Elektron ve iyon emisyonu, yayıcı termal ısıtmaya, ışık radyasyonuna, elektron veya iyon bombardımanına, sabit veya yüksek frekanslı bir elektriğe maruz kaldığında katı bir cismin vakum veya gazla sınırında meydana gelen yüklü parçacıkların salınmasıdır. alan vb.

Isıtılmış bir cisim tarafından elektronların vakuma salınması olayına ne ad verilir? Termiyonik emisyon.

Şurası tespit edilmiştir ki, T = 0 kristalden elektron emisyonu olamaz, çünkü en hızlı elektronların enerjileri bile sınırındaki potansiyel bariyeri aşmak için yetersizdir.

Bir katı ısıtıldığında, kristal kafes atomlarının titreşim genlikleri artar. Sıcaklık yükseldikçe, artan sayıda elektron (Şekil 2.10), katı cismin vakumla sınırındaki potansiyel bariyeri aşmaya yetecek kadar enerji kazanır.

Her metreküp metal içeriyorsa dn sen , sen,sen hız bileşenlerine sahip serbest elektronlar sen xönce u x + du x, itibaren senönce sen + +du y ve dan sen zönce u z + du z, (Nerede sen x cismin yüzeyine dik yöndeki hız bileşenidir), o zaman yüzeye gelen bu tür elektronların akısı eşittir

Sadece yönde hız bileşeni olan elektronlar X potansiyel engeli aşmak için yeterli, yani

Belirli bir sıcaklıkta birim zamanda metal yüzeyinden 1 m 2 ayrılan elektronların sayısını belirlemek için, metaldeki elektron hızı dağılım fonksiyonunu formülde yerine koymak ve elde edilen ifadeyi entegre etmek gerekir.

Kuantum mekaniği teorisine göre, tüm elektronlar boşluğa gitmez, potansiyel bariyerden yansıma olasılığı vardır. Bu nedenle, bariyer D'nin şeffaflığı kavramı tanıtılmaktadır.

Richardson-Deshman denklemi termal emisyon akım yoğunluğunu belirler:

burada evrensel bir sabittir ve emitörün tipine bağlı değildir.

Fermi enerjisi bağıntı ile belirlenir. İlk yaklaşımda sıcaklığa bağlı olmadığı ve bu nedenle etkin iş fonksiyonu ile değiştirilebileceği görülür, daha sonra

joule cinsinden ifade edilen iş fonksiyonu burada.

Richardson-Deshman denklemi, metal yüzeyden termiyonik emisyonun mevcut yoğunluğunun, sıcaklığa ve malzemenin etkin iş fonksiyonuna bağlı olduğunu göstermektedir.

Termiyonik akım yoğunluğunu belirleme denklemi yalnızca metale değil, aynı zamanda her türden yarı iletken katotlara da uygulanabilir. Bununla birlikte, özgüllük, metallerdeki Fermi seviyesinin pozisyonunun ilk yaklaşımda sıcaklıktan bağımsız olduğu ve dikkate alınması gerektiği gerçeğinde yatmaktadır. j eff. Belirli bir malzemenin sabiti olarak, safsızlık yarı iletkenlerinde Fermi seviyesinin konumu sıcaklığa bağlıdır. Çıkış çalışma sıcaklığı katsayısı ( A) metaller için êa½ ~ 10–5 olarak belirlenmiştir. ve yarı iletkenler a ~ 10–4. Katsayının etkilendiği göz önüne alındığında çok sayıda Termal emisyon akım yoğunluğunun belirlenmesinde önemsiz bir parçaya katkıda bulunan kesin bir tanımı olmadığı için, tüm termal katot türleri için Richardson-Deshman formülünü kullanacağız.

Bugün, odak termiyonik emisyon üzerindedir. Efektin adının varyantları, ortamdaki ve boşluktaki tezahürü dikkate alınır. Sıcaklık limitleri araştırılıyor. Termiyonik emisyon doyum akım yoğunluğunun bağımlı bileşenleri belirlenir.

Termiyonik emisyon etkisinin isimleri

"Termiyonik emisyon" teriminin başka isimleri de vardır. Bu fenomeni keşfeden ve ilk araştıran bilim adamlarının isimleriyle Richardson etkisi veya Edison etkisi olarak tanımlanmaktadır. Dolayısıyla bir insan kitap metninde bu iki ibare ile karşılaşırsa aynı fizik terimin kastedildiğini hatırlamalıdır. Karışıklık, yerli ve yabancı yazarların yayınları arasındaki anlaşmazlıktan kaynaklandı. Sovyet fizikçileri yasalara açıklayıcı tanımlar vermeye çalıştılar.

"Termiyonik emisyon" terimi, fenomenin özünü içerir. Sayfada bu cümleyi gören bir kişi, elektronların termal emisyonundan bahsettiğimizi hemen anlar, ancak bunun metallerde kesinlikle olduğu perde arkasında kalır. Ama tanımlar bunun için var, detayları ortaya çıkarmak için. Yabancı bilimde, öncelik ve telif hakkı konusunda çok titizler. Bu nedenle, bir şeyi düzeltmeyi başaran bir bilim adamı nominal bir fenomen alır ve fakir öğrencilerin aslında sadece etkinin özünü değil, kaşiflerin adlarını ezberlemesi gerekir.

termiyonik emisyonun tanımı

Termiyonik emisyon olgusu, elektronların metallerden yüksek sıcaklıkta çıkmasıdır. Bu nedenle, ısıtılmış demir, kalay veya cıva bu temel parçacıkların kaynağıdır. Mekanizma, metallerde özel bir bağlantı olduğu gerçeğine dayanmaktadır: pozitif yüklü çekirdeklerin kristal kafesi, yapı içinde bir bulut oluşturan tüm elektronlar için adeta ortak bir tabandır.

Böylece yüzeye yakın negatif yüklü parçacıklar arasında, hacmi terk etmeye, yani potansiyel engeli aşmaya yetecek kadar enerjiye sahip olanlar her zaman olacaktır.

Termiyonik emisyon etki sıcaklığı

Metalik bağ nedeniyle, herhangi bir metalin yüzeyinin yakınında, potansiyel çıkış engelini aşmak için yeterli güce sahip elektronlar bulunur. Bununla birlikte, aynı enerji yayılımı nedeniyle, bir parçacık kristal yapıdan zar zor koparken, diğeri uçar ve etrafındaki ortamı iyonlaştırarak bir miktar mesafeyi aşar. Açıkçası, ortamdaki daha fazla Kelvin, daha fazla elektron metalin hacmini terk etme yeteneği kazanır. Böylece, termiyonik emisyonun sıcaklığının ne olduğu sorusu ortaya çıkıyor. Cevap basit değil ve bu etkinin varlığının alt ve üst sınırlarını ele alacağız.

Termiyonik emisyonun sıcaklık limitleri

Metallerdeki pozitif ve negatif parçacıklar arasındaki ilişkinin, çok yoğun bir enerji dağılımı da dahil olmak üzere bir dizi özelliği vardır. Fermiyon olan elektronların her biri kendi enerji nişlerini işgal eder (hepsi aynı durumda olabilen bozonların aksine). Buna rağmen, aralarındaki fark o kadar küçüktür ki, spektrum ayrık yerine sürekli olarak kabul edilebilir.

Bu da metallerde yüksek yoğunlukta elektron durumlarına yol açar. Bununla birlikte, mutlak sıfıra yakın çok düşük sıcaklıklarda bile (hatırlayın, bu sıfır kelvin veya yaklaşık eksi iki yüz yetmiş üç santigrat derecedir), daha yüksek ve daha düşük enerjilere sahip elektronlar olacaktır, çünkü bunların tümü içinde olamaz. Aynı anda en düşük durum. Bu, belirli koşullar altında (ince folyo) çok nadiren bir elektronun aşırı düşük sıcaklıklarda bile metalden kaçacağı anlamına gelir. Böylece mutlak sıfıra yakın değer termiyonik emisyon sıcaklığının alt sınırı olarak kabul edilebilir.

Sıcaklık ölçeğinin diğer tarafında metalin erimesi yer alır. Fizikokimyasal verilere göre, bu özellik bu sınıftaki tüm malzemeler için farklılık göstermektedir. Başka bir deyişle, aynı erime noktasına sahip metaller yoktur. Normal koşullar altında cıva veya sıvı, kristal formdan zaten eksi otuz dokuz santigrat derecede geçerken, tungsten - üç buçuk binde.

Bununla birlikte, tüm bu sınırların ortak bir noktası vardır - metal katı bir cisim olmaktan çıkar. Bu, yasaların ve etkilerin değiştiği anlamına gelir. Ve eriyikte termiyonik emisyon olduğunu söylemek gerekli değildir. Böylece metalin erime sıcaklığı bu etkinin üst sınırı olur.

Vakum koşullarında termiyonik emisyon

Yukarıda ele alınan her şey, bir ortamdaki (örneğin, havadaki veya inert bir gazdaki) fenomene atıfta bulunur. Şimdi vakumda termiyonik emisyon nedir sorusuna dönelim. Bunu yapmak için en basit cihazı açıklıyoruz. İçinden havası alınmış olan balona, ​​akım kaynağının eksi kutbunun bağlı olduğu ince bir metal çubuk yerleştirilmiştir. Deney sırasında kristal yapısını kaybetmemek için malzemenin yeterince yüksek sıcaklıklarda eritilmesi gerektiğini unutmayın. Bu şekilde elde edilen katot, başka bir metalden bir silindirle çevrelenir ve pozitif kutup ona bağlanır. Doğal olarak anot da vakumla dolu bir kaptadır. Devre kapatıldığında termiyonik emisyon akımını elde ederiz.

Bu koşullar altında, sabit bir katot sıcaklığında akımın gerilime bağımlılığının Ohm yasasına değil, üç saniye yasasına uyması dikkat çekicidir. Ayrıca Child'ın (diğer versiyonlarda Child-Langmuir ve hatta Child-Langmuir-Boguslavsky) ve Almanca bilimsel literatürde Schottky denkleminin adı verilmiştir. Böyle bir sistemde artan voltaj ile belirli bir anda katottan kaçan elektronların tamamı anoda ulaşır. Buna doyma akımı denir. Akım-gerilim karakteristiğinde bu, eğrinin bir düzlüğe ulaşması ve gerilimde daha fazla bir artışın etkili olmaması şeklinde ifade edilir.

Termiyonik emisyon formülü

Bunlar termiyonik emisyonun sahip olduğu özelliklerdir. Formül oldukça karmaşık, bu yüzden burada sunmayacağız. Ayrıca, herhangi bir referans kitabında bulmak kolaydır. Genel olarak, termiyonik emisyon için böyle bir formül yoktur; sadece doygunluk akım yoğunluğu dikkate alınır. Bu değer malzemeye (iş fonksiyonunu belirleyen) ve termodinamik sıcaklığa bağlıdır. Formülün diğer tüm bileşenleri sabittir.

Birçok cihaz termiyonik emisyon temelinde çalışır. Örneğin eski büyük televizyonlar ve monitörler temel olarak bu etkiye sahiptir.

İletken ve vakum arasındaki arayüzden geçerken, elektrik alanın gücünün ve endüksiyonunun aniden değiştiğine zaten dikkat çekilmişti. Bununla ilgili belirli fenomenler var. Elektron sadece metalin sınırları içinde serbesttir. "Metal-vakum" sınırını geçmeye çalıştığı anda, elektron ile yüzeyde oluşan fazla pozitif yük arasında bir Coulomb çekim kuvveti ortaya çıkar (Şekil 6.1).

Yüzeye yakın bir elektron bulutu oluşur ve arayüzde potansiyel farkı () olan bir çift elektrik tabakası oluşur. Metal sınırındaki potansiyel sıçramalar Şekil 6.2'de gösterilmiştir.

Metalin kapladığı hacimde, potansiyel bir enerji kuyusu oluşur, çünkü metal içinde elektronlar serbesttir ve kafes bölgeleriyle etkileşim enerjileri sıfırdır. Metalin dışında, elektron enerji kazanır W 0 . Bu çekim enerjisidir.Metalden ayrılabilmesi için elektronun potansiyel bariyeri aşması ve iş yapması gerekir.

(6.1.1)

Bu iş denir bir metalden bir elektronun iş fonksiyonu . Bunu tamamlamak için elektrona yeterli enerji sağlanmalıdır.

Termiyonik emisyon

İş fonksiyonunun değeri, maddenin kimyasal yapısına, termodinamik durumuna ve arayüzün durumuna bağlıdır. İş fonksiyonunu yapmak için yeterli enerji ısıtma yoluyla elektronlara verilirse, o zaman Elektronların bir metalden kaçma işlemine denir. Termiyonik emisyon .

Klasik termodinamikte bir metal, bir elektron gazı içeren iyonik bir kafes olarak temsil edilir. Serbest elektron topluluğunun ideal gaz yasalarına uyduğuna inanılmaktadır. Bu nedenle, 0 K dışındaki bir sıcaklıkta Maxwell dağılımına göre, metalde termal enerjisi iş fonksiyonundan daha büyük olan belirli sayıda elektron vardır. Bu elektronlar metali terk eder. Sıcaklık artarsa, bu tür elektronların sayısı da artar.

Isıtılmış cisimler (yayıcılar) tarafından bir vakuma veya başka bir ortama elektron emisyonu olgusu denir. Termiyonik emisyon . Elektronun termal hareketinin enerjisinin, yüzeyden çıkarıldığında metal yüzeyinde negatif yüklü elektron ile onun tarafından indüklenen pozitif yük arasındaki Coulomb çekim kuvvetlerinin üstesinden gelmek için yeterli olması için ısıtma gereklidir (Şekil 6.1). Ek olarak, yeterince yüksek bir sıcaklıkta, metal yüzeyin üzerinde, elektronun metal yüzeyden vakuma kaçmasını önleyen negatif yüklü bir elektron bulutu oluşturulur. Bu iki ve muhtemelen diğer faktörler, bir metalden bir elektronun iş fonksiyonunu belirler.

Termiyonik emisyon fenomeni, 1883 yılında ünlü Amerikalı mucit Edison tarafından keşfedildi. Bu fenomen, onun tarafından iki elektrotlu bir vakum lambasında gözlemlendi - pozitif potansiyele sahip bir anot ve negatif potansiyele sahip bir katot. Lambanın katodu, elektrik akımı ile ısıtılan, refrakter metalden (tungsten, molibden, tantal vb.) Yapılmış bir filaman olabilir (Şekil 6.3). Böyle bir lambaya vakum diyotu denir. Katot soğuksa, katot-anot devresinde pratik olarak akım yoktur. Katot-anot devresindeki katodun sıcaklığındaki bir artışla, katodun sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, o kadar büyük olan bir elektrik akımı ortaya çıkar. Sabit bir katot sıcaklığında, katot-anot devresindeki akım, artan potansiyel farkla artar. sen katot ve anot arasında ve bazı durağan değerlere gider. doyma akımı BEN N. nerede katot tarafından yayılan tüm termoelektronlar anoda ulaşır. Anot akımı orantılı değil sen, ve bu nedenle Ohm yasası bir vakum diyodu için geçerli değildir.

Şekil 6.3, vakum diyot devresini ve akım-gerilim özelliklerini (CV) göstermektedir. ben bir(sen). Burada sen h - geciktirme voltajı BEN = 0.

Soğuk ve patlayıcı emisyon

Elektrik alan kuvvetlerinin bir metaldeki serbest elektronlar üzerindeki etkisinin neden olduğu elektronik emisyona denir. soğuk emisyon veya otoelektronik . Bunun için alan şiddetinin yeterli olması ve koşulun sağlanması gerekir.

(6.1.2)

Burada D medya arayüzündeki elektriksel çift katmanın kalınlığıdır. Genellikle saf metaller ve Bununla birlikte, pratikte, soğuk emisyon bir düzen gücünde gözlemlenir.Bu tutarsızlık, mikro düzeyde süreçleri tanımlamak için klasik kavramların tutarsızlığına atfedilir.

Alan emisyonu, katodu bir uç olan iyi boşaltılmış bir vakum tüpünde gözlemlenebilir ve anot, düz veya hafif kavisli bir yüzeye sahip geleneksel bir elektrottur. Bir eğrilik yarıçapına sahip bir ucun yüzeyindeki elektrik alan şiddeti R ve potansiyel sen anoda göreli

katot yüzeyinden alan emisyonu nedeniyle zayıf bir akımın ortaya çıkmasına yol açacaktır. Emisyon akımının gücü artan potansiyel farkla hızla artar sen. Bu durumda katot özel olarak ısıtılmaz ve bu nedenle emisyona soğuk denir.

Alan emisyonunun yardımıyla, temel olarak akım yoğunluğunu elde etmek mümkündür. ancak bu, pratik olarak imkansız olan, aynı şekilde (Şekil 6.4) çok sayıda uç seti şeklinde yayıcılar gerektirir ve ek olarak, akımın 10 8 A / cm2'ye çıkarılması patlayıcıya yol açar uçların ve tüm vericinin imhası.

AEE'nin uzay yükünün etkisi altındaki akım yoğunluğu (Childe-Langmuir yasası)

Nerede katodun geometrisi ve malzemesi tarafından belirlenen orantılılık katsayısıdır.

Basitçe söylemek gerekirse, Childe-Langmuir yasası akım yoğunluğunun orantılı olduğunu gösterir (üç saniye yasası).

Katodun mikro hacimlerinde 10 4 J×m–1'e kadar veya daha fazla (toplam 10 -8 J enerji ile) enerji konsantrasyonundaki alan emisyon akımı, niteliksel olarak farklı bir emisyon türünü başlatabilir. katot üzerindeki mikro noktaların patlaması (Şekil 6.4).

Bu durumda, başlangıç ​​​​akımını büyüklük sırasına göre aşan bir elektron akımı belirir - gözlenen patlayıcı elektron emisyonu (ÇİŞ). EEE, 1966 yılında G.A. liderliğindeki bir çalışan ekibi tarafından Tomsk Politeknik Enstitüsünde keşfedildi ve incelendi. aylar

EEE, 10 13 W'a kadar güçte ve 10 9 A/cm 2 akım yoğunluğuna kadar elektron akışları elde etmeyi mümkün kılan tek elektron emisyonu türüdür.

	Pirinç. 6.4	Pirinç. 6.5

EEE akımı yapı olarak olağan dışıdır. Elektron çığ karakterine sahip 10 11 ¸ 10 12 adet ayrı elektron bölümlerinden oluşur. ektonlar(ilk harfler " patlayıcı merkez”) (Şek. 6.5). Çığ oluşum süresi 10 -9 ¸ 10 -8 s.

Bir ektonda elektronların ortaya çıkışı, katot mikro kesitlerinin hızlı aşırı ısınmasından kaynaklanır ve özünde bir tür termiyonik emisyondur. Bir ektonun varlığı, katot yüzeyinde bir krater oluşumunda kendini gösterir. Bir ektonda elektron emisyonunun kesilmesi, termal iletkenlik nedeniyle emisyon bölgesinin soğumasına, akım yoğunluğunun azalmasına ve atomların buharlaşmasına bağlıdır.

Patlayıcı elektron emisyonu ve ektonlar, vakum kıvılcımlarında ve arklarında, düşük basınçlı deşarjlarda, sıkıştırılmış ve yüksek mukavemetli gazlarda, mikro boşluklarda, örn. katot yüzeyinde yüksek bir elektrik alanın olduğu yerde.

Patlayıcı elektron emisyonu olgusu, yüksek akımlı elektron hızlandırıcılar, güçlü darbeli ve X-ışını cihazları ve güçlü göreli mikrodalga üreteçleri gibi darbeli elektrofiziksel kurulumların yaratılmasının temelini oluşturdu. Örneğin darbeli elektron hızlandırıcılar, 10 -10 ¸ 10 -6 s darbe süresi, 10 6 A elektron akımı ve 10 4 ¸ 10 7 eV elektron enerjisi ile 10 13 W veya daha fazla güce sahiptir. Bu tür ışınlar, plazma fiziği, radyasyon fiziği ve kimya araştırmalarında, gaz lazerlerini pompalamak için vb. yaygın olarak kullanılmaktadır.

fotoelektronik emisyon

fotoelektronik emisyon (fotoelektrik etki) üzerindeki elektromanyetik radyasyonun etkisi altında metalden elektronları "yok etmekten" oluşur.

Fotoelektrik etki ve CVC'yi incelemek için kurulumun düzeni şekilde gösterilenlere benzer. 6.3. Burada, katodu ısıtmak yerine, ona bir foton akışı veya γ-kuantum yönlendirilir (Şekil 6.6).

Fotoelektrik etkinin yasaları, klasik teori ile soğuk emisyon durumunda olduğundan bile daha tutarsızdır. Bu nedenle optikte kuantum kavramlarını tartışırken fotoelektrik etki teorisini dikkate alacağız.

γ - radyasyonu kaydeden fiziksel cihazlarda, kullanırlar fotoçoğaltıcılar (PMT). Cihazın şeması Şekil 6.7'de gösterilmiştir.

İki emisyon etkisi kullanır: fotoelektrik etki Ve ikincil elektron emisyonu, metali diğer elektronlarla bombardıman ederken elektronları metalden koparmaktan oluşur. Elektronlar, foto katottan gelen ışıkla dışarı atılır ( FC). arasında hızlanma FC ve ilk yayıcı ( KS 1), bir sonraki yayıcıdan daha fazla elektron çıkarmak için yeterli enerji kazanırlar. Böylece, elektronların çoğalması, komşu yayıcılar arasındaki potansiyel farkın art arda geçişi sırasında sayılarındaki artıştan kaynaklanır. Son elektrot toplayıcı olarak adlandırılır. Son yayıcı ile toplayıcı arasındaki akımı kaydedin. Böylece, PMT bir akım yükselticisi olarak hizmet eder ve ikincisi, radyoaktiviteyi değerlendirmek için kullanılan fotokatot üzerindeki radyasyon olayıyla orantılıdır.

Termiyonik emisyon

Termiyonik emisyon (Richardson etkisi, Edison etkisi) - ısıtılmış cisimler tarafından elektron emisyonu olgusu. Metallerdeki serbest elektronların konsantrasyonu oldukça yüksektir, bu nedenle orta sıcaklıklarda bile elektronların hız (enerji cinsinden) cinsinden dağılımı nedeniyle bazı elektronlar metal sınırındaki potansiyel engeli aşmak için yeterli enerjiye sahiptir. Sıcaklık yükseldikçe, termal hareketin kinetik enerjisi iş fonksiyonundan daha büyük olan elektronların sayısı artar ve termiyonik emisyon olgusu fark edilir hale gelir.

Termiyonik emisyon kalıpları üzerine bir çalışma, en basit iki elektrotlu lamba - iki elektrot içeren boşaltılmış bir balon olan bir vakum diyotu kullanılarak gerçekleştirilebilir: katot K ve anot A. En basit durumda, katot bir filamandır. elektrik akımı ile ısıtılan refrakter metalden (örneğin, tungsten). Anot, çoğunlukla katodu çevreleyen metal bir silindir biçimindedir. Diyot devreye dahil edilirse, katot ısıtıldığında ve anoda (katoda göre) pozitif voltaj uygulandığında, diyotun anot devresinde bir akım belirir. Pilin kutupları ters çevrilirse, katot ne kadar ısıtılırsa ısıtılsın akım durur. Sonuç olarak, katot negatif parçacıklar - elektronlar yayar.

Isıtılmış katodun sıcaklığı sabit tutulursa ve anot akımının anot voltajına bağımlılığı - akım-gerilim özelliği - ortadan kaldırılırsa, bunun doğrusal olmadığı, yani Ohm yasasının yerine getirilmediği ortaya çıkar. vakum diyotu. Termiyonik akımın küçük pozitif değerler bölgesindeki anot voltajına bağımlılığı, üç saniye yasasıyla (Rus fizikçi S. A. Boguslavsky (1883-1923) ve Amerikalı fizikçi I. Langmuir (1881) tarafından kurulmuştur) açıklanmaktadır. -1957)): burada B, elektrotların şekline ve boyutuna ve bunların göreli konumuna bağlı bir katsayıdır.

Anot voltajındaki bir artışla akım, doyma akımı adı verilen belirli bir maksimum değere yükselir. Bu, katottan ayrılan hemen hemen tüm elektronların anoda ulaştığı anlamına gelir, bu nedenle alan kuvvetinde daha fazla bir artış, termiyonik akımda bir artışa yol açamaz. Bu nedenle, doygunluk akımı yoğunluğu, katot malzemesinin emisyonunu karakterize eder. Doygunluk akımı yoğunluğu, teorik olarak kuantum istatistikleri temelinde türetilen Richardson - Deshman formülü ile belirlenir: görünüşe göre yüzey etkilerinden dolayı). İş fonksiyonundaki bir azalma, doygunluk akım yoğunluğunda keskin bir artışa yol açar. Bu nedenle, çalışma fonksiyonu 1–1,5 eV olan oksit katotlar kullanılır (örneğin, alkalin toprak metal oksit ile kaplanmış nikel).

Birçok vakum elektronik cihazının çalışması, termiyonik emisyon olgusuna dayanmaktadır.

Edebiyat

• Fizik kursu Trofimova T.I.

Wikimedia Vakfı. 2010

• Curia Muria
• gelgit santrali

Diğer sözlüklerde "Termiyonik Emisyon" un ne olduğuna bakın:

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- ısıtılmış cisimler (yayıcılar) tarafından bir vakuma veya başka bir ortama elektron emisyonu. Yalnızca enerjisi yayıcının dışında duran bir elektronun enerjisinden daha büyük olan elektronlar vücuttan ayrılabilir (bkz. İş fonksiyonu). Bu tür elektronların sayısı (genellikle bunlar elektronlardır ... Fiziksel Ansiklopedi

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- ısıtılmış cisimler (yayıcılar) tarafından bir vakuma veya başka bir ortama elektron emisyonu. Sadece enerjisi vücudun dışında duran elektronun enerjisinden daha büyük olan elektronlar vücuttan ayrılabilir (bkz. İŞTEN ÇIKIŞ). Termodinamik koşullar altında bu tür elektronların sayısı. denge, ... ... Fiziksel Ansiklopedi

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- ısıtılmış katılar veya sıvılar (yayıcılar) tarafından elektron emisyonu. Termiyonik emisyon, yayıcıdan elektronların buharlaşması olarak düşünülebilir. Çoğu durumda, sıcaklıklarda termiyonik emisyon gözlenir ... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük

Termiyonik emisyon- Termiyonik emisyon; endüstri termiyonik emisyon Elektron yayan katı veya sıvı bir cismin yalnızca termal durumundan (sıcaklığından) kaynaklanan elektron emisyonu ... Politeknik terminolojik açıklayıcı sözlük

Termiyonik emisyon- Yalnızca elektrotun sıcaklığından kaynaklanan elektronik emisyon. [GOST 13820 77] Konular elektrovakum cihazları ... Teknik Tercümanın El Kitabı

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- TERMOELEKTRONİK EMİSYON, bir madde ısıtıldığında yüzeyinden ELEKTRONLARIN "buharlaşması"... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- ısıtılmış cisimler (yayıcılar) tarafından bir vakuma veya başka bir ortama elektron emisyonu. Olay, oda sıcaklığından önemli ölçüde daha yüksek sıcaklıklarda gözlenir; bu durumda vücudun elektronlarının bir kısmı iş fonksiyonunu (milyon eşit) aşan bir enerji elde eder ... ... Büyük Politeknik Ansiklopedisi

Termiyonik emisyon- ısıtılmış katılar veya sıvılar (yayıcılar) tarafından elektron emisyonu. Termiyonik emisyon, termal uyarılma sırasında elektronların buharlaşması olarak düşünülebilir. Çoğu durumda, termiyonik emisyon şu durumlarda gözlenir ... ... ansiklopedik Sözlük

Termiyonik emisyon- Richardson etkisi, elektronların ısıtılmış cisimler (katılar, nadiren sıvılar) tarafından bir vakuma veya çeşitli ortamlara yayılması. İlk olarak 1900 1901'de O. W. Richardson tarafından çalışıldı. T. e. elektronların buharlaşma süreci olarak kabul edilebilir ... ... Büyük Sovyet Ansiklopedisi

TERMOELEKTRONİK EMİSYON- ısıtılmış bir yüzey tarafından elektron emisyonu. 1750'den önce bile, ısıtılmış katıların yakınında havanın, zayıf bir elektrik iletkeni olma özelliğini kaybettiği biliniyordu. Ancak bu olgunun nedeni 1880'lere kadar belirsizliğini korudu. bir numarada …… Collier Ansiklopedisi

Termiyonik emisyon- Termoelektronine emisyon durumu, T sritis chemija apibrėžtis Elektronų spinduliavimas ıš įkaitusių kietųjų kūnų arba skysčių. atitikmenys: ingilizce. termoelektronik emisyon. Termiyonik emisyon ... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

Kontrol soruları .. 18

9. 2 numaralı laboratuvar çalışması. Düşük emisyon akım yoğunluklarında termiyonik emisyon çalışması . 18

İş emri .. 19

Rapor Gereksinimleri . 19

Kontrol soruları .. 19

giriiş

Emisyon elektroniği, yoğunlaştırılmış bir ortamdan elektronların emisyonu (emisyon) ile ilişkili olguları inceler. Elektronik emisyon, vücudun elektronlarının bir kısmı, dış etkinin bir sonucu olarak, sınırındaki potansiyel bariyeri aşmak için yeterli enerjiyi elde ettiğinde veya bir dış elektrik alanı onu elektronların bir kısmı için "saydam" hale getirdiğinde meydana gelir. Dış etkinin doğasına bağlı olarak şunlar vardır:

• termiyonik emisyon (vücudun ısınması);
• ikincil elektron emisyonu (yüzeyin elektron bombardımanı);
• iyon-elektron emisyonu (iyonlar tarafından yüzey bombardımanı);
• fotoelektronik emisyon (elektromanyetik radyasyon);
• dış elektronik emisyon (mekanik, termal ve diğer yüzey işleme türleri);
• alan emisyonu (dış elektrik alanı), vb.

Bir elektronun bir kristalden çevredeki boşluğa çıkışını veya bir kristalden diğerine geçişini dikkate almanın gerekli olduğu tüm olaylarda, "İş fonksiyonu" adı verilen özellik belirleyici olur. İş fonksiyonu, bir katıdan bir elektronu çekip potansiyel enerjisinin geleneksel olarak sıfır olarak alındığı bir noktaya yerleştirmek için gereken minimum enerji olarak tanımlanır. Çeşitli emisyon fenomenlerini tanımlamanın yanı sıra, iş fonksiyonu kavramı, iki metalin, bir metalin bir yarı iletkenle, iki yarı iletkenin ve ayrıca galvanik fenomenin temasında bir temas potansiyeli farkının oluşumunu açıklamada önemli bir rol oynar.

Yönergeler iki bölümden oluşmaktadır. İlk bölüm, katılardaki emisyon olayları hakkında temel teorik bilgileri içerir. Ana dikkat, termiyonik emisyon olgusuna ödenir. İkinci bölüm, termiyonik emisyonun deneysel çalışmasına, temas potansiyeli farkının çalışmasına ve iş fonksiyonunun numune yüzeyi üzerindeki dağılımına ayrılmış laboratuvar çalışmalarının bir tanımını içerir.

Bölüm 1. Temel teorik bilgiler

1. Bir elektronun iş fonksiyonu. Yüzey durumunun çalışma çıktısı üzerindeki etkisi

Elektronların katının içinde tutulması, katının yüzey tabakasında elektronların onu çevreleyen boşluğa bırakmasını önleyen bir geciktirici alanın ortaya çıktığını gösterir. Katı bir cismin sınırındaki potansiyel bir bariyerin şematik bir gösterimi, Şekil 2'de verilmiştir. 1. Bir elektronun kristali terk etmesi için iş fonksiyonuna eşit iş yapması gerekir. Ayırt etmek termodinamik Ve harici işten çıkmak.

Termodinamik iş fonksiyonu, sıfır vakum seviyesinin enerjisi ile bir katının Fermi enerjisi arasındaki farktır.

Dış iş fonksiyonu (veya elektron ilgisi), sıfır vakum seviyesinin enerjisi ile iletim bandının tabanının enerjisi arasındaki farktır (Şekil 1).

Pirinç. 1. Kristal potansiyelinin şekli sen kristaldeki ve kristalin yüzeye yakın bölgesindeki iyonların yerleşim çizgisi boyunca: iyonların konumları yatay çizgi üzerinde noktalarla işaretlenmiştir; φ=- sen /e iş fonksiyonu potansiyelidir; E F Fermi enerjisidir (negatif); E Ciletim bandının tabanının enerjisidir; wo termodinamik iş fonksiyonudur; WA dış iş fonksiyonudur; gölgeli alan geleneksel olarak dolu elektronik durumları gösterir

Katı cisim ile vakum arasındaki arayüzde potansiyel bir bariyerin ortaya çıkmasının iki ana nedeni gösterilebilir. Bunlardan biri, bir kristalden yayılan bir elektronun yüzeyinde pozitif bir elektrik yükü oluşturmasıyla ilgilidir. Elektron ile kristalin yüzeyi arasında, elektronu kristale geri döndürme eğiliminde olan çekici bir kuvvet ortaya çıkar (elektrik görüntüsünün kuvveti, bkz. Bölüm 5, Şekil 12). Diğer bir neden, termal hareket nedeniyle elektronların metalin yüzeyini geçebilmesi ve ondan küçük mesafeler için (atomik mertebesinde) uzaklaşabilmesi gerçeğiyle ilgilidir. Yüzeyin üzerinde negatif yüklü bir tabaka oluştururlar. Bu durumda, elektronların serbest bırakılmasından sonra, kristal yüzeyinde pozitif yüklü bir iyon tabakası oluşur. Sonuç olarak, elektriksel bir çift katman oluşur. Dış uzayda bir alan yaratmaz ama aynı zamanda çift tabakanın içindeki elektrik alanın üstesinden gelmek için çalışma gerektirir.

Çoğu metal ve yarı iletken için iş fonksiyonunun değeri birkaç elektron volttur. Örneğin, lityum için iş işlevi 2,38 eV, demir - 4,31 eV, germanyum - 4,76 eV, silikon - 4,8 eV'dir. Büyük ölçüde, iş fonksiyonunun değeri, elektron emisyonunun meydana geldiği tek kristal yüzün kristalografik yönelimi ile belirlenir. Tungstenin (110) düzlemi için iş fonksiyonu 5,3 eV, (111) ve (100) düzlemleri için bu değerler sırasıyla 4,4 eV ve 4,6 eV'dir.

İş fonksiyonu, kristal yüzeyinde biriken ince tabakalardan büyük ölçüde etkilenir. Bir kristalin yüzeyine yerleşen atomlar veya moleküller genellikle ona bir elektron verir veya ondan bir elektron alır ve iyon haline gelir. Şek. Şekil 2, metalden bir elektronun termodinamik çalışma fonksiyonu olduğu durum için bir metalin ve izole edilmiş bir atomun enerji diyagramını gösterir. W0 iyonlaşma enerjisinden daha fazla E iyonu atomun yüzeyinde biriken, Bu durumda, atomun elektronu enerjik olarak uygundur tünel metalin içine ve onun içinde Fermi seviyesine inin. Bu tür atomlarla kaplı bir metalin yüzeyi negatif yüklüdür ve alanı metalin iş fonksiyonunu azaltacak olan pozitif iyonlarla çift elektrik tabakası oluşturur. Şek. Şekil 3a, bir sezyum tek tabakası ile kaplanmış bir tungsten kristalini göstermektedir. Burada yukarıda tartışılan durum gerçekleşir, çünkü enerji E iyonu sezyum (3.9 eV), tungstenin iş fonksiyonundan (4.5 eV) daha azdır. Deneylerde, iş fonksiyonu üç kattan fazla azalır. Tungsten oksijen atomları ile kaplı ise bunun tersi bir durum gözlenir (Şekil 3b). Oksijendeki değerlik elektronlarının bağı tungstendekinden daha güçlü olduğundan, oksijen tungsten yüzeyinde adsorbe edildiğinde, metalin çalışma işlevini artıran çift elektrik tabakası oluşur. En yaygın durum, yüzeye yerleşen bir atomun elektronunu tamamen metale vermemesi veya fazladan bir elektron kabul etmesi, ancak elektron kabuğunu deforme ederek yüzeyde adsorbe olan atomların polarize olması ve elektrik dipolleri haline gelmesidir ( Şekil 3c). Dipollerin yönüne bağlı olarak, metalin iş fonksiyonu azalır (dipollerin yönü Şekil 3c'ye karşılık gelir) veya artar.

2. Termiyonik emisyon olgusu

Termiyonik emisyon, katı bir yüzey tarafından elektron emisyonu türlerinden biridir. Termiyonik emisyon durumunda, dış etki katının ısınmasıyla ilişkilidir.

Termiyonik emisyon fenomeni, elektronların ısıtılmış cisimler (yayıcılar) tarafından bir vakuma veya başka bir ortama yayılmasıdır.

Termodinamik denge koşulları altında, elektron sayısı n(E) aralığında enerjiye sahip olmak Eönce E+dE, Fermi-Dirac istatistikleri ile belirlenir:

,(1)

Nerede g(E) enerjiye karşılık gelen kuantum durumlarının sayısıdır E; E F Fermi enerjisidir; k Boltzmann sabitidir; T mutlak sıcaklıktır.

Şek. Şekil 4, metalin enerji şemasını ve elektronların enerji dağılım eğrilerini göstermektedir. T\u003d 0 K, düşük sıcaklıkta T 1 ve yüksek sıcaklıkta T 2. 0 K'da tüm elektronların enerjisi Fermi enerjisinden daha azdır. Elektronların hiçbiri kristali terk edemez ve termiyonik emisyon gözlenmez. Sıcaklıktaki artışla birlikte, metali terk edebilen termal olarak uyarılmış elektronların sayısı artar ve bu da termiyonik emisyon olgusuna neden olur. Şek. 4 Bu, şu gerçeğiyle gösterilmektedir: T=T 2 Dağıtım eğrisinin "kuyruğu", potansiyel kuyunun sıfır seviyesinin ötesine geçer. Bu, enerjileri potansiyel bariyerin yüksekliğini aşan elektronların görünümünü gösterir.

Metaller için iş fonksiyonu birkaç elektron volttur. Enerji k T binlerce Kelvin sıcaklıkta bile bir elektron voltun kesri kadardır. Saf metaller için, 2000 K mertebesinde bir sıcaklıkta önemli bir elektron emisyonu elde edilebilir. Örneğin, saf tungstende, 2500 K sıcaklıkta gözle görülür bir emisyon elde edilebilir.

Termiyonik emisyonu incelemek için, ısıtılmış bir cismin (katot) yüzeyine yakın bir elektrik alanı oluşturmak gerekir; bu, elektronları emitör yüzeyinden çıkarılması (emilmesi) için hızlandırır. Bir elektrik alanının etkisi altında, yayılan elektronlar hareket etmeye başlar ve adı verilen bir elektrik akımı oluşur. termiyonik. Termiyonik akımı gözlemlemek için genellikle bir vakum diyotu kullanılır - iki elektrotlu bir elektron lambası. Lambanın katodu, elektrik akımıyla ısıtılan, dayanıklı metalden (tungsten, molibden vb.) Yapılmış bir filamandır. Anot genellikle akkor halindeki bir katodu çevreleyen metal bir silindir biçimindedir. Termiyonik akımı gözlemlemek için, diyot Şekil 1'de gösterilen devreye bağlanır. 5. Termiyonik akımın gücünün potansiyel farktaki artışla artması gerektiği açıktır. V anot ve katot arasında. Ancak bu artış orantılı değil. V(Şek. 6). Belirli bir voltaja ulaşıldığında, termiyonik akımın büyümesi fiilen durur. Belirli bir katot sıcaklığında termiyonik akımın sınırlayıcı değerine doyma akımı denir. Doyma akımının değeri, birim zamanda katot yüzeyini terk edebilen termoelektron sayısı ile belirlenir. Bu durumda, katottan termiyonik emisyon sonucu sağlanan tüm elektronlar bir elektrik akımı üretmek için kullanılır.

3. Termiyonik akımın sıcaklığa bağlılığı. formül Richardson-Deshman

Termiyonik akım yoğunluğunu hesaplarken elektron gazı modelini kullanacağız ve uygulayacağız ona göre Fermi-Dirac istatistikleri. Açıkçası, termiyonik akımın yoğunluğu, formül (1) ile açıklanan kristal yüzeye yakın elektron bulutunun yoğunluğu tarafından belirlenir. Bu formülde elektron enerji dağılımından elektronların momentum dağılımına geçelim. Aynı zamanda, elektron dalgası vektörünün izin verilen değerlerinin de dikkate alındığını dikkate alıyoruz. k V k -boşluk eşit olarak dağıtılır, böylece her değer için k hesaplar cilt 8 P 3 (bire eşit bir kristal hacmi için). Elektronun momentumunun göz önüne alındığında p =ћ k momentum uzayının hacim öğesindeki kuantum durumlarının sayısının dp xdpydpz eşit olacak

(2)

Formül (2)'nin payındaki iki, elektron spininin iki olası değerini hesaba katar.

Ekseni yönlendirelim z katot yüzeyine dik dikdörtgen koordinat sistemi (Şekil 7). Kristalin yüzeyinde birim alandan bir alan tahsis edelim ve bunun üzerine, bir yan kenarı olan dikdörtgen bir paralel yüzlü olarak inşa edelim. vs =z /m n(m n etkili elektron kütlesidir). Elektronlar, bileşen tarafından doygunluk akımı yoğunluğuna katkıda bulunur vz eksen hızı z. Bir elektronun akım yoğunluğuna katkısı

(3)

Nerede e bir elektronun yüküdür.

Hızları söz konusu aralıkta bulunan paralelyüzlüdeki elektronların sayısı:

Elektronların salınması sırasında kristal kafesin bozulmaması için elektronların önemsiz bir kısmının kristalden dışarı çıkması gerekir. Bunun için, formül (4)'ün gösterdiği gibi, koşul OF>> k T. Bu tür elektronlar için formül (4)'ün paydasındaki birim ihmal edilebilir. Daha sonra bu formül forma dönüştürülür.

(5)

Şimdi elektronların sayısını bulun dN incelenmekte olan ciltte z- momentumun arasında bulunan bileşeni R z Ve R Z +dpz. Bunu yapmak için önceki ifadenin üzerine entegre edilmesi gerekir. R X Ve R y–∞ ile +∞ arasında değişir. Entegrasyon yapılırken dikkate alınmalıdır.

,

ve tablo integralini kullanın

,.

Sonuç olarak, elde ederiz

.(6)

Şimdi, (3)'ü hesaba katarak, paralelyüzün tüm elektronları tarafından oluşturulan termiyonik akımın yoğunluğunu buluyoruz. Bunu yapmak için, kinetik enerjisi Fermi seviyesinde olan tüm elektronlar için ifade (6) entegre edilmelidir. E≥E F+W0.Yalnızca bu tür elektronlar kristali terk edebilir ve ısıl akımın hesaplanmasında yalnızca onlar rol oynar. Eksen boyunca bu tür elektronların momentumunun bileşeni Z koşulu sağlamalıdır

.

Bu nedenle, doygunluk akım yoğunluğu

nin tüm değerleri için entegrasyon yapılır. Yeni bir entegrasyon değişkeni sunuyoruz

Daha sonra p z dp z =m n du Ve

.(8)

Sonuç olarak, elde ederiz

,(9)

,(10)

sabit nerede

.

Eşitlik (10) formülü denir Richardson-Deshman. Doygunluk termiyonik akımının yoğunluğu ölçülerek, bu formül A sabitini ve W 0 iş fonksiyonunu hesaplamak için kullanılabilir. Deneysel hesaplamalar için formül Richardson-Deshman formda temsil etmek uygundur

Bu durumda, grafikte, bağımlılık ln (js /T2) 1'den /T düz bir çizgi olarak ifade edilir. Çizginin y ekseni ile kesişimi ln'yi hesaplar A ve iş fonksiyonu düz çizginin eğiminden belirlenir (Şekil 8).

4. Temas potansiyeli farkı

İki elektronik iletken, örneğin farklı iş fonksiyonlarına sahip iki metal yaklaştığında ve temas ettiğinde meydana gelen süreçleri düşünün. Bu metallerin enerji şemaları, Şek. 9. izin ver EF1 Ve EF2 sırasıyla birinci ve ikinci metal için Fermi enerjisi ve W01 Ve W02 onların iş fonksiyonudur. Yalıtılmış bir durumda, metaller aynı vakum seviyesine ve dolayısıyla farklı Fermi seviyelerine sahiptir. Kesinlik için varsayalım ki W01< W02, o zaman birinci metalin Fermi seviyesi ikincininkinden daha yüksek olacaktır (Şekil 9a). Bu metaller, metal 1'deki işgal edilmiş elektronik durumlara karşı temas ettiğinde, serbest enerji seviyeleri metal 2. Bu nedenle, bu iletkenler temas ettiğinde, iletken 1'den iletken 2'ye sonuçta bir elektron akışı meydana gelir. Bu, elektronları kaybeden birinci iletkenin pozitif yüklü olmasına ve ikinci iletkenin, ek negatif yük negatif yüklüdür. Şarj nedeniyle, metal 1'in tüm enerji seviyeleri aşağı kaydırılır ve metal 2 - yukarı kaydırılır. Seviyeleri kaydırma işlemi ve elektronların iletken 1'den iletken 2'ye geçiş süreci, her iki iletkenin Fermi seviyeleri hizalanana kadar devam edecektir (Şekil 9b). Bu şekilden de görülebileceği gibi, denge durumu, 0 1 ve 0 2 iletkenlerinin sıfır seviyeleri arasındaki potansiyel farka karşılık gelir:

.(11)

Potansiyel fark V K.R.P isminde temas potansiyel farkı. Bu nedenle, temas potansiyeli farkı, temas eden iletkenlerden elektronların iş fonksiyonlarındaki farkla belirlenir. Elde edilen sonuç, vakumda termiyonik emisyon, harici bir devre yoluyla vb. dahil olmak üzere iki malzeme arasındaki herhangi bir elektron değişimi yöntemi için geçerlidir. Bir metal bir yarı iletkenle temas ettiğinde benzer sonuçlar elde edilir. Metaller ve yarı iletken arasında, iki metal arasındaki temas durumunda olduğu gibi (yaklaşık 1 V) yaklaşık olarak aynı büyüklük sırasına sahip bir temas potansiyeli farkı ortaya çıkar. Tek fark, iletkenlerde tüm temas potansiyeli farkı pratik olarak metaller arasındaki boşluğa düşerse, o zaman metal yarı iletkenle temas ettiğinde, tüm temas potansiyeli farkı, içinde yeterince büyük bir tabakanın oluştuğu, zenginleştirilmiş yarı iletkene düşer. veya elektronları tükenmiştir. Bu katman elektronlarda tükenirse (n-tipi yarı iletkenin iş fonksiyonunun metalin iş fonksiyonundan küçük olduğu durumda), o zaman böyle bir katman engelleme denir ve böyle bir geçiş düzleştirme özelliğine sahip olacaktır. Bir metalin bir yarı iletken ile doğrultma temasında oluşan potansiyel bariyere denir. Schottky bariyeri ve temelinde çalışan diyotlar - Schottky diyotları.

volt-amperdüşük emisyon akım yoğunluklarında sıcak katodun karakteristiği. Schottky etkisi

Termal katot ile diyotun anodu (Şekil 5) arasında bir potansiyel fark oluşturursa V, elektronların anoda hareketini engelleyen, o zaman yalnızca anot ile katot arasındaki elektrostatik alanın enerjisinden daha az olmayan bir kinetik enerji rezervi ile katottan uçan elektronlar anoda ulaşabilir, yani. –e V(V< 0). Bunu yapmak için sıcak katottaki enerjileri en az W 0 -eV. Ardından, formülde değiştirme Richardson-Deshman (10) W0 Açık W 0 -eV, termal emisyon akım yoğunluğu için aşağıdaki ifadeyi elde ederiz:

,(12)

Burada jS doygunluk akım yoğunluğudur. Bu ifadeyi logaritıyoruz

.(13)

Anotta pozitif bir potansiyel ile sıcak katottan ayrılan tüm elektronlar anoda gider. Bu nedenle devredeki akım değişmemeli, doyma akımına eşit kalmalıdır. Böylece, volt amper termal katodun karakteristiği (CVC), şekil 2'de gösterilen forma sahip olacaktır. 10 (a eğrisi).

Benzer bir I – V özelliği, yalnızca nispeten düşük emisyon akımı yoğunluklarında ve anotta yüksek pozitif potansiyellerde, yayan yüzeyin yakınında önemli bir elektron uzay yükü olmadığında gözlenir. Sıcak katodun volt-amper karakteristiği, Bölüm. 6.

Düşük emisyon akım yoğunluklarında CVC'nin bir önemli özelliğini daha not edelim. Termal akımın doygunluğa ulaştığı sonucu V=0, yalnızca katot ve anot malzemelerinin aynı termodinamik iş fonksiyonuna sahip olduğu durum için geçerlidir. Katot ve anotun iş fonksiyonları birbirine eşit değilse, anot ve katot arasında bir temas potansiyeli farkı ortaya çıkar. Bu durumda, harici bir elektrik alanın yokluğunda bile ( V=0) anot ve katot arasında temas potansiyeli farkından dolayı bir elektrik alanı vardır. Örneğin, eğer W 0k< W 0а anot, katoda göre negatif olarak yüklenecektir. Temas potansiyeli farkını yok etmek için anoda pozitif bir önyargı uygulanmalıdır. Bu yüzden volt amper sıcak katodun özelliği, temas potansiyeli farkının değeri kadar pozitif potansiyele doğru kaydırılır (Şekil 10, eğri b). arasında ters bir ilişki ile W 0k Ve W 0а CVC kaymasının yönü zıttır (Şekil 10'daki c eğrisi).

Doygunluk akım yoğunluğunun bağımsızlığı hakkında sonuç V>0 oldukça idealize edilmiştir. Termiyonik emisyonun gerçek I – V karakteristiklerinde, artan sıcaklıkla termiyonik emisyon akımında hafif bir artış gözlenir. V ile ilişkili olan doygunluk modunda Schottky etkisi(Şek. 11).

Schottky etkisi, harici bir hızlandırıcı elektrik alanının etkisi altında katılardan elektronların iş fonksiyonunda bir azalmadır.

Schottky etkisini açıklamak için, kristal yüzeyine yakın bir elektrona etki eden kuvvetleri düşünün. Elektrostatik indüksiyon yasasına göre, kristalin yüzeyinde, elektronun kristalin yüzeyi ile etkileşimini belirleyen zıt işaretli yüzey yükleri indüklenir. Elektrik görüntüleri yöntemine göre, gerçek yüzey yüklerinin bir elektron üzerindeki etkisi, hayali bir eylemle değiştirilir. pozitif noktaşarj +e kristal yüzeyinden elektronla aynı mesafede, ancak yüzeyin karşı tarafında bulunur (Şekil 12). Daha sonra, Coulomb yasasına göre, iki nokta yükünün etkileşim kuvveti

,(14)

Burada ε Ö– elektrik sabiti: X elektron ile kristal yüzey arasındaki mesafedir.

Elektrik görüntü kuvvet alanındaki bir elektronun potansiyel enerjisi, sıfır vakum seviyesinden sayılırsa, şuna eşittir:

.(15)

Harici bir hızlanan elektrik alanındaki bir elektronun potansiyel enerjisi E

Bir elektronun toplam potansiyel enerjisi

.(17)

Bir kristalin yüzeyinin yakınında bulunan bir elektronun toplam enerjisinin grafiksel bir bulgusu, Şekil 2'de gösterilmektedir. 13, kristalden elektronun iş fonksiyonundaki azalmayı açıkça gösteren. Bir elektronun potansiyel enerjisinin toplam eğrisi (Şekil 13'teki katı eğri) noktada maksimuma ulaşır. x m:

.(18)

Bu nokta, bir dış alan kuvvetinde yüzeyden 10Å uzaktadır. » 3× 10 6 V/sm.

Noktada X M potansiyel bariyer indirgemesine (ve dolayısıyla iş fonksiyonu azaltımına) eşit toplam potansiyel enerji,

.(19)

Schottky etkisinin bir sonucu olarak, anotta pozitif bir voltajda termal diyotun akımı, anot voltajındaki artışla artar. Bu etki, yalnızca elektronlar vakuma yayıldığında değil, aynı zamanda metal-yarı iletken veya metal-dielektrik temaslarından geçerken de kendini gösterir.

6. Uzay yükü ile sınırlı vakumdaki akımlar. Üç Saniye Yasası

Termiyonik emisyonun yüksek akım yoğunluklarında, akım-gerilim karakteristiği, katot ve anot arasında ortaya çıkan hacimsel negatif yükten önemli ölçüde etkilenir. Bu hacimsel negatif yük, katottan yayılan elektronların anoda ulaşmasını engeller. Böylece, anot akımı katottan elektron emisyon akımından daha azdır. Anoda pozitif bir potansiyel uygulandığında, uzay yükünün katotta oluşturduğu ek potansiyel bariyer azalır ve anot akımı artar. Bu, uzay yükünün termal diyotun akım-gerilim karakteristiği üzerindeki etkisinin niteliksel bir resmidir. Teorik olarak, bu soru 1913'te Langmuir tarafından araştırıldı.

Bir dizi basitleştirici varsayım altında, termal diyot akımının anot ve katot arasında uygulanan dış potansiyel farkına bağımlılığını hesaplıyoruz ve anot ve katot arasındaki alan, potansiyel ve elektron konsantrasyonu dağılımını dikkate alarak buluyoruz. uzay ücreti.

Pirinç. 14. "Üç saniye" yasasının sonucuna

Diyotun elektrotlarının düz olduğunu varsayalım. Anot ve katot arasında küçük bir mesafe ile D sonsuz büyüklükte kabul edilebilirler. Koordinatların orijinini katot yüzeyine yerleştiriyoruz ve eksen X bu yüzeye dik olarak anoda doğru yönlendirin (Şek. 14). Katodun sıcaklığı sabit ve eşit tutulacaktır. T. elektrostatik alan potansiyeli J anot ve katot arasındaki boşlukta var olan, yalnızca bir koordinatın işlevi olacaktır. X. o tatmin etmeli Poisson denklemi

,(20)

Burada R toplu yük yoğunluğu; N elektron konsantrasyonu; J , R Ve N koordinatın fonksiyonlarıdır X.

Katot ve anot arasındaki akım yoğunluğu göz önüne alındığında

ve elektronun hızı v denklemden belirlenebilir

Nerede M elektronun kütlesidir, denklem (20) forma dönüştürülebilir

, .(21)

Bu denklem sınır koşulları ile desteklenmelidir

Bu sınır koşulları, katot yüzeyindeki potansiyel ve elektrik alan şiddetinin ortadan kalkması gerektiği gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Denklemin (21) her iki tarafını DJ /dx, alırız

.(23)

Verilen

(24a)

Ve ,(24b)

(23) olarak yazarız

.(25)

Şimdi Denklem (25)'in her iki parçasını da entegre edebiliriz. X 0 ile bu değer arasında değişen X, potansiyelin olduğu J . Ardından, sınır koşullarını (22) dikkate alarak, şunu elde ederiz:

(27)'nin her iki parçasını da entegre etmek X=0, J = 0 ila X=1, J= Va, alırız

.(28)

Eşitliğin (28) her iki tarafının karesini almak ve akım yoğunluğunu ifade etmek J itibaren A(21)'e göre, elde ederiz

.(30)

Formül (29), Langmuir'in "üç saniye yasası" olarak adlandırılır.

Bu yasa, keyfi şekle sahip elektrotlar için geçerlidir. Sayısal katsayı için ifade, elektrotların şekline bağlıdır. Yukarıda elde edilen formüller, katot ve anot arasındaki boşluktaki potansiyel, elektrik alan şiddeti ve elektron yoğunluğunun dağılımlarını hesaplamayı mümkün kılar. İfadenin (26) sınırları içinde entegrasyonu X=0, potansiyelin olduğu değere kadar J , ilişkiye yol açar

onlar. katottan uzaklıkla orantılı olarak potansiyel değişiklikler X 4/3 kuvveti. Türev DJ/ dx elektrotlar arasındaki elektrik alan kuvvetini karakterize eder. (26)'ya göre, elektrik alan şiddetinin büyüklüğü E ~X 19. Son olarak, elektron konsantrasyonu

(32)

ve (31)'e göre N(X)~ (1/X) 2/9 .

Bağımlılıklar J (X ), E(X) Ve N(X) Şek. 15. Eğer X→0, o zaman konsantrasyon sonsuza eğilimlidir. Bu, katoda yakın elektronların termal hızlarının ihmal edilmesinin bir sonucudur. Termiyonik emisyonlu gerçek bir durumda, elektronlar katodu sıfır hızla değil, sınırlı bir emisyon hızıyla terk eder. Bu durumda, katot yakınında küçük bir ters elektrik alanı olsa bile anot akımı olacaktır. Sonuç olarak, hacim yükü yoğunluğu, katoda yakın potansiyelin negatif değerlere düştüğü değerlere değişebilir (Şekil 16). Anot voltajı arttıkça, potansiyel minimum azalır ve katoda yaklaşır (Şekil 16'daki eğriler 1 ve 2). Anotta yeterince yüksek bir voltajda, potansiyel minimum katot ile birleşir, katottaki alan şiddeti sıfıra eşit olur ve bağımlılık J (X) başlangıç ​​elektron hızları dikkate alınmadan hesaplanan (29) yaklaşımları (Şekil 16'daki eğri 3). Yüksek anot voltajlarında, boşluk yükü neredeyse tamamen emilir ve katot ile anot arasındaki potansiyel doğrusal olarak değişir (eğri 4, Şekil 16).

Bu nedenle, başlangıç ​​elektron hızlarını hesaba katan elektrotlar arası uzaydaki potansiyel dağılım, "üç saniye" yasasını türetirken idealize edilmiş modelin temelini oluşturandan önemli ölçüde farklıdır. Bu, anot akım yoğunluğunun değişmesine ve bağımlı olmasına yol açar. Şekil 1'de gösterilen potansiyel dağılım durumu için başlangıç ​​elektron hızlarını hesaba katan hesaplama. 17 ve silindirik elektrotlar için, termiyonik emisyonun toplam akımı için aşağıdaki bağımlılığı verir BEN (BEN=jS, Nerede S termal akımın enine kesit alanıdır ):

.(33)

Seçenekler x m Ve sanal makine bağımlılığın türüne göre belirlenir J (X), anlamları Şekil l'den açıktır. 17. Parametre X M potansiyelin minimum değerine ulaştığı katottan olan mesafeye eşittir = sanal makine. faktör C(x m), hariç x m, katot ve anot yarıçapına bağlıdır. Denklem (33), anot voltajındaki küçük değişiklikler için geçerlidir, çünkü Ve X M Ve sanal makine, yukarıda tartışıldığı gibi, anot voltajına bağlıdır.

Bu nedenle, "üç saniye" yasası evrensel değildir, yalnızca nispeten dar bir voltaj ve akım aralığında geçerlidir. Bununla birlikte, bir elektronik cihazın akımı ve voltajı arasındaki doğrusal olmayan ilişkinin açık bir örneğidir. Akım-voltaj karakteristiğinin doğrusal olmaması, katı hal elektronik elemanları da dahil olmak üzere radyo ve elektrik devrelerinin birçok elemanının en önemli özelliğidir.

Bölüm 2. Laboratuvar çalışması

7. Termiyonik emisyonu incelemek için deneysel kurulum

1 ve 2 numaralı laboratuvar çalışmaları, evrensel bir laboratuvar tezgahı temelinde uygulanan aynı laboratuvar düzeninde gerçekleştirilir. Kurulum şeması, Şek. 18. Ölçüm bölümünde, doğrudan veya dolaylı ısıtma katodu olan bir vakum diyodu EL vardır. Filamanın "Akkor", anot "Anot" ve katot "Katot" kontakları, ölçüm bölümünün ön paneline getirilir. Isı kaynağı, stabilize edilmiş bir doğru akım kaynağı tipi B5-44A'dır. Diyagramdaki I simgesi, kaynağın mevcut stabilizasyon modunda çalıştığını gösterir. Bir doğru akım kaynağıyla çalışma prosedürü, bu cihazın teknik açıklamasında ve çalıştırma talimatlarında bulunabilir. Laboratuvar çalışmalarında kullanılan tüm elektrikli ölçü aletleri için benzer açıklamalar mevcuttur. Anot devresi, termal diyotun anot akımını ölçmek için DC ölçüm modunda kullanılan stabilize bir DC kaynağı B5-45A ve evrensel bir dijital voltmetre V7-21A içerir. Anot voltajını ve katot filaman akımını ölçmek için, güç kaynağına yerleşik cihazları kullanabilir veya katottaki voltajın daha doğru bir şekilde ölçülmesi için ek bir RV7-32 voltmetre bağlayabilirsiniz.

Ölçüm bölümü, farklı çalışan katot filamanlarına sahip vakum diyotları içerebilir. Nominal filaman akımında diyot, anot akımını boşluk yükü ile sınırlandırma modunda çalışır. Bu mod, Lab #1'i tamamlamak için gereklidir. 2 numaralı laboratuvar çalışması, alan yükünün etkisinin önemsiz olduğu azaltılmış filaman akımlarında gerçekleştirilir. Filaman akımını ayarlarken özellikle dikkatli olmalısınız çünkü. belirli bir elektron tüpü için filaman akımının nominal değerinin üzerindeki fazlalığı, katod filamanının yanmasına ve diyotun arızalanmasına neden olur. Bu nedenle, işe hazırlanırken, işte kullanılan diyotun parlamasının çalışma akımının değerini öğretmen veya mühendis ile kontrol ettiğinizden emin olun, verileri bir çalışma kitabına yazdığınızdan ve bir rapor derlerken kullandığınızdan emin olun. laboratuvar çalışması hakkında.

8. 1 numaralı laboratuvar çalışması. Uzay yükünün etkisinin incelenmesi volt ampertermal akım karakteristiği

Çalışmanın amacı: termiyonik emisyon akımının anot voltajına bağımlılığının deneysel çalışması, "üç saniye" yasasında üssün belirlenmesi.

volt-amper Termiyonik emisyon akımının karakteristiği “üç saniye” yasası ile tanımlanır (bkz. Bölüm 6). Diyotun bu çalışma modu, yeterince yüksek katot filaman akımlarında meydana gelir. Tipik olarak, nominal filaman akımında, vakum diyot akımı boşluk yükü ile sınırlıdır.

Bu laboratuvar çalışmasını gerçekleştirmek için deney düzeneği Sec. 7. Çalışırken, diyotun akım-gerilim karakteristiğini filaman anma akımında almak gerekir. Kullanılan vakum tüpünün ölçeğindeki çalışma akımının değeri bir öğretmenden veya mühendisten alınmalı ve bir çalışma kitabına yazılmalıdır.

İş emri

1. Deney düzeneğinin çalışması için gerekli olan cihazlarla çalışmanın tanımını ve prosedürünü öğrenin. Devreyi Şekil 18'e göre kurun. Kurulum ancak bir mühendis veya öğretmen tarafından kurulan devrenin doğruluğu kontrol edildikten sonra ağa bağlanabilir.

2. Katot filaman akımının güç kaynağını açın ve gerekli filaman akımını ayarlayın. Filaman akımı değiştiğinde, filamanın sıcaklığı ve direnci değişir, bu da filaman akımında bir değişikliğe yol açar, ayarlama ardışık yaklaşımlar yöntemiyle yapılmalıdır. Ayarlama bittikten sonra filaman akımının ve katot sıcaklığının sabitlenmesi için yaklaşık 5 dakika beklenmesi gerekir.

3. Anot devresine sabit bir gerilim kaynağı bağlayın ve anottaki gerilimi değiştirerek akım-gerilim karakteristiğini nokta nokta alın. Akım-gerilim karakteristiğini 0 ... 25 V, her 0,5 ... 1 V aralığında alın.

ben bir(Va), Nerede ben bir– anot akımı, Va anot voltajıdır.

5. Anot voltajı değişim aralığı küçük alınırsa, değerler x m, C(x, n) Ve sanal makine, (33) formülünde yer alan, sabit alınabilir. genel olarak Va büyüklük sanal makine ihmal edilebilir. Sonuç olarak formül (33) formuna (termal akım yoğunluğundan geçtikten sonra) dönüştürülür. J onun için tam değer BEN)

6. Formül (34)'ten değeri belirleyin İLE akım-gerilim karakteristiğindeki anot voltajının maksimum üç değeri için. Elde edilen değerlerin aritmetik ortalamasını hesaplayın. Bu değeri formül (33) ile değiştirerek, değeri belirleyin sanal makineüç minimum anot voltajı için ve aritmetik ortalamayı hesaplayın sanal makine.

7. Alınan değeri kullanma sanal makine, arsa ln ben bir ln'den( Va+|sanal makine|). Bu grafiğin açısının tanjantına göre bağımlılık derecesini belirleyin ben bir(V bir + sanal makine). 1.5'e yakın olmalıdır.

8. Çalışma hakkında bir rapor düzenleyin.

Rapor Gereksinimleri

5. İşle ilgili sonuçlar.

Kontrol soruları

1. Termiyonik emisyon olgusuna ne ad verilir? Bir elektronun iş fonksiyonunu tanımlar. Termodinamik ve dış iş fonksiyonu arasındaki fark nedir?

2. Katı-vakum arayüzünde potansiyel bir engelin ortaya çıkmasının nedenlerini açıklayın.

3. Metalin enerji şemasına ve elektron enerji dağılım eğrisine dayanarak metalden elektronların ısıl emisyonunu açıklar.

4. Termiyonik akım hangi koşullar altında gözlenir? Termiyonik akım nasıl gözlemlenebilir? Bir termal diyotun akımı uygulanan elektrik alana nasıl bağlıdır?

5. Yasayı belirtin Richardson-Deshman

6. Hacimsel bir negatif yükün, bir termal diyotun akım-gerilim karakteristiği üzerindeki etkisinin niteliksel resmini açıklayın. Langmuir'in Üç Saniye Yasasını formüle edin.

7. Uzay yükü ile sınırlanan akımlarda katot ile anot arasındaki boşluktaki potansiyel, elektrik alan şiddeti ve elektron yoğunluğunun dağılımları nelerdir?

8. Uzay yükü ve ilk elektron hızları dikkate alındığında, termal emisyon akımının anot ve katot arasındaki gerilime bağımlılığı nedir? Bu bağımlılığı tanımlayan parametrelerin anlamını açıklayın;

9. Termiyonik emisyonu incelemek için deney düzeneğinin düzenini açıklayın. Tek tek devre elemanlarının amacını açıklayın.

10. "Üç saniye" kanununda üssün deneysel olarak belirlenmesi yöntemini açıklar.

9. 2 numaralı laboratuvar çalışması. Düşük emisyon akım yoğunluklarında termiyonik emisyon çalışması

Çalışmanın amacı: düşük katot ısıtma akımında bir termal diyotun akım-gerilim özelliklerini incelemek. Katot ve anot arasındaki temas potansiyeli farkının, katodun sıcaklığının deneysel sonuçlardan belirlenmesi.

Düşük termik akım yoğunluklarında volt amper karakteristik, katot ve anot arasındaki temas potansiyeli farkının modülüne karşılık gelen bir bükülme noktasına sahip karakteristik bir forma sahiptir (Şekil 10). Katot sıcaklığı aşağıdaki gibi belirlenebilir. Termoakım yoğunluğundan düşük akım yoğunluklarında termiyonik emisyonun akım-voltaj özelliğini açıklayan denklem (12)'ye bakalım. J tam değerine BEN(J=BEN /S, Nerede S termal akımın enine kesit alanıdır). Sonra alırız

Nerede DIR-DİR doyma akımıdır.

Logaritma (35), bizde

.(36)

Denklem (36) bükülme noktasının solundaki bölümde akım-gerilim karakteristiğini tanımladığı için katot sıcaklığını belirlemek için bu bölümde anot akımları olan herhangi iki noktayı almak gerekir. ben 1, ben 2 ve anot gerilimleri sen 1, sen 2 sırasıyla. Daha sonra, denklem (36)'ya göre,

Bu nedenle, katot sıcaklığı için çalışma formülünü elde ederiz.

.(37)

İş emri

Laboratuvar çalışması yapmak için şunları yapmalısınız:

1. Deney düzeneğinin çalışması için gerekli olan cihazlarla çalışmanın tanımını ve prosedürünü öğrenin. Devreyi şek. 18. Kurulum ancak bir mühendis veya öğretmen tarafından kurulan devrenin doğruluğu kontrol edildikten sonra ağa bağlanabilir.

2. Katot filaman akımı güç kaynağını açın ve gerekli filaman akımını ayarlayın. Akımı ayarladıktan sonra filaman akımının ve katot sıcaklığının sabitlenmesi için yaklaşık 5 dakika beklenmesi gerekir.

3. Anot devresine sabit bir gerilim kaynağı bağlayın ve anottaki gerilimi değiştirerek akım-gerilim karakteristiğini nokta nokta alın. volt-amper 0 ... 5 V aralığında bir karakteristik alın. her 0,05 ... 0,2 V'de bir.

4. Ölçüm sonuçlarını grafik üzerinde ln koordinatlarında sunun ben bir(Va), Nerede ben bir– anot akımı, Va anot voltajıdır. Bu çalışmada temas potansiyeli farkı grafiksel bir yöntemle belirlendiğinden, yatay eksen boyunca ölçek, belirlemenin doğruluğunu sağlayacak şekilde seçilmelidir. V K.R.P 0,1 V'tan az değildi.

5. Akım-gerilim karakteristiğinin bükülme noktasına göre, anot ve katot arasındaki temas potansiyeli farkını belirleyin.

6. Bükülme noktasının solundaki akım-gerilim karakteristiğinin eğimli doğrusal bölümü üzerindeki üç nokta çifti için katot sıcaklığını belirleyin. Katot sıcaklığı formül (37) kullanılarak hesaplanmalıdır. Bu verilerden ortalama sıcaklık değerini hesaplayın.

7. Çalışma hakkında bir rapor hazırlayın.

Rapor Gereksinimleri

Rapor, standart bir A4 kağıdına hazırlanır ve aşağıdakileri içermelidir:

1. Teori hakkında temel bilgiler.

2. Deney düzeneğinin şeması ve kısa açıklaması.

3. Ölçüm ve hesaplama sonuçları.

4. Elde edilen deneysel sonuçların analizi.

5. İşle ilgili sonuçlar.

Kontrol soruları

1. Elektron emisyon türlerini listeler. Her bir elektron emisyonu türünde elektronların salınmasının nedeni nedir?

2. Termiyonik emisyon olgusunu açıklar. Bir katıdan bir elektronun iş fonksiyonunu tanımlayın. Katı-vakum arayüzünde potansiyel bir engelin varlığı nasıl açıklanabilir?

3. Metalin enerji şemasına ve elektron enerji dağılım eğrisine dayanarak metalden elektronların ısıl emisyonunu açıklar.

4. Yasayı belirtin Richardson-Deshman. Bu yasada yer alan niceliklerin fiziksel anlamını açıklayınız.

5. Düşük emisyon akım yoğunluklarında bir termiyonik katodun akım-gerilim karakteristiğinin özellikleri nelerdir? Katot ve anot arasındaki temas potansiyeli farkı onu nasıl etkiler?

6. Schottky etkisi nedir? Bu etki nasıl açıklanır?

7. Bir elektrik alanının etkisi altında elektronlar için potansiyel bariyerdeki azalmayı açıklayınız.

8. Bu laboratuvarda katot sıcaklığı nasıl belirlenecek?

9. Bu çalışmada temas potansiyel farkını belirleme yöntemini açıklayınız.

10. Laboratuvar düzeneğinin her bir öğesinin şemasını ve amacını açıklayın.