metalului, electronul câștigă energie W 0 . Aceasta este energia de atracție.Pentru a părăsi metalul, electronul trebuie să depășească bariera de potențial și să lucreze

(6.1.1)

Această lucrare se numește funcția de lucru a unui electron care părăsește un metal . Pentru a realiza acest lucru, electronul trebuie să fie furnizat cu suficientă energie.

Emisia termoionică

Valoarea funcției de lucru depinde de natura chimică a substanței, de starea termodinamică a acesteia și de starea interfeței. Dacă prin încălzire se transmite electronilor energie suficientă pentru a îndeplini funcția de lucru, atunci Procesul prin care electronii părăsesc un metal se numește emisie termoionică .

În termodinamica clasică, un metal este reprezentat ca o rețea ionică care conține un gaz de electroni. Se crede că comunitatea de electroni liberi respectă legile unui gaz ideal. În consecință, în conformitate cu distribuția Maxwell, la alte temperaturi decât 0 K, metalul conține un anumit număr de electroni a căror energie termică este mai mare decât funcția de lucru. Acești electroni părăsesc metalul. Dacă temperatura crește, crește și numărul de astfel de electroni.

Fenomenul de emisie de electroni de către corpurile încălzite (emițători) într-un vid sau alt mediu se numește emisie termoionică . Încălzirea este necesară pentru ca energia mișcării termice a electronului să fie suficientă pentru a depăși forțele de atracție Coulomb între un electron încărcat negativ și sarcina pozitivă indusă de acesta pe suprafața metalică atunci când este îndepărtat de pe suprafață (Fig. 6.1). În plus, la o temperatură suficient de ridicată, un nor de electroni încărcat negativ este creat deasupra suprafeței metalice, împiedicând electronul să părăsească suprafața metalică în vid. Aceste două și, eventual, alte motive determină funcția de lucru a unui electron dintr-un metal.

Fenomenul de emisie termoionică a fost descoperit în 1883 de Edison, celebrul inventator american. El a observat acest fenomen într-un tub vid cu doi electrozi - un anod cu un potențial pozitiv și un catod cu un potențial negativ. Catodul lămpii poate fi un filament dintr-un metal refractar (wolfram, molibden, tantal etc.), încălzit de un curent electric (fig. 6.3). O astfel de lampă se numește diodă în vid. Dacă catodul este rece, atunci practic nu există curent în circuitul catod-anod. Pe măsură ce temperatura catodului crește, în circuitul catod-anod apare un curent electric, care este mai mare cu cât temperatura catodului este mai mare. La o temperatură constantă a catodului, curentul din circuitul catod-anod crește odată cu creșterea diferenței de potențial Uîntre catod și anod și ajunge la o valoare staționară numită curent de saturație eu n. în care toată termoionismul emis de catod ajunge la anod. Curentul anodului nu este proporțional U, prin urmare Pentru o diodă în vid, legea lui Ohm nu se aplică.

Figura 6.3 prezintă circuitul diodei în vid și caracteristicile curent-tensiune (caracteristicile volt-ampere) In absenta(Ua). Aici U h – tensiune de întârziere la care eu = 0.

Emisii reci și explozive

Se numește emisia de electroni cauzată de acțiunea forțelor câmpului electric asupra electronilor liberi dintr-un metal emisie rece sau electronice de câmp . Pentru aceasta, intensitatea câmpului trebuie să fie suficientă și condiția trebuie îndeplinită

(6.1.2)

Aici d– grosimea stratului dublu electric la interfata. De obicei în metale pure și obţinem În practică, emisia rece se observă la o valoare a puterii de ordinul mărimii.Această discrepanţă este pusă pe seama inconsecvenţei conceptelor clasice de descriere a proceselor la micronivel.

Emisia de câmp poate fi observată într-un tub cu vid bine evacuat, al cărui catod este un vârf, iar anodul este un electrod obișnuit cu o suprafață plană sau ușor curbată. Intensitatea câmpului electric pe suprafața vârfului cu raza de curbură r si potential U raportat la anod este egală

La și , ceea ce va duce la apariția unui curent slab din cauza emisiei de câmp de la suprafața catodului. Puterea curentului de emisie crește rapid odată cu creșterea diferenței de potențial U. În acest caz, catodul nu este special încălzit, motiv pentru care emisia se numește rece.

Folosind emisia de câmp, în principiu este posibil să se obțină densitatea de curent dar acest lucru necesită emițători sub forma unei colecții de un număr mare de vârfuri, de formă identică (Fig. 6.4), ceea ce este practic imposibil și, în plus, creșterea curentului la 10 8 A/cm 2 duce la distrugerea explozivă. a vârfurilor și a întregului emițător.

Densitatea de curent AEE sub influența încărcăturii spațiale este egală cu (legea Child-Langmuir)

Unde – coeficient de proporționalitate determinat de geometria și materialul catodului.

Mai simplu spus, legea lui Childe-Langmuir arată că densitatea curentului este proporțională (legea a trei secunde).

Curentul de emisie de câmp, atunci când concentrația de energie în microvolume a catodului este de până la 10 4 J×m –1 sau mai mult (cu o energie totală de 10 -8 J), poate iniția un tip de emisie calitativ diferit, datorită explozia de microtipuri pe catod (Fig. 6.4).

În acest caz, apare un curent de electroni, care este cu ordine de mărime mai mare decât curentul inițial - observat emisie de electroni explozivi (VEE). VEE a fost descoperit și studiat la Institutul Politehnic din Tomsk în 1966 de o echipă de angajați condusă de G.A. Luni.

VEE este singurul tip de emisie de electroni care permite obținerea fluxurilor de electroni cu o putere de până la 10 13 W cu o densitate de curent de până la 10 9 A/cm 2 .

	Orez. 6.4	Orez. 6.5

Curentul VEE este neobișnuit ca structură. Este format din porțiuni individuale de electroni 10 11 ¸ 10 12 bucăți, având caracterul de avalanșă de electroni, numite ectoni(litere inițiale " centru exploziv") (Fig. 6.5). Timpul de formare a avalanșei este de 10 -9 ¸ 10 -8 s.

Apariția electronilor în ecton este cauzată de supraîncălzirea rapidă a micro-secțiunilor catodului și este, în esență, un tip de emisie termoionică. Existenta unui ecton se manifesta prin formarea unui crater pe suprafata catodului. Oprirea emisiei de electroni în ecton se datorează răcirii zonei de emisie din cauza conductivității termice, scăderii densității de curent și evaporării atomilor.

Emisia explozivă de electroni și ectoni joacă un rol fundamental în scântei și arcuri de vid, în descărcări de joasă presiune, în gaze comprimate și de mare rezistență, în micro-laperi, i.e. unde există un câmp electric de mare intensitate la suprafața catodului.

Fenomenul de emisie de electroni explozivi a servit drept bază pentru crearea de instalații electrofizice în impulsuri, cum ar fi acceleratoare de electroni de mare curent, dispozitive puternice cu raze X și pulsate și generatoare de microunde relativiste puternice. De exemplu, acceleratoarele de electroni în impulsuri au o putere de 10 13 W sau mai mult cu o durată a impulsului de 10 -10 ¸ 10 -6 s, un curent de electroni de 10 6 A și o energie de electroni de 10 4 ¸ 10 7 eV. Astfel de fascicule sunt utilizate pe scară largă pentru cercetarea în fizica plasmei, fizica și chimia radiațiilor, pentru pomparea laserelor cu gaz etc.

Emisia de fotoelectroni

Emisia de fotoelectroni (fotoefect) constă în „eliminarea” electronilor dintr-un metal atunci când sunt expuși la radiații electromagnetice.

Diagrama de configurare pentru studierea efectului fotoelectric și a caracteristicilor curent-tensiune este similară cu cele prezentate în figură. 6.3. Aici, în loc să încălziți catodul, un flux de fotoni sau γ-quanta este îndreptat către acesta (Fig. 6.6).

Legile efectului fotoelectric sunt chiar mai inconsistente cu teoria clasică decât în ​​cazul emisiei la rece. Din acest motiv, vom lua în considerare teoria efectului fotoelectric atunci când discutăm conceptele cuantice din optică.

În instrumentele fizice care înregistrează γ - radiații, acestea folosesc tuburi fotomultiplicatoare (PMT). Diagrama dispozitivului este prezentată în Figura 6.7.

Utilizează două efecte de emisie: fotoefectȘi emisie secundară de electroni, care constă în scoaterea electronilor dintr-un metal atunci când acesta este bombardat cu alți electroni. Electronii sunt eliminați de lumina de la fotocatod ( FC). Având viteză între FCși primul emițător ( KS 1), ei dobândesc energie suficientă pentru a elimina un număr mai mare de electroni de la următorul emițător. Astfel, înmulțirea electronilor are loc datorită creșterii numărului acestora în timpul trecerii succesive a unei diferențe de potențial între emițătorii vecini. Ultimul electrod se numește colector. Se înregistrează curentul dintre ultimul emițător și colector. Prin urmare, PMT servește ca amplificator de curent, iar acesta din urmă este proporțional cu radiația incidentă pe fotocatod, care este utilizat pentru a evalua radioactivitatea.

Emisia termoionică

Emisia termoionică (efectul Richardson, efectul Edison) - fenomenul de emisie de electroni de către corpurile încălzite. Concentrația de electroni liberi în metale este destul de mare, prin urmare, chiar și la temperaturi medii, datorită distribuției vitezei (energiei) electronilor, unii electroni au suficientă energie pentru a depăși bariera de potențial la limita metalului. Odată cu creșterea temperaturii, numărul de electroni, a cărui energie cinetică a mișcării termice este mai mare decât funcția de lucru, crește, iar fenomenul de emisie termoionică devine vizibil.

Studiul legilor emisiei termoionice poate fi realizat folosind cea mai simplă lampă cu doi electrozi - o diodă în vid, care este un cilindru evacuat care conține doi electrozi: catodul K și anodul A. În cel mai simplu caz, catodul este un filament realizat. dintr-un metal refractar (de exemplu, wolfram), încălzit de un curent electric. Anodul ia cel mai adesea forma unui cilindru metalic care înconjoară catodul. Dacă o diodă este conectată la un circuit, atunci când catodul este încălzit și o tensiune pozitivă (față de catod) este aplicată anodului, apare un curent în circuitul anodic al diodei. Dacă schimbi polaritatea bateriei, curentul se oprește, indiferent cât de fierbinte ar fi catodul. În consecință, catodul emite particule negative - electroni.

Dacă mențineți constantă temperatura catodului încălzit și eliminați dependența curentului anodului de tensiunea anodului - caracteristica curent-tensiune - se dovedește că nu este liniară, adică legea lui Ohm nu este valabilă pentru o diodă în vid. . Dependența curentului termoionic de tensiunea anodului în regiunea valorilor pozitive mici este descrisă de legea celor trei secunde (stabilită de fizicianul rus S. A. Boguslavsky (1883-1923) și fizicianul american I. Langmuir (1881). -1957)): , unde B este un coeficient în funcție de formele și dimensiunile electrozilor, precum și de poziția relativă a acestora.

Pe măsură ce tensiunea anodului crește, curentul crește până la o anumită valoare maximă, numită curent de saturație. Aceasta înseamnă că aproape toți electronii care părăsesc catodul ajung la anod, așa că o creștere suplimentară a intensității câmpului nu poate duce la o creștere a curentului termoionic. În consecință, densitatea curentului de saturație caracterizează emisivitatea materialului catodic. Densitatea curentului de saturație este determinată de formula Richardson-Deshman, derivată teoretic pe baza statisticii cuantice: , unde A este funcția de lucru a electronilor din catod, T este temperatura termodinamică, C este o constantă, teoretic aceeași pentru toate metalele (acest lucru nu este confirmat de experiment, care, conform aparent explicat prin efectele de suprafață). O scădere a funcției de lucru duce la o creștere bruscă a densității curentului de saturație. Prin urmare, se folosesc catozi de oxid (de exemplu, nichel acoperit cu un oxid de metal alcalino-pământos), a căror funcție de lucru este de 1-1,5 eV.

Funcționarea multor dispozitive electronice cu vid se bazează pe fenomenul de emisie termoionică.

Literatură

• Curs de fizică Trofimova T.I.

Fundația Wikimedia. 2010.

• Curia-Muria
• centrală maremotrică

Vedeți ce este „emisia termoionică” în alte dicționare:

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- emisia de electroni de către corpurile încălzite (emițători) într-un vid sau alt mediu. Numai acei electroni pot părăsi corpul a căror energie este mai mare decât energia electronului în repaus în afara emițătorului (vezi Funcția de lucru). Numărul de astfel de electroni (de obicei electroni... Enciclopedie fizică

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- emisia de electroni de către corpurile încălzite (emițători) într-un vid sau alt mediu. Numai acei electroni a căror energie este mai mare decât energia unui electron în repaus în afara corpului pot părăsi corpul (vezi LUCRARE DE IEȘIRE). Numărul de astfel de electroni în condiții termodinamice. echilibru, in...... Enciclopedie fizică

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- emisia de electroni de către solide sau lichide încălzite (emițători). Emisia termoionică poate fi considerată ca evaporarea electronilor din emițător. În cele mai multe cazuri, emisia termoionică se observă la temperaturi... ... Dicţionar enciclopedic mare

emisie termoionică- emisie termoionică; industrie emisie termoionică Emisia de electroni cauzată exclusiv de starea termică (temperatura) a unui corp solid sau lichid care emite electroni... Dicționar terminologic explicativ politehnic

emisie termoionică- Emisia de electroni datorata numai temperaturii electrodului. [GOST 13820 77] Subiecte: dispozitive electrovacuum... Ghidul tehnic al traducătorului

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- EMISIA TERMICĂ DE ELECTRONI, „evaporarea” ELECTRONILOR de pe suprafața unei substanțe atunci când aceasta este încălzită... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- emisia de electroni de către corpurile încălzite (emițători) într-un vid sau alt mediu. Fenomenul se observă la temperaturi semnificativ peste temperatura camerei; în acest caz, o parte din electronii corpului dobândește energie care depășește (milioane egale) funcția de lucru... ... Marea Enciclopedie Politehnică

emisie termoionică- emisia de electroni din solide sau lichide încălzite (emițători). Emisia termoionică poate fi considerată ca evaporarea electronilor la excitația lor termică. În cele mai multe cazuri, emisia termoionică este observată atunci când... ... Dicţionar enciclopedic

Emisia termoionică- efectul Richardson, emisia de electroni de către corpurile încălzite (solide, mai rar lichide) în vid sau în diverse medii. Explorat pentru prima dată de O. W. Richardson în 1900 1901. T. e. poate fi considerat ca fiind procesul de evaporare a electronilor în... ... Marea Enciclopedie Sovietică

EMISIE TERMICĂ DE ELECTRONI- emisia de electroni de pe o suprafata incalzita. Chiar înainte de 1750 se știa că în apropierea solidelor încălzite, aerul își pierde proprietatea obișnuită de a fi un slab conductor de electricitate. Cu toate acestea, cauza acestui fenomen a rămas neclară până în anii 1880. Într-un număr...... Enciclopedia lui Collier

emisie termoionică- termoelektroninė emisija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas iš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: engl. emisie termoelectronica rus. emisie termoionică... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Întrebări de control .. 18

9. Lucrare de laborator nr 2. Studiul emisiei termoionice la densități de curent de emisie scăzute . 18

Comandă de lucru .. 19

Cerințe de raportare . 19

Întrebări de control .. 19

Introducere

Electronica de emisie studiază fenomenele asociate cu emisia (emisia) de electroni dintr-un mediu condensat. Emisia de electroni are loc în cazurile în care o parte din electronii unui corp dobândește, ca urmare a influenței externe, energie suficientă pentru a depăși bariera de potențial de la limita sa sau dacă un câmp electric extern îl face „transparent” pentru o parte a electronilor. În funcție de natura influenței externe, există:

• emisie termoionică (încălzirea corpurilor);
• emisie secundară de electroni (bombardarea suprafeței cu electroni);
• emisie ion-electron (bombardarea suprafeței cu ioni);
• emisie de fotoelectroni (iradiere electromagnetică);
• exoelectronice emisie (mecanică, termică și alte tipuri de tratament de suprafață);
• emisie de câmp (câmp electric extern), etc.

În toate fenomenele în care este necesar să se țină seama fie de ieșirea unui electron dintr-un cristal în spațiul înconjurător, fie de trecerea de la un cristal la altul, caracteristica numită „Funcția de lucru” capătă o semnificație decisivă. Funcția de lucru este definită ca energia minimă necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un solid și pentru a-l plasa într-un punct în care se presupune că energia sa potențială este zero. Pe lângă descrierea diferitelor fenomene de emisie, conceptul de funcție de lucru joacă un rol important în explicarea apariției unei diferențe de potențial de contact în contactul a două metale, a unui metal cu un semiconductor, a doi semiconductori, precum și a fenomenelor galvanice.

Orientările constau din două părți. Prima parte conține informații teoretice de bază despre fenomenele de emisie în solide. Atenția principală este acordată fenomenului de emisie termoionică. A doua parte oferă o descriere a lucrărilor de laborator dedicate studiului experimental al emisiei termoionice, studiului diferenței de potențial de contact și distribuției funcției de lucru pe suprafața probei.

Partea 1. Informații teoretice de bază

1. Funcția de lucru a electronilor. Influența asupra funcției de lucru a stării de suprafață

Faptul că electronii sunt reținuți în interiorul unui solid indică faptul că un câmp de întârziere apare în stratul de suprafață al corpului, împiedicând electronii să-l părăsească în vidul din jur. O reprezentare schematică a unei bariere potențiale la limita unui solid este prezentată în Fig. 1. Pentru a părăsi cristalul, un electron trebuie să facă un lucru egal cu funcția de lucru. Distinge termodinamicȘi extern functia de lucru.

Funcția de lucru termodinamică este diferența dintre energia de nivel zero a vidului și energia Fermi a unui solid.

Funcția de lucru externă (sau afinitatea electronilor) este diferența dintre energia nivelului de vid zero și energia fundului benzii de conducție (Fig. 1).

Orez. 1. Forma potenţialului cristalin U de-a lungul liniei de localizare a ionilor în cristal și în regiunea apropiată de suprafață a cristalului: pozițiile ionilor sunt marcate cu puncte pe linia orizontală; φ=- U /е – potenţialul funcţiei de muncă; E F – Energia Fermi (negativă); E C– energia fundului benzii de conducere; W O – functia de lucru termodinamica; W a – functie de munca externa; zona umbrită reprezintă în mod convențional stări electronice umplute

Există două motive principale pentru apariția unei bariere potențiale la limita unui solid și vid. Una dintre ele se datorează faptului că un electron emis de un cristal induce o sarcină electrică pozitivă pe suprafața lui. Între electron și suprafața cristalului apare o forță atractivă (forța electrică a imaginii, vezi Secțiunea 5, Fig. 12), având tendința de a readuce electronul înapoi în cristal. Un alt motiv se datorează faptului că electronii, datorită mișcării termice, pot traversa suprafața metalului și se pot îndepărta de acesta la distanțe scurte (de ordinul atomului). Ele formează un strat încărcat negativ deasupra suprafeței. În acest caz, după ce electronii scapă, pe suprafața cristalului se formează un strat încărcat pozitiv de ioni. Ca rezultat, se formează un strat dublu electric. Nu creează un câmp în spațiul exterior, dar necesită și muncă pentru a depăși câmpul electric din interiorul stratului dublu în sine.

Valoarea funcției de lucru pentru majoritatea metalelor și semiconductorilor este de câțiva electroni volți. De exemplu, pentru litiu funcția de lucru este de 2,38 eV, fier – 4,31 eV, germaniu – 4,76 eV, siliciu – 4,8 eV. În mare măsură, valoarea funcției de lucru este determinată de orientarea cristalografică a feței monocristaline din care are loc emisia de electroni. Pentru planul (110) al wolframului, funcția de lucru este de 5,3 eV; pentru planurile (111) și (100) aceste valori sunt de 4,4 eV și, respectiv, 4,6 eV.

Straturile subțiri depuse pe suprafața cristalului au o mare influență asupra funcției de lucru. Atomii sau moleculele depuse pe suprafața unui cristal îi donează adesea un electron sau acceptă un electron din el și devin ioni. În fig. Figura 2 prezintă diagrama energetică a unui metal și a unui atom izolat pentru cazul în care funcția de lucru termodinamică a unui electron din metal W 0 mai mare decât energia de ionizare E ion a unui atom depus pe suprafata lui.In aceasta situatie electronul atomului este favorabil energetic tunelîn metal și coboară în el până la nivelul Fermi. Suprafața metalică acoperită cu astfel de atomi devine încărcată negativ și formează un strat electric dublu cu ioni pozitivi, al cărui câmp va reduce funcția de lucru a metalului. În fig. 3, a prezintă un cristal de tungsten acoperit cu un monostrat de cesiu. Aici se realizează situația discutată mai sus, din moment ce energia E ion cesiu (3,9 eV) este mai mic decât funcția de lucru a wolframului (4,5 eV). În experimente, funcția de lucru scade de mai mult de trei ori. Situația opusă se observă dacă tungstenul este acoperit cu atomi de oxigen (Fig. 3 b). Deoarece legătura electronilor de valență în oxigen este mai puternică decât în ​​wolfram, atunci când oxigenul este adsorbit pe suprafața tungstenului, se formează un strat dublu electric, care crește funcția de lucru a metalului. Cel mai obișnuit caz este atunci când un atom depus la suprafață nu își renunță complet electronul în fața metalului sau preia un electron în plus, ci își deformează învelișul de electroni, astfel încât atomii adsorbiți pe suprafață sunt polarizați și devin dipoli electrici (Fig. .3c). În funcție de orientarea dipolilor, funcția de lucru a metalului scade (orientarea dipolilor corespunde fig. 3c) sau crește.

2. Fenomen de emisie termoionică

Emisia termoionică este unul dintre tipurile de emisie de electroni de la suprafața unui solid. În cazul emisiei termoionice, influența externă este asociată cu încălzirea solidului.

Fenomenul de emisie termoionică este emisia de electroni de către corpurile încălzite (emițători) într-un vid sau alt mediu.

În condiții de echilibru termodinamic, numărul de electroni n(E), având energie în intervalul de la E inainte de E+d E, este determinat de statisticile Fermi-Dirac:

,(1)

Unde GE)– numărul de stări cuantice corespunzătoare energiei E; E F – Energia Fermi; k– constanta Boltzmann; T– temperatura absolută.

În fig. Figura 4 prezintă diagrama energetică a metalului și curbele de distribuție a energiei electronilor la T=0 K, la temperatură scăzută T 1 si la temperaturi ridicate T 2. La 0 K, energia tuturor electronilor este mai mică decât energia Fermi. Niciunul dintre electroni nu poate părăsi cristalul și nu se observă nicio emisie termoionică. Odată cu creșterea temperaturii, crește numărul de electroni excitați termic capabili să părăsească metalul, ceea ce determină fenomenul de emisie termoionică. În fig. 4 acest lucru este ilustrat de faptul că atunci când T=T 2„coada” curbei de distribuție depășește nivelul zero al puțului de potențial. Aceasta indică apariția electronilor cu energie care depășește înălțimea barierei de potențial.

Pentru metale, funcția de lucru este de câțiva electroni volți. Energie k T chiar și la temperaturi de mii de Kelvin este o fracțiune de electron volt. Pentru metalele pure, o emisie semnificativă de electroni poate fi obținută la o temperatură de aproximativ 2000 K. De exemplu, în wolfram pur, o emisie vizibilă poate fi obținută la o temperatură de 2500 K.

Pentru a studia emisia termoionică, este necesar să se creeze un câmp electric la suprafața unui corp încălzit (catod), accelerând electronii pentru a-i elimina (aspirația) de pe suprafața emițătorului. Sub influența unui câmp electric, electronii emiși încep să se miște și se formează un curent electric, care se numește termoionică. Pentru a observa curentul termoionic, se folosește de obicei o diodă în vid - un tub de electroni cu doi electrozi. Catodul lămpii este un filament format dintr-un metal refractar (wolfram, molibden etc.), încălzit de un curent electric. Anodul are de obicei forma unui cilindru metalic care înconjoară un catod încălzit. Pentru a observa curentul termoionic, dioda este conectată la circuitul prezentat în Fig. 5. Evident, puterea curentului termoionic ar trebui să crească odată cu creșterea diferenței de potențial Vîntre anod și catod. Cu toate acestea, această creștere nu este proporțională V(Fig. 6). La atingerea unei anumite tensiuni, creșterea curentului termoionic se oprește practic. Valoarea limită a curentului termoionic la o anumită temperatură a catodului se numește curent de saturație. Mărimea curentului de saturație este determinată de numărul de electroni termoionici care sunt capabili să iasă de pe suprafața catodului pe unitatea de timp. În acest caz, toți electronii furnizați prin emisia termoionică de la catod sunt utilizați pentru a produce un curent electric.

3. Dependenţa curentului termoionic de temperatură. Formulă Richardson-Deshman

La calcularea densității de curent termoionic vom folosi modelul electron gaz și vom aplica statistici Fermi-Dirac la acesta. Este evident că densitatea curentului termoionic este determinată de densitatea norului de electroni din apropierea suprafeței cristalului, care este descrisă de formula (1). În această formulă, să trecem de la distribuția energiei electronilor la distribuția impulsului electronilor. În acest caz, luăm în considerare că valorile permise ale vectorului undelor de electroni k V k -spațiile sunt distribuite uniform astfel încât pentru fiecare valoare k a contabilizat volumul 8 p 3 (pentru un volum de cristal egal cu unu). Având în vedere că impulsul electronilor p =ћ k obținem că numărul de stări cuantice din elementul de volum al spațiului de impuls dp xdp ydp z va fi egal

(2)

Cele două din numărătorul formulei (2) iau în considerare două valori posibile ale spinului electronului.

Să direcționăm axa z sistem de coordonate dreptunghiular normal pe suprafața catodului (Fig. 7). Să selectăm o zonă de unitate de suprafață pe suprafața cristalului și să construim pe ea, ca pe o bază, un paralelipiped dreptunghiular cu o margine laterală. v z =p z /m n(m n– masa efectivă a electronilor). Electronii contribuie la densitatea de curent de saturație a componentei v z viteza axei z. Contribuția la densitatea de curent de la un electron este egală cu

(3)

Unde e– sarcina electronilor.

Numărul de electroni din paralelipiped, ale căror viteze sunt cuprinse în intervalul considerat:

Pentru ca rețeaua cristalină să nu fie distrusă în timpul emisiei de electroni, o parte nesemnificativă a electronilor trebuie să părăsească cristalul. Pentru aceasta, după cum arată formula (4), condiția trebuie îndeplinită A EIF>> k T. Pentru astfel de electroni, unitatea în numitorul formulei (4) poate fi neglijată. Apoi această formulă este transformată în formă

(5)

Să aflăm acum numărul de electroni dNîn domeniul de aplicare luat în considerare, z-a cărui componentă de impuls este cuprinsă între R zȘi R z +dp z. Pentru a face acest lucru, expresia anterioară trebuie integrată peste R X Și R y variind de la –∞ la +∞. La integrare, trebuie luat în considerare faptul că

,

și folosiți integrala tabelului

,.

Ca rezultat obținem

.(6)

Acum, ținând cont de (3), să găsim densitatea curentului termoionic creat de toți electronii paralelipipedului. Pentru a face acest lucru, expresia (6) trebuie integrată pentru toți electronii a căror energie cinetică este la nivelul Fermi. E ≥E F +W 0 Doar astfel de electroni pot părăsi cristalul și doar ei joacă un rol în calcularea termocurentului. Componenta impulsului unor astfel de electroni de-a lungul axei Z trebuie să îndeplinească condiția

.

Prin urmare, densitatea curentului de saturație

Integrarea se realizează pentru toate valorile. Să introducem o nouă variabilă de integrare

Apoi p z dp z =m n duȘi

.(8)

Ca rezultat obținem

,(9)

,(10)

unde este constanta

.

Egalitatea (10) se numește formulă Richardson-Deshman. Măsurând densitatea curentului de saturație termoionică, se poate folosi această formulă pentru a calcula constanta A și funcția de lucru W 0 . Pentru calcule experimentale, formula Richardson-Deshman este convenabil să-l reprezinte sub formă

În acest caz, graficul arată dependența ln(js/T 2) de la 1 /T exprimată printr-o linie dreaptă. Din intersecția dreptei cu axa ordonatelor se calculează ln A , iar prin unghiul de înclinare al dreptei se determină funcția de lucru (Fig. 8).

4. Diferența de potențial de contact

Să luăm în considerare procesele care apar atunci când doi conductori electronici, de exemplu două metale, cu funcții de lucru diferite se apropie și intră în contact. Diagramele energetice ale acestor metale sunt prezentate în Fig. 9. Lasă EF 1Și EF 2 este energia Fermi pentru primul și, respectiv, al doilea metal și W 01Și W 02– funcţiile lor de muncă. În stare izolată, metalele au același nivel de vid și, prin urmare, niveluri Fermi diferite. Să presupunem pentru certitudine că W 01< W 02, atunci nivelul Fermi al primului metal va fi mai mare decât al celui de-al doilea (Fig. 9 a). Când aceste metale vin în contact opus stărilor electronice ocupate din metalul 1, există libere niveluri de energie metal 2. Prin urmare, atunci când acești conductori intră în contact, rezultă un flux de electroni de la conductorul 1 la conductorul 2. Acest lucru duce la faptul că primul conductor, pierzând electroni, devine încărcat pozitiv, iar al doilea conductor, câștigând negativ suplimentar sarcina este încărcată negativ. Datorită încărcării, toate nivelurile de energie ale metalului 1 se schimbă în jos, iar metalul 2 se schimbă în sus. Procesul de deplasare de nivel și procesul de tranziție a electronilor de la conductorul 1 la conductorul 2 vor continua până când nivelurile Fermi ale ambilor conductori vor fi aliniate (Fig. 9 b). După cum se poate observa din această figură, starea de echilibru corespunde diferenței de potențial dintre nivelurile zero ale conductorilor 0 1 și 0 2:

.(11)

Diferenta potentiala V K.R.P numit diferența de potențial de contact. În consecință, diferența de potențial de contact este determinată de diferența în funcția de lucru a electronilor de la conductorii de contact. Rezultatul obţinut este valabil pentru orice metode de schimb de electroni între două materiale, inclusiv prin emisie termoionică în vid, printr-un circuit extern etc. Rezultate similare se obțin atunci când metalul intră în contact cu un semiconductor. Între metale și semiconductor apare o diferență de potențial de contact, care este aproximativ același ordin de mărime ca și în cazul contactului între două metale (aproximativ 1 V). Singura diferență este că, dacă în conductoare întreaga diferență de potențial de contact cade aproape pe golul dintre metale, atunci când un metal intră în contact cu un semiconductor, întreaga diferență de potențial de contact cade pe semiconductor, în care se află un strat suficient de mare. formate, îmbogățite sau epuizate de electroni. Dacă acest strat este epuizat de electroni (în cazul în care funcția de lucru a unui semiconductor de tip n este mai mică decât funcția de lucru a metalului), atunci un astfel de strat numită blocare și o astfel de tranziție va avea proprietăți de îndreptare. Bariera de potențial care apare în contactul de redresare al unui metal cu un semiconductor se numește bariera Schottky, și diode care funcționează pe baza acestuia - Diode Schottky.

Volt-amperCaracteristicile unui catod termoionic la densități de curent de emisie scăzute. efect Schottky

Dacă se creează o diferență de potențial între catodul termoionic și anodul diodei (Fig. 5) V, împiedicând mișcarea electronilor către anod, atunci doar cei care zboară din catod cu o rezervă de energie cinetică nu mai mică decât energia câmpului electrostatic dintre anod și catod vor putea ajunge la anod, adică. -e V(V< 0). Pentru a face acest lucru, energia lor în catodul termoionic nu trebuie să fie mai mică W 0 –еV. Apoi, înlocuind în formulă Richardson-Deshman (10) W 0 pe W 0 –еV, obținem următoarea expresie pentru densitatea curentului de emisie termică:

,(12)

Aici jS– densitatea curentului de saturație. Să luăm logaritmul acestei expresii

.(13)

La un potențial pozitiv la anod, toți electronii care părăsesc catodul termoionic aterizează pe anod. Prin urmare, curentul din circuit nu ar trebui să se schimbe, rămânând egal cu curentul de saturație. Prin urmare, volt-amper Caracteristica (caracteristica curent-tensiune) a catodului termic va avea forma prezentată în Fig. 10 (curba a).

O caracteristică similară curent-tensiune este observată numai la densități de curent de emisie relativ scăzute și potențiale pozitive ridicate la anod, atunci când o sarcină semnificativă a electronilor nu apare în apropierea suprafeței de emisie. Caracteristicile curent-tensiune ale catodului termoionic ținând cont de sarcina spațială, discutate în secțiune. 6.

Să notăm o altă caracteristică importantă a caracteristicii curent-tensiune la densități de curent de emisie scăzute. Concluzia este că termocurentul ajunge la saturație la V=0, este valabil numai pentru cazul în care materialele catodice și anodice au aceeași funcție de lucru termodinamică. Dacă funcțiile de lucru ale catodului și anodului nu sunt egale, atunci apare o diferență de potențial de contact între anod și catod. În acest caz, chiar și în absența unui câmp electric extern ( V=0) există un câmp electric între anod și catod datorită diferenței de potențial de contact. De exemplu, dacă W 0k< W 0a atunci anodul va fi încărcat negativ în raport cu catodul. Pentru a distruge diferența de potențial de contact, anodului ar trebui să se aplice o polarizare pozitivă. De aceea volt-amper caracteristica catodului fierbinte se deplasează cu valoarea diferenței de potențial de contact către potențialul pozitiv (Fig. 10, curba b). Cu o relație inversă între W 0kȘi W 0a sensul deplasării caracteristicii curent-tensiune este opus (curba c din fig. 10).

Concluzie despre independența densității curentului de saturație la V>0 este foarte idealizat. În caracteristicile reale curent-tensiune ale emisiei termoionice, se observă o ușoară creștere a curentului de emisie termoionică cu creșterea Vîn modul de saturație, care este asociat cu efect Schottky(Fig. 11).

Efectul Schottky este o scădere a funcției de lucru a electronilor din solide sub influența unui câmp electric extern de accelerare.

Pentru a explica efectul Schottky, luați în considerare forțele care acționează asupra unui electron lângă suprafața unui cristal. În conformitate cu legea inducției electrostatice, pe suprafața cristalului sunt induse sarcini de suprafață de semn opus, care determină interacțiunea electronului cu suprafața cristalului. În conformitate cu metoda imaginilor electrice, acțiunea sarcinilor reale de suprafață asupra unui electron este înlocuită cu acțiunea unui fictiv. punct pozitivîncărca +e, situat la aceeași distanță de suprafața cristalului ca și electronul, dar pe partea opusă a suprafeței (Fig. 12). Apoi, în conformitate cu legea lui Coulomb, forța de interacțiune dintre două sarcini punctiforme

,(14)

Aici ε o- constanta electrica: X este distanța dintre electron și suprafața cristalului.

Energia potențială a unui electron în câmpul de forță electric al imaginii, dacă este numărată de la nivelul vidului zero, este egală cu

.(15)

Energia potențială a unui electron într-un câmp electric extern de accelerare E

Energia potențială totală a unui electron

.(17)

O determinare grafică a energiei totale a unui electron situat lângă suprafața cristalului este prezentată în Fig. 13, care arată clar o scădere a funcției de lucru a unui electron din cristal. Curba energiei potențiale a electronului total (curba solidă din Fig. 13) atinge un maxim în acest punct x m:

.(18)

Acest punct este la 10 Å de suprafață la o intensitate externă a câmpului » 3× 10 6 V/cm.

La punctul X m energia potențială totală egală cu scăderea barierei de potențial (și, prin urmare, scăderea funcției de lucru),

.(19)

Ca urmare a efectului Schottky, curentul diodei termice la o tensiune pozitivă la anod crește odată cu creșterea tensiunii anodului. Acest efect se manifestă nu numai atunci când electronii sunt emiși în vid, ci și atunci când se deplasează prin contacte metal-semiconductor sau metal-izolant.

6. Curenți în vid limitați de sarcina spațială. Legea „trei secunde”

La densități mari de curent de emisie termoionică, caracteristica curent-tensiune este influențată semnificativ de sarcina negativă volumetrică care apare între catod și anod. Această sarcină negativă în vrac împiedică electronii care scapă din catod să ajungă la anod. Astfel, curentul anodului se dovedește a fi mai mic decât curentul de emisie de electroni de la catod. Când un potențial pozitiv este aplicat anodului, bariera de potențial suplimentară la catod creată de sarcina spațială scade și curentul anodului crește. Aceasta este o imagine calitativă a influenței încărcăturii spațiale asupra caracteristicii curent-tensiune a unei diode termice. Această problemă a fost explorată teoretic de Langmuir în 1913.

Să calculăm, sub o serie de ipoteze simplificatoare, dependența curentului diodei termice de diferența de potențial extern aplicată între anod și catod și să găsim distribuția câmpului, potențialului și concentrației de electroni între anod și catod, ținând cont taxa de spațiu.

Orez. 14. La încheierea legii „trei secunde”

Să presupunem că electrozii diodei sunt plati. Cu o distanță mică între anod și catod d pot fi considerate infinit de mari. Plasăm originea coordonatelor pe suprafața catodului și a axei X Să-l direcționăm perpendicular pe această suprafață spre anod (Fig. 14). Vom menține temperatura catodului constantă și egală T. Potențial de câmp electrostatic j , existentă în spațiul dintre anod și catod, va fi în funcție de o singură coordonată X. El trebuie să satisfacă ecuația lui Poisson

,(20)

Aici r – densitatea de sarcină volumetrică; n– concentrația de electroni; j , r Și n sunt funcţii ale coordonatei X.

Având în vedere că densitatea de curent dintre catod și anod

si viteza electronilor v poate fi determinată din ecuație

Unde m– masa electronului, ecuația (20) poate fi transformată în forma

, .(21)

Această ecuație trebuie completată cu condiții la limită

Aceste condiții la limită rezultă din faptul că potențialul și intensitatea câmpului electric de la suprafața catodului trebuie să dispară. Înmulțirea ambelor părți ale ecuației (21) cu dj /dx, primim

.(23)

Având în vedere că

(24a)

Și ,(24b)

scriem (23) sub forma

.(25)

Acum putem integra ambele părți ale ecuației (25). X variind de la 0 la acea valoare X, la care potențialul este egal j . Apoi, ținând cont de condițiile la limită (22), obținem

Integrarea ambelor părți (27) variind de la X=0, j =0 la X=1, j= V a, primim

.(28)

Prin pătratul ambelor părți ale egalității (28) și exprimând densitatea curentului j din A conform (21), obținem

.(30)

Formula (29) se numește „legea celor trei secunde” a lui Langmuir.

Această lege este valabilă pentru electrozii de formă arbitrară. Expresia coeficientului numeric depinde de forma electrozilor. Formulele obținute mai sus fac posibilă calcularea distribuțiilor potențialului, intensității câmpului electric și densității electronilor în spațiul dintre catod și anod. Integrarea expresiei (26) variind de la X=0 la valoarea când potențialul este egal j , duce la relație

acestea. potențialul variază proporțional cu distanța de la catod X la puterea de 4/3. Derivat dj/ dx caracterizează intensitatea câmpului electric dintre electrozi. Conform (26), mărimea intensității câmpului electric E ~X 19 . În sfârșit, concentrația de electroni

(32)

și, conform (31) n(X)~ (1/X) 2/9 .

Dependente j (X ), E(X) Și n(X) sunt prezentate în fig. 15. Dacă X→0, atunci concentrația tinde spre infinit. Aceasta este o consecință a neglijării vitezelor termice ale electronilor la catod. Într-o situație reală, în timpul emisiei termoionice, electronii părăsesc catodul nu cu viteză zero, ci cu o anumită viteză de emisie finită. În acest caz, curentul anodului va exista chiar dacă în apropierea catodului există un mic câmp electric invers. În consecință, densitatea de sarcină în volum se poate schimba la astfel de valori încât potențialul din apropierea catodului să scadă la valori negative (Fig. 16). Pe măsură ce tensiunea anodului crește, potențialul minim scade și se apropie de catod (curbele 1 și 2 din Fig. 16). La o tensiune suficient de mare la anod, potențialul minim se îmbină cu catodul, intensitatea câmpului la catod devine zero și dependența j (X) abordări (29), calculate fără a ține cont de vitezele inițiale ale electronilor (curba 3 din fig. 16). La tensiuni anodice mari, sarcina spațială este aproape complet dizolvată și potențialul dintre catod și anod se modifică conform unei legi liniare (curba 4, Fig. 16).

Astfel, distribuția potențialului în spațiul interelectrodului, ținând cont de vitezele inițiale ale electronilor, diferă semnificativ de cea care stă la baza modelului idealizat la derivarea legii „trei secunde”. Acest lucru duce la o modificare și dependență a densității curentului anodic. Calcul ținând cont de vitezele inițiale ale electronilor pentru cazul distribuției potențialului prezentat în Fig. 17, iar pentru electrozii cilindrici oferă următoarea dependență pentru curentul total de emisie termoionică eu (eu=jS, Unde S– aria secțiunii transversale a termocurentului):

.(33)

Opțiuni x mȘi Vm determinat de tipul de dependenţă j (X), sensul lor este clar din Fig. 17. Parametru X m egală cu distanța de la catod la care potențialul își atinge valoarea minimă = Vm. Factor C(x m), cu exceptia x m, depinde de razele catodului și anodului. Ecuația (33) este valabilă pentru mici modificări ale tensiunii anodului, deoarece Și X m Și Vm, după cum sa discutat mai sus, depind de tensiunea anodului.

Astfel, legea celor „trei secunde” nu este universală; este valabilă numai într-un interval relativ îngust de tensiuni și curenți. Cu toate acestea, este un exemplu clar al relației neliniare dintre curent și tensiune într-un dispozitiv electronic. Neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune este cea mai importantă trăsătură a multor elemente ale circuitelor radio și electrice, inclusiv elemente ale electronicii cu stare solidă.

Partea 2. Lucrări de laborator

7. Configurație experimentală pentru studierea emisiei termoionice

Lucrările de laborator nr. 1 și 2 se efectuează pe o singură instalație de laborator, implementată pe baza unui stand de laborator universal. Schema de instalare este prezentată în Fig. 18. Secțiunea de măsurare conține o diodă de vid EL cu un catod încălzit direct sau indirect. Panoul frontal al secțiunii de măsurare afișează contactele filamentului „Incandescent”, anodului „Anod” și catodului „Catod”. Sursa de filament este o sursă de curent continuu stabilizat de tip B5-44A. Pictograma I din diagramă indică faptul că sursa funcționează în modul de stabilizare curent. Procedura de lucru cu o sursă de curent continuu poate fi găsită în descrierea tehnică și instrucțiunile de utilizare a acestui dispozitiv. Descrieri similare sunt disponibile pentru toate instrumentele electrice de măsurare utilizate în munca de laborator. Circuitul anodic include o sursă de curent continuu stabilizată B5-45A și un voltmetru digital universal B7-21A, utilizat în modul de măsurare a curentului continuu pentru a măsura curentul anodic al diodei termice. Pentru a măsura tensiunea anodului și curentul de încălzire a catodului, puteți utiliza dispozitive încorporate în sursa de alimentare sau puteți conecta un voltmetru suplimentar RV7-32 pentru o măsurare mai precisă a tensiunii la catod.

Secțiunea de măsurare poate conține diode în vid cu diferiți curenți de filament catodic de lucru. La curentul nominal al filamentului, dioda funcționează în modul de limitare a curentului anodic prin încărcare spațială. Acest mod este necesar pentru a efectua lucrările de laborator nr. 1. Lucrările de laborator nr. 2 se efectuează la curenți de filament redus, când influența încărcăturii spațiale este nesemnificativă. Când setați curentul de filament, ar trebui să fiți deosebit de atenți, deoarece Excesul de curent al filamentului peste valoarea sa nominală pentru un tub de vid dat duce la arderea filamentului catodic și la defectarea diodei. Prin urmare, atunci când vă pregătiți pentru muncă, asigurați-vă că verificați cu profesorul sau inginerul dvs. valoarea curentului de filament de funcționare al diodei utilizate în lucrare; asigurați-vă că notați datele în registrul de lucru și le utilizați atunci când întocmiți un raport privind munca de laborator.

8. Lucrare de laborator Nr.1. Studierea influenței încărcăturii spațiale asupra volt-ampercaracteristicile curentului termic

Scopul lucrării: studiul experimental al dependenței curentului de emisie termoionică de tensiunea anodului, determinarea exponentului în legea „trei secunde”.

Volt-amper Caracteristica curentului de emisie termoionică este descrisă de legea „trei secunde” (vezi secțiunea 6). Acest mod de funcționare a diodei are loc la curenți de filament catod suficient de mari. De obicei, la curentul nominal al filamentului, curentul diodei în vid este limitat de încărcarea spațială.

Configurația experimentală pentru realizarea acestei lucrări de laborator este descrisă în Sect. 7. În timpul lucrului, este necesar să se măsoare caracteristica curent-tensiune a diodei la curentul nominal al filamentului. Valoarea scalei curentului de funcționare a tubului vidat utilizat trebuie luată de la un profesor sau inginer și notă într-un registru de lucru.

Comandă de lucru

1. Familiarizați-vă cu descrierea și procedura de operare a instrumentelor necesare pentru funcționarea instalației experimentale. Asamblați circuitul conform Fig. 18. Instalația poate fi conectată la rețea numai după verificarea corectitudinii circuitului asamblat de către un inginer sau profesor.

2. Porniți sursa de curent cu filament catodic și setați curentul de filament necesar. Deoarece atunci când curentul filamentului se modifică, temperatura și rezistența filamentului se modifică, ceea ce, la rândul său, duce la o modificare a curentului filamentului, ajustarea trebuie efectuată folosind metoda aproximărilor succesive. După finalizarea ajustării, trebuie să așteptați aproximativ 5 minute pentru ca curentul filamentului și temperatura catodului să se stabilească.

3. Conectați o sursă de tensiune constantă la circuitul anodului și, prin schimbarea tensiunii la anod, măsurați punct cu punct caracteristica curent-tensiune. Luați caracteristica curent-tensiune în domeniul 0...25 V, la fiecare 0,5...1 V.

In absenta(V a), Unde In absenta- curent anodic, V a– tensiunea anodului.

5. Dacă intervalul de modificări ale tensiunii anodului este considerat mic, atunci valorile x m, C(x,n) Și V m, inclus în formula (33), poate fi luat constant.În mare V a mărimea V m poate fi neglijat. Ca rezultat, formula (33) este transformată în forma (după trecerea de la densitatea de termocurent j la a lui sens deplin eu)

6. Din formula (34) determinați valoarea CU pentru trei valori maxime ale tensiunii anodului pe caracteristica curent-tensiune. Calculați media aritmetică a valorilor obținute. Înlocuind această valoare în formula (33), determinați valoarea V m pentru trei valori minime ale tensiunii la anod și calculați valoarea medie aritmetică V m.

7. Folosind valoarea obţinută V m, reprezentați grafic dependența lui ln In absenta din ln( V a+|V m|). Determinați gradul de dependență de tangenta unghiului acestui grafic In absenta(V a + V m). Ar trebui să fie aproape de 1,5.

8. Întocmește un raport asupra lucrării.

Cerințe de raportare

5. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Cum se numește fenomenul de emisie termoionică? Definiți funcția de lucru a unui electron. Care este diferența dintre funcția de lucru termodinamică și cea externă?

2. Explicați motivele apariției unei bariere potențiale la limita solid-vid.

3. Explicați, pe baza diagramei energetice a metalului și a curbei de distribuție a energiei electronilor, emisia termică de electroni din metal.

4. În ce condiții se observă curentul termoionic? Cum poți observa curentul termoionic? Cum depinde curentul diodei termice de câmpul electric aplicat?

5. Stabiliți legea Richardson-Deshman

6. Explicați tabloul calitativ al influenței unei sarcini de volum negative asupra caracteristicii curent-tensiune a unei diode termice. Formulați legea „trei secunde” a lui Langmuir.

7. Care sunt distribuțiile potențialului, intensității câmpului electric și densității electronilor în spațiul dintre catod și anod la curenți limitați de sarcina spațială?

8. Care este dependența curentului de emisie termică de tensiunea dintre anod și catod, ținând cont de sarcina spațială și vitezele inițiale ale electronilor? Explicați semnificația parametrilor care determină această dependență;

9. Explicați proiectarea configurației experimentale pentru studierea emisiei termoionice. Explicați scopul elementelor individuale ale circuitului.

10. Explicați metoda de determinare experimentală a exponentului în legea „trei secunde”.

9. Lucrare de laborator nr 2. Studiul emisiei termoionice la densități de curent de emisie scăzute

Scopul lucrării: studierea caracteristicilor curent-tensiune ale unei diode termice la un curent de încălzire catod scăzut. Determinarea din rezultatele experimentale a diferenței de potențial de contact dintre catod și anod, temperatura catodului.

La densități scăzute de curent termic volt-amper caracteristica are un aspect caracteristic cu un punct de inflexiune corespunzător modulului diferenței de potențial de contact dintre catod și anod (Fig. 10). Temperatura catodului poate fi determinată după cum urmează. Să trecem la ecuația (12), care descrie caracteristica curent-tensiune a emisiei termoionice la densități scăzute de curent, din densitatea de termocurent. j la valoarea sa deplină eu(j=eu/S, Unde S– aria secțiunii transversale a termocurentului). Apoi primim

Unde ESTE– curent de saturație.

Luând logaritmii lui (35), avem

.(36)

În măsura în care ecuația (36) descrie caracteristica curent-tensiune în zona din stânga punctului de inflexiune, atunci pentru a determina temperatura catodului este necesar să se ia oricare două puncte din această zonă cu curenții anodici. eu un 1, eu un 2și tensiunile anodice U a 1, U a 2 respectiv. Apoi, conform ecuației (36),

De aici obținem formula de lucru pentru temperatura catodului

.(37)

Comandă de lucru

Pentru a efectua lucrări de laborator trebuie:

1. Familiarizați-vă cu descrierea și procedura de operare a instrumentelor necesare pentru funcționarea instalației experimentale. Asamblați circuitul conform fig. 18. Instalația poate fi conectată la rețea numai după verificarea corectitudinii circuitului asamblat de către un inginer sau profesor.

2. Porniți sursa de curent cu filament catodic și setați curentul de filament necesar. După setarea curentului, trebuie să așteptați aproximativ 5 minute pentru ca curentul filamentului și temperatura catodului să se stabilească.

3. Conectați o sursă de tensiune constantă la circuitul anodului și, prin schimbarea tensiunii la anod, măsurați punct cu punct caracteristica curent-tensiune. Volt-amper luați caracteristica în intervalul 0...5 V la fiecare 0,05...0,2 V.

4. Prezentați rezultatele măsurătorii pe un grafic în ln coordonate In absenta(V a), Unde In absenta- curent anodic, V a– tensiunea anodului. Deoarece în această lucrare diferența de potențial de contact este determinată grafic, scara de-a lungul axei orizontale trebuie aleasă astfel încât acuratețea determinării V K.R.P nu a fost mai mică de 0,1 V.

5. Folosind punctul de inflexiune al caracteristicii curent-tensiune, determinați diferența de potențial de contact dintre anod și catod.

6. Determinați temperatura catodului pentru trei perechi de puncte pe secțiunea liniară înclinată a caracteristicii curent-tensiune la stânga punctului de inflexiune. Temperatura catodului trebuie calculată folosind formula (37). Calculați temperatura medie din aceste date.

7. Întocmește un raport asupra lucrării.

Cerințe de raportare

Raportul este întocmit pe o coală standard de hârtie A4 și trebuie să conțină:

1. Informații de bază despre teorie.

2. Diagrama montajului experimental și scurta descriere a acestuia.

3. Rezultatele măsurătorilor și calculelor.

4. Analiza rezultatelor experimentale obtinute.

5. Concluzii asupra lucrării.

Întrebări de control

1. Enumerați tipurile de emisie de electroni. Ce cauzează eliberarea de electroni în fiecare tip de emisie de electroni?

2. Explicați fenomenul de emisie termoionică. Definiți funcția de lucru a unui electron dintr-un solid. Cum putem explica existența unei bariere potențiale la limita solid-vid?

3. Explicați, pe baza diagramei energetice a metalului și a curbei de distribuție a energiei electronilor, emisia termică de electroni din metal.

4. Stabiliți legea Richardson-Deshman. Explicați semnificația fizică a cantităților cuprinse în această lege.

5. Care sunt caracteristicile caracteristicilor curent-tensiune ale catodului termoionic la densități de curent de emisie scăzute? Cum îl afectează diferența de potențial de contact dintre catod și anod?

6. Ce este efectul Schottky? Cum se explică acest efect?

7. Explicați scăderea barierei de potențial pentru electroni sub influența unui câmp electric.

8. Cum va fi determinată temperatura catodului în acest laborator?

9. Explicați metoda de determinare a diferenței de potențial de contact în această lucrare.

10. Explicați diagrama și scopul elementelor individuale ale configurației laboratorului.