m12

димости подключать к точке +Е2 резисторы R1 и R2. Проверить и установить ручки регулировки напряжений Е1 и Е2, а также R1 и R2 в крайнее левое положение.

После проверки схемы преподавателем включить лабораторный стенд, измерительные приборы и источники питания. Дать прогреться измерительным приборам PU и PA в течение 1–2 мин., после чего проверить нули амперметров, отжав все кнопки и нули вольтметров, нажав кнопку установки нуля. Далее проверить калибровку вольтметров и выставить калибровочное число. Переключить вольтметры в режим измерения постоянного тока и установить на анодном вольтметре предел 3 В, а на накальном 30 В.

3.1.4. Ручкой регулировки Е1 установить напряжение накала 6.3±0.1 В. Дать прогреться лампе в течение 2–3 мин. После установления показаний анодного вольтметра начать измерения. Снять сначала

показания U н . и Iн . Для точки холостого хода показания анодного ам-

перметра равны 0, а ток анода замыкается через входное сопротивление вольтметра, равное 10 МОм (107 Ом). Поэтому ток, протекающий через вольтметр равен:

Далее соединить резисторы R1 и R2 с точкой +Е2 штекерным проводником и, меняя их сопротивление, снять зависимость Ia f (U a ) . В области малых анодных токов рекомендуется учитывать входной ток вольтметра I В . Чтобы облегчить дальнейшее логарифмирование реко-

мендуется занести данные в таблицу 3.1.

Отключить резисторы R1 и R2, переключить предел измерений анодного амперметра на 200 мкА и отключить дополнительный шунт на блоке. Подать напряжение 6..3 В на соответствующие клеммы. Выключить тумблер S, чтобы обеспечить импульсный режим работы. Соединить общую клемму источника Е2 с общей точкой дополнительного блока, а затем +25 В на стенде с +Е2 на блоке. Снять зависимость

Ia f (U a ) , меняя анодное напряжение через 5 В до 20 В. Далее умень-

шить напряжение до нуля, перекинуть штекер на зажим +250 В и продолжить измерения через 20 В.

Форма таблицы данных произвольная, рекомендуется сразу в таблицу записывать импульсное значение тока, т. е. увеличенное в 1000 раз. Повторить измерения ещё для двух значений напряжения накала U н = 5.5 В, U н = 5 В, дав после каждого изменения напряжение на-

21

кала время 2–3 мин, чтобы установился тепловой режим катода лампы. После каждой установки напряжения накала измерить соответствующий этому напряжению ток накала.

Таблица 3.1

Результаты измерений и вычислений в области малых анодных токов

I A – показания анодного амперметра; I B – входной ток вольтметра; Iа – полный анодный ток лампы.

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1.Введение, цель работы.

4.2.Принципиальная схема установки и её краткое описание.

4.3.Таблица измерений и графики зависимости Ia f (U a ) в тормо-

зящих полях (U a <0 ) в обычных и логарифмических (ln Iа ) координатах.

4.4. Таблица измерений и графики зависимости Ia f (U a ) в ускоряющих полях U a >0 для трёх значений напряжений накала 6.3, 5.5 и 5 В.

4.5. Для напряжения накала 6.3 В построить также логарифмическую зависимость lg Iа f lgUa и по ней определить отличие функции

Iа f Ua от закона «степени 3/2».

4.6. Используя полученные данные решить следующие задачи:

22

–найти температуру катода при U н = 6.3 В;

–по соотношению (3.2) найти температуру для U н = 5.5 В;

– по точкам перегиба Ia f (U a ) найти ток термоэмиссии при U н = 6.3 и

5.5 В;

– решая совместно для двух известных температур уравнение Козляков- ской-Тягунова (2.8), дать оценку работы выхода φ0 и константы В.

Площадь катода 6X2П принять равной Sк = 0.2 см2 . Сравнить по-

лученные значения со справочными и указать возможные причины расхождения.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.Что называется термоэлектронной эмиссией?

5.2.Какова природа сил, удерживающих электрон в твердом теле?

5.3.Что понимается под работой выхода электрона из металла и в чем ее отличие от полной работы выхода?

5.4.Как выглядит графически, распределение потенциала на границе металл-вакуум? (Дать пояснения).

5.5.Что представляет собой оксидный катод, и в чем заключается его основное преимущество по сравнению с металлическим катодом?

5.6.Какие факторы определяют величину тока эмиссии металлического и оксидного катодов?

5.7.Почему работа выхода у полупроводников p-типа больше чем у полупроводников n-типа?

5.8.Как измерить температуру катода и каковы возможные причины погрешностей измерения?

5.9.Как определить ток эмиссии катода?

5.10.Какие характерные участки содержит ВАХ диода? (Дать по-

яснения).

5.11.Что такое эффект Шоттки?

5.12.В чем заключаются основные особенности экспериментального изучения оксидного катода?

23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить физику явления вторичной электронной эмиссии, экспериментально снять зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов и определить энергетический спектр вторичных электронов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) это выход электронов с поверхности твердого тела (металла, полупроводника или диэлектрика) при облучении его поверхности электронным потоком.

Явление ВЭЭ лежит в основе принципа работы ряда электронных приборов, например, в фотоэлектронных умножителях, в электроннолучевых трубках с записью изображения в виде потенциального рельефа и в Оже-спектрометрах.

Электроны, падающие на поверхность твердого тела, называются первичными, а электроны, вылетевшие из тела, вторичными. Число вторичных электронов или величина тока вторичных электронов зависит от свойств твердого тела, состояния его поверхности, скорости первичных электронов (т. е. от их энергии), а также от угла падения первичных электронов.

Сложный характер явления ВЭЭ наглядно проявляется в энергетическом спектре вторичных электронов (рис. 2.1). Он представляет собой зависимость числа вторичных электронов в относительных единицах от их энергии. Такие спектры могут быть получены при помощи уникальных дорогостоящих установок: сферических анализаторов с задерживающим полем, а также анализаторов с отклонением электронов в электрических или магнитных полях. Как видно из рис. 2.1, спектр может быть разбит на три характерные области.

24

При средних энергиях первичных электронов ( E1 = 0,1–1 кэВ) наибольшая доля в спектре приходится на медленные истинно вторичные электроны (область ). Отношение числа этих электронов к числу первичных электронов называют коэффициентом истинно вторичной эмиссии ( ) .

Рис. 2.1

Процесс возникновения истинно вторичной электронной эмиссии, заключается в следующем:

Основная масса первичных электронов настолько глубоко проникает в твердое тело (эмиттер), что выйти обратно не может. Двигаясь в теле эмиттера первичные электроны, теряют часть своей энергии в результате различных взаимодействий, а другую часть отдают вторичным электронам. Полагают, что энергия передаются в основном не валентным электронам, а электронам более глубоких энергетических зон, т. е. электронам, расположенным ближе к ядру атома твердого тела (вторичная ионизация твердого тела). При этом происходит так называемый межзональный переход электронов на свободные уровни энергии зоны проводимости. Эти вторичные электроны, беспорядочно двигаясь в теле, взаимодействуют с валентными электронами, постепенно теряют энергию, и значительная часть их при подходе к поверхности твердого тела обладает энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера. Однако среди вторичных электронов есть и такие, которые возникают главным образом вблизи поверхности. Они сохраняют при движении к поверхности большую энергию и, преодолевая потенциальный барьер, покидают поверхность тела. Они и составляют группу истинно вторичных электронов.

25

Области II и III относятся к не упруго и упруго отраженным первичным электронам. В качестве условной границы между областями I и

II выбрано значение энергии вторичных электронов E2 = 50 эВ. (Очевидно, что такое разграничение имеет смысл лишь при энергии первич-

ных электронов E1 > 50 эВ). Коэффициент неупругого отражения

(КНО) η есть отношение числа электронов с энергией E2 50 эВ к чис-

лу первичных электронов. КНО обычно включает в себя и коэффициент упругого отражения (КУО) R – отношение числа электронов, отражённых без потерь энергии (или с очень малой потерей энергии, меньшей 1 эВ), к числу первичных электронов. Это допустимо, поскольку при

E1 > 50 эВ КУО R не превышает 10 %.

Слева от пика упруго отражённых электронов (УОЭ), расположен-

ного при E2 ≈E1 имеется группа максимумов, соответствующая пер-

вичным электронам, испытавшим при взаимодействии с мишенью дискретные потери энергии, характерные для данного вещества, характеристические потери энергии (ХПЭ).

Небольшие пики в областях I и II обусловлены электронами Оже. Это электроны с характерной для данного вещества энергией, образующиеся при заполнении вакансий, порождаемых первичными электронами в низко лежащих заполненных зонах, электронами из более высоко лежащих зон. Такой переход может происходить без излучения рентгеновского фотона. В этом случае высвобождающая энергия передаётся одному из электронов этой высоко лежащей зоны. Если эта энергия больше энергии связи этого электрона, то он эмитируется с характерной кинетической энергией, равной разности переданной ему энергии и энергии связи. Заметим, что по спектру Оже-электронов можно судить об элементарном составе вещества, что и используется в Ожеспектрометрии.

Спектр истинно вторичных электронов имеет вид кривой с максимумом при некотором значении E2 = E2m . Для металлов и полупро-

водников E2m = 1.5-3 эВ. Полуширина спектра E2 = 3-10 эВ. Форма энергетического спектра истинно вторичных электронов

N (E2 ) , величины E2m и E2 у металлов практически не зависят от энергии первичных электронов при E1 20 эВ. При E1 < 20 эВ положение максимума E2m сдвигается в сторону меньших энергий. При

26

энергии E1 , меньшей работы выхода e , максимум исчезает, т. е.

спектр состоит в основном из упруго отраженных электронов.

У диэлектриков максимум энергетического спектра сдвинут в сторону меньших энергий (обычно E2m ≈ 1 эВ) и является более узким,

чем у металлов ( E2 ≈ 1.5–3 эВ). Таким образом, из металлов испуска-

ется более «горячие» вторичные электроны, чем из диэлектриков. Порог собственной ВЭЭ из диэлектриков соответствует ширине запрещённой зоны, т. е. он связан с переходом электронов из валентной зоны.

В технических приложениях ВЭЭ характеризуют интегральным коэффициентом , включающим коэффициент истинно вторичной эмиссии, а также коэффициенты упругого и неупругого отражения:

R . Определяют , измеряя ток первичных I1 и полный ток вторичных электронов I2 . Коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ)

равен: I2 / I1 .

При использовании ВЭЭ в электронной технике необходимо знать зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов, их угла падения, а также временную дисперсию вторичных электронов.

2.1. Зависимость КВЭ от энергии первичных электронов E1

Зависимость (E1) имеет вид кривой с максимумом и пологим спадом (рис. 2.2). При малых энергиях первичных электронов рост КВЭ

с увеличением E1 обуславливается увеличением числа возбуждённых

электронов. При больших энергиях КВЭ уменьшается с увеличением энергии первичных электронов, так как основная масса вторичных электронов рождается на большей глубине и вероятность их выхода ограничивается столкновением с электронами и атомами вещества.

Для большинства веществ m >1. Исключением являются Be, C, Mg, Al и ряд других элементов, у которых m ≤1.

Значения E1 , при которых для веществ с m >1 коэффициент =1, называют соответственно первой (E1I ) и второй (E1II ) критическими

27

энергиями, а потенциалы 1I и 2II соответственно первым и вторым критическими потенциалами.

Рис. 2.2

При электронной бомбардировке диэлектрика или изолированного проводника последние приобретают такой потенциал, что бомбардирующие их электроны имеют одну из критических энергий. При этом случай, когда первичные электроны имеют первую критическую энергию, является неустойчивым, так как случайное отклонение энергии в сторону увеличения немедленно приводит к тому, что становится >1, и положительный потенциал вторичного эмиттера, а вместе с ним и энергия бомбардирующих электронов, возрастает. Процесс идёт таким образом, что, увеличиваясь, проходит через максимум и вновь уменьшается до =1, что теперь соответствует второй критической энергии. Это положение уже является устойчивым, так как отклонение энергии бомбардирующих электронов в ту или иную сторону вызывает такое изменение , что потенциал эмиттера и упомянутая энергия вновь приобретают значение вторых критических.

Для многих металлов, полупроводников и некоторых диэлектриков зависимость (E1) может быть представлена универсальной кривой

ется законом подобия ВЭЭ. Но этот закон не является достаточно строгим и универсальным. В частности, он не выполняется при условии

E1 (4 5) .

E1m

28

2.2. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от угла падения первичных электронов

Нетрудно объяснить зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов на поверхность поликристалла (рис. 2.3).

Чем больше угол падения , тем ближе к поверхности возникают возбуждённые электроны и больше вероятность их выхода. На графике

зависимости ( ) для монокристаллов наблюдаются небольшие ло-

кальные минимумы и максимумы, связанные с большей или меньшей вероятностью выхода электронов вдоль определённых кристаллографических направлений.

Рис. 2.3

2.3. Временная дисперсия ВЭЭ

Временная дисперсия ВЭЭ есть распределение во времени актом вылета вторичных электронов. Эта величина характеризует инерционность процесса ВЭЭ. Инерционность ВЭЭ необходимо учитывать в приборах, где ВЭЭ используется для усиления сигналов, имеющих вид коротких импульсов или колебаний СВЧ. Распределение актов ВЭЭ ап-

проксимируют гауссовой кривой, характеризуемой полушириной s

и временем s между началом возбуждения (ударом первичного электрона) и максимумом кривой распределения (рис. 2.4).

29