При дальнейшем увеличении плотности упаковки начинает сказываться взаимодействие диполей, ослабляющее эффект, а при адсорбции нескольких

монослоев работа выхода эмиттера становится равной работе выхода адсорбированного вещества. Масштаб изменения величины работы выхода можно видеть из таблицы 1.1.

Таблица 1.1 Влияние адсорбированных слоёв на работу выхода электронов из вольфрама.

(Указаны минимальные значения работы выхода)

1.2.2. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников

Энергетический барьер при переходе электрона с поверхности полупроводника в вакуум (полная работа выхода), как видно из рис. 1.1,

складывается из полуширины запрещенной зоны полупроводника и внешней работы выхода:

классическое уравнение Ричардсона (1.15) для описания зависимости плотности эмиссионного тока от температуры. Но следует учитывать, что концентрация электронов в зоне проводимости зависит от температуры:

Комбинируя это уравнение с уравнением Ричардсона, можно получить:

Отметим, что плотность термоэмиссионного тока определяется в основном температурой в показателе экспоненты. Температура в предэкспоненциальном множителе слабо влияет на величину тока эмиссии.

1.2.3. Термокатоды

Эмиттеры, в которых используется испускание электронов при нагревании твёрдого тела, называются термокатодами. Термокатоды классифицируют по способу нагрева (прямого и косвенного накала) и по виду эмитирующей поверхности (металлические, плёночные, в том числе эффективные, и полупроводниковые).

Различные типы термокатодов сравнивают по следующим параметрам: · плотность эмиссионного тока при рабочей температуре;

10

∙эффективность, представляющая собой отношение тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на разогрев катода;

∙долговечность.

Наиболее распространенным металлическим катодом является вольфрамовый прямонакальный термокатод. Рабочая температура такого катода составляет 2400–2700 К, эффективность 2–10 мА/Вт, удельная эмиссия до 0.5 А/см2. Достоинствами вольфрамового катода являются

стабильность эмиссии при высоких напряжениях и устойчивость к электронной и ионной бомбардировке. К недостаткам вольфрамовых катодов следует отнести их низкую термоокислительную устойчивость. От этого недостатка свободны металлические термокатоды на основе иридия.

В плёночных катодах используется эффект уменьшения работы выхода при адсорбции электроположительных атомов. Торированный катод представляет собой вольфрам с плёнкой тория на поверхности. Для

улучшения адгезии последней проводят карбидирование вольфрама с образованием промежуточного слоя карбида. Рабочая температура таких катодов 2000–2600 К, удельная эмиссия до 2 А/см2, эффективность

50–70 мА/Вт.

К плёночным относится и большая группа так называемых эффективных термокатодов. Примером является металло-капиллярный или L-катод, представляющий собой плёночный катод системы W-Ва, в котором

одноатомная плёнка бария на поверхности вольфрамовой губки непрерывно пополняется за счёт поступления бария из специальной камеры с большим запасом активного вещества (рис. 1.4)

Рис. 1.4. Металлокапиллярный катод:

1 – молибденовый корпус; 2 – подогреватель; 3 – полость с активным веществом; 4 – вольфрамовая губка

11

При рабочей температуре 1300–1400 К достигается долговечность около 5000 часов при плотности эмиссионного тока 2 А/см2.

В металлопористых, прессованных и пропитанных катодах запас активного вещества находится в порах вольфрамовой губки. Удельная эмиссия таких катодов достигает 6 А/см2 при 1400 К. Недостатком указанных типов катодов является высокая скорость испарения бария.

Основой металлокерамических катодов являются спрессованные порошки вольфрама и оксидов тория и редкоземельных элементов. В

рабочем режиме на поверхности создаётся плёнка тория или редкоземельного элемента (чаще всего иттрия). Рабочая температура катода составляет 1500–1900 К, удельная эмиссия – порядка 0.5 А/см2.

Гексаборидные катоды представляют собой соединение бора с редкоземельными элементами. Чаще всего используется гексаборид лантана, наносимый на подложку из молибдена или тантала. Рабочая температура таких катодов – 2900 К, эффективность 30–50 мА/Вт. Катод малочувствителен к окислению, его основной недостаток – сравнительно малая долговечность (до 1000 часов).

Основным типом полупроводниковых катодов является оксидный катод, представляющий собой смесь оксидов щелочноземельных металлов (Ва, Са, Sr), активированную барием. Параметры оксидного катода: рабочая температура 900–1100 К, эффективность около 100 мА/Вт, удельная эмиссия порядка 1 А/см2 в непрерывном режиме и до 100 А/см2 в импульсном. С

точки зрения полупроводниковой системы рассматривают барий как примесь в полупроводнике ВаО, при этом работа выхода катода составляет 1–1.2 эВ. Оксидный катод находит наибольшее применение в электровакуумных приборах. В частности, он используется в таких массовых приборах, как кинескопы, дисплейные трубки.

1.2.4. Фотоэлектронная эмиссия

Испускание электронов твёрдым телом под действием света называется фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэффектом. Условие

возникновения эмиссии

выбивание электрона из твёрдого тела и сообщение ему кинетической энергии:

фотоэмиссии (красная граница фотоэффекта), соответствует условию hnо = j. Фототок с поверхности твёрдого тела пропорционален интенсивности светового потока (закон Столетова).

К основным параметрам фотокатодов относятся:

12

∙интегральная чувствительность (А/Лм) или квантовый выход (число электронов, выбиваемых из катода одним квантом света);

∙спектральная чувствительность, отражающая зависимость квантового выхода фотокатода от длины волны падающего света.

Последняя обычно имеет вид кривой с одним или двумя

максимумами.

Металлы как материал фотокатодов, как правило, не используются из-за малого квантового выхода (10–4–10–5 эл/квант) и расположения красной

границы фотоэффекта многих металлов в ультрафиолетовой области спектра. Наибольшее распространение в технике получили сложные полупроводниковые системы (сурьмяно-цезиевый, кислородно-цезиевый, мультищелочные фотокатоды).

Кислородно-цезиевый фотокатод отличается широким спектральным диапазоном (200–1100 нм) при сравнительно малом квантовом выходе

(0,01–0,03 эл/квант).

I

λ

Рис. 1.5. Спектральные характеристики фотокатодов

Сурьмяно-цезиевый фотокатод работает в более узком спектральном диапазоне (200–700 нм), но квантовый выход его достигает 0.3.

Существенное расширение спектрального диапазона при высоком квантовом выходе достигнуто в сурьмяно-мультищелочных фотокатодах (200–1000 нм),

которые широко используются в современных фотоэлектронных умножителях и других фотоэлектронных приборах.

Спектральную характеристику, близкую к кривой видимости глаза, имеет висмуто-серебряно-цезиевый катод.

Перспективными материалами для фотокатодов являются соединения типа А3В5, активированные щелочными металлами (GаАs-Сs2О-Сs; InAsP- Cs2О–Сs), которые имеют высокую чувствительность в инфракрасной области спектра.

Катоды фотоэлектронных приборов конструктивно изготовляют массивными или полупрозрачными. Массивные фотокатоды представляют

собой плёнки толщиной до нескольких долей микрометра и освещаются со стороны эмитирующей поверхности. Полупрозрачные фотокатоды имеют толщину 20–30 нм и облучаются светом с тыльной стороны через стеклянную подложку, являющуюся частью оболочка прибора. Толщина

13