物理电子发射理论

物理电子发射理论

(第一讲）第1页序言电子发射：是研究从固体中发射电子现象和规律，以及发射电子所带有结构和成份信息学科。第2页物质是由原子组成，原子是由绕核运动电子组成。氢原子（H）：1个电子铹原子（Lw）：103个电子1cm3固体中：约1022个原子，约含有1022~1024个电子。电子是物质基本粒子之一。第3页研究物质电子结构，电子与物体作用，与电磁场作用，与其它粒子（各种基本粒子、离子、原子、分子、光子等）作用是物理学基本任务。物理电子学所包括问题广泛性和深刻性：固体电子学、半导体电子学、微电子学、波谱电子学、量子电子学、光电子学、气体电子学、等离子电子学、表面电子学、薄膜电子学、电子能谱学、真空电子学和分子电子学等。第4页真空电子学主要研究电子在真空中特征及运动规律。电子发射主要研究电子怎样从固体中逸出进入真空规律。第5页200多年以前，摩擦带电现象；1883年，Edison在真空灯泡中做了热电子发射试验；1887年，Hertz发觉光电子发射；经典物理学发展完善时期，近代物理学还没有建立。电子发射是一门较老科学。第6页电子发射也是一门还在发展学科。衡量一门学科是否成熟依据：1、它基本学科问题是否完全被认识了，即其学科基本理论问题是否处理了；2、它应用范围是否完全稳定，其功效材料和器件主要指标是否已经到达最高水平，是否还含有新应用领域。电子发射是一门年轻科学。第7页研究电子发射在科学和技术发展史上起过主要作用：X射线是在研究电子发射现象中发觉，使科学发展进入了量子物理时代；19世纪末期，发觉了磷光效应；1876年，Goldstein称磷光效应是“阴极射线”；“负电荷质点”；Stoney称“负电荷质点”是“电子”。第8页油滴试验：1910年，Millikan做了著名“油滴试验”测量了电子电荷、电子质量和电子荷质比：

确定了电子电荷是电量最小单位，从此人们认识了电子。第9页

电子质量很小，所以他有很大荷质比，其值是氢原子1840倍。荷质比大，电子束在电磁场中轻易被聚焦、偏转和加速，利用这些性质能够执行各种复杂任务，制成性能优越电子束器件和设备。

显像管、摄像管、示波管、图像增强器、光电倍增管、高速开关管、存放管和发射管等。第10页

电子含有波动性和粒子性：在加速器中，用加速到极高能量电子束轰击原子核和其它粒子，进行高能物理各种现象研究。极高能电子束能够穿透大气，射向远方，成为一个粒子武器。

第11页各种电子束器件和设备都是利用从固体中发射电子电子源，电子发射是这些器件和设备基本条件。第12页要实现电子发射，普通要有两个条件：

真空环境：确保从固体发射出来电子不致遭到其它气体分子碰撞而返回阴极。

能量和电场：固体中电子要摆脱固体束缚，必须要取得能量。第13页

四种电子发射类型：

加热使电子从固体中发射出来—热电子发射；用光照射固体，光子能量激发电子引发发射——光电发射；用一定能量电子轰击固体而发射电子—次级电子发射；加很强电场，使固体表面势垒降低、变窄，而使电子发射出来——场致电子发射。第14页第一章热电子发射第15页

引言

定义：固体在热状态下发射电子现象称为热电子发射。第16页

Edison观察到热电子发射现象，创造了白炽灯，并在白炽灯里加了一个电极。热电子发射现象。说明三个问题：1、材料受热时才能发射电子；2、电子荷负电3、二极管含有单向导电特征

第17页这一章主要讨论热电子发射理论，包含金属和半导体电子状态，金属热电子发射公式，半导体热电子发射公式，热电子动量和能量分布，外电场对热电子发射影响。第18页§1、金属中电子

1900年，P.Drude首先提出了金属自由电子论：晶格内部有与晶格点阵处于热平衡“自由电子”，自由电子能够在金属中自由运动。

第19页1928年，A.Sommerfeld从量子力学观点说明了金属自由电子模型：金属内部自由电子遵从费米-狄拉克统计分布，在金属表面存在足够高势垒，假如把电子从金属内部移到外部，要做相当功。

本节讨论金属内部自由电子状态、动量、能量及其统计分布。

第20页

1.1金属索末菲自由电子模型第21页第22页

只考虑金属在x方向原子排列产生共有化运动。价电子不但受点阵正离子作用，也要受其它电子作用，把两个场作用看成是一个平均场作用，这么就能够把一个电子看成一个在电场中作自由运动电子。

第23页索末菲自由电子模型：金属中价电子是处于一个近似均匀势场中作自由运动。第24页1.2金属中自由电子动量与能量第25页第26页第27页第28页第29页第30页第31页第32页第33页第34页

一个能