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^[1].

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

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^[2]

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

где ${\displaystyle j}$ — плотность тока [в А/см²], ${\displaystyle E}$ — напряжённость электрического поля [в В/см], ${\displaystyle \varphi }$ — 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^[2].

Сопутствующие эффекты

Формула Фаулера — Нордгейма справедлива при токах автоэлектронной эмиссии ${\displaystyle j\leq 10^{8}}$ А/см². При более высоких плотностях функция ${\displaystyle j(E)}$ 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^[3].