Тема 3. Електронна емісія.

3.1.Електронні стани в кристалах

3.1.1. Види емісій заряджених частинок

Для одержання вільних заряджених частинок (електронів, іонів) використовуються різні види електронної і іонної емісії.

Емісією заряджених частинок називають явище випускання електронів або іонів з поверхні речовини при фізичній дії на цю речовину. В більшості випадків в якості емітерів електронів використовують кристалічні тверді тіла: метали, напівпровідники, плівкові структури; в якості емітерів іонів – плазму.

Діяти на емітер можна різними способами: нагріванням, потоком фотонів, бомбардуванням прискореними електронами і різними атомними частинками, сильним електричним полем, механічною дією. При цьому виникають такі види емісії: термоелектронна, фотоелектронна, вторинно-електронна, іонно-електронна, автоелектронна, вибухово-електронна, екзоелектронна.

3.1.2. Енергія електронів в твердому тілі

Твердотільні джерела заряджених частинок, які використовуються в електронній техніці, мають кристалічну структуру. В них атоми розташовані в вузлах просторової решітки і взаємопов’язані між собою завдяки узагальненню валентних електронів (рис. 1.3).

Рис. 1.3.

В металах валентні електрони слабо пов’язані з ядрами атомів, тому вже при кімнатній температурі сходять зі своїх орбіт і вільно переміщуються по всьому об’єму кристалу, а в вузлах просторової решітки металів знаходяться позитивні іони. Валентні електрони у вигляді хмарки хаотично переміщуються в міжатомному просторі і належать всьому кристалу в цілому. Концентрація вільних електронів в металі має порядок 10²⁸– 10²⁹ м^-3) і це визначає їх велику електропровідність і теплопровідність, а також добрі екрануючі властивості металів по відношенню до зовнішніх електростатичних полів.

У власних напівпровідниках при температурі абсолютного нуля всі електрони зв’язані з атомами і речовина виявляє властивості ідеального діалектрика. Але при підвищені температури напівпровідника електрони за рахунок теплових рухів атомів решітки можуть порівняно легко зриватись з ковалентних зв’язків і хаотично рухатись у межах решітки кристалу. При кімнатній температурі концентрація вільних електронів за звичай не перевищує 10¹⁶ – 10¹⁹ м³. З підвищення температури концентрація вільних електронів швидко зростає.

Відповідно до квантової теорії в ізольованому атомі електрони можуть мати не будь які, а тільки деякі «дозволені» значення енергії і магнітного моменту (квантові стани). Енергетичний стан електронів в атомі характеризується чотирма квантовими числами: n - головне квантове число, яке визначає орбіту електрона, яку він може займати відповідно до рівня своєї енергії; l – орбітальне квантове число, що визначає малу вісь еліптичної орбіти електрона; m_e- магнітне квантове число – визначає орієнтацію орбіти в просторі; s – спінове квантове число, що визначає обертання електрона навколо власної осі.

На рис 1.4 а) показано енергетичний спектр атомів натрію, яки віддалені один від одного на відстань r >> a, де а — параметр решітки. Між атомами існують потенціальні бар’єри, які перешкоджають вільному переходу електронів від одного атома до іншого.

Зміна станів електронів при наближенні атомів

Рис.1.4.

Потенціальні криві сусідніх атомів частково накладаються одна на одну (на рис.1.4. б) вони показані штриховими лініями) і дають результуючу криву АВСDE, яка проходить нижче нульового рівня 00. Висота бар’єра виявляється навіть нижче початкового положення рівня валентних електронів 3s. Хвильові функції цих електронів у сусідніх атомів перекриваються настільки сильно, що утворюють електронну хмару практично рівномірної густини. Це означає, що такі електрони з рівною ймовірністю можна знайти в будь-якому місці кристалу. Важливо відмітити, що цю здатність набувають не тільки електрони рівня 3s, але й електрони більш глибоких рівнів – 2p, 2s, навіть 1s. Переміщення відбувається шляхом тунельного просочування електронів крізь потенціальні бар’єри. Розрахунки показують, що перехід електронів рівня 1s від атома до атома відбувається в середньому за час τ ≈ 10^-15 с, тобто практично миттєво.

Поява свободи переміщення електронів по кристалу робить неможливим визначити, якому атому належить електрон. Електрони з рівним правом належать кристалу в цілому, тобто вони колективізовані.

Взаємодія атомів при створенні кристалічної решітки приводить до ще одного важливого результату — до перетворення енергетичних рівнів вільних атомів в енергетичні зони кристалу. Кожний рівень розщіплюється на (2l +1) підрівнів, і у відповідності з принципом Паулі кожен підрівень містить не більше двох електронів з протилежно направленими спінами.

Енергетичні зони відділені одна від одної областями заборонених зон шириною ΔЕ. Як приклад на рис. 1.5. наведені енергетичні зони літія, берилія і хімічних елементів з решіткою типу алмаза (С, Si, Ge).

Рис. 1.5.

В кристалі літія рівень 1s розщеплений слабо, рівень 2s — сильніше. В кристалах з решіткою типу алмаза зони з рівнів s і p, перекриваючись розділяються на дві підзони. В кожній підзоні міститься по 4 стани: один s-стан і три р-стани. Ці зони розділені забороненою зоною шириною ΔЕ. Нижню дозволену зону називають валентною, верхню — зоною провідності.