第一章热电子发射第4讲.doc

Chapter 1 热电子发射 Thermionic Emission 任课教师：张益军 E-mail zhangyijun423@njust.edu.cn Office A564 南京理工大学 ： ：电光学院光电技术系 1 § 6 外电场对热发射电子流的影响 上述讨论的热电子发射公式，是零场发射。 实际支取电流需要电场，外电场的存 在，对阴极的电流发射有明显的影响。 下面讨论外电场对发射电子流的影响。 2 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 “理想二极管”： 阴极的温度T是均匀的； 阴极的逸出功是均匀的； 阴极的表面电场是均匀的。 3 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 测量阳极电流Ia随阳极电 压Va的变化： 测量热发射的伏安曲线电路图 在某一温度T时，二极管 阳极先加负电压，逐渐 减小负值，直到零，然 后变为正电压，再逐渐 增大，在这些电压下， 测量阳极电流。改变温 度，重复上述步骤。 4 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 伏安特性曲线分为三个 区域： 阻滞场区； 加速场区； 空间电荷区。 热电子发射伏-安特性 5 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 第一区为lnIa随Va直线上 升部分，称为阻滞场区。 这段曲线是在阴极表面 有阻滞场的情况下得到 的。 热电子发射伏-安特性 6 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 第二区是Va为正值时， lnIa随Va缓慢上升一段， 称为加速场区。阴极表 面电场的方向对电子起 加速作用。 热电子发射伏-安特性 7 § 6.1 二极管的伏安特性和极间电位分布 第三区为过渡区，称为 空间电荷区。在这一区 域，阴极表面的电场也 是阻滞场，它是由阴极 附近的空间电荷引起的。 热电子发射伏-安特性 8 § 6.2 阻滞场中的电子流 Eφκ是阴极逸出功； EφΑ是阳极逸出功； 阴极表面是阻滞场： EφΑ Eφκ 当Va=0时，接通电路，接触电位差 为： ?E E ? e ? ? A ? / K 发射电子到达阳极x方向的动能必 须满足： ? ? ? ? p 2 ? ? ? x E E A ?K 2m 阴、阳极接触前后的能级图 9 § 6.2 阻滞场中的电子流 要求金属内部的电子在x方向的动能分量满足： 2 p ? ? (1.54) ? ? ? ? x E E E K A K ? ? 2m ? ?接触电位差的附加势垒 E? ? ? ? K 阴极逸出电子克服的表 E E 面势垒， A K 将式（1.54）代人式（1.31），得到接触电位差存在时 的阳极电流密度： J ? a J ? 0 ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ? AT exp E / KT exp E E / KT ?K ?A ?K exp E E KT ? ? ?/ ? (1.55) ? ? ?A ?K J0零场时发射的电流密度。 10 § 6.2 阻滞场中的电子流 阴极加负电压Va情况： 阳极电流密度： J ? ?? ? ?/ ? (1.56) a ? ? ? ? ? ? J exp 0 E E eV KT A K a 对式（1.56）两边取对数，得： 1 ??E ? ? (1.57) ln a E eV J ? ? ? ? ln J 0 ?A ?K a KT 在阻滞场情况下，阳极电流密度的对数与阳极电压 是线性关系。 11 § 6.2 阻滞场中的电子流 对式（1.56）做变换，得： J a ? 2 ? E? ? eV KT AT expa ? 2 ? E? ? eV KT ? ? ?/ ? (1.58) A a 在阻滞场情况下，阳极电流密度只与阳极电压有关， 而与阴极逸出功无关。 讨论式（1.57）： 1 ln ln J J ? ? ? ? a E eV ??E ? ? (1.57) 0 ?A ?K a KT 如果指数项为零，有 ??? ? ?? ? ，即Ja=J0，阳 A K a E? E? eV ? ? 极收集到的电流是零场发射电流。 要测量零场发射电流，必须在阳极加一电压，使其抵 消接触电位差。 12 § 6.3 加速场中的阳极电流—肖特基效应 为了收集阴极发射的电子，阳极通 常加正电压，当阳极所加电压大于 VφΑ-VφΚ时 ，阴极表面出现加速场。 加速场的作用： （1）帮助电子从阴极逸出； （2）加速阴极逸出的电子达到阳极 被收集。 加速场区的的特点： 随着阳极电压逐渐增加，阳极 电流随之增加而接近饱和，再继续 提高电压V a，阳极电流略有增加。 13 § 6.3 加速场中的阳极电流—肖特基效应 肖特基效应： 外电场使阴极表面势垒降低增加电子发射的现象。 设无场时的力：F0（x） 外电场作用力：eε 合力可以写出： e 2 F ? ? ? ? ? ?