- •Методические указания
- •Исследование термоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы
- •Основные характеристики современных катодов приведены в таблице.
- •Методика обработки и анализа экспериментальных результатов
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование фотоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы
- •Параметры и характеристики фотокатодов
- •Методика проведения эксперимента и обработки полученных результатов
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •1. Цель работы.
- •12. Расчет чувствительности и квантового выхода фотокатода по данным п. 6. Контрольные вопросы
- •Литература
- •Управление электронным потоком
- •На примере осциллографической
- •Электронно-лучевой трубки
- •Цель работы
- •Параметры оэлт типа 13ло37и
- •Описание лабораторного стенда
- •Задание по работе и порядок ее выполнения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •1. Каким образом определяется действие электронной линзы?
- •7. Как выглядит траектория электрона в пучке от катода до экрана?
- •Литература
- •Исследование тлеющего разряда
- •Вольт-амперная характеристика разряда
- •Структура и внешний вид разряда
- •Теория лавинного пробоя Таунсенда
- •Константы для расчета коэффициента ионизации Таунсенда
- •Теория катодного падения потенциала
- •Нормальное катодное падение Uн b
- •Нормальная толщина катодного слоя pd, торсм
- •Теория диффузионного положительного столба тлеющего разряда
- •Оценочные значения параметров электрона в плазме для различных газов
- •Описание экспериментальной установки
- •Задание и методика выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Дополнительная литература
- •Содержание
Министерство образования Российской Федерации
Новосибирский государственный технический университет
________________________________________________________
621.38 № 2431
В 148
ВАКУУМНАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания
к лабораторным работам № 1 – 4
по второй части «Электроника и микроэлектроника»
для студентов II курса РЭФ направления 550700
(специальностей 200200, 200300, 200400)
Новосибирск
2003
УДК 621.385 (076.5)
В 148
Составили: А.Б. Беркин, доц.,
Н.А. Подъякова, доц.,
Л.И. Лисицина, проф.,
С.А. Чипурнов, ст. преп.
Редактор В.М. Геллер, проф.
Рецензент канд. техн. наук, доц. А.И. Василевский
Работа подготовлена на кафедре электронных приборов
Новосибирский государственный
технический университет, 2003
Лабораторная работа № 1
Исследование термоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы
Знакомство с методикой исследования термоэлектронной эмиссии и проверка закономерностей термоэлектронной эмиссии в тормозящих и ускоряющих полях.
Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из нагретых твердых тел (металлов и полупроводников). Это явление, впервые замеченное Эдисоном в 1881 году, в настоящее время широко используется в промышленных приборах и устройствах (как вакуумных, так и газонаполненных).
Термоэлектронная эмиссия относится к классу эмиссий с предварительным возбуждением электронов. Источником энергии возбуждения электронов является тепловая энергия решетки твердого тела, которая в виде фононных волн распространяется по его объему. Стоячие электронные волны в твердом теле взаимодействуют с фононными волнами, и в результате часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни, в том числе и на такие, которые лежат выше уровня потенциального барьера.
Термоэлектронная эмиссия наблюдается из металлов, полупроводников и их комбинаций. Наиболее широко распространены:
– металлические катоды из тугоплавких металлов, работающие при высоких температурах (используют вольфрам, молибден, тантал и другие металлы);
– металлопленочные катоды из тугоплавких металлов, покрытые пленкой, снижающей работу выхода металла, а следовательно, и рабочую температуру. Наиболее широко распространен вольфрамо-ториевый катод (W – Th);
– полупроводниковые катоды из материалов, имеющих низкие работы выхода, дающие значительный ток эмиссии при невысоких температурах. Широко распространен оксидный катод и его различные модификации.
Основные характеристики современных катодов приведены в таблице.
Тип катода |
eφo, эВ |
А, А/м2гр2 |
Траб, К |
W – вольфрамовый |
4,52 |
75·104 |
2200…2800 |
WА–Th – вольфрамо-ториевый |
2,63 |
3·104 |
1600…1800 |
Оксидный |
0,9…1,1 |
200…500 |
800…1000 |
Основным недостатком металлических катодов является высокая работа выхода, что требует высоких рабочих температур. Однако металлические катоды сильноточные и обладают стабильностью в работе.
Пленочный W–Th катод работает при менее высоких температурах, но его стабильность ниже, чем вольфрамового, что связано с наличием пленки и ее испарением с поверхности.
Оксидный полупроводниковый катод имеет еще более низкую температуру, в этом состоит его основное преимущество, однако стабильность катода снижена из-за процессов, происходящих в объеме катода: появления внутренних электрических, тепловых полей и запорных слоев.
В данной лабораторной работе исследуется прибор с оксидным катодом (ОК). Оксидный катод получается на основе карбонатов щелочно-земельных металлов, основным из которых является BaCO3, а CaCO3 и SrCO3 – структурообразующие. Карбонаты в вакууме разлагаются по следующей схеме:
BaCO3 → BaО + C02 ↑ ,
2BaO 2Ba + O2 ↑ .
В результате образуется широкозонный полупроводник (BaO + CaO + SrO) с донорной примесью Ba, располагающейся в объеме и на поверхности материала. На рис. 1 представлена схема оксидного катода.
Энергетическая диаграмма оксидного катода представлена на рис. 2, где также изображена функция распределения электронов по энергиям F(W). Площадь М отображает группу электронов, эммитирующих за пределы катода при данной температуре.
При рассмотрении явления термоэлектронной эмис-сии и выводе основного уравнения для плотности термоэмиссионного тока ис-пользуют два подхода к этому явлению:
1
Рис.
1. Схема
оксидного катода
2. К изучению термоэлектронной эмиссии можно подойти и исходя из рассмотрения свойств электронного газа внутри эмиттера, подчиняющегося статистике Ферми («статистическая» теория), основанной на приближении «свободных электронов». Согласно этому приближению при повышенной температуре в твердом теле основная масса электронов находится на уровне донора и на энергетических уровнях, расположенных ниже уровня Ферми (рис. 2), но при этом непременно имеются частицы, обладающие большими энергиями, вплоть до значений, равных полной работе выхода и выше, при которых уже начинается эмиссия электронов за пределы катода.
На поверхности тела электроны встречают потенциальный барьер и частично могут отразиться от него. Выход электронов характеризуется коэффициентом прозрачности D = (I – R). Если отражение с коэффициентом R обусловлено только квантово-механическими воздействиями на одномерном потенциальном пороге на границе катода, то величина D вычисляется исходя из формы потенциального барьера и известной функции состояния электронов в твердом теле. Экспериментально установлено, что
для быстрых электронов, обеспечивающих термоэлектронную эмиссию и выходящих перпендикулярно к поверхности потенциального барьера, D = 0,97 + I.
К
Рис. 2.
Энергетическая диаграмма оксидного
катода и функция распределения электронов
по энергиям
Термоэлектронная эмиссия характеризуется величиной плотности тока насыщения . Теоретическое рассмотрение механизма эмиссии приводит к следующему выражению для , полученному Ричардсоном и Дешманом (для металлов):
. (1)
где – универсальная постоянная Зоммерфельда, не зависящая от материала катода и определяемая только родом эмитированных частиц,
, (2)
– прозрачность потенциального порога; – элементарная работа выхода электронов из материала катода.
Плотность тока эмиссии из полупроводникового оксидного катода определяется уравнением Козляковской
, (3)
где – постоянная термоэлектронной эмиссии полупроводникового оксидного катода, равная
, (4)
– концентрация атомов бария на уровне донора; – внешняя работа выхода катода; – внутренняя работа выхода материала катода.
Уравнение (3) показывает, что плотность тока эмиссии в случае оксидного катода слабее зависит от температуры, чем для чисто металлического катода (1). Это объясняется тем, что уровень Ферми у полупроводников с донорной примесью является функцией температуры и с увеличением Т резко снижается, ослабляя эффект выхода электронов. Кроме того, уровень Ферми зависит и от концентрации примеси. Для оксидного катода, представляющего собой донорный полупроводник, Wf определяется выражением
. (5)
Теория термоэлектронной эмиссии строится на использовании функции Ферми–Дирака, которой электроны подчиняются внутри объема твердого тела:
, (6)
где W – энергия электрона; – вероятностная функция Ферми–Дирака, показывающая, с какой вероятностью электроны обладают энергией W;
; (7)
dW – интервал энергии.
Электроны, которые вышли за пределы катода и стали свободными, изменяют характер статистики и подчиняются функции Максвелла–Больцмана:
. (8)