电子信息材料第二章.ppt

第二章 场致电子发射材料 在强电场的作用下，发射电子的现象称为场致电子发射。 加速场作用下的阳极电流公式： 当电场强度达到ε=1.4×108(V/cm)时， △Eφ=4.5ev 但实验发现，当ε=1.4×106(V/cm)时， 就有较强的电子发射了。 场致发射不能只用肖脱基效应来解释。 外电场作用下势垒的变化 隧道效应 场致电子发射是由于外加强电场使固体的表面势垒高度降低，宽度变窄，固体内的电子不需要增加能量，即不需要激发，就可穿透势垒逸出。 电子能够穿透高度比它全部能量还高的势垒的现象，称为隧道效应。 势垒宽度相当于电子波长量级时，才能观察到这个现象。 第一节 金属的场致电子发射 金属内部导带中的电子，遵从费米分布，若能量超出势垒高度，则大部分电子能够逸出；动能小于势垒高度的，也有一定的穿透势垒逸出金属的概率。 穿透概率与电子动能和表面势垒宽度有关 随外电场强度的增加，势垒降低，而且  变薄。 金属内部电子能量高于势垒的很少；在费米能级EF附近，有较多能量较高的电子，它们穿透势垒发射的概率也较大；而很低于费米能级的电子所对应的势垒比较厚，穿透概率很小。 发射电子的能量集中在费米能级EF附近较窄的能量范围内。 场发射电子的能量分布范围 §1-1 金属的场致电子发射公式 常温下场致电子发射，主要是隧道效应 发射电流密度J与供给函数N(W)和透射系数D(W)有关。 能量W-W+dW在中每秒钟打到单位发射表面的电子数为N(W)dW 穿过势垒的电子数为： P(W)dW=D(W)N(W)dW 发射的电子流密度为： 1.供给函数N(W) 金属内部电子的位能eV(x)=-Wa 外部电子的位能eV(x)=-(Ke2/4x)-eεx 设电子总能量为E，X方向能量分量为W， 有 单位时间打到单位面积上的电子数为： 对dpy,dpz积分，有 2.透射系数D(W) 电子在两点(x1,x2)出现的概率之比 求解透射系数，必须确定势垒形状，利用边条件，求解薛定谔方程。 外电场下金属表面势垒 金属表面势垒为： eV(x)=-Wa， x＜0 eV(x)=-Ke2/(4x)-eεx， x≥x0 透射系数D(W)： 发射的电子流密度为： 温度T=0K时的解： 诺德罕(Nordhein)公式 金属在T=0K时的场致电子发射公式： §1-2 温度对场致发射的影响——热场发射 温度高、场强弱的热电子发射 Richardson公式：J0=AT2exp[-Eφ/(kT)] 温度低、场强强的场致电子发射 Nordhein公式：J0=Aε2exp[-B’/ε] 当场强较强，温度较高时，必须考虑温度对场发射的影响。 热场发射 计算钨的情况：Eφ=4.52ev 若ε=4×107(V/cm) 当T=300K时：J(T)=1.03J(0) 当T=1000K时：J(T)=1.5J(0) 温度对场致发射电流的影响 温度与场强对发射电子能量分布的影响 第二节 半导体的场致电子发射 仅讨论N型半导体 §2-1 外电场与吸附原子对表面势垒的影响 1.电场渗透 作用：产生感生表面电荷，使能带的近 表面端下降。 穿透深度l：与自由电子浓度的平方根成 反比 金属：n=1022/cm3，l=10-8cm， 电场穿透为1-2个原子层 半导体：n=1014-1019/cm3， l=10-4-10-6cm 电场渗透作用不能忽略 能带在近表面向下弯曲： 肖脱基效应使势垒降低： 外电场渗透与表面能带弯曲 2.表面态 半导体表面存在外来原子形成表面态，将使半导体近表面能带发生弯曲。 表面态：分P型和N型 P型：外来表面原子，接受电子，形成 受主表面态。 N型：外来表面原子，给出电子，形成 施主表面态。 表面能级 表面态对半导体能带的影响 讨论N型半导体，具有P型表面态的情况 有电子从Ed跃迁到表面态中，在表面上形成负电荷，而半导体近表面层中形成正电荷区——电偶极层 近表面能带向上弯曲： 表面态对表面能级的影响 §2-2 半导体的场致发射公式 三种情况： 1.不考虑场渗透和表面态的影响 2.存在场渗透 3.存在表面态和场渗透 半导体场发射lnJ与1/ε的关系 第三节 内场致电子发射 内场致电子发射： 利用在固体内部产生的电场，使电子从固体进入真空的发射形式。 固体的接触 金属与n型半导体的接触(EφMEφS) 金属与n型半导体接触的能级图 正向特性 反向特性 整流特性 整流特性 金属与n型半导