Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема измерений.

3. Эскизы расположения электродов в приборах. Параметры приборов.

4. Структурная схема и энергетическая диаграмма исследуемого катода, его основные параметры.

5. Основные расчетные выражения.

6. Результаты экспериментальных исследований и построенные по ним зависимости: I_a = f(U_a) участков 1 – 4 ВАХ.

7. Определение T катода по 1 и 4 участкам ВАХ.

8. Определение значения работы выхода и постоянной Зоммерфельда для исследуемого катода по прямой Ричардсона.

9. Результаты проверки закона степени 3/2 и определения ρ_e.

10. Выводы по работе.

К защите отчета по проделанной лабораторной работе необходимо:

1. Изучить рекомендуемую литературу, соответствующий раздел лекций и настоящее методическое руководство.

2. Знать методику проводимых экспериментов и расчетов.

3. Уметь объяснять и анализировать полученные результаты.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность механизма термоэлектронной эмиссии?

2. Как доказать, что при термоэмиссии испускаются электроны?

3. На каком из участков вольт-амперной характеристики ток анода ограничивается начальными скоростями эмитированных электронов, температурой катода, пространственным зарядом? Объяснить причины и механизм этих ограничений.

4. За счет чего образуется отрицательный пространственный заряд между анодом и катодом?

5. Объясните ход полученных экспериментальных зависимостей I_a = f(U_a), I_a = f(U_н) на каждом из участков.

6. Как зависит плотность пространственного заряда от U_a и расстояния между анодом и катодом?

7. Сравните постоянные A и B между собой.

8. В чем преимущества оксидных катодов?

9. Какие параметры и зависимости характеризуют термоэлектронную эмиссию?

Литература

1. Соболев В.Д. Физические основы электровакуумной техники. – М.: Высшая школа, 1979.

2. Гапонов В.И. Электроника. – М.: Физматгиз, 1960. – Т. 1.

Лабораторная работа № 2

Исследование фотоэлектронной эмиссии Цель и содержание работы

Изучение механизма фотоэлектронной эмиссии. Ознакомление с методикой исследования фотокатодов и определение основных параметров и характеристик фотокатодов.

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называется испускание электронов веществом под действием падающего на его поверхность электромагнитного излучения. Эмиссия электронов под действием излучения наблюдается во всех агрегатных состояниях вещества: в твердом, жидком и газообразном. Наибольший практический интерес представляет фотоэлектронная эмиссия твердых тел – металлов, полупроводников, диэлектриков.

Объяснение основных закономерностей фотоэффектов впервые было дано Эйнштейном в 1905 году на основе фотонной теории света. Фотон, обладающий энергией h, поглощается электроном фотокатода в единичном акте взаимодействия, повышая его энергию на величину h. Наибольшей вероятностью поглощения кванта обладают уровни залегания электронов с энергией, равной энергии кванта.

После преодоления потенциального порога электрон унесет с собой кинетическую энергию, равную

, (1)

где W_x – энергия, которой обладал электрон до взаимодействия с квантом; ΔW_x – энергия, теряемая при движении электрона к поверхности; m²/2 – кинетическая энергия электрона, покинувшего фотокатод; W_o – высота потенциального порога.

Наибольшей энергией будут обладать частицы, потери которых равны нулю, т. е. электроны, находящиеся в металлах при 0 К на уровне Ферми W_f. Для них

. (2)

Если , то уравнение (2) примет вид ,

где – частота, при которой начинается выход фотоэлектронов – красная граница фотоэффекта:

, , (3)

(с – скорость света).

Более глубокое объяснение явления было сделано Фаулером. Согласно его теории электронный газ у поверхности металла, освещенного светом частотой , можно рассматривать как бы состоящим из смеси двух газов: одного нормального, с границей Ферми, электроны которого практически не могут выходить из металла при нормальной температуре, и второго – возбужденного фотонами. Часть электронов этого возбужденного светом газа, обладающих энергиями, превышающими работы выхода, может выходить из металла, создавая фототок.

Распределение электронов, поглотивших фотоны, имеет такой же характер, как и для нормальных невозбужденных электронов, но смещено на величину h в сторону больших энергий, что эквивалентно понижению потенциального барьера на h. Для области частот  ≥ _о Фаулером получено уравнение спектральной характеристики для внешнего фотоэффекта:

. (4)

Температурная зависимость фототока описывается уравнением

, (5)

которое в общем виде можно представить выражением

, (6)

где , f(x) – функция, зависящая от частоты света и выражаемая в виде бесконечных рядов; α – коэффициент, показывающий, какая доля электронов из общего числа способна покинуть катод; A – постоянная, зависящая от рода эмитированных частиц.

Теория Фаулера имеет определенную ограниченность, которая заключается главным образом в ее полуклассическом характере. Из законов квантовой физики в ней используется лишь аналог постулата теории Бора – . Сам же процесс возбуждения электронов твердого тела светом и его закономерности не рассматриваются. Применимость полученных выражений (4), (5) достоверна лишь в области частот, примыкающих к границе фотоэффекта ( >> _о,  ≈ 1,5 _о)

В 1929 году Венцель предложил квантово-механическую теорию фотовозбуждения электронов, базирующуюся на том, что согласно квантовой механике стационарное состояние электрона с квантовым числом n описывается волновой функцией плоской волны де-Бройля. Возбуждение электронов осуществляется электромагнитным излучением световой линейно-поляризованной затухающей волной с определенным векторным потенциалом, под влиянием которой электроны твердого тела переходят в новое суперпонированное состояние. Однако теория Венцеля внутренне противоречива, так как в ее основу положено затухание световой волны, что и требуется объяснить.

Наиболее совершенной является теория И.Е. Тамма и С.П. Шу-бина, которые показали возможность построения модели явления в пределах зоммерфельдовской теории фотовозбуждения, основывающейся на учете и наличии поверхности у металла. Известно, что плоские волны де Бройля, периодические только внутри металла, по мере удаления от поверхности переходят в спадающие непериодические «хвосты» на его границах. Физически это означает, что часть импульса, переданного фотоном, примет на себя решетка. Передача импульса решетке произойдет за счет того, что электроны связаны с телом силовым полем у поверхности. Этот вид связи электрона с твердым телом обеспечивает поглощение фотонов любых энергий. Переходы с относительно малыми изменениями энергии возможны лишь в пределах зоны проводимости (внутризонные переходы). Для фотоэффекта же существенны лишь переходы, выводящие электроны за пределы действия сил потенциального барьера. Этот вид фотовозбуждения назван поверхностным фотоэффектом. Возможен и объемный фотоэффект, при котором возбуждаются глубинные электроны, их избыточный импульс, полученный от фотонов, передается кристаллу за счет связи электронов с периодическим силовым полем решетки. Исходное состояние электронов в этом случае описывается функциями Блоха, представляющими собой плоские волны де Бройля, амплитуда которых модулирована и равна периоду решетки. Свет возбуждает электроны из состояния одной зоны в состояние другой зоны (междузонные переходы) с приведенным квантовым числом. Такие переходы принято называть прямыми переходами между зонами Бриллюэна. Прямые переходы возбуждаются фотонами с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны между зонами Бриллюэна, ΔW_з. Эту энергию называют второй границей фотоэффекта. Фотоэмиссия может существовать и при косых переходах фотоэлектронов.