阴极电子学 重点归纳总结

10.绪论.从能带理论浅谈电子发射阴极电子学UESTC20131第一种方式阴极电子学UESTC20132第二种方式使体内电子逸出的方法：1）增加电子能量【思】具体措施？2）削弱阻碍电子逸出的力二、阴极类型1.增加电子能量（1）热电子发射（热阴极，第1章~第4章）克服表面势垒而逸出阴极加热T足够高部分电子获得足够能量阴极电子学UESTC20133光辐射物体体内电子吸收光量子后逸出（3）次级电子发射（次级电子发射体，第7章）（2）光电子发射（光电阴极，第6章）初始能量电子轰击物体体内电子获得能量逸出2.降低阻碍电子逸出的力（4）场致发射（场发射阴极，第5章）固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子通过隧道效应进入真空阴极电子学UESTC20134量子隧穿示意图1]exp[1)(kTEEEfFEEF，则f(E)=1E=EF，则f(E)=0.5EEF，则f(E)=01）T=0K时，第一章热电子发射的理论基础F-D分布阴极电子学UESTC20135/24图1-10费米分布函数1.T1=0K；2.T2=300K；3.T3=1000K；4.T4=1500KEEF，则f(E)0.5E=EF，则f(E)=0.5EEF，则f(E)0.52）T0K时，表面势垒高度Wa理想形状阴极电子学UESTC20136/24真实形状图1-13金属表面模型及势垒形状2EWaWa/2∆ΦXmXF－eεx(a)外电场使逸出功下降1）点横线：无外加电场的势垒2）实线：有外加电场时叠加后的势垒，相当于F(x)的积分值阴极电子学UESTC20137/24图1-27外加速电场作用下，电像力和势垒形状的变化电像力F0F0(x)F(x)－eε(b)(b)外电场使电像力变化1）虚线：无外加电场的F0(x)2）水平虚线：外电场的力FE(x)3）实线：合力F(x)第一章习题•课本习题：2、7、8、9、10、11•补充第3题：阴极电子学UESTC20138/243、若金属逸出功4.52ev，费米能级EF为8.95eV，（1）金属中有一电子具有13.43ev的动能，求此电子能离开金属表面的最大距离；（2）求在离开最大距离处电子所受的镜像力。•第二章原子薄膜阴极•本章内容敷钍钨阴极的热发射现象探寻原因§2.1节§2.2节继续讨论发射机理的探讨阴极电子学UESTC2013蒸发与扩散的平衡非正常肖特基效应与“斑点场”实例说明§2.3节2.4节略应用引言回顾纯金属阴极：]exp[20kTATjMM0j钨：=4.52eV纯金属阴极的缺点：逸出功高，低（6~10mA/W）阴极电子学UESTC2013原子薄膜阴极：逸出功低（2.6~3.0eV），增大（40~100mA/W）敷钍钨阴极具有高的原因：W表面形成一层钍原子薄膜§2.1敷钍钨阴极的热发射现象T3T2T1激活T激活t，j稳激活T激活t，j稳阴极电子学UESTC2013T3图2-1钍钨阴极激活温度、时间对发射的影响T3T3思考：为什么？•解释以下两个问题：1.为什么W表面形成Th原子薄膜后会使，j§2.2发射机理的探讨阴极电子学UESTC20132.为什么出现图2-1的现象？在激活T范围内，j差异不大；在去激活T下，j3mcnn0/penc阴极电子学UESTC2013m=0.7m图2-3逸出功与覆盖度的关系最佳()mmin，max，jmax§2.3蒸发与扩散的平衡阴极电子学UESTC2013令：ns—W内部的Th原子浓度nc—W表面的Th原子浓度Qm—当nsnc，Th由内部向表面扩散克服阻力而做功(扩散能)Qe—Th从W表面蒸发克服束缚力做功(蒸发能)•第三章氧化物阴极•本章内容氧化物阴极的制备工艺探寻原因§3.1节氧化物阴极的结构§3.1节阴极电子学UESTC2013§3.2节§3.3节§3.4节应用发射模型的探讨氧化物阴极的运用特性氧化物阴极的改进型式Lgiphhν(eV)阴极电子学UESTC201312345ED1ED2曲线1：激活前，光子能量3.8eV出现光电导最大值，相当于电子从价带跃迁到导带所需能量；曲线2：激活后，光子能量减小后也呈现显著的光电导，可得两个能量为1.4eV(E01)和2.3eV(E01)的阈值，相当于两个施主能级的能量。图3-3氧化物阴极光吸收、光电导曲线12341-38mA2-66mA3-99mA4-180mA阴极电子学UESTC2013图3-6氧化物阴极涂层内电阻率的分布基金属UaIt(a)特点：1）衰减符合指数规律2）若脉冲重复频率小，脉冲前沿幅度不变阴极电子学UESTC2013Iat(b)图3-8氧化物阴极的短时脉冲衰减(a)电压波形；(b)电流波形3）若脉冲重复频率高，脉冲前沿幅度变小4i0iT=715KT=700K特点：1）慢衰减2）电流下降速率与Tk有关，阴极电子学UESTC2013010T(min)i∞T=625K图3-9氧化物阴极的脉冲发射电流衰减T越大，下降越快第四章其他类型的热阴极本章内容4.1储备式阴极4.1.1L阴极4.1.2钡钨阴极4.1.3储备式阴极的改进型式阴极电子学UESTC20134.1.4储备式阴极的蒸发4.2六硼化镧阴极4.2.1六硼化镧阴极的特性4.2.2六硼化镧阴极的制备与结构压制式钨酸盐Ba-W阴极制备工艺1.制备活性物质BaCO3、SrCO3、WO3混合压块焙烧生成钨酸盐（Ba2Sr(WO6)2）2.制备阴极（阴极成型+热处理）阴极电子学UESTC2013钨酸盐、ZrH2、W粉混合压制成型H2中烧结（1900℃）W粉烧结W海绵体钨酸盐熔融均匀分布于W海绵体中钨酸盐与ZrH2热分解生成自由BaBaZrO3与Ba向表面扩散浸渍式铝酸盐Ba-W阴极制备工艺1.制备活性物质BaCO3、Al2O3混合压制烧结生成铝酸盐（Ba3Al2O6）2.制备海绵W基体阴极电子学UESTC20133.浸盐铝酸盐和粘结剂混合涂在W海绵体上H2炉中熔化(浸渍)W粉粒度分级压制成型H2或真空中烧结海绵W阴极电子学UESTC2013图4-5覆膜浸渍钡钨阴极的组成膜层特点：1）逸出功高于钨2）不与钡形成金属间化合物3）不与阴极活性物质发生反应LaB6材料特性•逸出功低（2.4~3.2eV）•熔点高（2210℃）蒸发率低硼原子金属原子阴极电子学UESTC2013•蒸发率低•具有金属导电性•机械强度高•化学性质十分稳定，不与水、氧甚至也不与盐酸反应•不易中毒，室温下可反复暴露大气，可长期在大气中存储5LaB6阴极的制备冷压或热压LaB6粉多晶LaB6棒区域熔炼成单晶棒加工成型1、单晶LaB6阴极阴极电子学UESTC2013加工成型2、多晶LaB6阴极（1）LaB6粉末沉积（2）压制式多晶LaB6粉冷压/热压高温烧结各类热阴极特性的应用1、钨阴极（发射率小，但发射性能很稳定）大功率发送管电压高、真空度差的电子束加工和电子显微镜发射要求非常稳定的电子器件如电离真空计2、Th-W阴极（经碳化改进）阴极电子学UESTC2013中、大功率管电子束加工和电子显微镜3、氧化物阴极中小功率电子管4、储备式阴极超高频器件热阴极的发展方向1、提高发射电流密度降低逸出功2、降低噪声发射稳定阴极电子学UESTC2013发射稳定3、长寿命工艺问题热阴极的固有缺陷1、消耗的加热功率大消耗电能大热辐射损坏周围器件阴极电子学UESTC20132、热惯性预热、冷却时间长•第五章场致电子发射•本章内容什么是场致发射探寻原因引言§5.1~5.3节建立模型发射机理的探讨阴极电子学UESTC2013材料和工艺实例说明（应用）§5.4节§5.5节应用场发射阴极优势场发射阴极（冷阴极）–电流密度大（≥107A/cm2）常温下工作热阴极–电流密度小（≤几百A/cm2）工作温度≥800℃阴极电子学UESTC2013–常温下工作–启动速度快、瞬间启动–不受温度和辐射影响–体积小–工作温度≥800℃–预热时间长–活性物质蒸发–笨重且效率低下6EX0(1)微粒性曲线a：零场热发射，理查生-德施曼公式（偶电层，镜像力，势垒无限宽）x0a-Ke2/(4x)ΦWaEF曲线b：弱电场，肖特基效应，势垒很宽（热发射大于隧道发射）b5.1.2量子理论的定性说明阴极电子学UESTC20135100X(埃)15Wa(2)波动性曲线C：Tk低，电场强cWa宽度为电子波长量级，隧道效应（隧穿电子数大于热发射）曲线d：电场极强dJ大大增加，可引起打火，成本高1）T升高，曲线峰右移，表明高能量电子数目增多2）E较弱时，T影响很大3）E很强时，T影响较弱4）E增强时右边的虚线向左边阴极电子学UESTC2013图5-5温度和场强对场致发射电子能量分布的影响4）E增强时，右边的虚线向左边靠近，表明势垒高度降低5）E增强时，峰左移，表明低能电子增多AE：忽略空间电荷效应BD：空间电荷限制情形ACD：考虑空间电荷影响情形阴极电子学UESTC2013图5-6空间电荷效应对场致发射的影响ACD：考虑空间电荷影响情形Ⅰ曲线：不考虑场渗透，式（5-57）Ⅱ曲线：考虑场渗透，且渗透较深，式（5-60）Ⅲ曲线：考虑场渗透和存在表面态，阴极电子学UESTC2013图5-10半导体的场致发射特性曲线Ⅲ曲线：考虑场渗透和存在表面态，式（5-61）X点：表面态使势垒增加部分刚好被抵消1.单尖场致发射体5.4.2场致发射阴极的结构和工艺（用于表面分析仪器、电子束加工设备）2.多尖场致发射体（用于脉冲X光管、电子注管）阴极电子学UESTC2013结构用于脉冲光管子注管3.微尖锥场致发射阵列阴极（用于FED、传感器、微波管、光源等）4.薄膜型冷阴极（用于FED等）单尖场发射体的电化学腐蚀装置1.阳极溶解M金属Mn+溶液+ne-阳极溶解产物是水化的可溶性离子阴极电子学UESTC20132.阴极反应溶液中某种(或多种)去极化剂在阴极上被还原如：2H++2e-H27静态腐蚀成小圆棒单尖电化学刻蚀实验步骤阴极电子学UESTC2013锥尖顶端包裹乙酸乙酯动态腐蚀成尖•电解液：5%NaOH溶液•静态腐蚀：电压12V，时间2min动态腐蚀：钨尖锥的电化学腐蚀阴极电子学UESTC2013样品编号动态腐蚀电压(V)动态腐蚀电流(A)腐蚀时间(s)1120.01~0.201782100.01~0.18280380.01~0.17317460.01~0.14458540.01~0.12534•第六章光电子发射•本章内容金属的光电子发射§6.2节半导体的光电子发射§6.1节阴极电子学UESTC2013NEA光电阴极§6.3节§6.4节实用光电阴极6.1.1金属光电子发射的规律1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当入射光的频率或频谱成分不变时，阴极单位t发射出的光电子数目或饱和光电流与入射光的强度成正比2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律）阴极电子学UESTC2013光电子的最大初动能只与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关3、光谱特性曲线4、光电发射的瞬时性μF(μ)-1001020304012-1阴极电子学UESTC2013图6-4福勒函数曲线-2光电子电子光ECφhν0χE01、光子被吸收，产生电子跃迁2、受激电子向固体-真空界面处运动阴极电子学UESTC2013空穴真空EEVEghν0半导体F图6-5半导体光电子发射过程示意图3、电子越过表面势垒向真空逸出8(1-R)I0I0RR‘(1-R)I0exp(-αtL)(1-R')(1-R)I0exp(-αtL)LI0—入射光强Ix—晶体内距离光入射面x处的光强dIx—在x+dIx处光强因吸收而减弱的量阴极电子学UESTC2013图6-6光的反射、吸收和透射的说明图I0(1-R)I0exp(-αtL)0xXx+dx反射界面反射界面吸收半导体的各类光吸收1、本征吸收价带电子吸收足够能量的光子后，跃迁入导带，而在价带上留下一个空穴，形成电子-空穴对，这种由于电子的带际跃迁所形成的光吸收叫本征吸收条件：giEhh0阴极电子学UESTC20132、激子吸收当，