[block id=”bo-sung-1″]

Như đã biết, muốn quan sát được cấu trúc của vật chất
cũng như các tính chất của nó thì cần phải có một nguồn sáng
có bước sóng nhỏ hơn hoặc tương đương với khoảng cách
giữa các nguyên tử của mẫu mà ta cần nghiên cứu
Điện tử có năng lượng cao và khối lượng nghỉ lớn. Do
vậy, ý tưởng dùng chùm điện tử để nghiên cứu cũng như bắn
phá cấu trúc đã được đề ra. Nhưng vấn đề là bằng cách nào
chúng ta có thể lấy được nó và điều khiển nó theo ý muốn
Với công trình của Owen Willans Richardson về hiện
tượng phát xạ nhiệt điện tử (và được giả Nobel năm 1928 đã
mở đầu cho cuộc cách mạng nghiên cứu tính chất vật liệu
bằng chùm điện tử
Từ công trình trên các hiện tượng phát xạ điện tử khác
cũng dần được phát hiện: Phát xạ quang điện tử, phát xạ tự
động và phát xạ điện tử thứ cấp

de_tai_phat_xa_nhiet_dien_tu

pdf65 trang | Chia sẻ: duongneo | Ngày: 01/08/2017 | Lượt xem: 608 | Lượt tải: 0download

Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Phát xạ nhiệt điện tử, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

ĐIỆN TỬ HỌC
PHÁT XẠ VÀ ỨNG DỤNG
ĐỀ TÀI:
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ
GVHD: PGS.TS LÊ VĂN HIẾU
NHÓM THỰC HIỆN:
PHẠM THANH TÂM
LÊ DUY NHẬT
VÕ NGỌC THỦY
TRẦN THỊ THANH THỦY
TP HCM 05-2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI ÊN
KHOA VẬT LÝ
LỜI MỞ ĐẦU
Như đã biết, muốn quan sát được cấu trúc của vật chất
cũng như các tính chất của nó thì cần phải có một nguồn sáng
có bước sóng nhỏ hơn hoặc tương đương với khoảng cách
giữa các nguyên tử của mẫu mà ta cần nghiên cứu
Điện tử có năng lượng cao và khối lượng nghỉ lớn. Do
vậy, ý tưởng dùng chùm điện tử để nghiên cứu cũng như bắn
phá cấu trúc đã được đề ra. Nhưng vấn đề là bằng cách nào
chúng ta có thể lấy được nó và điều khiển nó theo ý muốn
Với công trình của Owen Willans Richardson về hiện
tượng phát xạ nhiệt điện tử (và được giả Nobel năm 1928 đã
mở đầu cho cuộc cách mạng nghiên cứu tính chất vật liệu
bằng chùm điện tử
Từ công trình trên các hiện tượng phát xạ điện tử khác
cũng dần được phát hiện: Phát xạ quang điện tử, phát xạ tự
động và phát xạ điện tử thứ cấp.
Trong phạm vi báo cáo này, xin trình bày một số vấn đề
cơ bản về sự phát xạ nhiệt điện tử
Phần 1: Lý thuyết về sự phát xạ nhiệt điện tử
Phần 2: Các phương pháp làm tăng dòng phát xạ
Phần 3: Các phương pháp điều khiển chùm điện tử phát xạ
Phần 4: Các ứng dụng sử dụng chùm điện tử phát xạ
Mặc dù đã cố gắng, nhưng báo cáo chắc vẫn con nhiều
thiếu sót, mong Thầy và các bạn thêm phần góp ý
Để hoàn thành tốt báo cáo này, nhóm xin chân thành
cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo tận t ình của Thầy Lê Văn Hiếu.
TP HCM 05-2010
PH Ạ
M
T
H
A
N
H
T
Â
M

D
U
Y
N
H

T
V
Õ
N
G

C
T
H

Y
TR Ầ
N
TH Ị T
H
A
N
H
T
H

Y
MỤC LỤC
1 GIỚI THIỆU CHUNG ………………………………………………………………………… 1
1.1 Phát hiện đầu tiên: ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 1
1.2 Hiệu ứng Edison:………………………….. ………………………….. ………………………….. … 1
1.3 Định luật Richardson:………………………….. ………………………….. ………………………. 2
1.4 Lực ảnh điện của Schottky: ………………………….. ………………………….. ………………. 2
1.5 Sự tăng cường dòng phát xạ khi có điện trường ngoài (hiệu ứng Schottky): ……….. 2
1.6 Định luật Child-Langmuir về điện tích không gian: ………………………….. …………… 3
2 LÝ THUYẾT …………………………………………………………………………………….. 4
2.1 Lực ảnh điện của Schottky: ………………………….. ………………………….. ………………. 4
2.2 Phương trình phát xạ nhiệt điện tử của kim loại. Định luật Richardson: ………………… 5
2.3 Sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử:………………………….. ……………………….. 8
2.4 Ảnh hưởng của trường đối với dòng phát xạ:………………………….. ………………….. 10
3 ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TÍCH KHÔNG GIAN VỚI DÒNG PHÁT XẠ:……. 13
4 PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA CATHODE MÀNG MỎNG VÀ
CATHODE OXIDE …………………………………………………………………………………… 17
4.1 CATHODE MÀNG MỎNG………………………….. ………………………….. ……………. 17
4.2 CATHODE OXIDE ………………………….. ………………………….. ………………………. 23
4.3 KẾT LUẬN………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 26
5 SỰ TƯƠNG TỰ QUANG – CƠ …………………………………………………………. 27
6 QUỸ ĐẠO CỦA ELECTRON TRONG ĐIỆN TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG 30
6.1 Chuyển động của electron trong điện trường: ………………………….. …………………. 30
6.2 Chuyển động của electron trong từ trường: ………………………….. …………………….. 32
7 ỨNG DỤNG CỦA PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ ……………………………….. 34
7.1 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT –SEM ………………………….. ………………………. 34
8 ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY……………………………………………….. 48
8.1 Lịch sử của EBL………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 48
8.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI LITHOGRAPHY KHÁC NHAU…………………… 49
8.3 SƠ LƯỢC VỀ PHOTOLITHOGRAPHY ………………………….. ………………………. 51
8.4 LITHOGRAPHY CHÙM ĐIỆN TỬ ………………………….. ………………………….. … 52
8.5 VIẾT TRỰC TIẾP BẰNG CHÙM ĐIỆN TỬ………………………….. …………………. 53
8.6 PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ HẠN CHẾ GÓC ( SCALPEL- scattering with angular
limitation in projection beam lithography) ………………………….. ………………………….. ….. 59
8.7 ỨNG DỤNG ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 60
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com GIỚI THIỆU
PHẠM THANH TÂM 1
C
H
Ư
Ơ
N
G
1
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Sự phát xạ của các electron từ một chất đ ược nung nóng gọi là sự phát xạ nhiệt
điện tử
1.1 Phát hiện đầu tiên:
Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi Frederick Guthrie. Khi ông
đang nghiên cứu các vật thể mang điện tích , ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt
mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện tích . Ông cũng tìm thấy hiện
tượng tương tự đối với các quả cầu mang điện tích âm.
1.2 Hiệu ứng Edison:
Ngày 13-02-1880, Thomas Edison là người đầu tiên quan sát được sự bức xạ
electron của một sợi dây tóc bóng đèn đật trong chân không (
Hình 1.1).
Hình 1.1
Edison cũng đã thiết lập một vài thí nghiệm với các bóng đèn,
sợi dây tóc bóng đèn, các tấm kim loại và các lá kim loại. Thí
nghiệm được xây dựng gồm một sợi dây tóc bóng đèn và một lá
kim loại. Khi lá kim loại được được nối điện âm còn dây tóc nối
điện dương thì hoàn toàn không có dòng electron phát ra, nhưng
nếu nối lá kim loại mang điện tích dương thì xuất hiện dòng
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com GIỚI THIỆU
PHẠM THANH TÂM 2
C
H
Ư
Ơ
N
G
1
electron. Ông cũng phát hiện ra rằng dòng phát xạ tăng khi ông tăng hiệu điện thế. Và
hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Edison.
1.3 Định luật Richardson:
Theo sau Thomas Edison là Owen Willans Richardson, nhà vật lý người anh,
ông cũng bắt đầu nghiên cứu hiện tượng phát xạ nhiệt và đưa ra định luật phát xạ
nhiệt mang chính tên ông. Ông đã nhận giải Nobel và năm 1928 cho công tr ình
này.
0
2
0
kTJ A DT e
 ( 1.1)
Với :
1.4 Lực ảnh điện của Schottky:
Trong nhiều công trình quan trong của Schoottky về hiện tượng phát xạ nhiệt,
công trình quan trọng nhất là ông nhận thấy có một lực ảnh điện tại bề mặt ngăn
cản electron bức ra khỏi bề mặt.
2
24
eF
x
 (1.2)
Tuy nhiên biểu thức trên chỉ đúng với khoảng cách x rất lớn so với khoảng
cách giữa 2 nguyên tử, vì khi đó mới có thể coi bề mặt kim loại l à đồng nhất.
1.5 Sự tăng cường dòng phát xạ khi có điện trường ngoài (hiệu ứng
Schottky):
Trong các thiết bị phát xạ electronm đặc biệt l à súng electron, để tăng dòng
electron phát xạ ta áp một điện trường mạnh khoảng 108 V.m-1. Trường này sẽ
cung cấp cho electron thêm năng lượng ∆W để vượt qua rào thế tại bề mặt. Hay
nói cách khác là giảm rào thế tại bề mặt đi một lượng ∆W. Khi đó phương trình
Richardson được viết lại:
0
2
0
W
kTJ A DT e
  (1.3)
Với
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com GIỚI THIỆU
PHẠM THANH TÂM 3
C
H
Ư
Ơ
N
G
1
1.6 Định luật Child-Langmuir về điện tích không gian:
Khi một kim loại được đặt trong chân không và nung nóng ở nhiệt độ cao để
tạo ra dòng phát xạ. Khi phát xạ sẽ tạo ra trên bề mặt cathode một vùng mang điện
tích âm, vùng điện tích âm này sẽ cảm ứng các điện tích dương trên bề mặt kim
loại tạo thành một điện trường có tác dụng ngăn cản các electron bức ra khỏi bề
mặt kim loại. Khi dòng electron bức xạ càng lớn thì trường tạo ra do điện tích
không gian càng lớn, đến một lúc nào đó thì dòng phát xạ sẽ bão hòa.
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 4
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
2 LÝ THUYẾT
2.1 Lực ảnh điện của Schottky:
Mỗi cm3 kim loại thường chứa khoảng 1023 điện tử tự do chuyển động bên
trong nó, do vậy chúng liên tục đập lên bề mặt kim loại, nhưng chúng không thể
thoát khỏi kim loại. Điều đó chứng tỏ có một lực cản tác động ngăn cản điện tử
thoát khỏi kim loại.
Theo Schottky, dựa vào lực tĩnh điện, ông giải thích rằng khi kim loại nằm
cách bề mặt một khoảng cách x th ì nó sẽ bị tác động bỏi một lực ảnh điện đ ược
xác định bởi công thức:
2
24
eF
x
 (CGS) (2.1)
Nếu những điện tử nhanh trong kim loại một cách gần đúng có thể xem l à tự
do thì gần bề mặt khi chúng bay ra khỏi lớp giới hạn biên của nút mạng tinh thể sẽ
bị hút làm chúng quay trở lại vào trong kim loại. Quá trình bay ra bay vào của
điện tử cũng xảy ra ngay cả ở nhiệt độ 0(K) v ì lúc này điện tử vẫn chuyển động
trong kim loại.
Như vậy, trên biên kim loại sẽ thành lập 2 lớp điện, 2 lớp này sẽ tạo ra một lực
điện trường ngăn cản điện tử bay ra khỏi kim loại.
Schottky giả thuyết hai lớp điện tử đó nh ư một tụ điện phẳng đặt cách nhau một
khoảng cách a. Khi đó, cường độ trường trong khoảng từ 0 đến a có thể xem nh ư
là không đổi
Để thoát khỏi kim loại, điện tử phải thực hiện một công bằng:
2 2
0 2 2
0 0
2 2 2
2 2 2
W
4 4
4 4 2
a
a
e eFdx dx dx
a x
e e e
a a a
 
  
  
  
(2.2)
Đại lượng W0 đặc trưng cho độ cao toàn phần của hàng rào thế năng của điện
tử trên bề mặt kim loại và được gọi là công thoát toàn phần của điện tử.
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 5
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Chỉ có những điện tử nào có động năng vượt qua rào thế trên mới có thể thoát
khỏi kim loại, tức là:
2
02
mv W (2.3)
2.2 Phương trình phát xạ nhiệt điện tử của kim loại. Định luật Richardson:
Trong kim loại, điện tử là:
+ Các hạt không khác biệt ( tức là tuân theo cơ học lượng tử)
+ Có nồng độ lớn
+ Có spin ( tức là tuân theo nguyên nguyên lý loại trừ Pauli
Do vậy, sự phân bố của điện tử theo năng lượng trong thể rắn được biểu diễn
bởi phân bố Fermi-Dirac.
( )
1( )
1
FW
kT
f W
e


(2.4)
Đây chính là xác suất lấp đầy của điện tử trong trạng thái có mức năng l ượng
W, với F là năng lượng mức Fermi.
Ta lại có mật độ mức năng lượng W trong kim loại
3
2
3
2 (2 )( ) mN W W
h
 (2.5)
Từ (2.4) và (2.5) ta có, Mật độ điện tử nhận mức năng lượng W là:
3
2
( )3
( ) 2 ( ) ( )
4 (2 )
1
FW
kT
dN W N W f W dW
m W dW
=
h
e





(2.6)
Hay phân bố theo vận tốc:
3
3
2( , , , )
1
F
x y z
x y z W
kT
dv dv dvmdn v v v =
h
e


(2.7)
Gọi vx là thành phần vận tốc có hướng vuông góc với bề mặt kim lo ại, thì số
điện tử đập lên một đơn vị điện tích bề mặt trên một giây là:
2 2 2
3
3 ( )
2
2( , , , )
1
     

x y z F
x y z
x x y z x m
v v v
kT
dv dv dvmdn v v v = v
h
e
(2.8)
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 6
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Để tìm số điện tử thoát ra khỏi kim loại, cần phải lấy tích phân từ  đến 
theo vy và vz đồng thời vx phải thỏa mãn điều kiện () đến 
Để tính tích phân hai lớp của biểu thức tr ên ta dùng hệ tọa độ cực:
2 2 2
cos
sin
;
y Z
y
z
y z
v
v
v v dv dv d d
 
 
   


  
(2.9)
Khi đó:
2 2 2 2 2
2
( ) ( )0 02 2
0
1 1
2
1
x y z F x F
y z
m m
v v v v
kT kT
y
dv dv dd
e e
kT dy
m e

  

 

 
              



 
 
   

(2.10)
Với
2
2
m kTy d dy
kT m
    
`
Wx F
kT
  ;
2
W
2
x
x
mv
Ta tiếp tục đặt y yZ e dZ e dy    
0
ln ln
1 ( 1) 1 1
ln(1 )
ln(1 )
x F
y
ee
W
kT
dy dZ Z e
e Z Z Z e
e
e


 


 



      
 
 
  
(2.11)
Kết quả ta có:
( )
2 ln(1 )
1
x F
F
W
y z kT
W
kT
dv dv kT
e
m
e


 


 

  (2.12)
Thế vào (2.8) ta có:
3
4( ) ln(1 )
x FW
kT
x x
mkTdN W = e dW
h
 
Đây chính là số điện tử có năng lượng từ Wx đến Wx+dWx từ trong kim loại đi
đến một đơn vị diện tích bề mặt trên một giây theo hướng x vuông góc với bề mặt.
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 7
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Do vậy mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử có dạng:
0W
(W )xJ e dN

  (2.13)
Ta biết rằng, theo quan niệm cổ điển, khi điện tử chuyển động đến bề mặt ,
nếu chúng đủ năng lượng chắc chắn chúng sẽ vượt qua rào thế năng mà phát xạ.
Tuy nhiên, theo cơ học lượng tử không phải tất cả các điện tử đó đều v ượt qua rào
vì xác suất phản xạ của chúng tại rào thế có thể khác 0. Hệ số truyền qua của r ào
D của điện tử phụ thuộc vào năng lượng của điện tử so với độ cao của r ào thế năng
W0.
Do đó, để có kết quả chính xác cần phải đ ưa hệ số D như hàm số của năng
lượng của điện tử vào biểu thức (2.13), rồi sau đó mới lấy tích phân. Nh ưng bài
toán như vậy rất khó khăn vì D = f(W) là một hàm rất phức tạp. Do đó, để đơn
giản ta chỉ lấy trung b ình của D:
0
0
W
W
3
W
(W )
4 ln(1 )
x F
x
kT
x
J De dN
mekTD e dW
h


 

 


(2.14)
Trong đa số các kim loại, công thoát hiệu dụng 0 0(W )F   và khoảng
4eV. Còn đại lượng kT ngay cả với nhiệt độ t ương đối cao (T=2,510.103K) cũng
chỉ bằng:
3
23
19
2,510.10kT 1,38.10 0.2
1,6.10
eV   (2.15)
Như vậy:
0W 20F
kT
  (2.16)
Nên
0W
1
F
kTe

Do đó:
0 0W W
ln 1 …
F F
kT kTe e
      
(2.17)
Cuối cùng ta được:
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 8
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
0
0
W
3
W
W2
2
3
4
4




 



 x F
F
kT
x
kT
mekTJ D e dW
h
mekD T e
h
(2.18)
Thế 0 0(W )F   vào ta được:
0
2
0
kTJ A DT e
 (2.19)
Đây chính là phương tr ình phát xạ nhiệt điện tử đối với kim loại của Richardson
Hệ số A0 là hắng số đối với tất cả các kim loại
 
2
4
0 3 2
4 120.10
.
mek AA
h m ñoä
(2.20)
Còn hệ số D thì hoàn toàn khác nhau đối với từng kim loại.
Phương trình (2.19) cho ta biết được sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với dòng phát
xạ nhiệt điện tử
2.3 Sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử:
Bây giờ ta sẽ tìm hàm phân bố của nhiệt điện tử phát xạ theo vận tốc của
chúng.
Ta biết hàm phân bố Fermi-Dirac có dạng:
1( )
1
FW
kT
F E
e


(2.21)
Nhưng đối với những điện tử có vận tốc lớn th ì ta có:
0W W

0W
1
F
kTe

Nên
W
1
 F
kTe
Khi ấy (2.21) được viết lại:
( )
F W
kT kTF E e e
  (2.22)
Do đó đối với những điện tử nhanh sẽ có dạng h àm phân bố Boltzmanm.
Từ (2.7) ta có hàm phân bố theo vận tốc của điện tử nhanh trong kim loại:
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 9
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
3
3
2( , , , )
 

F W
kT kT
x y z x y z
W
kT
x y z
mdn v v v = e e dv dv dv
h
Ce dv dv dv
(2.23)
Với
3
3
2 FkTmC e
h


Vậy, số điện tử đi đến một đơn vị diện tích bề mặt trên một giây:
2 2 2( )
2( , , , )
  x y zm v v v
kT
x x y z x x y zdn v v v =Cv e dv dv dv (2.24)
Và số điện tử thoát ra khởi kim loại bằng:
2 2 2( )
‘ 2( , , , )
  x y z
x
m v v v
kT
x y z x x y zdn v v v =CDv e dv dv dv
Gọi , ,x y zu u u là các thành phần vận tốc của điện tử khi thoát khỏi kim loại:
Các thành phần ,y zu u của điện tử phát xạ cũng bằng vận tốc ,y zv v của nó trong
kim loại. Do vậy, còn thành phần vận tốc xu sau khi bay ra khỏi kim loại sẽ thỏa
mãn điều kiện:
2 2
02 2
x xmu mv W  (2.25)
Từ đây ta có: x x x xu du v dv
Khi đó:
2 2 2
0 ( )
‘ 2( , , , )
   x y z
x
m u u uW
kT kT
x y z x x y zdn u u u =CDu e e du du du (2.26)
Do vậy, sự phân bố theo vận tốc nhiệt của điện tử phát xạ:
2 2 2( )
2( , , , )
  x y zm u u u
kT
x y z x y zdn u u u =LDe du du du (2.27)
Với
0W
kTL Ce

Thế
3
3
2 FkTmC e
h

 vào ta được:
03
3
2 F WkT kTmL e e
h
  (2.28)
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 10
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Như đã biết, hệ số truyền qua D ở kim loại gần bằng 1 ngay cả với những điện tử
phát xa có năng lượng không lớn hơn W0 là mấy. Khi đó, có thể xem D không
phụ thuộc vào năng lượng của điện tử phát xạ cũng nh ư các nhiệt điện tử phát xạ
có hàm phân bố theo Maxwell-Boltzmanm.
2.4 Ảnh hưởng của trường đối với dòng phát xạ:
Theo Schottky lực ảnh điện tại bề mặt có dạng:
2
2( ) 4
eF x
x
với x a (2.29)
Do đó, công của lực điện tử để vượt qua lực cản F trên là:
0 ( )
b
A F x dx


  (2.30)
Với b là khoảng cách nào đó trong kim loại mà ở đó lực F = 0
Khi giải thích điều này Schottky không cần dạng biến đổi của điện tr ường khi
x a , tức là khi cách bề mặt kim loại một khoảng bằng hằng số mạng tinh thể.
Khi áp điện trường ngoài theo hướng gia tốc điện tử phát xạ. Do đó, lực tác động
toàn phần lên điện tử phát xạ:
( ) ( )EF x F x eE  (2.31)
Lực ( ) 0EF x  chỉ đến khoảng cách kx x , tại vị trí kx x thì lực ảnh điện
triệt tiêu với điện trường ngoài nên ( ) 0EF x  . Do đó, công của lực điện tử để
vượt qua lực cản
( )
kx
E
b
A F x dx

  (2.32)
Giá trị xk được xác định bởi phương trình:
2
2( ) 04 k
E
eF x eE
x
   (2.33)
Nên 1
2k
ex
E
 (2.34)
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 11
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Công thức (2.32) được viết lại;
0
( ( ) ) ( ) ( )
k k
k
x x
b b x
A F x eE dx F x dx F x dx eEdx
 
 
        (2.35)
2
0 04 kk
eA A eEx A e eE
x
     (2.36)
Từ đây ta kết luận điện trường, công của điện tử phải chống lại lực cản của lực
ảnh điện sẽ giảm một lượng:
0A A A e eE    (2.37)
Do đó, biểu thức tổng quát của công thoát hiệu dụng khi có mặt điện tr ường
ngoài là:
0 0E A e eE       (2.38)
Và mật độ dòng phát xạ khi có điện trường ngoài là:
2
0
0


E
kT
E
e eE
kT
J A DT e
J e
(2.39)
Với J0 là mật độ dòng phát xạ khi không có điện trường ngoài
Từ đây ta có:
0
ln E
J e eE
J kT
 (2.40)
Hay
0
log 1,906E
J E
J T
 (2.41)
Đối với diode phẳng ta có : b
V
E
d

Với d là khoảng cách giữa 2 điện cực.
Khi đó (2.41) được viết lại:
0
1,906log bE
VJ
J Td
 (2.42)
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ LÝ THUYẾT PHÁT XẠ NHIỆT
PHẠM THANH TÂM 12
C
H
Ư
Ơ
N
G
2
Hình 2.1 Sự phụ thuộc của dòng phát xạ nhiệt vào điện trường và nhiệt độ của cathode
Như vậy, nếu điện trường E không bị ảnh hưởng bởi điện tích không gian. Th ì
rõ ràng log(JE/J0) phải phụ thuộc bậc nhất vào bV và độ dốc của đường này tỉ lệ
nghịch với nhiệt độ T của cathode (Hình 2.1).
Do vậy, nếu muốn dòng phát xạ nhiệt tăng ta có thể không cần nung nóng
cathode quá cao mà ch ỉ cần tăng điện thế V b lên. Điều này rất có lợi cho các
cathode không chịu được nhiệt độ cao.
Lý thuyết trên không còn phù hợp với thực nghiệm tại x k vì khi đó điện trường
đây rất mạnh (~3.106 V.cm-1). Tuy nhiên, với điện lớn như vậy thì đã xuất hiện
dạng phát xạ mới: phát xạ tự động.
1T
2 1T T
3 2T T
0
log E
J
J
bV
PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ ĐI ỆN TÍCH KHÔNG GIAN
PHẠM THANH TÂM 13
C
H
Ư
Ơ
N
G
3
3 ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TÍCH KHÔNG
GIAN VỚI DÒNG PHÁT XẠ:
Khi xảy ra sự phát xạ điện tử từ cathode về anode, điện tích không gian sẽ cảm
ứng những điện tích dương với mật độ như nhau tại 2 điện cực (
Hình 3.1). Đường sức của điện trường gây nên bởi các điện tử này sẽ bắt đầu từ
các bề mặt cathode và anode. Do vậy trị tuyệt đối của điện trường tại anode và
cathode sẽ lớn nhất. 0 (0) 0  và 0 ( ) 0d  .
Hình 3.1 Vùng điện tích không gian giữa 2 bản điện cực anode và cathode
Vì ( )x hàm liên tục nên nó phải bằng 0 tại vị trí x = xm nào đó giữa 2 bản
điện cực. Do đó thế tại V(xm) = Vm là cực tiểu tương ứng với thế tại tại xm đạt giá
trị cực đại (Hình 3.2).
Hình 3.2 Sơ đồ điện trường, th

[block id=”bo-sung”]

Từ khóa: Đề tài Phát xạ nhiệt điện tử

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *