Чистяков Ч1

П. Н. ЧИСТЯКОВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

ЧАСТЬ 1

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Раздел физики, в котором рассматриваются электронные и ионные процессы в вакууме, газе и твердом теле и на их границах, называется физической электроникой. Задача настоящего курса лекций - изучение электронных и ионных процессов в вакууме, газах и на границах этих сред с твердым телом. Раздел электронных и ионных процессов в твердом теле не получил здесь самостоятельного развития, так как данный курс лекций читается для специальности Электрофизические установки. К числу электрофизических установок относятся, прежде всего, ускорители заряженных частиц, являющиеся вакуумными установками и, естественно, что для этой специальности изучение электронных и ионных процессов в вакууме и разреженных газах наиболее важно.

Современный ускоритель является весьма сложной установкой, в которой протекают разнообразные электронные и ионные процессы. Для всех видов ускорителей заряженных частиц и генераторов высоких напряжений очень важны и вопросы электрической прочности вакуума или газа, поэтому возникает необходимость изучения вопросов пробоя вакуума и газа.

Вкурсе лекций рассмотрены общие вопросы физической электроники вакуума и газов, но приложения и примеры почти во всех случаях относятся к современным электрофизическим установкам.

Воснову настоящего пособия положены лекции, прочитанные автором студентам Московского инженерно-физического института. Пособие содержит первую часть курса лекций. Во вторую часть войдут следующие разделы: коронный и тлеющий разряды, пробой вакуума, дуговой разряд, высокочастотный разряд в газах и вакууме, развитие электрического разряда во времени при различных величинах pd и импульсные разряды.

Автор выражает глубокую признательность доценту кафедры промышленной электроники МЭИ Ф. М. Яблонскому за замечания, которые были учтены автором.

При подготовке рукописи к печати большую помощь оказали ст. инженер Н.П.Чистяков и аспирант Н.П.Дубинин, которым автор выражает свою благодарность.

2

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭМИССИИ

Явление выхода электронов из твердого тела или газовой плазмы в вакуум или газ называется электронной эмиссией.

Существует несколько видов эмиссий, различающихся теми факторами, которые их вызывают. Основные из них следующие:

-термоэлектронная;

-фотоэлектронная;

-вторичная, вызываемая потоком электронов, падающим на поверхность твердого тела;

-автоэлектронная (электростатическая), вызываемая действием электрического

поля;

-ионно-электронная, вызываемая действием потока ионов на поверхность твердого тела. К этому виду близки по своей природе эмиссии, возникающие под действием быстрых нейтральных невозбужденных атомов и возбужденных, в частности, метастабильных атомов;

-экзоэлектронная (послеэмиссия), протекающая определенное время после воздействия на твердое тело света, рентгеновского излучения, потоков заряженных

частиц, механических напряжений, вызывающих деформации;

-химическая, протекающая при химических реакциях. Иногда этот вид эмиссии относят к экзоэлектронной;

-эмиссия электронов из газовой плазмы в вакуум. Плазма может быть образована в электрическом разряде в газах, при разрядах на поверхности диэлектрика или полупроводника, при действии лазерного излучения на твердое тело, а также при взрывах тонких металлических острий или проволок. В последнем случае возникающую эмиссию называют взрывной.

В ряде случаев некоторые эмиссии протекают одновременно. Например, при действии тлеющего разряда на катод одновременно возникает четыре вида эмиссии: ионно-электронная, фотоэлектронная и эмиссии под действием возбужденных и быстрых невозбужденных атомов. Хорошо известный эффект Малтера представляет собой комбинацию вторичной электронной эмиссии и эмиссии, возникающей в результате действия сильного электрического поля в тонком слое диэлектрика или полупроводника.

3

Большое значение в явлениях, предшествующих пробою вакуума, имеет комбинированная термоавтоэлектронная эмиссия с тонких микроострий катода.

Можно было бы еще привести подобные примеры одновременного протекания нескольких видов эмиссий при электрических явлениях в газах и вакууме.

Факторы, возбуждающие эмиссию, приводят к появлению в твердом теле группы быстрых электронов, которые могут преодолеть потенциальный барьер на границе твердого тела и выйти в вакуум или газ. Это относится к большинству упомянутых выше видов эмиссий из твердого тела. И лишь в случае автоэлектронной эмиссии начальное распределение электронов в твердом теле не изменяется, а электрическое поле сильно влияет на форму потенциального барьера на границе твердого тела, чем и вызывается эмиссия.

В настоящий курс лекций не включены термо-, фото- и вторичная электронная эмиссии, достаточно подробно рассмотренные в курсе "Физика электронных приборов" (ФЭП). Этот курс читается раньше курса «Физическая электроника».

1. Автоэлектронная эмиссия

Эмиссия электронов из твердого тела в вакуум или газ под действием электрического поля называется автоэлектронной или электростатической [1] . Первое сообщение об этой эмиссии сделал Р. Вуд в 1897 г.

Эмиссия вызывается именно действием поля, так как температура катода при этом несущественна. Заметная эмиссия обнаруживается с загрязненных и шероховатых поверхностей большинства металлов ( Ni, Сu, Мо, W, Fe и др. ) при поле напряженностью порядка Е = 105 В/см, с хорошо очищенных, но неровных и шероховатых поликристаллических поверхностей металлов при поле напряженностью порядка 106 В/см, со специально сглаженных монокристаллических поверхностей металлов при поле напряженностью порядка 107 В/см.

Причиной автоэлектронной эмиссии является искажение под действием электрического поля формы потенциального барьера на границе металла с вакуумом или газом.

1.1. Потенциальный барьер на границе металл-вакуум

Как известно, потенциальный барьер образуется под действием двух видов сил. Во-первых, это силы двойного электрического слоя, который заключен между крайним

4

рядом ионов (узлов кристаллической решетки) и облаком объемного заряда электронов, удаляющихся от крайнего ряда ионов за счет квантовомеханических явлений в направлении области вакуума на расстояния, не превышающие 1–2 постоянные решетки. Протяженность этого двойного электрического слоя имеет порядок 10-8 см, падение потенциала в нем следует считать равным W0/e, где W0 - энергия уровня Ферми; e - заряд электрона.

Во-вторых, это силы электрического изображения, которые следуют закону Кулона, и их заметное влияние сохраняется до расстояний 10-5–10-4 см. Ход потенциальной функции П(x) при отсутствии внешнего электрического поля показан на рис.1, где приведены W0 - энергия уровня Ферми и Wа - полная глубина «потенциального ящика», определяемая суммой работ сил двойного электрического слоя и электрического изображения. Минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону в металле при Т = 0 K для его выхода в вакуум, составляет e 0 = Wа – W0 и называется, как известно, работой выхода.

Сила электрического изображения для электрона, находящегося на расстоянии x от поверхности, дается выражением F(x) = e2/(2x)2. Отсюда изменение потенциальной

Зависимость эта приобретает силу лишь с расстояния dо, где кончается действие сил двойного электрического слоя. Потенциальная энергия, соответствующая расстоянию dо равна W0.

При наличии внешнего электрического поля форма потенциальной функции П(x) изменяется, так как появляется третья составляющая силы. Внешнее поле напряженностью Е создает силу eЕ.

Соответствующая составляющая потенциальной функции, если поле ускоряет

5

Рис. 1. Ход потенциальной функции П(x) у поверхности металла.

Рис. 2. Потенциальная функция у поверхности металла при наличии внешнего электрического поля.

6

Если вычесть из обеих частей уравнения (1) величину W0, то получим соотношение для работы выхода, уменьшенной за счет действия внешнего поля, ускоряющего электроны:

где x0 - координата максимума потенциальной функции. В этом максимуме результирующая сила, действующая на электрон, равна нулю, т.е. сила электрического изображения, которая возвращает электрон в металл, равна силе внешнего электрического поля, действующей в противоположном направлении:

Это выражение показывает изменение работы выхода, вызванное внешним электрическим полем, ускоряющим электроны (поправка Шоттки).

1.2. Природа автоэлектронной эмиссии

Автоэлектронная эмиссия в чистом виде рассматривается для температуры катода Т = 0 К. В этом случае эмиссия за счет действия поля может появиться на первый взгляд, при понижении работы выхода до нуля, что иллюстрируется условием

еφ0 = ∆(еφ0) = e eE ,

которое получается при поле

E = φ02/e.

Это поле, например для вольфрама (φ0 = 4,5В), составляет 1,4·108 В/см. Однако такое поле на практике получить не удается, так как достаточно интенсивная эмиссия возникает при поле, более чем на порядок меньшем.

Термоэлектронная эмиссия в этих условиях (обычно автотоки измеряются при комнатной температуре экспериментального прибора) является совершенно ничтожной.

Таким образом, автоэлектронная эмиссия не может быть эффектом прохождения электронов над потенциальным барьером, как это имеет место при всех других видах эмиссий, а связана с проникновением электронов с энергиями W0 и ниже сквозь

7