Термоэлектро́нная эми́ссия ( эффе́кт Ри́чардсона , эффект Э́дисона ) — излучение электронов из твёрдого тела, металла и полупроводников в свободное пространство (обычно в вакуум или разрежённый газ) при нагреве его до высокой температуры. Эмиссия наблюдается начиная с 900 К .

История открытия

Впервые об этом явлении сообщил Эдмонд Беккерель в 1853 году .

Явление было переоткрыто в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании : во время работы с заряженными телами Гатри обнаружил, что раскалённый железный шар теряет свой заряд, если он заряжен отрицательно, но положительно заряженный шар заряда не теряет .

Также термоэлектронную эмиссию изучали Иоганн Гитторф (1869—1883) , Ойген Гольдштейн (1885) , и (1882—1889) .

Эффект был вновь открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года. В своих опытах Эдисон пытался выяснить, почему в лампе накаливания, которую он создал, нити накала перегорали раньше времени и почему на внутренней стороне колбы образовывался тёмный налёт вблизи положительного электрода нити. Эдисон производил опыты с несколькими экспериментальными вакуумированными лампами накаливания с дополнительной металлической пластиной или листочком фольги внутри колбы, которая сама электрически изолирована от нити накаливания и имеет дополнительный электрический вывод сквозь стекло колбы. В этих опытах Эдисон обнаружил, что если эта пластина имела положительный потенциал относительно нити накала, то через вакуум протекал заметный ток, а если потенциал пластины был отрицательный относительно нити накала, то ток отсутствовал, причём ток наблюдался только в том случае, если нить накала была достаточно сильно разогрета.

В дальнейшем это явление стало объясняться испусканием электронов, которые являются отрицательно заряженными частицами, нагретыми телами. Однако в описываемое время электрон ещё не был открыт: его открыл Джозеф Томсон лишь в 1897 году.

Эдисон также обнаружил, что ток от нагретой нити быстро увеличивался с ростом напряжения накала, и подал заявку на патент 15 ноября 1883 года на устройство для регулирования напряжения с использованием эффекта (патент США 307 031). Данный патент США на электронное устройство считается первым .

Несколько экземпляров ламп накаливания с демонстрацией эффекта Эдисон представил на Международной электрической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Британский учёный Уильям Прис , посетивший выставку, забрал с собой несколько таких ламп для изучения явления. После их изучения он подготовил в 1885 году доклад, в котором назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона» .

Затем британский физик Джон Амброз Флеминг , работавший в британской компании « Wireless Telegraphy », обнаружил, что эффект Эдисона может использоваться для детектирования радиоволн . Флеминг продолжил разработку двухэлектродной вакуумной лампы, теперь известной как электровакуумный диод, на которую получил патент 16 ноября 1904 года .

Физика явления

Для выхода электрона из металла во внешнее пространство ему необходимо придать некоторую энергию, называемую работой выхода электрона, — преодолеть потенциальный барьер .

Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах из-за распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые из них обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла . При комнатной температуре доля таких электронов очень мала и ток термоэлектронной эмиссии не наблюдается. С повышением температуры кинетическая энергия теплового движения быстро растёт — и термоэлектронная эмиссия становится заметной.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно наблюдать с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода , представляющего собой баллон, из которого откачан газ, с размещёнными внутри него двумя электродами: катодом и анодом . В простейшем случае катодом может служить проволока из тугоплавкого металла (например, вольфрама ), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего выполняют в виде полого металлического цилиндра, окружающего катод. Если между анодом и катодом приложить напряжение, то при горячем катоде и при подаче на анод напряжения, положительного относительно катода, ток начинает протекать через промежуток между анодом и катодом. Если на анод подавать отрицательное относительно катода напряжение, то ток прекращается, как бы сильно катод ни нагревали. Из этого опыта следует, что нагретый катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накалённого катода постоянной и построить зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику вакуумного диода, то оказывается, что она нелинейна, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом степени трёх вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским и американским физиком И. Ленгмюром ):

${\displaystyle I=BU^{3/2}}$ ,

где ${\displaystyle B}$ — коэффициент ( ), зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения сила тока возрастает до некоторого максимального значения, при котором ток называется током насыщения , и далее не увеличивается при последующем повышении напряжения на аноде. При этом практически все электроны, покидающие катод, поглощаются анодом, поэтому дальнейшее увеличение напряжённости поля между анодом и катодом не может привести к увеличению тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Термоэлектронный диод также может использоваться для преобразования разности температур в электроэнергию напрямую, без движущихся частей — таковым служит термоэлектронный преобразователь , разновидность теплового двигателя.

Формула Ричардсона для плотности тока насыщения

Формула, которую на основе классической электронной теории металлов первоначально вывел Ричардсон и в которую американский учёный С. Дэшман затем внёс уточнения, пользуясь квантовой теорией , называется уравнением Ричардсона — Дешмана.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики :

${\displaystyle j=(1-\langle R\rangle )A_{0}\cdot T^{2}\cdot e^{-e\varphi /kT}}$ , где:

• ${\displaystyle \langle R\rangle }$ — коэффициент отталкивания электронов от потенциального барьера, а точнее, значение, усреднённое по спектру термоэлектронов;
• ${\displaystyle A_{0}}$ — термоэлектрическая постоянная, равная ${\displaystyle 120{,}4\ {\cfrac {\operatorname {A} }{\operatorname {K} ^{2}\operatorname {cm} ^{2}}},}$ а в модели свободных электронов А. Зоммерфельда — ${\displaystyle A_{0}={4\pi mk^{2}e \over h^{3}}=1,20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\cdot m^{-2}K^{-2}} ;}$
• ${\displaystyle \varphi }$ — работа выхода (потенциал) электронов из катода;
• ${\displaystyle k}$ — постоянная Больцмана ;
• ${\displaystyle e}$ и ${\displaystyle m}$ — заряд и масса электрона;
• ${\displaystyle h}$ — постоянная Планка ;
• ${\displaystyle T}$ — абсолютная температура .

Для практического применения эту формулу также записывают в виде :

${\displaystyle j=a\cdot T^{2}\cdot e^{-b/kT}}$ ,

где ${\displaystyle a,\ b}$ — постоянные для данного материала катода параметры, определяемые из опыта.

Уменьшение работы выхода приводит к быстрому увеличению плотности тока насыщения. Обычно используют катоды, которые выдерживают большие температуры и обладают высокой эмиссионной способностью: как правило, из вольфрама, торированного вольфрама и из гексаборида лантана ( ${\displaystyle {\ce {LaB_6}}}$ ). Также используют оксидные катоды (например, вольфрам, покрытый тонким слоем оксидов щёлочноземельных металлов ) с пониженной рабочей температурой по сравнению с вышеперечисленными.

Эффект Шоттки при термоэлектронной эмиссии

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 10 ⁸ В/м . Для напряжённости электрического поля выше 10 ⁸ 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 . 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 . Так, возбуждённые атомы цезия в парах в термоэмиссионных преобразователях образуют активные центры Cs ^- , 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 .

Применение явления

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа почти всех вакуумных электронных приборов (кроме фотоэлементов , ФЭУ , где используется внешний фотоэффект , а также холоднокатодных приборов, где используется автоэмиссия , и ВЭУ , где используется вторичная электронная эмиссия ) и электронно-лучевых приборов , электронно-лучевой технологии, электронных микроскопах , термоэмиссионных преобразователей энергии .

Примечания

Литература

• Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. — М. : Наука, 1966. — 564 с.

• Херинг К., Никольс М. Термоэлектронная эмиссия. — М. : Издательство иностранной литературы, 1950. — 196 с.

Ссылки

• Термоэлектронная эмиссия — статья из Большой советской энциклопедии .