Кристалл CdS 5 страница

Рис. 14.5. Электрокинетическая ячейка

Принцип работы электрокинетиче­ского прибора в генераторном режиме пояснен на рис. 14.5. Пористая пере­городка 1, на которой с двух сторон имеются электроды 2 и 7 в виде металлических сеток, делит прибор на две камеры 3 и 6, заполненные элект­ролитом. Внешнее давление может быть передано на электролит через гибкие мембраны 4 и 5. Давление на одну из мембран вызывает проталкивание жид­кости через пористую перегородку, и тогда на электродах появляется разность потенциалов. Подобный прибор служит для измерения переменного давления, и на его основе могут быть построены электрокинетические микрофоны, гидро­фоны, виброметры, т. е. приборы для измерения переменных перемещений (вибраций), акселерометры — приборы для измерения ускорений. Диапазон ра­бочих частот у подобных приборов может быть от 0,1 до 100000 Гц.

Интересны электрохимические при­боры для накопления электрического заряда, называемые иониксами или ионисторами. Они эквивалентны конден­саторам сверхбольшой емкости. Устрой­ство ионикса схематично показано на рис. 14.6. Серебряный и угольный элект­роды разделены твердым электролитом, в качестве которого используется руби-дий-йодид серебра RbAg₄I₅ или сульфид-йодид серебра Ag₃SI. При пропускании тока на поверхности угольного элект­рода, являющегося анодом, образуется двойной электрический слой, аналогич­ный системе двух разноименных зарядов в конденсаторе. Удельная емкость у иониксов может достигать 10 Ф/см³, т. е. на три порядка выше, чем у оксид­ных (электролитических) конденсаторов. Удельное сопротивление утечки у них очень велико (до 10¹⁰ Ом-см). Поэтому иониксы могут сохранять заряд один-два года с уменьшением его всего лишь на 3 — 5 %. Недостаток иониксов — очень низкое рабочее напряжение, не более 0,5 В. Кроме того, это инфранизко-частотные приборы, так как уже при частоте 20 Гц их емкость уменьшается в 100 раз. Рабочие температуры у них от — 60 до +175°С. Для более высоких напряжений иониксы соединяют после­довательно. Например, для получения емкости 5 Ф при рабочем напряжении 5 В надо соединить последовательно 10 иониксов емкостью по 50 Ф. Такая батарея иониксов может использоваться как источник тока и давать, например,

ток 1 мА в течение 5000 с при сниже­нии напряжения с 5 до 4 В.

Особую группу представляют ви­зуальные электрохимические индикаторы. В простейшем случае они имеют два электрода в электролите, находящемся в небольшом стеклянном баллончике. Электролит применяют такой, чтобы он изменял свой цвет при подаче напря­жения на электроды. Подаваемое напря­жение может быть постоянным, или пе­ременным, или импульсным. Важно, что оно может быть низким.

На основе таких индикаторов созда­ны матричные индикаторные панели. В них имеются две взаимно перпенди­кулярные системы электродов — каждая в виде параллельно расположенных ме­таллических полос. Подача напряжения на ту или иную пару электродов (полос) вызывает изменение цвета электролита.

Основные достоинства электрохими­ческих индикаторов: низкий уровень управляющих сигналов и малая по­требляемая мощность (от сотен милли­ватт до сотен микроватт); большой динамический диапазон — до 80 дБ; большой срок службы — десятки тысяч часов; возможность работы на низких и инфранизких частотах. Существует много различных типов электрохимиче­ских индикаторов, работа которых осно­вана на тех или иных физико-химиче­ских процессах в электролитах.

14.3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В последние годы много теоретиче­ских и экспериментальных работ прово­дится в области молекулярной электро­ники, которая ставит своей целью использование больших молекул в ка­честве элементов электронных схем. Сле­дует отметить, что в настоящее время еще нет производства молекулярных электронных схем (за рубежом их назва­ли биочипами), пригодных для практи­ческого использования. Первая статья о молекулярном выпрямителе появилась в США в 1974 г., а статьи о биочипах впервые опубликованы в 1982 г. Пред­полагают, что устройства с такими схемами будут разработаны в девянос­тых годах. Однако исследования по их созданию интенсивно ведут в передовых странах мира физики, химики, биологи, специалисты по электронной вычисли­тельной технике, кибернетике и ин­форматике.

В современных микроэлектронных устройствах линейные размеры элемен­тов (диодов, транзисторов) составляют 0,1 — 1,0 мкм. А большие молекулы имеют размеры, во много раз меньшие, в среднем около 0,01 мкм. Поэтому переход к молекулярной электронике позволит резко повысить степень микро­миниатюризации электронных устройств для хранения, передачи и преобразования информации.

У полупроводниковых микросхем число элементов на один кристалл не превышает 10⁸. Эти схемы, изготовлен­ные по планарной технологии, могут иметь оперативную память в несколько мегабайт и обеспечивать скорость пере­работки информации до 10⁸ операций в секунду. Однако в недалеком будущем потребуются большие степени микроми­ниатюризации и большие скорости пере­работки информации. Молекулярная микроэлектроника позволит в объеме 1 мм³ размещать до 10¹⁵ элементов. Это в 10⁶ раз больше, чем плотность размещения нервных клеток в мозгу человека.

Теоретически доказано, что на 1 бит информации при температуре 300 К необходимо затратить не менее 2 х х Ю^-21 Дж энергии (так называемый предел Бриллюэна). В современных ЭВМ затраты энергии во много раз больше. А в молекулярных устройствах мож­но приблизиться к пределу Брил­люэна.

Сверхминиатюрные молекулярные схемы могут быть вживлены в организм человека и будут улучшать некоторые функции нервной системы. Импланти­рованные в мозг человека молекуляр­ные устройства помогут увеличить ем­кость памяти, т. е. добавить объем зна­ний, и исправить какие-то недостатки в работе мозга. На молекулярных схемах предполагается создать устройства ис­кусственного интеллекта, которые будут осуществлять распознавание образов,

сложную логическую обработку инфор­мации и принятие решений.

Для молекулярных схем должны быть использованы большие молекулы, в частности белковые, которые по своим информационно-логическим свойствам значительно сложнее, нежели применяе­мые в современной микроэлектронике полупроводниковые элементы. Многие органические вещества, например поли­меры, пленки, жидкие кристаллы, имеют довольно слабые межмолекулярные свя­зи. В таких веществах молекулы сохра­няют свои индивидуальные свойства. Поэтому для органических кристаллов характерно сочетание свойств отдельных молекул и свойств целого кристалла. В кристаллической решетке германия, кремния и некоторых других веществ очень сильная связь между атомами и эти атомы почти полностью утрачи­вают индивидуальные свойства. Органи­ческие кристаллы отличаются от тради­ционных неорганических полупроводни­ков не только разнообразием свойств и способностью изменять эти свойства, а еще и тем, что их обработка не требует ядовитых веществ, в отличие от обработки обычных полупроводников, например кремния.

Исследования в области молекуляр­ной электроники ведутся по двум направ­лениям. с одной стороны, пытаются раз­работать на базе органических молекул устройства, аналогичные по принципу работы й схемотехнике обычным полу­проводниковым микросхемам, но более простые по технологии изготовления. При этом возможно улучшение экс­плуатационных свойств и снижение стоимости изделий. Второе направле­ние — это создание устройств, принци­пиально отличных от существующих микросхем по степени микроминиатю­ризации и скорости обработки инфор­мации. Это будут устройства совершенно нового типа.

Человеческий мозг имеет громадную информативную емкость и обладает способностью к сложной переработке информации. В клетках мозга происхо­дят весьма сложные информационно-логические процессы. А в молекулярной электронике ведутся работы по созда­нию теоретической и технологической базы для производства молекулярных агрегатов, выполняющих функции логи­ческих элементов, и для объединения таких элементов в системы переработки информации. Подобные системы могут быть принципиально новыми по струк­туре и действию, т. е. не копировать человеческий мозг. Кроме того, по срав­нению с мозгом они могут иметь во много раз большую плотность разме­щения элементов и скорость передачи информации.

Одна из основных проблем в моле­кулярной электронике — это соединение молекулярных элементов между собой и с внешними устройствами. Схемо­техника для молекулярных элементов пока еще детально не разработана. Имеются теоретические модели и прово­дятся экспериментальные исследования в этой области. В частности, уста­новлено, что возможна передача инфор­мации за счет перехода вдоль цепочки молекул (от молекулы к молекуле) электронов или так называемых солито-нов — единичных акустических волн, воз­никающих в каком-то месте и способ­ных распространяться в том или ином веществе.

В настоящее время характерны три направления исследований в молекуляр­ной электронике: 1) конструирование молекул и молекулярных ансамблей, способных хранить, передавать и пере­рабатывать информацию; 2) разработка новой молекулярной схемотехники; 3) со­здание технологии производства молеку­лярных микроэлектронных устройств.

Молекулярные электронные устрой­ства могут быть цифровыми и анало­говыми. Возможен вариант цифрового устройства такой, в котором молекулы представляют собой логические эле­менты, а управление и передача инфор­мации осуществляются за счет опти­ческого воздействия на молекулы. Опти­ческие системы применяются и для связи входа и выхода молекулярного устройства с внешними электрическими цепями.

Для логических элементов необхо­дима высокая надежность срабатывания при воздействии на них управляющего

сигнала. Под действием квантов излуче­ния молекулы, играющие роль логиче­ских элементов, должны переходить из обычного (нормального) состояния в возбужденное или наоборот. Важно, чтобы в возбужденном состоянии логи­ческий элемент мог оставаться нужное время.

Простые молекулы сохраняют воз­бужденное состояние лишь малые доли секунды, после чего они самопроизволь­но возвращаются в невозбужденное состояние. Сложные органические моле­кулы остаются в возбужденном состоя­нии десятки секунд. Чтобы обеспечить надежную работу элемента, управляю­щее воздействие должно безотказно пе­реводить молекулу в нужное состояние. Для многих молекул это справедливо только при переводе в возбужденное состояние, а обратный перевод — либо самопроизвольный (спонтанный), либо плохо управляемый, что недопустимо.

Необходимо подобрать" такие моле­кулы, которые имеют не менее двух, хорошо различимых устойчивых состоя­ний с достаточно длительным временем жизни в этих состояниях. Эти молекулы должны быть хорошо управляемыми, т. е. позволять переводить их в любое из двух состояний и четко определять, в каком из этих состояний система находится.

Управление с помощью излучения может быть осуществлено так, что пря­мой переход достигается за счет воздей­ствия видимого, а обратный — за счет воздействия ультрафиолетового излуче­ния. Возможны и другие комбинации двух различных излучений. При управ­лении лазерным лучом с диаметром 1 мкм можно в молекулярной пленке получить плотность записи информации до 10⁸ бит/см² и даже более. Таким образом, один из вариантов молекуляр­ного цифрового устройства может иметь тонкопленочный слой молекул, способ­ных «запоминать» информацию, а для записи и считывания использовать лазер­ные лучи с различной длиной волны.

В аналоговых схемах должны исполь­зоваться большие белковые молекулы с множеством различных устойчивых состояний. Управление переходом между этими состояниями возможно различ­ными методами, например оптическим возбуждением, воздействием электриче­ских полей. Таким образом, активный элемент аналоговых схем — это молеку­ла белка размером (3-^5)10^_3 мкм. На 1 см² пленки размещается до 10¹² таких молекул. Возможно осуществлять миллиарды переключений в секунду. На основе таких молекулярных пленок изго­товляются высокопроизводительные аналого-цифровые вычислительные уст­ройства и аналоговые телевизионные устройства, используемые, например, в качестве глаз у роботов.

В создании таких устройств еще мно­го трудностей. В частности, неясно, смо­гут ли устойчиво работать долгое время «нежные» белковые молекулы. Их устой­чивость в основном определяется физи­ческими условиями. Например, в живых организмах, физические условия в кото­рых изменяются не очень сильно, белко­вые молекулы могут устойчиво работать несколько недель. Современная генная инженерия направлена, в частности, на повышение стойкости и длительности жизни белковых молекул. Можно пред­полагать, что первые пригодные для практического использования молеку­лярные электронные устройства будут разработаны в ближайшие годы.

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ

ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА

И РАБОТЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

15Л. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ

Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или запол­нено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на исполь­зовании электрических явлений в вакууме или газе.

Под вакуумом следует понимать со­стояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшими­ся после откачки газа молекулами, то говорят о высоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа менее 100 мкПа (высокий вакуум). В ионных приборах давление 13 3 • 10 ~ ³ Па (10~³ мм рт. ст.) и выше. При.этом зна­чительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и иони­зирует их.

Есть еще групца проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электри­ческих величин. Эти лампы бывают гене­раторными, усилительными, выпрями­тельными, частотно-преобразователь­ными, детекторными, измерительными и др. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпуска­ются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные то­ки — электрические импульсы.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысокочастотные.

Электронные лампы, имеющие два электрода — катод и анод, называются, диодами. Диоды для выпрямления пере­менного тока в источниках питания на­зываются кенотронами. Лампы, имею­щие помимо катода и анода электроды в виде сеток, с общим числом электро­дов от трех до восьми, — это соответ­ственно триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками называются мно­гоэлектродными. Если лампа содержит несколько систем электродов с незави­симыми потоками электронов, то ее на­зывают комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод — пентод, двойной диод - пентод и др.).

Основные ионные приборы — это ти­ратроны, стабилитроны, лампы со знако­вой индикацией, ионные разрядники и др.

Большую группу составляют элект­ронно-лучевые приборы, к которым от­носятся кинескопы (приемные телевизион­ные трубки), передающие телевизион­ные трубки, осциллографические и запо­минающие трубки, электронно-оптиче­ские преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, ин­

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

дикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

В группу фотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлект­ронные умножители. К электроосвети­тельным приборам следует отнести лам­пы накаливания, газоразрядные источ­ники света и люминесцентные лампы.

Особое место занимают рентгенов­ские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.

Электровакуумные приборы класси­фицируются еще по типу катода (нака­ленный или холодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, ме­таллический, керамический, комбиниро­ванный), по роду охлаждения (естествен­ное, или лучистое, и принудительное — воздушное, водяное, паровое).

15.2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДИОДА

Главное назначение диодов — вы­прямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шу­мов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стек­лянном, металлическом или керамиче­ском баллоне с вакуумом. Один элект­род — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относи­тельно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое по­ле, которое при положительном потен­циале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается то­ком. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри ци­линдра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наи­более распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник £_а и простран­ство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из като­да, образуют ток эмиссии

I_e = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объ­емным или пространственным и пре­пятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положитель­ном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода без­возвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый 1_К или i_K:

i_K = nq<I_e, (15.2)

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция элек­тродов диода

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объем­ный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от като­да к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозна­чается /_а или i_a- В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

h = h. (15.3)

Анодный ток является главным то­ком электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источ­ника к катоду лампы.

При изменении положительного по­тенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический прин­цип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способ­ность проводить ток в одном направле­нии. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имею­щему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталки­вает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обла­дает односторонней проводимостью и по­добно полупроводниковому диоду мо­жет выпрямлять переменный ток. В от­личие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли милли­ампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощ­ных диодах ' (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для пита­ния аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряже­нием (напряжением анода) и обозначают U_a или ы_а.

В практических схемах, когда в анод­ную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источ­ника, анодное напряжение меньше Е_я. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника £_а не­правильно называют анодным напряже­нием. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника не­посредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Поло­жительное анодное напряжение у мало­мощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов сред­ней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более,

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

Условились принимать потенциал ка­тода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. По­тенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника £_н и подогревателя (или катода прямого на­кала). Ток накала обозначают /_н, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают С/_н. Напряжение накала всегда низкое — еди­ницы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

15.3. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРИОДА

Триоды имеют третий электрод — управляющую сетку, называемую обыч­но просто сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять по­тенциал сетки, то изменяется электри­ческое поле и вследствие этого изме­няется катодный ток лампы.

Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода ана­логичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обознача­ется символами с индексом д (от английского слова grid — сетка).

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 15.4), состоящую из проме­жутка катод — сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Е_д. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.

Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным на­пряжением (напряжением сетки) и обо­значается U_g или и_д. При положитель­ном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возни­кает сеточный ток (ток сетки), обо­значаемый 1_д или i_g. Часть триода, со­стоящая из катода, сетки и простран­ства между ними, подобна диоду.

Рис. 15.4. Токи в цепях триода

Основной и полезный ток в триоде — анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток; аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного тран­зистора, который всегда работает с то­ком базы.

В проводе катода протекает суммар­ный ток, который называется катодным током:

i_K = k + ig- (15.4)

Катодный ток аналогичен эмиттер-ному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при и_в < О, так как в этом слу­чае ig ⁼ 0.

Подобно диодам триоды обладают односторонней проводимостью. Но для выпрямления переменного тока их при­менять нет смысла, так как диоды проще по конструкции. Возможность управле­ния анодным током с помощью сетки определяет основное назначение трио­дов — усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генера­ции электрических колебаний различной частоты.

15.4. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Основным электродом каждого электровакуумного прибора является ка­тод, эмитирующий электроны.

Электронной эмиссией называют про­цесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакуум или газ. Чтобы вызвать электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энер­гию, которую называют работой выхода. Она различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. У металлов, имеющих ббльшие по сравне­нию с другими межатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.

Если на поверхности основного ме­талла расположены атомы веществ, от­

дающие электроны данному металлу, то наблюдается усиление эмиссии. Такие вещества называются активирующими. Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхности металла слоем оксида щелочных и щелочнозе­мельных металлов.

Рассмотрим основные виды элект­ронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия обуслов­лена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широко используется в электронных приборах. С повышением температуры энергия электронов прово­димости в проводнике или полупровод­нике растет и может оказаться доста­точной для совершения работы выхода. Если вылетевшие электроны не отводятся ускоряющим полем от эмитирующей поверхности, то около нее образуется скопление электронов («электронное облачко»). В нем энергии электронов различны и средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон-вольта.

«Электронное облачко» находится в динамическом равновесии. Новые элект­роны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно. Это явление напоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде. Насыщенный пар над такой жидкостью находится в дина­мическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости.

В приборах с накаленным активиро­ванным катодом (например, оксидным) наблюдается значительное усиление тер­моэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля (эффект Шотки). Если бы катод не был накален, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре и наличии внешнего ускоряющего поля вылетает дополни­тельно много электронов, которые при отсутствии поля не могли бы выйти. При кратковременном действии силь­ного поля выход электронов из накален­ных оксидных и других активированных катодов -очень велик. Такая эмиссия в виде кратковременных импульсов тока используется в некоторых электронных и ионных приборах.

Электростатическая (или авщоэлект-ронная) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электри­ческим полем. Эту эмиссию иногда на­зывают «холодной», что неудачно, так как все виды эмиссии, кроме термо­электронной, можно причислить к «хо­лодным».

Выход электронов при нормальной (комнатной) температуре происходит с помощью электрических полей напря­женностью не менее 10⁵ В/см.

Электростатическая эмиссия значи­тельно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняется концентра­цией поля у микроскопических выступов этой поверхности. При наличии активи­рующих, особенно оксидных, покрытий электростатическая эмиссия также уси­ливается. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою, здесь играет роль проникновение внеш­него поля в полупроводниковый оксид­ный слой и шероховатость поверхности оксида.

Вторичная электронная эмиссия обу­словлена ударами электронов о поверх­ность тела. При этом ударяющие электроны называются первичными. Они проникают в поверхностный слой" и отдают свою энергию электронам дан­ного вещества. Некоторые из последних, получив значительную энергию, могут выйти из тела. Такие электроны назы­ваются вторичными. Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первич­ных электронов 10—15 эВ и выше. Если энергия первичного электрона достаточ­но велика, то он может выбить не­сколько вторичных электронов.

Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии а, который равен отношению числа вто­ричных электронов п₂ к числу первич­ных п₁:

Дата добавления: 2015-05-06