Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектро́нная эми́ссия (полева́я эми́ссия, тунне́льная эми́ссия) — испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, то есть без дополнительных затрат энергии, что свойственно другим видам электронной эмиссии.

Суть явления состоит в туннелировании электронов через потенциальный барьер вблизи поверхности тела. Явление становится возможным за счёт искривления потенциального барьера при изменении напряжённости внешнего поля. При этом появляется область пространства вне тела, в которой электрон может существовать с той же энергией, которой он обладает, находясь в теле. Таким образом, автоэлектронная эмиссия обусловлена волновыми свойствами электронов.

Впервые такое объяснение автоэмиссии было предложено в 1928 г. Фаулером и Нордгеймом. Ими была получена формула, описывающая взаимосвязь плотности автоэлектронного тока $j$ с напряжённостью по́ля $E$.

Практическое применение

• Автоэмиссионная (полевая) микроскопия и связанные с ней области
• Автоэлектронная (полевая) спектроскопия (анализ энергии электронов)
• Автоэлектронные (полевые) эмиттеры для электронной пушки
• Эмиттеры с атомарным остриём

Формула Фаулера-Нордгейма

См. также: Уравнение Фаулера — Нордгейма

Автоэлектронная эмиссия количественно описывается формулой Фаулера-Нордгейма. Она учитывает конечную вероятность прохождения электрона из среды через ставший при приложении поля проницаемым потенциальный барьер на границе материала (без поля здесь создаётся непроницаемая потенциальная ступенька).

В неплохом приближении треугольного барьера формула имеет вид

${\displaystyle j=1.55\cdot 10^{-6}{\frac {E^{2}}{\varphi }}\exp {\frac {-6.85\cdot 10^{7}\varphi ^{3/2}}{E}}}$,

где $j$ — плотность тока [в А/см²], $E$ — напряжённость электрического поля [в В/см], $\varphi$ — работа выхода электрона из металла [в эВ]. Для учёта отклонения формы барьера от треугольной вводятся незначительно отличающиеся от единицы поправочные функции под экспоненту и в предэкспоненциальный множитель.

Сопутствующие эффекты

Формула Фаулера — Нордгейма справедлива при токах автоэлектронной эмиссии $j\leq 10^{8}$ А/см². При более высоких плотностях функция $j(E)$ почти не зависит от работы выхода металла. Причина этого — появление объёмного заряда вблизи эмиттера. Ток автоэлектронной эмиссии в этом случае определяется законом степени трёх вторых.

Во время автоэлектронной эмиссии катод разогревается из-за разницы между средней энергией электронов, подходящих к поверхности катода, и средней энергией электронов, уходящих сквозь потенциальный барьер. Данное явление называют эффектом Ноттингема.

Литература

• Шредник В. Н. Автоэлектронная эмиссия // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 21.