Основные характеристики современных катодов приведены в таблице.Стр 1 из 14Следующая ⇒
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 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
Ó 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.
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:
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 =
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)
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|