2.3. Yarimo'tkazgichlardan maydon emissiyasi.
Metalldan farqli o'laroq, yarim o'tkazgich o'tkazuvchanlik zonasida sezilarli darajada cheklangan elektron konsentratsiyasiga ega bo'lgan maydon katodidir. Bu yarimo'tkazgichlardan avtoelektron emissiya xususiyatlarini aniqlaydi: 1) cheklovchi oqim zichligi metallarga qaraganda ancha past; 2) chiziqli bo'lmagan oqim-kuchlanish xususiyatlari lgi A =f(1/V); 3) metallarga nisbatan chiqarilgan elektronlarning kengroq spektri; 4) avtoelektron emissiyaning impulsli qo'zg'alishida (relaksatsiya effektlari) joriy impuls shaklining anod kuchlanish pulsining amplitudasi va davomiyligiga bog'liqligi; 5) dala emissiya oqimining issiqlik va fotosensitivligi.
Tashqi elektr maydon yarimo'tkazgichga Debay skrining radiusi bilan belgilangan masofaga kirib boradi, uning ifodasi r D =(e r e 0 kT/2e 2 n) ½ ko'rinishga ega bo'lib, bu erda n elektron kontsentratsiyasidir va tarmoqqa olib keladi. egilish. Ushbu radiusda tarmoqli egilishi tufayli o'tkazuvchanlik zonasida va donor darajasida elektron konsentratsiyasi ortadi. Bu, o'z navbatida, salbiy fazoviy zaryadning sirtga yaqin qatlamining paydo bo'lishiga olib keladi. Kuchli maydon holatida yarim o'tkazgich yuzasiga yaqin o'tkazuvchanlik zonasidagi elektron gaz, agar tarmoqli egilishi natijasida o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismi Fermi darajasidan past bo'lsa, degeneratsiyasi mumkin (10.7-rasm).
Elektronlarning kosmik zaryad qatlamidan potentsial to'siq orqali vakuumga o'tish jarayoni metallardan maydon chiqarish jarayonidan farq qilmaydi. Biroq, metallardan farqli o'laroq, valentlik zonasidagi elektronlar ham emissiyada ishtirok etishi mumkin. Yana bir farq - kuchlanish kuchayishi bilan emissiya oqimining "to'yinganligi" ehtimoli. Bu elektronning namunaning asosiy qismidan sirtga kelish tezligi faqat hajm zaryadining sirt qatlamidan vakuumga chiqarilgan elektronlarni qoplash uchun etarli bo'lgan taqdirda sodir bo'ladi.
Bunday holda, oqim kuchlanishining xarakteristikasida "plato" paydo bo'ladi (10.8-rasm), ya'ni. anod kuchlanishining yanada oshishi, u "yoqilmaguncha" dala emissiya oqimining oshishiga olib kelmaydi. yangi manba elektronlar. Valentlik zonasidagi elektronlarning ta'sirli ionlashuvi va donorlar darajasida elektronlarning avtoionlashuvi massadan sirtga yaqin hududga keladigan elektronlarning qo'shimcha manbasiga aylanishi mumkin. Ushbu kuchli dala effektlari katodning termal yo'q qilinishidan oldingi dala emissiya oqimining tez o'sishi uchun javobgardir.
Eksperimental tarzda olingan V.A.H. p-tipli yarimo'tkazgichlar va yuqori qarshilikli n-tipli namunalar uchun, albatta, chiziqli emas. Ular lgi A =f(l/V) koordinatalarida uchta xarakterli kesimga ega: 1 - chiziqli, Fauler-Nordxaym formulasi bilan yaxshi tasvirlangan; 2 - to'yinganlik maydoni; 3 - emitent hajmida elektronlarning ko'payishi bilan bog'liq bo'lgan oqimning keskin o'sishi hududi.
Fauler-Nordxaym maydon emissiya nazariyasi asosan "nolga yaqin oqim" dir. Bu shuni anglatadiki, emissiya oqimi potentsial to'siqda sodir bo'lgan umumiy elektron oqimining faqat kichik bir qismidir. Metalllar uchun bu yaqinlik juda kuchli maydonlar mintaqasigacha amal qiladi. Yarimo'tkazgichlarda sirtga drift elektron oqimi va sirtdan diffuziya oqimi o'rtasidagi farqni vakuumga avtoelektron oqimi bilan solishtirish mumkin.
Elektron oqimining massadan sirtga cheklangan tezligi I.A.K.da toÊ»yinganlik hududining paydo boÊ»lishining asosiy sababidir. bu ikki turdagi yarimo'tkazgichlardan dala emissiya oqimi. Bunda bir vaqtning o'zida bir nechta o'zaro bog'liq jarayonlar kuzatiladi: 1) sirtga yaqin qatlamda elektron konsentratsiyasi kamayadi; 2) tashqi maydon emitentga chuqurroq kirib boradi; 3) yarimo'tkazgichning massaviy qarshiligidagi kuchlanishning pasayishi ortadi; 4) emitent yuzasi yaqinidagi maydon kuchining geometriyasi va kattaligi o'zgaradi. Namunadagi kuchlanish pasayishining oshishi, o'z navbatida, o'rtacha elektron energiyasining oshishiga olib keladi, ya'ni. elektron gazning isishiga. Agar kristallning elektron yaqinligi past bo'lsa (ch≤0,5 eV), u holda "issiq" elektronlar paydo bo'lishi bilan potentsial to'siqning shaffofligi erishish mumkin. chegara qiymati va zarba ionlashuvi tufayli intensiv elektron ko'payish jarayoni boshlanmaguncha maydon emissiya oqimi ko'paymaydi. Elektron yaqinligi yuqori (ch≥3 - 4 eV) va kichik tarmoqli bo'shlig'i (DE g ≤1 eV) bo'lgan namunalar uchun elektron gazning ichki maydon tomonidan qizdirilishi sezilarli "to'siqdan yuqori" emissiyaga olib kelishi mumkin emas, chunki valentlik zonasining "issiq" elektronlari tomonidan zarba ionlash jarayoni tufayli elektron energiya taqsimoti funktsiyasi E>DE g energiya mintaqasida bulg'anmaydi.
Yuqori qarshilikli yarimo'tkazgich hajmidagi elektron konsentratsiyasining oshishi, masalan, yorug'lik bilan nurlanishi tufayli, maydon emissiya oqimining oshishiga olib keladi. Bunday holda, V.A.X.dagi "plato" mintaqasida oqimga qo'shiladi. yoritishga proportsional I 0 . Maydon emissiya oqimining spektral bog'liqligi i A (y) fotoo'tkazuvchanlikning spektral bog'liqligiga amalda to'g'ri keladi. Yorug'lik bilan nurlangan yarimo'tkazgichdan maydon emissiyasi emissiyaning birlashgan turiga to'g'ri keladi - fotoavtoelektron emissiya.
Katod haroratining oshishi odatda o'tkazuvchanlik zonasida elektron kontsentratsiyasining oshishi tufayli emissiyaning oshishiga olib keladi. Faqat past qarshilikli namunalar uchun (masalan, n-tipi uchun kremniy), elektron gazning kuchli degeneratsiyasi mavjud bo'lganda, maydon emissiya oqimining haroratga bog'liqligi butunlay yo'q yoki o'zgarish tufayli yuzaga keladi. samarali ish yarimo'tkazgichdan chiqish. Bunday hollarda namunalarning yoritilishi maydon emissiya oqimining kattaligini ham, CAC xarakterini ham o'zgartirmaydi. Degeneratsiya Fermi darajasi o'tkazuvchanlik zonasi ichiga tushganda sodir bo'ladi. O'tkazuvchanlik zonasining pastki qismi va Fermi darajasi orasidagi energiya bo'shlig'i D S, (10.7-rasm) yarimo'tkazgich emitentining sirtga yaqin qatlamidagi elektron gazning degeneratsiya darajasini tavsiflaydi.
Degeneratsiya bo'lmasa (maydonning zaif kirib borishi holati), yarimo'tkazgichdan maydon emissiyasining joriy zichligi ifodasi shaklga ega.
bu yerda n ∞ - hajmdagi elektronlar konsentratsiyasi; D cs - o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismining hajmdagi va sirtdagi holati o'rtasidagi energiya bo'shlig'i; e r - yarimo'tkazgichning nisbiy o'tkazuvchanligi.
Ushbu formula erkin elektronning massasini o'z ichiga oladi m e , garchi yanada qat'iy yondashuvda bantlarning murakkab tuzilishini hisobga olish va samarali massa bilan ishlash kerak. Biroq, bu noaniqlik bilan bog'liq tuzatishlar odatda kichikdir.
Yarimo'tkazgichlar chiqaradigan maydon elektronlarining energiya taqsimotini o'rganish shuni ko'rsatadiki, maydon emissiya manbai nafaqat o'tkazuvchanlik zonasi, balki valentlik zonasi ham bo'lishi mumkin. Agar ikkala diapazondan emissiya qilish shartlari taxminan bir xil bo'lsa, u holda avtoelektron spektri ikkita cho'qqidan iborat bo'lishi kerak, ularning orasidagi masofa tarmoqli bo'shlig'iga DE g ga teng. N-tipli kremniy uchun tajribalarda, haqiqatan ham, maksimal DE g = 1,1 eV orasidagi masofa bilan "ikki dumli" spektrlar olingan (10.10-rasm).
P-tipli kremniy holatida, maydon emissiyasi faqat valentlik zonasidan kelganda, maydon elektronlarining energiya taqsimoti egri chizig'i faqat bitta maksimalga ega bo'lib, uning kengligi, nazariyadan ko'ra, anod kuchlanishining oshishi bilan ortadi. . O'tkazuvchanlik zonasidan elektronlar chiqarilganda, maydon kuchayishi bilan spektrning kengayishi E"issiq" elektronlarning emissiyasi bilan bog'liq. Spektrning yarmi kengligi haroratning oshishi bilan ham ortadi, chunki haroratning oshishi o'tkazuvchanlik zonasining pastki qismida (degeneratsiya yo'q) yoki Fermi darajasidan (mavjudligi) yuqorida joylashgan energiya holatlari populyatsiyasining katta ehtimoliga olib keladi. degeneratsiya) elektronlar tomonidan. Avtoelektronlarning energiya spektrlarining kengayishi faqat V.A.K. chiziqli kursdan va spektrning yarmi kengligining oshishi va emitentdagi kuchlanishning pasayishi o'rtasida aniq bog'liqlik mavjud. Spektrning kengligi DO tarmoqli bo'shliqdan oshib ketganda, zarba ionizatsiyasi bilan bog'liq bo'lgan maydon emissiya oqimining keskin o'sishi kuzatiladi (10.8-rasmdagi CVCda 3-hudud).
Elektron tunnellash jarayonining o'zi amalda inersiyasizdir, ammo yarimo'tkazgichdagi maydon emissiya oqimining oqimi bilan diffuziya-drift muvozanatining o'rnatilishi cheklangan bo'shashish vaqti bilan tavsiflanadi. Shuning uchun yarimo'tkazgichli maydon katodlarida anod kuchlanishi VACning 2 va 3-hududlarida impulslanganda vaqtinchalik jarayonlar mavjud, 2-rasm. 10.8. 1-mintaqada dala emissiya oqimi vaqtga bog'liq emas. 2-mintaqada oqim kamayadi, 3-mintaqada esa impuls vaqtida doimiy anod kuchlanishida kuchayadi. Maydon emissiya oqimining bunday xatti-harakati er yuzasiga yaqin fazoviy zaryadda elektronni ushlab turish markazlarini to'ldirish va yo'q qilish jarayonlari, shuningdek, sirt holatlari bilan izohlanadi. Ushbu markazlarning asta-sekin kamayishi oqimning pasayishiga olib keladi va maydon yoqilgan paytda markazlardan elektronlarning chiqishi maydon emissiya oqimini oshiradi. Maydon o'chirilgan va qayta yoqilganda yoki emitent yoritilganda qoldiq effektlar elektron tuzoqlarni to'ldirish uchun chekli vaqt talab qilinishi sababli fazoviy zaryad mintaqasini qayta tartibga solish inertsiyasi bilan bog'liq. Joriy bo'shashish vaqti namunadagi tuzoqlarning kontsentratsiyasiga, uning haroratiga va emitent kuchlanishiga bog'liq. Yuqori qarshilikli Ge va Si namunalari uchun, tuzoqlarning konsentratsiyasiga qarab, bo'shashish vaqti t≤10 -5 s dan t≈10 -3 s gacha.
Amaliy qiymat yarimo'tkazgichli maydon katodlari elektron "tushirish" rejimida (C.A.K. bo'yicha 2-mintaqa) katta vaqt oralig'ida unchalik yaxshi bo'lmagan vakuum sharoitida (r ~ 10 -4 Pa) statsionar maydon emissiyasini olish mumkinligidadir. yuzlab soatgacha). Misol uchun, n-tipli kremniy uchun 10 4 A / sm 2 gacha bo'lgan statsionar maydon emissiya oqimining zichligi olingan.
Elektron qurilmalarda erkin elektronlar oqimini olish uchun maxsus metall yoki yarim o'tkazgich elektrod mavjud - katod.
Elektronlarning katoddan tashqariga chiqishi uchun nm ga tashqi tomondan qarama-qarshi kuchlarni yengish uchun etarli bo'lgan energiya haqida ma'lumot berish kerak. Elektronlarga qo'shimcha energiya berish usuliga qarab, elektron emissiyasining quyidagi turlari ajratiladi:
|
