полупрозрачного фотокатода подбирается таким образом, чтобы обеспечить

максимальное поглощение излучения на такой глубине от эмитирующей поверхности, при которой значительная часть возбуждённых фотонами электронов может достичь этой поверхности, сохранив энергию, достаточную для выхода в вакуум.

Простейшим прибором, в котором используется явление фотоэлектронной эмиссии, является фотоэлемент, состоящий из фотокатода, анода и вакуумной оболочки. В последнюю входит и подложка фотокатода или оптическое окно. Фотокатоды применяются также в качестве элемента ряда электронных приборов – фотоумножителей, электронно-оптических преобразователей, передающих электронно-лучевых трубок и др.

1.2.5. Вторичная электронная эмиссия

Бомбардировка вещества потоком электронов вызывает испускание вторичных электронов. Отношение числа выбитых и отраженных электронов

к числу падающих электронов называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии и обозначается σ. Первичные электроны, бомбардирующие поверхность, теряют свою энергию по мере перемещения в твёрдом теле в соответствии с законом Виддингтона:

где Ex – энергия электрона, проникшего в глубь вещества на расстояние х; a – постоянная Виддингтона; E0 – начальная энергия электронов.

Энергия, передаваемая от первичных электронов к вторичным,

расходуется последними на перемещение к поверхности твёрдого тела и преодоление потенциального барьера на границе с вакуумом. Зависимость

коэффициента вторичной эмиссии σ от энергии первичных электронов изображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Типичная зависимость коэффициента вторичной эмиссии от

энергии первичных электронов

14

В реальных приборах ускоряющее напряжение подбирается таким, чтобы обеспечить максимальную величину коэффициента σ. Коэффициент вторичной эмиссии чистых металлов обычно не превышает 2, поэтому их использование в качестве технических эмиттеров нецелесообразно.

Практическое применение находят сложные эмиттеры, для которых коэффициент σ достигает 20.

Широкое распространение в качестве материала вторичных эмиттеров получили сплавы СuМgАl, АlВеSi. Эффективность такого эмиттера определяется тонким слоем оксида щелочно-земельного металла (МgО, ВеО), создаваемого путём активировки в окислительной среде.

Вторичная электронная эмиссия используется в фотоэлектронных умножителях, во вторичных электронных умножителях (ВЭУ) и ряде других приборов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это электровакуумные приборы,

в которых фототок усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Схематичное изображение ФЭУ приведено на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Принципиальная схема фотоэлектронного умножителя: ФК – фотокатод, Д1 – Д5 – диноды, А – анод

Основными элементами ФЭУ являются катодная камера, умножительная система (вторичный электронный умножитель), анод и баллон. Электроны, эмитируемые фотокатодом, фокусируются и собираются на первом диноде ФЭУ. Каждый динод усиливает ток в σ раз. Если коэффициенты усиления всех каскадов одинаковы, то общий коэффициент

усиления ФЭУ равен

где n – число динодов (обычно от 7 до 14); g – эффективность сбора электронов каждым каскадом усиления (0,7–0,95).

Материал динода обычно имеет σ = 3–8, что позволяет достичь общего коэффициента усиления от 103 до 108. При измерении малых световых потоков важным параметром ФЭУ является темновой ток, величина которого зависит от термоэлектронной эмиссии катода, утечек в приборе и других факторов.

15

Простейшая система на распределенных динодах представляет собой трубку, внутренняя поверхность которой имеет высокое электрическое

сопротивление и выполнена из материала с большим коэффициентом вторичной эмиссии (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Простейшая система на распределенных динодах

Рис. 1.9. Схема распределенной системы вторичного усиления электронов

Фотоэлектроны выбивают из внутренней поверхности трубки вторичные электроны, которые ускоряются внешним полем и, попадая на другие участки трубки, выбивают новые электроны. Трубки с отношением длины к диаметру 50 ÷ 100 при напряжении 2 ÷ 2,5 кВ имеют коэффициент

16

усиления К = 104 ¸ 106. Канальные системы не требуют внешнего делителя напряжения, имеют простую конструкцию и малые размеры.

1.2.6. Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронная эмиссия возникает при наличии сильного электрического поля. Внешнее электрическое поле приводит не только к снижению, но и к сужению потенциального барьера на границе металл- вакуум (рис. 1.10.)

Рис. 1.10. Снижение и сужение потенциального барьера на границе вакуум –

проводник под действием внешнего электрического поля

Условием возникновения автоэлектронной эмиссии является соизмеримость ширины потенциального барьера с длиной волны Де-Бройля для электронов:

Для выполнения этого условия необходима напряженность электрического поля порядка 106–107 В/см. Такие значения напряженности

поля могут быть достигнуты на остриях или в тонких диэлектрических пленках.

Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля описывается уравнением Нордгейма- Фаулера:

где Aa и В – эмиссионные постоянные; Е – напряженность электрического поля.

Согласно этому уравнению плотность тока с острия может достигать 108 А/см2, но ток эмиссии при этом обычно составляет несколько мкА.

Автоэлектронная эмиссия с отдельно взятого острия отличается нестабильностью и сопровождается эрозией катода, требует очень высокого

17

вакуума для ее реализации, поэтому ее использование долгое время было ограничено.

В последние годы наряду с традиционной микроэлектроникой активно развивается вакуумная микро и наноэлектроника, возникшая на стыке микроэлектроники и вакуумной электроники. Это стало возможным в связи с созданием матричных автоэмиссионных систем с микронными, субмикронными и даже нанометровыми размерами, содержащих в одной ячейке (пикселе) до десяти тысяч острий.

Такие эмиттеры могут быть достаточно эффективными в приборах для отображения информации. На рис. 1.11 показана схема многоэмиттерной матрицы с сотовым анодом.

Рис. 1.11. Многоэмиттерная матрица с сотовым анодом. Напряжение на аноде 25 кВ

На рис 1.12 приведено схематическое изображение тонкопленочного автоэмиссионного катода Спиндта.

Использование матричных автоэмиссионных структур позволило создать матричные экраны для отображения информации на основе низковольтной катодолюминесценции.

Наиболее характерными достоинствами автоэмиссионных катодов являются:

∙высокая экономичность, связанная с отсутствием необходимости разогрева;

∙очень высокая температурная устойчивость – от температуры жидкого гелия до тысячи градусов;

18

∙устойчивость эмиссии к радиационному облучению, вплоть до уровня, вызывающего разрушение материала катода;

∙высокая плотность эмиссионного тока – до 108 – 109 А/см2;

∙малая инерционность;

∙высокая крутизна вольт-амперной характеристики.

Области применения автоэлектронных эмиттеров:

∙вакуумные микротриоды и вакуумные микросхемы;

∙системы отображения информации;

∙датчики (микросенсоры), которые могут работать в качестве датчиков давления, акселерометров, измерителей малых перемещений, элементов микрофонов;

∙сканирующий туннельный микроскоп.

Рис. 1.12. Схематическое изображение тонкопленочного

автоэмиссионного катода Спиндта

1.2.7. Экзоэлектронная эмиссия

Экзоэлектронная эмиссия возникает под действием механических напряжений и достаточно широко используется при исследовании свойств твердого тела.

19