1、7 外电场对发射电子流的影响外电场对发射电子流的影响 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。7.1 外电场对发射电子流的影响外电场对发射电子流的影响“理想二极管理想二极管”： 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。 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。 第二区第二区是是Va为正值为正值时，时， lnIa随随Va缓慢上升缓慢上升一段，称为一段，称为加速场区。加速场区。阴极表面电阴极表面电场的方向对场的方
2、向对电子起加速电子起加速作用。作用。 第三区第三区为过度区，为过度区，称为空间电称为空间电荷区。在这荷区。在这一区域，阴一区域，阴极表面的电极表面的电场也是的阻场也是的阻滞场，它是滞场，它是由阴极附近由阴极附近的空间电荷的空间电荷引起的。引起的。7.2 阻滞场中的电子流阻滞场中的电子流 E是阴极逸出功； E是阳极逸出功； 阴极表面是阻滞场： E E 当Va=0时，接通电路，接触电 位差为： 发射电子到达阳极x方向的动能 必须满足： eEEKA/KAxEEmp22 要求金属内部的电子在x方向的动能分量满足： 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：J0零场时发射的
3、电流密度。(1.54) 22KAKxEEEmp 接触电位差的附加势垒面势垒，阴极逸出电子克服的表KAKEEE(1.55) /exp/exp/exp02KTEEJKTEEKTEATJKAKAKa阴极加负电压阴极加负电压Va情况情况： 阳极电流密度：对式（1.56）两边取对数，得： 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。(1.56) /exp0KTeVEEJJaKAa(1.57) E1lnlnA0aKaeVEKTJJ 对式（1.55）做变换，得： 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）： 如果指数项为零，有 ，即Ja=J0，阳极
4、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。(1.58) /exp2KTeVEATJaAa(1.57) E1lnlnA0aKaeVEKTJJaKeVEAE7.3 加速场中的阳极电流加速场中的阳极电流肖特基效应肖特基效应 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V-V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Va，阳极电流略有增加。 肖特基效应：肖特基效应： 外电场使阴极表
5、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：e合力可以写出：在xm处，合力为零。得到 (1.59) 422exexF垒的最高点。相当于合力为零时的势(1.60) 212/1exm 当有外电场存在时，把电子从x=0处拉到x=xm处作功W即可： 外电场使逸出功减少。 将xm代人（1.61）得： 加速场作用下发射电流密度： （1.63） (1.61) xe-4e-E 4e-4e)4(m2x220222200mmmxxxxedxxdxxdxexedxFWmm(1.62) e-E1/23/2WKTeJKTeEATJ/exp/exp2/12/302/12/32代人数值求对数，并将场
6、强用电压表示可得： （1.65）讨论： （1）直线关系，阳极电流的对数随电压缓慢上升； （2）延长直线，可确定零场发射电流密度，即肖特基延长线法； （3）由曲线的斜率还可以定出阴极的温度，该温度称为肖特基温度。 2/10/139. 4lnlndVVVTJJKAa 对于金属，当对于金属，当Va合适时，实验结合适时，实验结果与理论较好符合；当果与理论较好符合；当Va较小时，将较小时，将有空间电荷的影响；当有空间电荷的影响；当Va很大时，将很大时，将有显著的场发射影响。有显著的场发射影响。7.4 空间电荷限制的阳极电流空间电荷限制的阳极电流二分之三次方定律二分之三次方定律虚阴极：虚阴极： 当阴极发射
7、的电子不能全部为阳极所收集时，在阴、阳极上会出现空间电荷，这时电位最低点在两极之间，称为虚阴极。 虚阴极的位置和该处电位的最底值的大小随Va、T和J变化。 只讨论平板二极管。 式（1.67）两边乘以2（dV/dx），积分，并考虑在x=0处，V=0，dV/dx=0，有：对上式移项积分，并考虑x=0，V=0，因此得：4/1424VemJdxdV3/222 (1.68)9aaVeJmx上式对极间任意点都适用。3/223/2-623/223/22 9 2.335 10 G 1.69aaaaaaaXdVVJJe VJm dVdVdGVVdcm在阴极表面时，可得空间电荷限制下的次方定律：（）可以看出，阴极
8、电流与阴极逸出功和温度无关。式中， 为导流系数，的单位为 ， 的单位为，2/aJA cm的单位为。 对不同的电极结构，其导流系数不同，理论与实验结果是符合的。 以上讨论是空间电荷限制不明显，虚阴极在阴极表面，这是电子初速为零的情况。 当电子初速不为零时，在阴、阳极间形成虚阴极，求出虚阴极的位置和大小的运算较复杂，这里不作讨论。8 实用热电子发射阴极实用热电子发射阴极 前面讨论了热电子发射理论，在次基础上，对实用热电子发射阴极作简单介绍： 实用热电子发射阴极有很多种，而且都是复杂的，几十年来，寻找和制备热电子发射阴极的实践走在了理论前面，因此，至今对于一些广泛应用的热阴极，用已有的金属或半导体模
9、型都不能给出满意的解释。如氧化物阴极，多年来一直用半导体模型来解释，说明了一些问题，但也出现了许多矛盾。 我国学者张恩钆院士对热阴极进行深入研究，提出了“动态表面发射中心”理论，对氧化物阴极的发射理论进行了探讨。8.1 热阴极的基本参数热阴极的基本参数（1）零场发射电流密度）零场发射电流密度J0（2）工作电流）工作电流IK工作电流密度工作电流密度Jk（3）发射效率）发射效率（4）工作温度）工作温度Tk（5）逸出功）逸出功E和发射常数和发射常数A（6）蒸发速率）蒸发速率v和优劣系数和优劣系数Fe（7）寿命）寿命8.1 实用热电子发射阴极实用热电子发射阴极 金属阴极 原子膜阴极 氧化物阴极 贮备式阴极 硼化物阴极 碳化物阴极
