Автоэлектронная Эмиссия

АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ (полевая электронная эмиссия, туннельная эмиссия), испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием сильного внешнего электрического поля. Обычно напряжённость поля Е, при которой начинается эмиссия электронов, составляет величину порядка 10⁷ В/см у поверхности.

Автоэлектронная эмиссия обнаружена в 1897 году Р. У. Вудом. Механизм электронной эмиссии - прохождение электронов сквозь потенциальный барьер на границе проводящего тела с вакуумом за счёт туннельного эффекта. Плотность тока j автоэлектронной эмиссии значительно, по экспоненциальному закону, зависит от Е и от работы выхода Ф = еφ (φ - величина потенциального барьера, е - заряд электрона), увеличиваясь при росте Е и снижении φ. Характерной особенностью автоэлектронной эмиссии является высокая плотность эмиссионного тока: в стационарном режиме в пределах 10³-10⁵ А/см², а кратковременно (в импульсном режиме) до 10⁹ А/см². Однако токи в этом диапазоне нередко оказываются критическими (величина j_кp зависит от формы и материала эмиттера), приводящими к взрыву эмиттера (так называемая взрывная электронная эмиссия). Автоэлектронная эмиссия - типичная холодная эмиссия, не нуждающаяся в тепловом возбуждении электронов. Тем не менее, ток автоэлектронной эмиссии металлов возрастает с повышением температуры (термоавтоэлектронная эмиссия), а ток автоэлектронной эмиссии полупроводников, как правило, резко увеличивается не только с повышением температуры, но и при освещении (фотоавтоэлектронная эмиссия).

Для облегчения создания высоких напряжённостей поля у поверхности обычно автоэлектронные эмиттеры (автоэмиттеры) имеют форму с очень большой кривизной: острия с радиусом в сотни нанометров, острые края лезвий и тому подобное.

В условиях вакуума (10^-5-10^-7 Торр) твёрдые автоэмиттеры под влиянием адсорбции примесей и ионной бомбардировки быстро разрушаются и эмиссионный ток падает. Однако существуют различные пути повышения их стабильности: улучшение вакуумных условий, лёгкий подогрев эмиттера, ослабление ионной бомбардировки (например, отклонением ионов магнитным полем), подбор наиболее стойких материалов и другое, что позволяет применять автоэмиттеры в различных устройствах. Жидкометаллические эмиттеры, поверхность которых лучше противостоит деградации, менее прихотливы и могут работать в условиях не слишком высокого вакуума (10^-4-10^-6 Торр). Для получения заметных токов перспективны многоострийные жидкометаллические автоэмиттеры, которые изготовляют, заполняя металлом (галлием) многочисленные поры-каналы в диэлектрической плёнке.

Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются безынерционность, отсутствие затрат на подогрев, высокая плотность тока и резко нелинейная вольтамперная характеристика.

Автоэлектронная эмиссия используется как яркий точечный источник электронов в электронных микроскопах (просвечивающих и растровых), в рентгеновских микроанализаторах, а также как интенсивный источник электронов в ускорителях, приборах СВЧ и других.

Матрицы из большого числа микроострий могут быть использованы для создания плоских вакуумных дисплеев. Кроме того, автоэлектронная эмиссия используется в чувствительных датчиках малейших изменений напряжения; именно эта область дала толчок к развитию туннельной сканирующей микроскопии (смотри Туннельный микроскоп), где рельеф вплоть до атомного «ощупывается» чувствительной иглой. Одно из интересных и исторически ранних (1936 год) применений автоэлектронной эмиссии реализовано в простейшем безлинзовом эмиссионном электронном микроскопе - электронном проекторе.

Лит.: Шредник В.Н. Электронный проектор // Природа. 1968. № 9; Ненакаливаемые катоды / Под редактор М. И. Елинсона. М., 1974.