Туннельная эмиссия (автоэлектронная, холодная, электростатическая, полевая), испускание электронов твёрдыми и жидкими проводниками под действием внешнего электрического поля Е высокой напряжённости (Е ~ 10⁷ в/см). Туннельная эмиссия была обнаружена в 1897 Р. Вудом (США). В 1929 Р. Милликен и К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j Туннельная эмиссия от обратной напряжённости электрического поля: 1/Е. В 1928—29 Р. Фаулер и Л. Нордхейм дали теоретическое объяснение Туннельная эмиссия на основе туннельного эффекта. Туннельная эмиссия — результат туннельного «просачивания» электронов сквозь потенциальный барьер, существующий на границе проводник — вакуум (или др. среда). Сильное электрическое поле снижает этот барьер и делает его достаточно проницаемым (то есть относительно тонким и невысоким). Распространённый термин «автоэлектронная эмиссия» отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных др. видам электронной эмиссии. В зарубежной литературе принят термин «полевая эмиссия» (field emission).

  Плотность тока Туннельная эмиссия j составляет часть плотности потока электронов n, падающих изнутри проводника на барьер, и определяется прозрачностью барьера D: . (1)

  Здесь d — доля энергии электрона, связанная с компонентой его импульса, нормальной к поверхности проводника, Е — напряжённость электрического поля у поверхности, е — заряд электрона. Из формулы (1) следует зависимость j от концентрации электронов в проводнике и их энергетического спектра, а также от высоты и формы барьера, определяющих его прозрачность D.

Наиболее полно изучена Туннельная эмиссия металлов в вакуум. В этом случае величина j следует закону Фаулера — Нордхейма:  (2)

  Здесь h — Планка постоянная, m — масса электрона, j — потенциал работы выхода металла, t (y) и J(y) — табулированные функции аргумента . Подставив значения констант и положив t ²(y) » 1,1, а J(y) » 0,95—1,03 y ², получим из формулы (2) приближённое соотношение:  (3)

(величины j, Е и j соответственно в а/см², в/см и эв). Значения lg j для некоторых Е и j приведены в таблице.

j = 20		j = 4,5		j = 6,3
Е •10–7	lg j	Е •10–7	lg j	Е •10–7	lg j
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6	2,98 4,45 5,49 6,27 6,89 7,40 7,82 8,16 8,45	2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0	–3,33 1,57 4,06 5,59 6,62 7,36 7,94 8,39 8,76 9,32	2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0	–12,90 –0,88 3,25 5,34 6,66 7,52 8,16 8,65 9,04 9,36

  Формула (2) получена в предположениях, что температура Т = 0 К и что вне металла в отсутствие поля на электроны действуют только силы зеркального изображения (см. Работа выхода). Форма потенциального барьера для этого случая показана на рис. 1. Прозрачность барьера D может быть рассчитана по методу Венцеля — Крамерса — Бриллюэна. Несмотря на упрощения, теория Фаулера — Нордхейма хорошо согласуется с экспериментом.

Рис. 1. Потенциальная энергия u электрона вблизи поверхности металла (х — расстояние от поверхности); Е₁ — в отсутствии электрического поля; Е₂ — в однородном внешнем электрическом поле; Е₃ — суммарная потенциальная энергия электрона; Е_F — энергия Ферми металла; Х₂ — Х₁ — ширина потенциального барьера в присутствии поля.

  На практике обычно измеряют зависимость тока I = jS (S — площадь эмитирующей поверхности) от напряжения V:Е = aV (a — так называемый полевой множитель). Туннельная эмиссия металлов характеризуется высокими предельными плотностями тока до величин j ~ 10¹⁰а/см², что объясняется теорией Фаулера — Нордхейма. Лишь при j ~ 10⁶—10^-9а/см²имеют место отклонения от формулы (2), связанные с влиянием объёмного заряда или же с деталями формы потенциального барьера вблизи поверхности металла. Неограниченное повышение напряжения приводит при j ~ 10⁸—10¹⁰а/см² к электрическому пробою вакуумного промежутка и гибели эмиттера, которому предшествует интенсивная кратковременная взрывная эмиссия электронов.

  Туннельная эмиссия слабо зависит от температуры. Малые отклонения от формулы (2) с ростом температуры Т пропорциональны T²: . (4)

  Формула (4) верна с точностью до 1% для приращений тока £ 18%. Для больших изменений тока применяют более громоздкие формулы и графики, рассчитанные на ЭВМ. С ростом температуры и понижением Е так называемая термоавтоэлектронная эмиссия смыкается с термоэлектронной эмиссией, усиленной полем (Шотки эффектом).

Энергетический спектр электронов, вылетающих из металла при Туннельная эмиссия, узок (рис. 2).

Рис. 2. Энергетический спектр электронов, испускаемых при туннельной эмиссии для разных температур Т и электрических полей Е; j = 4,5 эв.

  Полуширина s распределения электронов по полным энергиям E (в эв) при Т = 0 К определяется формулой:  (5)

  При j = 4,4 эв s изменяется от 0,08 до 0,2 эв (для изменений j от 0 до 7). С повышением Т s_Т возрастает, в частности при 300 К (и тех же изменениях j) s_Тизменяется от 0,17 до 0,3 эв. Характер энергетического распределения электронов отклоняется от теоретического в случае сложной конфигурации Ферми поверхности или при наличии на поверхности металла адсорбированных атомов (особенно неметаллических). Если на поверхности металла есть адсорбированные органические молекулы (или их комплексы), то электроны проходят сквозь них, они играют роль волноводов для соответствующих волн де Бройля. При этом наблюдаются типичные для волноводов распределения электронной плотности по сечению волновода. Энергетические спектры электронов в этом случае отличаются аномалиями.

  Отбор тока при низких температурах приводит к нагреву эмиттера, так как вылетающие электроны уносят энергию в среднем меньшую, чем Ферми энергия, тогда как электроны, вновь поступающие в металл, имеют именно эту энергию (Ноттингема эффект). С возрастанием Т нагрев сменяется охлаждением (инверсия эффекта Ноттингема) при переходе через некоторую температуру, соответствующую симметричному (относительно энергии Ферми) распределению вышедших электронов по полным энергиям. При больших токах, когда эмиттер разогревается джоулевым теплом, инверсия эффекта Ноттингема (частично) препятствует лавинному саморазогреву и стабилизирует ток Туннельная эмиссия

  Автоэлектронные эмиттеры изготавливают в виде поверхностей с большой кривизной (острия, лезвия, шероховатые края фольги и т.п.). В случае, например, острий с радиусом закругления 0,1—1 мкм напряжения ~ 1—10 кв обычно бывает достаточно для создания у поверхности острия поля Е ~ 10⁷в/см. Для отбора больших токов применяются многоострийные эмиттеры.

  Стабильность тока Туннельная эмиссия обеспечивается постоянством распределения j и a вдоль поверхности эмиттера. Обе величины могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов как посторонних веществ, так и материала эмиттера. Локальные a возрастают при миграции материала поверхности в присутствии сильного электрического поля. В пространстве катод — анод и на поверхности анода электронный пучок создаёт положительные ионы, которые бомбардируют эммитер, разрушая его поверхность. Поэтому повышение стабильности Туннельная эмиссия связано с улучшением вакуума и очисткой электродов, использованием импульсного напряжения, умеренным подогревом эмиттера для защиты от адсорбции остаточных газов и заглаживания дефектов в местах удара ионов. В сверхвысоком вакууме (где поверхность эмиттера остаётся чистой в течение часов или суток) была исследована Туннельная эмиссия монокристаллов практически всех тугоплавких металлов, а также химических соединений с металлической электропроводностью ZrC, LaB₆ и др. Наиболее полно изучена Туннельная эмиссия W, Мо и Re.

  Применения Туннельная эмиссия металлов связаны с возможностью получения больших токов либо интенсивных электронных пучков. Холодные металлические катоды перспективны и используются в сильноточных устройствах: для получения рентгеновских вспышек или электронных пучков, выводимых наружу сквозь тонкую фольгу; для накачки в квантовых генераторах; для формирования электронных сгустков при коллективном ускорении тяжёлых ионов (см. Ускорители заряженных частиц). Нелинейность вольтамперной характеристики приборов с Туннельная эмиссия используется в умножителях частоты и смесителях, в усилителях и детекторах сигналов СВЧ и т.д. Автоэлектронный эмиттер как интенсивный точечный источник электронов применяется в растровых электронных микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и электронной микроскопии, в рентгеновских микроанализаторах и электроннолучевых приборах высокого разрешения. Автоэлектронные катоды перспективны в микроэлектронике и как чувствительные датчики изменения напряжения. Важное значение имеет также Туннельная эмиссия из металла в диэлектрик (см. Диэлектрическая электроника). Сочетание автоэлектронного эмиттера и анода, совмещенного с люминесцирующим экраном, образует эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать угловое распределение электронов Туннельная эмиссия с острия при увеличении ~ 10⁵—10⁶ и разрешающей способности 20—60 Å (см. Электронный проектор).

Туннельная эмиссия полупроводников изучена менее полно. Она характеризуются более сложными зависимостями плотности тока j от поля Е и j и энергетических спектров электронов. При Туннельная эмиссия полупроводников электрическое поле, проникая в кристалл, смещает энергетические зоны и локально изменяет концентрации носителей заряда и их энергетические распределения. Кроме того в полупроводниках концентрация электронов проводимость меньше, чем в случае металлов, что ограничивает величину j. Внешнее воздействия, сильно влияющие на концентрацию электронов (температура, освещение и др.), также заметно изменяют j. Вольтамперные зависимости j (E) и энергетические спектры электронов отражают зонную структуру полупроводников. Ток, текущий через полупроводник, может перераспределять потенциал на образце и влиять на энергетическое распределение электронов.

  Туннельные полупроводниковые эмиттеры, реагирующие на свет, перспективны как чувствительные приёмники инфракрасного излучения. Многоострийные системы таких эмиттеров могут служить основой для мозаичных систем в преобразователях инфракрасных изображений. В некоторых случаях, когда вольтамперные характеристики полупроводника всецело определяются его объёмными свойствами, j слабо зависит от Е и j. При этом точечный не накаливаемый источник электронов может длительно и стабильно работать даже в относительно невысоком вакууме.

 

  Лит.: Wood R. W., «Phus. Rev.», 1897, v. 5,.№ 1; Millikan R. A., Lauritsen С. С., «Phys. Rev.», 1929, v. 33, № 4, р. 598; Fowler R. H., Nordheim L., «Proc. Poy. Soc.», 1928, ser. A, v. 119, № 781, p. 173; Nordheim L., «Phys. Zs.», 1929, № 7, s. 177; Елинсон М. И., Васильев Г. Ф., Автоэлектронная эмиссия, М., 1958; Ненакаливаемые катоды, под ред. М. И. Елинсона, М., 1974; Фишер Р., Нойман Х. Автоэлектронная эмиссия полупроводников, пер. с нем., М., 1971.

  В. Н. Шредник.