Термоэлектронная эмиссия

Эффект Шоттки при термоэлектронной эмиссии


Вид электростатического потенциала вблизи отрицательно заряженного электрода и снижение работы выхода за счёт эффекта Шоттки. Чёрная линия — потенциал без наложения внешнего поля; красная линия — потенциал {\displaystyle E_{U}} от внешнего поля; синяя линия — потенциал электрона с одновременным учётом работы выхода и внешнего поля; {\displaystyle x_{m}} — расстояние от электрода с максимумом потенциала.
Основная статья: Эффект Шоттки
При наложении внешнего электростатического поля, силовые линии которого направлены к эмиттеру (катоду) — то есть этот электрод имеет отрицательный потенциал относительно анода, — наблюдается снижение работы выхода электронов из катода. Это явление называется эффектом Шоттки, получившее название в честь Вальтера Шоттки, исследовавшего его. Приблизительное объяснение эффекта приведено на рисунке. Внешнее электрическое поле {\displaystyle E_{U}} понижает работу выхода на величину {\displaystyle \Delta W}. Электроны в металле имеют энергию, равную энергии уровня Ферми {\displaystyle E_{F}}, а электроны на бесконечном удалении от поверхности имеют энергию {\displaystyle E_{\infty }}. Разность этих энергий — это работа выхода {\displaystyle E_{e}}. Сумма сил притяжения к катоду и от внешнего поля имеет локальный максимум на расстоянии {\displaystyle x_{m}} от катода, причём этот максимум имеет энергию ниже энергии выхода, что увеличивает термоэлектронную эмиссию. Эмиссия электронов, которая происходит в результате совместного действия эффекта Шоттки и термоэлектронной эмиссии часто называется «эмиссией Шоттки». Формулу для плотности тока термоэлектронной эмиссии с учётом эффекта Шоттки можно получить простой модификацией формулы Ричардсона, подставив в неё вместо {\displaystyle \varphi } энергию {\displaystyle \varphi -\Delta W}{\displaystyle J(F,\ T,\ W)=A_{\mathrm {G} }T^{2}e^{-(\varphi -\Delta W) \over kT}.}Величина уменьшения работы выхода {\displaystyle \Delta W}за счёт эффекта Шоттки даётся формулой:
{\displaystyle \Delta W={\sqrt {q^{3}E \over 4\pi \varepsilon _{0}}},} где:
{\displaystyle q} — элементарный заряд;
{\displaystyle E} — напряжённость электрического поля;
{\displaystyle \varepsilon _{0}} — диэлектрическая постоянная вакуума.
Эта формула хорошо согласуется с практическими измерениями при напряжённости электрического поля примерно до 10⁸ В/м. Для напряжённости электрического поля выше 10⁸ В/м существенным становится туннелирование электронов через потенциальный барьер, так называемое туннелирование Фаулера — Нордхайма, и при этом туннельный ток начинает вносить значительный вклад в общий ток эмиссии. В этом режиме эффекты термоэлектронной и туннельной эмиссии, которая усиливается за счёт поля, могут быть описаны уравнением Мерфи — Гуда^[16]. В ещё более сильных полях туннелирование Фаулера — Нордхайма становится доминирующим механизмом электронной эмиссии — и катод работает в так называемом режиме «холодной электронной эмиссии» или «автоэлектронной эмиссии».
Термоэлектронная эмиссия также может усиливаться от других форм возбуждения поверхности катода — например, при облучении светом^[17]. Так, возбуждённые атомы цезия в парах в термоэмиссионных преобразователях образуют активные центры Cs^- Ридберга^[en], которые приводят к уменьшению работы выхода с 1,5 эВ до 1,0—0,7 эВ. Эти центры имеют большое время жизни, и работа выхода остаётся низкой, что существенно повышает эффективность термоэмиссионного преобразователя^[18].

5.