[拼音]：dianzi fashe

[外文]：electron emission

電子從物體逸入周圍媒質(zhì)(真空或氣體)的現(xiàn)象。物體中的電子在常態(tài)下所具有的能量都不足以克服表面勢壘而逸出物體。要使它們從物體里釋放出來，必須另外給予它們能量，稱為激發(fā)。電子發(fā)射依激發(fā)的方式不同分為熱電子發(fā)射、光電子發(fā)射和次級電子發(fā)射。受強(qiáng)電場作用產(chǎn)生的發(fā)射稱為場致電子發(fā)射。此外還有等離子體場致發(fā)射或爆發(fā)式發(fā)射、離子電子發(fā)射、過熱電子發(fā)射、自釋電子發(fā)射等。

在真空電子器件中，一般利用電子發(fā)射體作為電子源。發(fā)射的電子帶有固體內(nèi)部和表面的許多信息，因此可以利用這些現(xiàn)象來制成各種電子能譜儀和材料分析儀器（見粒子與固體的相互作用）。

熱電子發(fā)射

物體被加熱而發(fā)射電子的現(xiàn)象。當(dāng)物體被加熱時，電子的能量隨溫度的提高而增大，其中有的電子就能夠克服表面勢壘而逸出物體。圖1表示金屬內(nèi)部電子的能量分布N(E)和表面勢壘。E為真空能級，E_F為費(fèi)米能級，通常稱φ＝E–E_F為逸出功，即電子從固體中逸出所需的最小能量。當(dāng)溫度T₁較低時，金屬內(nèi)部能量最大的電子也不足以克服表面勢壘而逸出。當(dāng)溫度T₂較高時，能量高于真空能級E的電子(畫陰影線部分)就有可能克服表面勢壘而逸出，即形成熱電子發(fā)射。

理查森發(fā)射方程

O.W.理查森和杜什曼研究熱發(fā)射現(xiàn)象，導(dǎo)出描述熱發(fā)射的理查森－杜什曼發(fā)射方程，簡稱理查森發(fā)射方程

J₀=A　　　　　　 (1)

式中J₀是零場飽和電流密度，單位為A/cm²（安/厘米²）；A是普適的發(fā)射常數(shù)，A=120A/cm²K;?b是發(fā)射體表面的平均電子透射系數(shù)；T是發(fā)射體的絕對溫度；φ是發(fā)射體的電子逸出功，單位為 eV（電子伏）；k是玻耳茲曼常數(shù)。理查森發(fā)射方程表明，飽和電流密度與熱發(fā)射體的溫度和電子逸出功有密切關(guān)系，逸出功φ 越低、溫度T 越高，飽和電流密度J₀越大。

熱發(fā)射電流一般用理想二極管測量。理想的伏安特性曲線如圖2虛線所示。在平行板電極條件下，在陽極電壓U_a（單位為伏）升高時，陽極電流I_a（單位為安）按

　　　　 (2)

增大。式中x_a是陰極到陽極之間的距離，單位為厘米;S為陰極的面積，單位為厘米²。這就是發(fā)射電流的二分之三次方定律。此時電流受空間電荷限制。當(dāng)U_a提高到U_s時，所有陰極發(fā)射的電子都被陽極所收集，這時的電流稱作飽和電流，它代表陰極在某一溫度下的最大發(fā)射能力。

從U_s起繼續(xù)提高U_a時，支取的發(fā)射電流還有所增大，這是外加電場使表面勢壘降低所致。這一現(xiàn)象稱作肖特基效應(yīng)。勢壘降低的數(shù)值為，式中 e為電子電荷，ε₀為真空介電常數(shù)，E為場強(qiáng)。因此，發(fā)射電流密度為

　　　　　(3)

式中E的單位為伏／厘米。實(shí)際測得的伏安特性如圖2中實(shí)線所示。

在陽極電壓為負(fù)時，二極管中即可有電流流過。這是因為發(fā)射電子有初速的緣故。這表明利用二極管有可能做成把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的熱－電轉(zhuǎn)換裝置。這時須使陽極的逸出功比陰極小，并且設(shè)法消除陰極附近空間電荷的影響。

光電子發(fā)射

物體受光照射而發(fā)射電子的現(xiàn)象稱作光電子發(fā)射。光照射在物體上有一部分被反射，其余部分穿入物體內(nèi)被吸收。物體吸收光能后可能出現(xiàn)能量較大的電子，某些電子在到達(dá)物體表面時還保留足夠的能量，能夠克服表面勢壘而逸出，成為發(fā)射電子。

光電子發(fā)射的基本實(shí)驗規(guī)律有：

（1）斯托列托夫定律：當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目（或飽和光電流）與入射光的強(qiáng)度成正比。

（2）愛因斯坦定律：光電子的最大動能與入射光的頻率 ν成正比，而與光的強(qiáng)?任薰亍?A.愛因斯坦引出光子的概念來解釋這一現(xiàn)象，并得出數(shù)學(xué)表示式

　　 (4)

式中v絕對零度時發(fā)射電子所具有的最大速度，φ是金屬的電子逸出功，h是普朗克常數(shù)。

（3）長波限或光電閾：當(dāng)T=0K，公式(4)中的ν降低至極限頻率ν₀時發(fā)射終止。在低于ν₀的頻率下沒有光電子發(fā)射。極限頻率ν₀下的光子能量 hν₀稱做光電閾能。極限頻率ν₀決定于公式

ν₀＝φ/h　　　　　　　　　(5)

極限波長λ₀為

λ₀＝c/ν₀＝ch/φ　　　　　　　(6)

式中c為光速。如φ用電子伏表示，則

λ₀＝12340/φ　(┱)　　　　　 (7)

因T＞0K，一部分電子的能量高于費(fèi)米能級，所以不存在明顯的長波限。一般規(guī)定長波光譜靈敏度降到峰值的百分之一時的波長為長波限。

（4）光電效應(yīng)的瞬時性：從光照射在物體上，到光電子從物體逸出的時間短于3×10^-9 秒。這就是說，光電發(fā)射實(shí)際上沒有惰性。這種性質(zhì)使光電效應(yīng)在現(xiàn)代技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。

光電子發(fā)射的主要過程是：

（1）光子打在固體上使電子受到激發(fā)。這些獲得了光子能量的電子稱為光電子；

（2）一部分光電子向表面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中發(fā)生非彈性碰撞而失去部分能量；

（3）到達(dá)表面的光電子克服表面勢壘逸入真空。

金屬的光電子發(fā)射

金屬中有較多的自由電子，在T＝0K時，能量最高的電子是費(fèi)米能級上的電子。因此，光電逸出功為

φ＝hν₀＝E－E_F＝φ　　　(8)

金屬吸收光子后，激發(fā)的光電子在向表面運(yùn)動過程中與自由電子發(fā)生較頻繁的碰撞，損失能量較多，只有較少的光電子還有足以克服表面勢壘的能量而逸出金屬。因此，金屬的光電子發(fā)射逸出深度淺，量子效率低。

半導(dǎo)體和絕緣體的光電子發(fā)射

在半導(dǎo)體和絕緣體中，對光子能量hν強(qiáng)烈吸收始于hν等于禁帶寬度E_g(直接光躍遷)，而要產(chǎn)生光電發(fā)射則需要

hν＞+E_g　　　　　　　　(9)

式中=E–E_c為電子親和勢，E_c為導(dǎo)帶（圖3a）。

從晶體中把處在滿帶頂部能級中的電子激發(fā)出來，需要傳遞給這個電子的最小能量稱作光電逸出功 (φ)。根據(jù)公式

hν₀＝φ＝+E_g　　　　　　 (10)

可確定光電子發(fā)射的極限頻率ν₀。

若半導(dǎo)體表面上存在異質(zhì)結(jié)和表面態(tài)，表面能帶將向下彎曲（圖3b），可導(dǎo)致有效電子親和勢＝E–E_c＜0，這就成為負(fù)電子親和勢。負(fù)電子親和勢光電陰極光電子逸出深度深、光電發(fā)射效率高。

次級電子發(fā)射

物體表面受電子轟擊而發(fā)射電子的現(xiàn)象。激發(fā)物體內(nèi)電子的能源，是轟擊物體表面并穿入物體內(nèi)部的電子的動能。轟擊物體表面的電子稱作初電子；發(fā)射出的全部電子統(tǒng)稱為次級電子。實(shí)際上，次級電子是由真正的次級電子和反射的初電子組成的。根據(jù)實(shí)驗曲線（圖4），在區(qū)域Ⅰ內(nèi)集中有大部分次級電子，這些電子的能量在0～50電子伏之間，它們是真正的次級電子。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)的電子約占次級電子總數(shù)的百分之幾，它們是經(jīng)碰撞而損失能量的初電子和被激發(fā)的電子（包括俄歇電子）。在區(qū)域Ⅲ內(nèi)的次級電子是彈性反射的初電子，約占次級電子總數(shù)的百分之幾。圖4中有三個峰，R峰對應(yīng)于彈性反射的初電子；S峰對應(yīng)于真正的次級電子；而N 峰則對應(yīng)于受到特征能量損失的初電子，能量損失的大小與初電子能量E_p無關(guān)，而是決定于發(fā)射體的性質(zhì)。在特定條件下還會出現(xiàn)俄歇電子峰。

次級發(fā)射系數(shù)

通常用次級發(fā)射系數(shù)δ 表征次級發(fā)射現(xiàn)象。它是離開物體表面的次級電子數(shù)與同一時間內(nèi)落到同一表面上的初電子數(shù)之比，即δ＝n_s/n_p＝i_s/i_p。式中n_s、n_p、i_s、i_p分別為次級電子和初電子的數(shù)目和電流。次級發(fā)射系數(shù)可用圖5中的電路測量。用初電子束轟擊靶面，電子能量由靶與陰極之間的電位差U_p決定。收集極相對于靶加正電壓。從靶發(fā)射出的次級電子被收集極收集。讀出i_s和i_p即可求得δ。δ與初電子能量E_p的關(guān)系如圖6。δ–E_p曲線具有極大值的原因是：當(dāng)初電子的能量較小時物體內(nèi)部被激發(fā)的電子的總數(shù)較少，所以次級電子發(fā)射較少；當(dāng)初電子能量較大時，雖然激發(fā)的電子較多，但激發(fā)的電子多半處在物體內(nèi)部深處，逸出機(jī)會極少，因而次級電子發(fā)射也較少。各種物質(zhì)的δ值與物質(zhì)的性質(zhì)、表面情況、初電子的入射角等因素有關(guān)。純金屬的δ一般在0.5～1.8之間；半導(dǎo)體和絕緣體的δ較大，能達(dá)到5～6；有些復(fù)雜表面的δ可達(dá)十幾。負(fù)電子親和勢發(fā)射體的δ可達(dá)500以上。

金屬的次級電子發(fā)射

次級發(fā)射的物理過程是：

（1）初電子射入發(fā)射體，在體內(nèi)初電子能量受到損失，激發(fā)產(chǎn)生次級電子；

（2）激發(fā)的次級電子從激發(fā)位置向表面運(yùn)動；

（3）到達(dá)表面的次級電子克服表面勢壘而逸出。

半導(dǎo)體和絕緣體的次級電子發(fā)射

半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電性能差，被電子轟擊時，會出現(xiàn)表面帶電現(xiàn)象（如δ＞1，則表面帶正電；δ＜1，則表面帶負(fù)電）。半導(dǎo)體和絕緣體次級發(fā)射的特點(diǎn)是：

（1）次級發(fā)射系數(shù)一般較大。這是因為半導(dǎo)體和絕緣體中的導(dǎo)電電子較少，激發(fā)的電子向表面擴(kuò)散過程中能量損失較少。

（2）E 值一般較大，這是因為激發(fā)電子逸出時能量損失較小，在深處激發(fā)的電子有逸出的可能，初電子穿入的深度就可能深一些，即相應(yīng)的 E值大一些。

（3）不同類型的半導(dǎo)體和絕緣體的次級發(fā)射系數(shù)的歸一化曲線形狀不盡相同，這是因為不同物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)不同，初電子在其內(nèi)的能量減損率不相同。

（4）半導(dǎo)體和絕緣體次級電子的初速一般較小，而且分布的寬度較窄。這說明激發(fā)電子在逸出過程中主要與聲子多次碰撞，平均說來損失了大致相同的能量。

場致電子發(fā)射

物體表面受強(qiáng)電場作用而發(fā)射電子的現(xiàn)象稱作場致電子發(fā)射或冷發(fā)射。場致發(fā)射有兩類，一類是外部強(qiáng)電場壓抑物體的表面勢壘，使勢壘的最高點(diǎn)降低，并使勢壘的寬度變窄，導(dǎo)致隧道效應(yīng)而產(chǎn)生電子發(fā)射（外場致發(fā)射）；另一類是內(nèi)部電場使電子從金屬基底進(jìn)入介質(zhì)層，并在介質(zhì)層中得到加速而獲得足夠能量而產(chǎn)生電子發(fā)射（內(nèi)場致發(fā)射）。場致發(fā)射與前述三種發(fā)射方式不同，物體中電子不需要外加能量就可逸出。

金屬的場致電子發(fā)射

圖7為不同情況下金屬表面勢壘的形狀。當(dāng)沒有外加電場時，勢壘如曲線a所示。在此情況下，只有能量高于勢壘的電子才有可能逸出物體。當(dāng)加有外電場時，勢壘的形狀如曲線b、c所示。若外場較弱（曲線b），勢壘的最高點(diǎn)下降值為，這就是熱發(fā)射中遇到的肖特基效應(yīng)。如場強(qiáng)達(dá)到10⁷伏／厘米的數(shù)量級（曲線c）就會產(chǎn)生可觀的發(fā)射。如果把電場增加到如曲線d的值，發(fā)射電流密度會提高許多個數(shù)量級。

在熱發(fā)射中，只考慮電子的微粒性，認(rèn)為凡是能量高于勢壘的電子就能逸出物體，而能量低于勢壘的電子沒有逸出的可能。而場致發(fā)射則要考慮電子的波動性。按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，能量高于勢壘的電子有可能被反射回來，而能量低于勢壘的電子也有可能透射出去。即當(dāng)能量為E₁的電子（圖7）在A點(diǎn)碰到勢壘時，并不是象微粒那樣被碰回來，它的波函數(shù)是按指數(shù)下降的。如果勢壘在這里不是太寬，則在B點(diǎn)的波函數(shù)還有相當(dāng)?shù)闹?，亦即這些電子有一定的逸出幾率。電子能穿過比它全部能量還高的勢壘的現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。

福勒-諾德罕發(fā)射方程

實(shí)驗和理論分析表明，場致發(fā)射的電流密度J_f與外加電場強(qiáng)度E的關(guān)系是

　　(11)

式中A、B是兩個常數(shù)，與金屬的逸出功有關(guān)。這一公式稱作福勒－諾德罕發(fā)射方程。發(fā)射方程說明，場致發(fā)射的電流密度是金屬表面上的電場強(qiáng)度和金屬的逸出功的函數(shù)。對于一定的金屬來說，電子逸出功是一個常數(shù)，所以J_f是E的函數(shù)。

內(nèi)場致電子發(fā)射

在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生場強(qiáng)使電子從一種物質(zhì)逸入另一種物質(zhì)或逸入真空的發(fā)射形式。內(nèi)場致發(fā)射又可細(xì)分為介質(zhì)薄膜發(fā)射、肖特基勢壘發(fā)射、反向偏壓PN結(jié)發(fā)射和負(fù)電子親合勢發(fā)射等。前三種發(fā)射都是靠內(nèi)部的過熱電子，其能量足以克服表面勢壘而逸出，所以這種發(fā)射形式又稱作過熱電子發(fā)射。若表面勢壘降低到低于導(dǎo)帶底（成為負(fù)值），熱電子就很易逸出，這種情況稱為負(fù)電子親和勢發(fā)射。

自釋電子發(fā)射

物體表面受到機(jī)械作用、氣體放電作用、紫外光或 X射線照射后發(fā)射電子的現(xiàn)象。自釋電子發(fā)射的電流很小，不能用作電子源，但在其他方面有很多用途。例如，①自釋電子發(fā)射與晶體中存在缺陷密切相關(guān)，可用以研究半導(dǎo)體材料。

（2）自釋電子發(fā)射與磷光物質(zhì)發(fā)光存在相似關(guān)系，可用以研究發(fā)光現(xiàn)象。

（3）自釋電子發(fā)射與表面狀態(tài)有密切關(guān)系，可用以研究固體表面、化學(xué)吸附和催化作用等。

各種實(shí)用發(fā)射體，如金屬熱陰極、氧化物陰極、鋇鎢陰極、光電陰極、次級發(fā)射體、場致發(fā)射體等均屬于真空電子器件陰極。

參考書目

1. 孟昭英：《陰極電子學(xué)引論》，人民教育出版社，北京，1961。
2. 劉學(xué)愨：《陰極電子學(xué)》，科學(xué)出版社，北京，1980。

參考文章

• 斷路器的熱電子發(fā)射怎么形成的?電氣技術(shù)

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