Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектро́нная эмиссия

Ричардсона эффект, испускание электронов нагретыми телами (твёрдыми, реже — жидкостями) в вакуум или в различные среды. Впервые исследована О. У. Ричардсоном в 1900— 1901. Т. э. можно рассматривать как процесс испарения электронов в результате их теплового возбуждения. Для выхода за пределы тела (эмиттера) электронам нужно преодолеть Потенциальный барьер у границы тела; при низких температурах тела количество электронов, обладающих достаточной для этого энергией, мало; с увеличением температуры их число растет и Т. э. возрастает (см. Твёрдое тело).

Главной характеристикой тел по отношению к Т. э. является величина плотности термоэлектронного тока насыщения j_o (рис. 1) при заданной температуре. При Т. э. в вакуум однородных (по отношению к работе выхода (См. Работа выхода)) эмиттеров в отсутствии внешних электрических полей величина j₀ определяется формулой Ричардсона — Дэшмана:

. (1)

Здесь А — постоянная эмиттера (для металлов в модели свободных электронов Зоммерфельда: А = А₀ = 4πek²m/h³ = 120,4 а/К²см², где е — заряд электрона, m — его масса, k — Больцмана постоянная, h — Планка постоянная), Т — температура эмиттера в К, r̅ — средний для термоэлектронов разных энергий коэффициент отражения от потенциального барьера на границе эмиттера; eφ — работа выхода. Испускаемые электроны имеют Максвелла распределение начальных скоростей, соответствующее температуре эмиттера.

При Т. э. в вакуум электроны образуют у поверхности эмиттера объёмный заряд, электрическое поле которого задерживает электроны с малыми начальными скоростями. Поэтому для получения тока насыщения между эмиттером (катодом) и коллектором электронов (анодом) создают электрическое поле, компенсирующее поле объёмного заряда. На рис. 1 показан вид вольтамперной характеристики вакуумного диода с термоэлектронным катодом. Плотность тока насыщения j₀ достигается при разности потенциалов V₀, величина которой определяется Ленгмюра формулой (См. Ленгмюра формула). При V < V₀ ток ограничен полем объёмного заряда у поверхности эмиттера. Слабое увеличение j при V > V₀ связано с Шотки эффектом. Рис. 1 показывает, что термоэлектронный ток может протекать и в отсутствии внешних эдс. Это указывает на возможность создания вакуумных термоэлектронных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Во внешних электрических полях с напряжённостью Е ≥ 10⁶— 10⁷ в/см к Т. э. добавляется Туннельная эмиссия и Т. э. переходит в термоавтоэлектронную эмиссию.

Величину φ для металлов (См. Металлы) и собственных полупроводников (См. Полупроводники) можно считать линейно зависящей от Т в узких интервалах температур ΔT вблизи выбранного T₀: φ(T) = φ(T₀) + α(T— T₀), где α — температурный коэффициент φ в рассматриваемом интервале температур ΔT. В этом случае формула (1) может быть написана в виде:

j₀ = A_pT² ехр (— еφ_р/кТ), (2)

где A_p= А (1—r̅) ехр (—eα/k) называется ричардсоновской постоянной эмиттера (однородного по отношению к работе выхода); еφ_р = φ(Т₀) — αT₀; еφ₀ называется ричардсоновской работой выхода. Так как в интервале температур от Т = 0 до Т = Т₀ α не сохраняет постоянной величины, то ричардсоновская работа выхода отличается от истинной работы выхода электронов при температуре Т = 0 К. Величины A_p и еφ_р находят по прямолинейным графикам зависимости: In (j₀/T₂) = f (1/T) (графикам Ричардсона). У примесных полупроводников зависимость φ(T) более сложная, и формула для j₀ отличается от (2).

Чтобы исключить входящие в формулу (1) неизвестные для большинства эмиттеров величины А и r̅, зависящие не только от материала эмиттера, но и от состояния его поверхности (определяются экспериментально), формулу приводят к виду:

j = A₀T²exp [—eφ_пт (Т)/кТ]. (3)

Работа выхода еφ_пт (Т) мало отличается по величине от истинной работы выхода эмиттера eφ(T), но легко определяется по измеренным величинам j₀ и Т; её называют работой выхода по полному току эмиссии. Величина еφ_пт (Т) является единственной характеристикой термоэмиссионных свойств эмиттера, и её знания достаточно для нахождения j₀(T) (рис. 2).

Однородными по φ эмиттерами являются грани идеальных монокристаллов как чистые, так и покрытые однородными плёнками др. вещества. Большинство употребляемых в практике эмиттеров не однородны, а состоят из «пятен» с различными φ (эмиттеры поликристаллического строения; со структурными дефектами; двухфазные плёночные и др.). Контактные разности потенциалов (См. Контактная разность потенциалов) между пятнами приводят к появлению над эмиттирующей поверхностью контактных полей пятен. Эти поля создают дополнительные барьеры для эмиссии электронов с пятен, где работа выхода меньше, чем средняя по поверхности, и вызывают аномальный эффект Шотки. Для описания Т. э. неоднородных эмиттеров в формулу (1) вводят усреднённые эмиссионные характеристики.

Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени, требуются эмиттеры с малыми φ и с большими теплотами испарения (См. Теплота испарения) материала; в ряде случаев к термоэлектронным эмиттерам предъявляются специальные требования (химическая пассивность, коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной способностью обладают так называемые эффективные катоды (оксиднобариевые, оксидноториевые, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов и др.) и некоторые металлоплёночные катоды (например, тугоплавкие металлы с плёнкой щелочных, щёлочноземельных и редкоземельных металлов).

Т. э. лежит в основе действия многих электровакуумных и газоразрядных приборов и устройств.

Лит.: Рейман А. Л., Термоионная эмиссия, пер. с англ., М.— Л., 1940; Гапонов В. И., Электроника, т. 1, М., 1960; Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Кноль М., Эйхмейер И., Техническая электроника, пер. с нем., т. 1, М., 1971; Херинг К., Николье М., Термоэлектронная эмиссия, пер. с англ., М., 1950; 3андберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969; Фоменко В. С., Эмиссионные свойства материалов, К., 1970.

Э. Я. Зандберг.

Рис. 1. Зависимость плотности тока j термоэлектронного тока от разности потенциалов V, приложенной между эмиттером и коллектором электронов (вольтамперная характеристика).

Рис. 2. Плотность термоэлектронного тока насыщения при различных температурах и работах выхода eφ, определяемых по полному току термоэлектронной эмиссии.