ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

 

Профессор  Г.Г.Владимиров

 

 

I.ВВЕДЕНИЕ

1.Элементы электронной теории твердого тела

1.2.Теория Зоммерфельда. Энергетическая схема. Распределение плотности электронных состояний по энергиям.

1.3.Химический потенциал, зависимость его величины от температуры. Величина потока электронов.

1.4.Потенциальный барьер. Коэффициент отражения. Туннелирование сквозь потенциальный барьер. Прозрачность.

1.5.Работа выхода электрона. Поляризационная часть работы выхода, обменно-корреляционная дырка. Дипольная часть работы выхода: растекание электронного газа, "сглаживание" электронного газа. Влияние внешнего электрического поля на работу выхода металла.

1.6.Влияние периодичности решетки на электронные состояния. Зонная модель, запрещенные энергетические промежутки. Ограниченность зонной модели.

 

II.ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

2.1. Основные особенности ТЭЭ: зависимость термоэмиссионного тока от температуры, работы выхода, внешнего электрического поля.

2.2.Термодинамический вывод основного уравнения ТЭЭ. Универсальность постоянной Ричардсона. Статистический вывод уравнения ТЭЭ при наличии у поверхности катода внешнего электрического поля. Осцилляции тока при больших напряженностях внешних полей.

2.3.Шум термоэмиссионного тока. Дробовой эффект, фликкер-шум.

2.4.Влияние температурной зависимости работы выхода на термоэмиссионный ток..

2.5.Особенности термоэлектронной эмиссии с полупроводников. Отличие от случая металлов шоттковского понижения работы выхода. Загиб зон у поверхности. Изменение работы выхода с температурой у собственных и примесных полупроводников.

2.6.Средняя энергия термоэлектронов.

2.7.Экспериментальные методы определения термоэмиссионных констант. Метод определения усредненного коэффициента отражения электронов. Определение работы выхода. Метод полного тока, способы измерения площади поверхности эмиттера и температуры. Метод прямых Ричардсона. Калориметрический метод определения работы выхода. Методы контактной разности потенциалов: метод вибрирующего конденсатора (метод Зисмана-Томсона), метод сдвига вольтамперных характеристик (метод Андерсона).

2.8.Экспериментальные методы измерения распределения электронов по энергиям. Метод задерживающего поля (конденсатор Лукирского, влияние магнитных полей). Электростатические отклоняющие анализаторы.

2.9.Причины неоднородности поверхности катодов. Адсорбция, ее влияние на физико-химические свойства поверхностей. Физическая адсорбция и силы, вызывающие ее. Потенциал Леннарда-Джонса (потенциал 6-12). Энергия адсорбции, время жизни частицы на поверхности. Активированная и неактивированная адсорбция, коэффициент прилипания, уравнение Аррениуса, компенсационный эффект. Локализованная и нелокализованная адсорбция. Миграция адсорбата.

2.10.Электронное состояние адатома, модель Герни. Дипольная модель изменения работы выхода. О локальности работы выхода.

2.11.Влияние неоднородности поверхности на термоэмиссионные характеристики. Работа выхода неоднородной поверхности, контрастность поверхности по отношению к работе выхода.

2.12.Эффективные термокатоды. Основные рабочие параметры. Оксидные катоды, оксидно-ториевые катоды, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов, импрегнированные катоды. Антиэмиссионные покрытия.

 

III. ЭМИССИЯ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

3.1.Уравнение Фаулера-Нордгейма для автоэмиссионного тока. Функция Нордгейма. Распределение автоэлектронов по энергиям, полуширина распределения. Эффект Ноттингама.

3.2.Экспериментальные исследования автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронный микроскоп, методы изготовления острий, увеличение и разрешение прибора. Измерения с отдельных граней острия. Измерение энергетического распределения автоэлектронов. Методы определения работы выхода, констант поверхностной диффузии.

3.3. Особенности автоэлектронной эмиссии с полупроводников. Вольтамперная характеристика, зависимость от температуры и освещения катода. Квантование электронных состояний у поверхности полупроводника. Разогрев электронного газа, горячие электроны. Ударная ионизация, межзонное туннелирование.

3.4.Эмиссия электронов из системы металл-диэлектрик-металл. Эффект Малтера.

3.5.Взрывная эмиссия.

3.6.Сканирующая туннельная микроскопия, ее возможности. Эффективный потенциальный барьер для электронов между острием и образцом. Зависимость туннельного тока от расстояния между острием и образцом. Особенности конструкции сканирующего туннельного микроскопа: пьезодвигатели, защита от вибраций, изготовление острий. Зависимость туннельного тока от плотности электронных состояний. Сканирующая туннельная спектроскопия. Определение эффективной высоты потенциального барьера.

3.7.Микроскоп атомных сил.

3.8.Практическое использование автоэлектронной эмиссии. Методы исследований поверхностных явлений. Применение автокатодов в технике, их преимущества и недостатки. Причины нестабильности рабочих характеристик в техническом вакууме: адсорбция, ионная бомбардировка.

 

IV.ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ (ПИ)

4.1.Основные особенности явления, степень ПИ, коэффициент ПИ. Термодинамический вывод уравнения Саха-Ленгмюра. Термодинамический цикл.

4.2.Экспериментальные исследования ПИ. Методы исследования ПИ. Некоторые экспериментальные результаты. Температурный порог, гистерезис, причины их возникновения.

4.3.Влияние внешнего электрического поля на ПИ. Атомные и ионные энергетические кривые. Понятие о "критическом" расстоянии. Случай сильных полей: десорбция и испарение в поле.

4.4.Автоионный микроскоп. Принципы его работы, разрешающая способность.

4.5.Поверхностная ионизация на пятнистых поверхностях.

4.6.ПИ с образованием отрицательных ионов. Сродство к электрону.

4.7.Применение ПИ в физико-химических исследованиях и в технике. Определение потенциалов ионизации. Измерение теплоты испарения ионов. Исследование гетерогенных реакций на поверхности. Жидкометаллические источники ионов, конус Тейлора. Ионные двигатели. Термоэлектронные преобразователи энергии.

 

V.ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

5.1.Основные закономерности внешнего фотоэффекта. Красная граница ФЭЭ. Уравнение Эйнштейна. Источники ультрафиолета. Синхротронное излучение. Чувствительность и интегральная чувствительность. Квантовый выход ФЭЭ. Селективный внешний фотоэффект: размерный, векториальный (поляризационный).

5.2.Теория Фаулера. Зависимость фототока от частоты света, температуры, внешнего электрического поля.

5.3.Фотоэмиссионные методы определения работы выхода: изотермический метод Фаулера, изохроматический метод Дюбриджа.

5.4.Некоторые элементы квантово-механической теории ФЭЭ. Прямые и непрямые переходы.

5.5.Особенности ФЭЭ с полупроводников. Фотоэлектрическая работа выхода. Глубина выхода фотоэлектронов. Влияние загиба зон на поверхности. Влияние дополнительной подсветки. Отрицательное сродство. Особенности энергетического распределения фотоэлектронов.

5.6.ФЭЭ со щелочно-галоидных соединений. Центры окраски. Экситоны.

5.7.Фотоэлектронная спектроскопия. Вольтамперная характеристика, измерение фотоэлектрической работы выхода, величины загиба зон на поверхности. Определение распределения по энергиям заполненных и свободных состояний для электронов. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением, экспериментальное определение дисперсионных зависимостей E(k). Электронная спектроскопия для химического анализа. Химический сдвиг внутренних уровней.

5.8.Эффективные фотокатоды. Основные параметры фотоэлементов. Кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод.

 

VI.ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ (ВЭЭ)

6.1.Первичные и вторичные электроны. Коэффициент ВЭЭ s, его зависимость от энергии первичных электронов Ep. Закон подобия в случае металлов. Длина свободного пробега электронов, ее зависимость от энергии электронов. Особенности зависимости s( Ep) в случае диэлектриков. Угловая зависимость коэффициента ВЭЭ.

6.2.Энергетическое распределение вторичных электронов по энергиям, три основные группы вторичных электронов.

6.3.Упруго отраженные электроны. Зависимость коэффициента упругого отражения от энергии первичных электронов. Угловое распределение упруго отраженных электронов, дифракция медленных электронов (ДМЭ), дифракция быстрых электронов (ДБЭ).

6.4.Неупругоотраженные электроны. Общие закономерности поведения коэффициента неупругого отражения электронов. Плазмоны: объемные и поверхностные. Спектроскопия потерь энергии медленных электронов. Спектроскопия характеристических потерь энергии. Оже электронная спектроскопия.

6.5.Истинно вторичные электроны. Зависимость коэффициента истинно вторичной эмиссии от энергии первичных электронов, угла падения первичного пучка, угла выхода вторичных электронов.

6.6.Эффективные эмиттеры вторичных электронов. Вторично электронные умножители, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи. Коэффициент усиления, шумы.

 

VII.ВЗАИМОДЕЙТВИЕ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА

7.1.Виды ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ). Коэффициент ИЭЭ, его зависимость от энергии и сорта первичных ионов. Потенциальная ионно-электронная эмиссия, ее главные особенности. Механизм Олифанта-Муна, механизм Шехтера. Кинетическая ионно-электронная эмиссия, ее основные особенности. Возможные объяснения кинетической ИЭЭ: термическая модель Капицы, модель "стряхивания" Френкеля, радиационная модель, деформационная модель.

7.2.Рассеяние ионов. Модель парного столкновения. Распределение рассеянных ионов по энергиям. Эффект затенения.

7.3.Катодное распыление. Основные особенности. Угловое распределение слетающих частиц. Явление каналирования. Импульсная теория.

7.4.Вторичная ионно-ионная эмиссия. Вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС). Зависимость коэффициента вторичной эмиссии ионов от матрицы.

 

Литература

1. Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова "Эмиссионная электроника". Изд-во "Наука", М., 1966.

2. Э.Я.Зандберг, Н.И.Ионов "Поверхностная ионизация". Изд-во "Наука", М., 1969.

3. К.Херринг, М.Никольс "Термоэлектронная эмиссия". ИЛ, 1950.

4. М.И.Елинсон, Г.Ф.Васильев "Автоэлектронная эмиссия". ГИФМЛ, 1958.

5.А.Р.Шульман, С.А.Фридрихов "Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела". Наука, ФМЛ, М., 1977.

6. А.Модинос "Авто-, термо- и вторично-эмиссионная спектроскопия". Изд-во "Наука", М., 1990.