6.2 Термоелектронна емісія

На рис. 6.4 показана енергетична схема вольфраму і крива розподілу електронів по енергіях при Т=0 К (суцільна лінія) і при високій температурі (штрихова лінія). З рис. 6.4 видно, що при підвищенні температури «хвіст» кривої розподілу заходить за нульовий рівень потенціальної ями, що свідчить про появу деякого числа електронів, що мають кінетичну енергію, що перевищує висоту потенціального бар'єра. Такі електрони здатні виходити з металу (випаровуватися). Тому нагрітий метал випускає електрони. Це явище одержало назву термоелектронної емісії. Значною мірою воно спостерігається лише при високій температурі, коли число термічно збуджених електронів, здатних вийти з металу, виявляється достатньо великим.

Помістивши поблизу нагрітого металу провідник і створивши між ним і металом поле, що відсмоктує електрони, можна одержати термоелектронний струм (thermoelectric current).

Якщо між емітером (термокатодом К) і колектором (анодом А) створити різницю потенціалів V, перешкоджаючу руху електронів до колектора (рис. 6.5, а), то на колектор зможуть потрапити лише ті електрони, які вилетіли з емітера із запасом кінетичної енергії, не меншим – qV(V0). Для цього їх енергія в емітері повинна бути не менше х_вн – qV.

На рис. 6.6, а показаний графік залежності ln I від V. Для (V<0) він являє собою пряму, відсікаючу на осі ординат (V = 0) відрізок ln I₀.

При позитивному потенціалі на колекторі (рис. 6.5, б) всі електрони, що покидають емітер (emitter), потрапляють на колектор (collector). Тому струм в колі змінюватись не повинен, залишаючись рівним струму насичення (штрихова крива на рис.6.6,а).

Слід вказати, що подібна ВАХ спостерігається лише при відносно малій густині струму емісії і високих позитивних потенціалах на колекторі, коли поблизу емітуючої поверхні не виникає будь-яка кількість значного об'ємного заряду з електронів, що не встигли досягти колектора. За наявності ж такого заряду вольт-амперна характеристика описується рівнянням Чайльда – Ленгмюра, згідно з яким I ~ V^3/2.

Ефект Шотткі. Висновок про незалежність від V при V > 0 не зовсім точний. Прискорююче поле на емітуючій поверхні, діючи на електрон з силою F = - qe (рис. 6.5, б), здійснює на шляху х роботу F_x =
= -qex тим самим зменшує потенціальну енергію електрона на U_eqex. На рис. 6.6, б показана залежність від х потенціальної енергії електрона в зовнішньому полі U_e (штрихпунктирна пряма), в полі сил електричного зображення U_зоб (штрихова крива) і результуючої потенціальної енергії електрона (суцільна крива).

Рисунок 6.6 – Залежність струму від напруги на аноді (а) і вплив зовнішнього поля на висоту і форму потенціального бар'єра на межі метал-вакуум при ефекті Шотткі (б) і холодній емісії (в)

З рис. 6.6, б видно що прискорююче поле, діюче на емітуючій поверхні, знижує потенціальний бар'єр на х. Розрахунок показує, що для полів не дуже високої напруженості зниження потенціального бар'єра під дією зовнішнього поля називається ефектом Шотткі. Він призводить до того, що із зростанням позитивного потенціалу на колекторі струм емісії не зберігається постійним (), а дещо збільшується (суцільна крива рис. 6.6, а).

Холодна емісія електронів. Зовнішнє прискорююче поле викликає не тільки зниження потенціального бар'єра, але і зменшення його товщини (рис. 6.6, в), що в полях достатньо високої напруженості (>10 В/м) робить такий бар'єр достатньо прозорим для тунельного просочування електронів і виходу їх з твердого тіла. Це явище одержало назву холодної емісії електронів. Густина струму при холодній емісії електронів експоненціально росте із збільшенням напруженості прискорюючого поля:

                                             (6.3)

де С, а – сталі, що характеризують потенціальний бар'єр.