ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.

 

Электронная эмиссия используется в приборах, устройствах и установках для формирования первичных потоков электронов, которые затем подвергаются дальнейшим управляющим воздействиям. Источники первичных электронных потоков называются электронными эмиттерами. Воздействия на электронный поток могут быть двоякого рода.

Во-первых, электронам может быть сообщена дополнительная энергия и изменены их скорости. В результате формируется рабочий электронный поток, способный преобразовать свою кинетическую энергию в другие виды энергии, либо записать информацию на мишени. Такое применение эмиссии можно назвать технологическим.

Во-вторых, может быть произведен анализ распределения эмитированных электронов по энергиям и направлениям их вылета из эмиттера. На основании этой информации можно судить об энергетических уровнях  и распределении электронной плотности в эмиттере до эмиссии. Это – аналитическое применение эмиссии, называемое электронной спектроскопией.

Соответственно виду электронной эмиссии различают:

                   - термокатоды;

                   - фотокатоды;

                   - вторичноэмиссионные катоды;

                   - холодные катоды.

 

2.1.  ТЕРМОКАТОДЫ

 

Термокатоды применяются во всех электровакуумных и электроннолучевых приборах, технологических и исследовательских установках. Они должны создавать как можно больший поток первичных электронов при наименьших затратах энергии в течение максимально долгого времени. Их принять характеризовать четырьмя параметрами:

- рабочей температурой  ;

- плотностью тока эмиссии   при рабочей температуре, связанной с рабочей температурой формулой Ричардсона – Дашмэна

                              

 

 

- эффективностью  , равной отношению рабочего тока    к  электрической мощности  , затрачиваемой на подогрев катода,

                                         

- долговечностью , измеряемой в часах непрерывной эмиссии рабочего тока при рабочей температуре.

Из формулы Ричардсона – Дашмэна следует, что больший рабочий ток можно отобрать от  термокатода, способного работать при более высокой температуре, либо обладающего меньшей работой выхода. Оба подхода используются при разработке реальных термокатодов.

По физико-химической природе эмитирующего материала термокатоды принято делить на следующие классы:

                   - тугоплавкие;

                   - торированные;

                   - оксидные;

                   - боридные;

                   - карбидные;

                   - редкоземельные.

Тугоплавкие термокатоды изготавливают из металлов с высокой температурой  плавления – вольфрама W , тантала Ta , реже молибдена Мо . Конструктивно они представляют собой металлическую нить, разогреваемую омическим теплом при протекании электрического тока, поэтому их называют прямонакальными. Эмиссионные постоянные и работы выхода перечисленных металлов приведены в Таблице 2.1. Рабочие температуры тугоплавких термокатодов на 300 – 600К ниже температуры плавления, поэтому токи термоэмиссии оказываются весьма значительными,  .

Главный недостаток прямонакальных тугоплавких термокатодов – невысокие экономичность и долговечность из-за больших затрат мощности на подогрев и испарения материала.  Эффективность их обычно лежит в интервале  , а долговечность не превышает   .

                                                                                         Табл.2.1

Металл
W	4,55	75
Ta	4,19	55
Mo	4,20	55

      

Значительно лучшими параметрами обладают плёночные термокатоды. Их получают нанесением монослоя электроположительных атомов на эмиттирующую поверхность. Исторически первым катодом такого типа стал торированный катод – вольфрамовая нить, покрытая слоем атомов тория. Электроположительные атомы охотно отдают один из валентных  электронов вольфраму.  В результате на поверхности образуется искусственный двойной электрический слой, поле которого противоположно полю динамического двойного слоя (рис.2.1). Работа выхода торированного вольфрамового термокатода снижается до , что позволяет отбирать ток эмиссии  при температуре .

       Рис.2.1. Механизм снижения работы выхода плёночного

                       термокатода.

 

Оксидные катоды также относятся к плёночным, но происхождение слоя электроположительных атомов на их поверхности совершенно иное. Ещё в 1903 году немецкий физик Артур Венельт (1871 – 1944) обнаружил, что платиновая проволока, покрытая слоем карбоната кальция , обладает такой же эмиссией, что и W  при . В дальнейшем был найден оптимальный состав смеси карбонатов   и режимы их термообработки, обеспечивающие максимальную эмиссию. Катоды с оксидным эмиттирующим слоем подогреваются независимым электрическим нагревателем.  Конструктивно они представляют собой цилиндр, на боковую поверхность или торец которого наносится слой карбонатов. В процессе термообработки карбонаты превращаются по реакции

 

в оксиды, которые  спекаются в монолитный пористый слой. По зонной структуре он является полупроводником n – типа с широкой запрещённой зоной   и  малым электронным сродством  . Столь малое значение сродства обусловлено образованием на поверхности оксидного монослоя электроположительных атомов . Работа выхода полупроводника  n – типа, как отмечалось ранее, ненамного превышает величину электронного сродства, и составляет  .

Оксидные термокатоды этого типа значительно эффективнее тугоплавких, а по долговечности значительно их превосходят (Табл.2.2)

                                                                                         Табл.2.2

Тип катода				Долговечность,       ч
W	2700
W - Th	1900
BaO	1100

 

В 50-е – 60-е годы прошлого века для приборов СВЧ - электроники, электронных микроскопов и технологических установок были предложены термокатоды на основе боридов и карбидов переходных металлов и редкоземельных элементов. Катоды на основе монокристаллического гексаборида лантана   при температуре  обеспечивают токи эмиссии до . Гексаборидбариевые -катоды отдают токи до , но при этом  и рабочая температура их равна . Работа выхода карбидных катодов достаточно велика, но зато они способны длительно работать при температурах, превышающих  , отдавая токи эмиссии до   . Эмиссионные параметры некоторых современных катодных материалов приведены в Табл. 2.3.

 

      

 

      

 

                                                                                         

Табл.2.3

Материал катода
	3,0
		-	-	-
		-
			-	-
Моно-(100)		-

 

Долговечность катодов определяется главным образом скоростью термического испарения эмитирующего слоя либо скоростью его распыления бомбардирующими ионами. Эти процессы прогнозируемы. Современные маломощные термокатоды устойчиво работают до 100000 часов. Долговечность мощных термокатодов не превышает 10000 часов. Рекордную долговечность продемонстрировал катод мощного тетрода на радиостанции Лос-Анджелеса. После 80000 часов работы он был признан вполне годным и помещён на хранение в ЗИП.

Сократить срок службы термокатода может внезапная потеря эмиссии. Это может произойти по причине его механического разрушения либо вследствие  “отравления”. Отравлением термокатода называется осаждение на эмитирующую поверхность монослоя электроотрицательных атомов. Наиболее опасным отравителем является кислород. Он способен захватывать электроны из катода и образовывать, таким образом, поверхностный двойной электрический слой, поле которого совпадает по направлению с полем динамического двойного слоя (рис. 2.2). Вследствие этого работа выхода сильно увеличивается. Например, монослой кислорода на вольфраме повышает работу выхода до ! Преодолеть такой потенциальный барьер при  у электрона нет никаких шансов. Поэтому предотвращение “отравления”– важнейшая задача при проектировании и изготовлении термокатодов.

 

          

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма “отравленного” термокатода

 

2.2.  ФОТОКАТОДЫ

 

Фотокатоды длительное время использовались для преобразования оптического сигнала в электрический   с целью регистрации и исследования оптических сигналов в системах управления и контроля, создания сигнала яркости в передающих электронно-лучевых трубках. В настоящее время часть этих применений утратила актуальность. Для регистрации ОС, контроля и управления с успехом применяются полупроводниковые фотоприемники. Передающая телеаппаратура также в значительной степени строится на основе твёрдотельных формирователей сигнала яркости. Передающие ЭЛТ на фотоэлектронной эмиссии всё еще сохраняют позиции во внестудийных передачах, в условиях слабой освещённости. Вместе с тем, открылись новые области применения фотоэлектронной эмиссии, например, в мощных источниках поляризованных электронов для исследовательских целей.

Рассмотрим основные требования, которым должны удовлетворять источники фотоэлектронов – фотокатоды, и возможные их реализации.

Двумя важнейшими параметрами фотокатодов - преобразователей  - являются следующие.

1. Чувствительность , равная отношению фототока  к создавшему его потоку энергии оптического излучения  ,

                                                                            (2.1)

Чувствительность непосредственно связана  с квантовым выходом,

                                         (2.2)

Она разная в различных диапазонах частот или длин волн. Это следует уже из уравнения Эйнштейна  (3.25) – при    , при  . Зависимость   чувствительности реального фотокатода от длины волны излучения называется его спектральной характеристикой. Обычно график спектральной характеристики изображается кривой с одним или несколькими максимумами (рис. 2.2.34). Она даёт наглядное представление об абсолютной чувствительности и о селективности фотокатода. Селективность характеризуется шириной на полувысоте графика , равной  . Сравнивать фотокатоды по селективности удобно с помощью их относительных спектральных характеристик  . При таком преобразовании положения максимумов не меняются, а различия в ширине выявляются более отчётливо.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          

 

     Рис.2.3. Типичная спектральная характеристика фотокатода

 

2. Темновой ток   - ток термоэлектронной эмиссии при рабочей температуре фотокатода. Темновой ток – вредный фактор. Чем онбольше, тем менее слабые оптические сигналы может зарегистрировать и преобразовать фотокатод. 

И чувствительность, и темновой ток определяются физическими свойствами  фотокатода. Согласно формуле (3.34), максимальная чувствительность достигается при  и равна

                                           (2.3)

где  - энергия фотона частоты  в эВ. Для излучения видимого диапазона  , следовательно

                              

Чувствительность реальных фотокатодов ниже  , так как квантовый выход их меньше теоретического предела.  Эффективными фотокатодам считаются те, у которых  . Для различных спектральных диапазонов эффективные фотокатоды создаются на основе разных материалов.

Чтобы сформулировать критерии выбора материалов для эффективных фотокатодов, рассмотрим подробнее выражение для квантового выхода. Его можно представить в виде произведения двух сомножителей

                                            (2.4)

Множитель  есть отношение числа первичных фотоэлектронов , созданных за 1 секунду, к потоку фотонов  . Так как не всякий акт поглощения фотона сопровождается генерацией первичного фотоэлектрона, то  . Назовём его вероятностью фотоактивного поглощения.

Второй множитель  равен отношению потока выбитых фотоэлектронов  к скорости генерации первичных фотоэлектронов . Его можно трактовать как интегральную вероятность вылета первичного фотоэлектрона из фотокатода. Очевидно, что  .

Формула (3.36) указывает  направление поиска эффективных фотокатодных  материалов: квантовый выход тем выше, чем больше вероятность фотоактивного поглощения и интегральная вероятность вылета первичного фотоэлектрона.

Металлы не являются эффективным  фотокатодами в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн по причина малости обоих множителей   и  .

Оптический множитель  мал из-за большого коэффициента отражения от поверхности   R  и большой доли актов нефотоактивного поглощения (рис.2.4). Из  фотонов, упавших на поверхность металла, вглубь проникнут . Они с равной вероятностью могут передать свою энергию электрону на любом уровне энергии  из интервала  . У всех металлов , поэтому первичными фотоэлектронами станут лишь находящиеся на уровнях  . Их доля составляет .

 

            

                Рис. 2.4.  Фотоактивное поглощение в металле

 

 Таким образом,

                              

Коэффициент отражения большинства металлов на длинах волн   превышает 0,5, а энергия фотона  . Поэтому при  ,     . Только в далёкой ультрафиолетовой и рентгеновской области оптический множитель металлов  .

Интегральная вероятность вылета  определяется соотношением глубины поглощения  и  глубины вылета  . Согласно закону Бугера, поток фотонов экспоненциально уменьшается вдоль направления их движения вглубь металла,

                                  (2.5)

где  -  коэффициент поглощения,  - длина поглощения,   - поток фотонов на поверхности. В слое dx поглощается   фотонов,

         (2.6)

из них  поглощаются фотоактивно. Вероятность достижения границы первичным фотоэлектроном с глубины  x также экспоненциально убывает с ростом x,

                                                         (2.7)

Полный поток первичных фотоэлектронов, достигших границы, получим интегрированием произведения правых частей (2.6) и (2.7),

      

      

Таким образом, интегральная вероятность выхода первичного фотоэлектрона равна

                                                             (2.8)

Глубина вылета , тогда как глубина поглощения превышает, следовательно,. Поэтому квантовый выход металлов редко превышает , а для большинства из них ещё на 1-2 порядка меньше.

Эмиссионные свойства полупроводников существенно отличаются от таковых свойств металлов. Эти отличия обусловлены различиями в энергетическом спектре и электронной структуре.

Во-первых, энергия фотонов поглощается в полупроводниках не электронами проводимости, которых мало, а валентными электронами, концентрация которых того же порядка, что и в металлах. Поэтому глубина поглощения полупроводника не отличается от глубины поглощения металла, а оптический множитель  при    значительно больше, чем у металлов. 

Во-вторых, глубина вылета полупроводника намного больше глубины вылета металла. В силу малости концентрации электронов проводимости, первичные фотоэлектроны тратят свою энергию главным образом  на внутреннюю ионизацию. Но если начальная кинетическая энергия первичного фотоэлектрона больше , но меньше  , то он сможет потратить только незначительную часть её  в квазиупругих столкновениях с ионами и с вероятностью, близкой к , вылетит из полупроводника (рис.2.2.36). Такому исходу благоприятствуют узкая запрещённая зона и малое электронное сродство. Количественно критерий эффективности фотокатода можно сформулировать в виде неравенств

                                                                      

                                                                              

Глубина выхода фотоэлектронов из эффективного фотокатода составляет  , что больше глубины поглощения. Поэтому  их квантовый выход достигает значений  . Темновой ток фотокатода тем меньше, чем больше работа выхода . Следовательно, эффективный фотокатод должен быт полупроводником  p – типа.

 

               

                     Рис. 2.5.  Зонная  структура   эффективного

                                       полупроводникового фотокатода.

 

Сопоставив широко известные полупроводники Ge, Si, GaAs и другие, легко убедиться, что они не являются эффективными фотоэмиттерами, так как у всех у них запрещённая зона   в несколько раз меньше сродства  (Табл. 2.4).

                                                                              Табл. 2.4

Полупроводник
Si	1,12	3,99
Ge	0,67	4,14
GaAs	1,43	3,95
InP	1,35	4,17
InSb	0,18	4,53

 

Все существующие эффективные фотокатоды для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра созданы именно на основе полупроводниковых материалов, удовлетворяющих критерию (2.9). Их оказалось на удивление немного. За тридцать лет с 1930 по 1960 год было открыто всего три эффективных фотоэмиттера видимого диапазона. Это – сурмьяно-цезиевый фотокатод  , многощелочной фотокатод  ,   и висмут-серебряно-цезиевый фотокатод  . Их параметры приведены в Табл. 2.5

                                                                                         Табл. 2.5

Фотокатод			Y
Cs3Sb	1,6	0,2– 0,4	0,25	10-15	450
(Na2K)Sb-Cs	1,0	0,55	0,4	<10-17	-
(K2Cs)Sb	1,4	0,4	0,35	-	-
(Rb2Cs)Sb	1,45	0,2	0,3	-	-
Cs3Bi – Ag	0,7	1,3	0,1	-	450

 

Фотокатоды УФ диапазона могут создаваться на основе материалов, чувствительных к свету. Но это создаёт ряд неудобств. Приходится отфильтровывать видимое излучение, чтобы выделить в чистом виде ультрафиолетовый сигнал. Кроме того, фотоэлектроны, выбитые УФ квантами, обладают большим разбросом скоростей, что затрудняет их собирание. Поэтому для регистрации УФ излучения применяют фотокатоды, нечувствительные к свету. Номинально их запрещённая зона должны превышать 3,2 эВ.  Реально применяют материалы c несколько меньшими запрещёнными зонами. Фотокатоды, чувствительные только к излучению с , называются солнечно слепыми. Эффективные фотокатодные материалы УФ диапазона перечислены в Табл. 2.6.

                                                                                         Табл. 2.6

Фотокатод		Рабочий диапазон длин волн, нм	Y
AIBVI (Cs2Te, Rb2Te)	2,7	200 -300	0,2- 0,25	<10-17
AIBVII (CsBr,CsJ,RbJ)	-	<200	0,2 – 0,3	-
Фториды LiF, MgF2, BaF2	-	-	>0,1	-

 

Область инфракрасного (ИК) излучения представляет особый интерес, так как в этом диапазоне длин волн функционируют тепловизоры, приборы ночного видения, электронно-оптические преобразователи, приемники излучения в астрономии и спектроскопии. Однако создание эффективных фотокатодов ИК – диапазона было проблематичным до 1965 года. В этом году голландские физики Шеер и Ван Лаар выдвинули и реализовали идею электронного эмиттера с отрицательны электронным сродством. Собственно сама идея не была совершенно новой. Суть её заключалась в формировании на поверхности полупроводника p – типа плёнки из электроположительных атомов, создающих сильное электрическое поле, не просто понижающее работу выхода, а ещё и ускоряющее эмитируемые электроны. Это эквивалентно отрицательному электронному сродству (рис.2.5).

 

              

           Рис. 2.5.  Энергетическая диаграмма эмиттера с ОЭС

 

Наиболее подходящим электроположительным элементом оказался цезий. Аналогично действует плёнка атомов Th и Ba на поверхности плёночных термокатодов. Но Шеру и Ван Лаару удалось создать в поверхностном слое намного более сильное поле. Для этого он осаждали Cs на совершенно чистую, атомарно гладкую поверхность монокристаллического полупроводника в сверхвысоком вакууме при давлении менее 10^{-9 мм рт. ст.} Именно реализация такого технологического режима позволила создать фотокатоды отрицательным электронным сродством на основе GaAs,  , . Для создания первичного фотоэлектрона требуется энергия фотона , лишь немного превосходящая ширину запрещённой зоны. Такие фотоэлектроны находятся почти на самом дне зоны проводимости и не способны произвести внутреннюю ионизацию. Они обречены на длительное блуждание по кристаллу, пока не рекомбинируют с повстречавшейся дыркой  или не покинут кристалл, преодолев небольшой поверхностный потенциальный барьер. Поэтому глубина вылета первичных фотоэлектронов в эмиттерах с ОЭС может достигать 1 мкм и более. Хотя квантовый выход их составляет несколько процентов, чувствительность из-за поверхностного ускорения электронов оказывается на порядок большей, чем у самых эффективных многощелочных фотокатодов.

Конструктивно фотокатоды делятся на массивные и полупрозрачные. Массивные фотокатоды имеют толщину  , облучаются и эмиттируют электроны  с одной стороны – фронтальной (рис.2.6). Толщина d фотоактивного слоя значительно больше глубины поглощения, поэтому все фотоны, за вычетом отразившихся от поверхности, поглощаются.

                 

                         Рис. 2.6. Массивный фотокатод

 

Полупрозрачные фотокатоды – это плёнки толщиной  , облучаемые со стороны прозрачной подложки, а эмитирующие фотоэлектроны с противоположной стороны. Фотоактивный слой почти прозрачен для оптического излучения, поэтому при произвольной толщине подложки поглощалась бы малая доля потока излучения. Для увеличения поглощения используют явления интерференции и полного внутреннего отражения (рис. 2.7).

 

               

                   Рис. 2.7.  Полупрозрачный фотокатод

 

 

 

 

 

2.3  ХОЛОДНЫЕ КАТОДЫ

 

Холодные (автоэмиссионные) катоды применяются в приборах и установках, где  требуются столь высокие плотности тока, что их невозможно или неэкономично получать с помощью термокатодов, либо вообще исключено применение термокатодов. Первая ситуация имеет место в электронных микроскопах, вторая – в автоэмиссионных дисплеях.

По способу создания сильных электростатических полей холодные катоды можно разделить на три конструктивных типа.

Острийные катоды представляют собой массив эмиттеров с очень малым радиусом кривизны. Они изготавливаются двумя способами – литографическим и направленной кристаллизацией.

Первый способ заключается в нанесении на полупроводник или металл защитной плёнки и вытравливания незащищённых участков. В результате образуется система выступов, которым ещё одним травлением придаётся заострённая форма с радиусом кривизны  . Многоострийный автоэлектронный катод фирмы RCA с коаксиальным вытягивающим электродом показан на рис. 2.8.

            

 

       Рис.2.8. Многоострийный автоэлектронный катод

 

При втором способе многоострийные автоэмиссионные катоды получают из эвтектических сплавов, например, сплава никель-вольфрам. При кристаллизации такие сплавы распадаются на смесь кристаллов компонентов. Если охлаждение проводить в градиенте температуры, то образуются игловидные кристаллы никеля в вольфрамовой матрице. Плотность их может составлять  до . После вытравливания вольфрама с торца получается достаточно однородный массив никелевых острий, значительная часть из которых при подаче напряжения в несколько тысяч вольт становятся автоэлектронными эмиттерами. Острийные автокатоды можно назвать точечными, так как их эмитирующие поверхности значительно меньше полной площади.

Автоэлектронные эмиттеры лезвийного типа являются линейными аналогами острийных автокатодов. Сильное поле в них создаётся вблизи торцевой поверхности вытравленного гребешка или тонкой плёнки. Структура катода этого типа подобна показанной на рис.2.9.

           

 

                   Рис.2.9.  Лезвийный автоэлектронный эмиттер

 

Полупроводниковые автокатоды на p – n –переходах являются разновидностью плёночных катодов. На поверхность эмиттера - полупроводника p – типа, например, , наносится слой   толщиной несколько десятков ангстрем.  является полупроводником n – типа, причём более электроположительным по сравнению с   . Он отдаёт свои электроны последнему, в результате чего в поверхностном слое возникает очень сильное электрическое поле, понижающее работу выхода вплоть до отрицательного сродства. Энергетическая диаграмма такой структуры показана на рис. 3.32 (штрих-пунктир в правой части). Если к слою   приложить положительное напряжение , то энергии всех электронов в нём понизятся на   и энергетическая диаграмма приобретёт вид, показанный на рис. 2.10 сплошной линией. Уровень вакуума теперь лежит ниже потолка валентной зоны. Поэтому валентные электроны могут туннелировать через слой   в вакуум. Автоэлектронные катоды этого типа обеспечивают съём  тока плотностью .

 

     

 

                   Рис.2.10.  Энергетическая диаграмма плёночного

                                      автоэлектронного катода