Вторичная ионно-электронная эмиссия

Вторичная эмиссия

Выбивание электронов из кристалла при бомбардировке его пучком первичных электронов называют вторичной эмиссией. Первичный электрон движется в твёрдом теле и отдает свою энергию по пути многим электронам в кристалле. Причем основную долю энергии первичный электрон отдает в конце пути. Энергетический спектр вторичных электронов сложен. Чисто вторичные электроны имеют энергию порядка 20 эВ, есть доля отраженных первичных электронов, имеющих энергию первичных электронов.

Число вторичных электронов N₂ пропорционально для твёрдого тела числу первичных электронов N₁. Можно записать:

; ,

где s – коэффициент вторичной эмиссии.

Коэффициент вторичной эмиссии s показывает, сколько вторичных электронов приходится на один первичный электрон.

Коэффициент вторичной эмиссии s зависит от энергии первичных электронов (рис. 2.1).

s       ~500 эВ Е, эВ Рисунок 2.1 Зависимость s от энергии первичных электронов

Для вторичной электронной эмиссии важны два элементарных процесса:

1. движение первичных электронов в материале эмиттера, сопровождающееся передачей энергии вторичным электронам;

2. движение вторичных электронов, сопровождающееся потерей энергии при столкновении с другими электронами.

Эти факторы и объясняют зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов. С одной стороны, в результате увеличения энергии первичных электронов в эмиттере растет число вторичных электронов, создаваемых каждым первичным электроном. В этом случае растет коэффициент вторичной эмиссии.

С другой стороны, проникающий в эмиттер первичный электрон на первых этапах своего пути обладает большой скоростью и редко передает энергию электронам эмиттера. По мере торможения первичного электрона в эмиттере основную часть своей энергии он отдает электронам эмиттера в конце пути. Чем больше энергия первичных электронов, тем глубже они проникают в эмиттер. Выход вторичных электронов затрудняется, т.к. возрастают их энергетические потери в пути из эмиттера. Это ведет к уменьшению коэффициента вторичной эмиссии.

Широкий пик (рис. 2.2), максимум которого приходится на энергию порядка 20 эВ, соответствует истинно вторичным электронам. Этот пик не зависит от энергии первичных электронов. Узкий пик, соответствующий энергии первичных электронов (~ 200 эВ), показывает упруго отраженные от эмиттера первичные электроны. При изменении энергии первичных электронов узкий пик соответственно перемещается.

Особенностью вторичной эмиссии является то, что коэффициент вторичной эмиссии не зависит от эффективной работы выхода эмиттера. Это связано с тем, что за счет большой энергии первичных электронов энергия вторичных электронов значительно больше эффективной работы выхода любого материала.

Зависимость коэффициента s от энергии первичных электронов у диэлектриков и полупроводников качественно такая же, как и у металлов. Однако s у диэлектриков и полупроводников значительно выше. При этом из-за плохой проводимости диэлектрика или полупроводника на поверхности кристалла под действием первичных электронов формируется заряд, который существенно изменяет процессы взаимодействия первичных электронов с кристаллом.

Допустим, что материал кристалла – диэлектрик, при этом s < 1. В этом случае на поверхность кристалла электронов приходит больше, чем уходит за счет вторичных. Избыточные заряды не могут уйти в объем диэлектрика и в цепь, поверхность кристалла заряжается отрицательно. На поверхности кристалла формируется тормозящее поле. Это ведет к уменьшению s. Происходит дальнейшее накопление отрицательного заряда на поверхности кристалла и т.д. Это будет продолжаться до тех пор, пока потенциал поверхности не достигнет потенциала катода и не прекратятся и первичный и вторичный токи.

Допустим теперь, что s > 1, т.е. с поверхности диэлектрика уходит электронов больше, чем приходит, и поверхность заряжается положительно. Возникает ускоряющее поле, энергия первичных электронов увеличивается. Накопление заряда на поверхности будет происходить до тех пор, пока s = 1. Это означает, что при s = 1 наступает установившийся режим.

У полупроводниковых кристаллов эффект зарядки поверхности выражен слабее из-за значительной проводимости.

Вторичная ионно-электронная эмиссия

Вторичная эмиссия может происходить не только под действием электронной бомбардировки твёрдого тела, но и при бомбардировке его положительными ионами. Такая эмиссия называется ионно-электронной.

Коэффициент ионно-электронной эмиссии g представляет отношение вторичного электронного тока I_e2 к ионному току I_i, зависит от материала твёрдого тела, рода бомбардирующих ионов и их кинетической энергии. При энергиях порядка десятков и сотен электронвольт значения g лежат в пределах 10^–3¸10^–1. С увеличением энергии ионов этот коэффициент возрастает и при энергиях в несколько тысяч электронвольт может стать больше единицы.

Эксперименты показывают, что существуют два разных процесса выбивания вторичных электронов ионами. Выбивание электронов ионами за счет кинетической энергии последних называется кинетическим вырыванием. Вырывание электронов ионами за счет энергии, высвобождающейся при рекомбинации на поверхности твёрдого тела или вблизи ее, называют потенциальным вырыванием.

Кинетическое вырывание: при столкновении иона с атомом кристаллической решётки твёрдого тела происходит «встряска» их электронных оболочек, в результате которой может освободиться электрон с достаточно большой для преодоления потенциального барьера энергией. Также это может быть результатом ионизации поверхностного слоя атомов кристалла ударами ионов.

При потенциальном вырывании положительный ион подходит к поверхности кристалла, при этом потенциальный барьер между ними будет снижаться и сужаться, и станет возможным переход одного из наиболее быстрых валентных электронов кристалла к иону.

Вторичная ионно-электронная эмиссия наблюдается в условиях электрического разряда в газах.