物理电子发射理论PPT演示文稿

1、1物理电子发射理论(第一讲）2前言电子发射： 是研究从固体中发射电子的现象和规律，以及发射电子所带有的结构和成分信息的学科。3物质是由原子组成的，原子是由绕核运动的电子组成的。 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10221024个电子。 电子是物质的基本粒子之一。4 研究物质的电子结构，电子与物体的作用，与电磁场的作用，与其它粒子（各种基本粒子、离子、原子、分子、光子等）的作用是物理学的基本任务。 物理电子学所涉及问题的广泛性和深刻性： 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、

2、表面电子学、薄膜电子学、电子能谱学、真真空电子学空电子学和分子电子学等。5 真空电子学主要研究电子在真空中的特性及运动规律。 电子发射主要研究电子如何从固体中逸出进入真空的规律。6 200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实验； 1887年，hertz 发现光电子发射； 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的科学。7电子发射也是一门还在发展的学科。 衡量一门学科是否成熟的根据： 1、它的基本学科问题是否完全被认识了，即其学科的基本理论问题是否解决了； 2、它的应用范围是否完全稳定，其功能材料和器件的主要指标是否已经达到最

3、高水平，是否还具有新的应用领域。 电子发射是一门年轻的科学。8研究电子发射在科学和技术发展史上起过重要作用： x射线是在研究电子发射现象中发现的，使科学发展进入了量子物理时代； 19世纪末期，发现了磷光效应； 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”。9油滴实验： 1910年，millikan做了著名的“油滴实验”测量了电子电荷、电子质量和电子的荷质比： 确定了电子的电荷是电量的最小单位，从此人们认识了电子。kgcmegmce/10759. 1/10107. 910602. 111281910 电子的质量很小，因此他有很大

4、的荷质比，其值是氢原子的1840倍。 荷质比大，电子束在电磁场中容易被聚焦、偏转和加速，利用这些性质可以执行各种复杂的任务，制成性能优越的电子束器件和设备。 显像管、摄像管、示波管、图像增强器、光电倍增管、高速开关管、存储管和发射管等。11 电子具有波动性和粒子性：电子具有波动性和粒子性： 在加速器中，用加速到极高能量的电子束轰击原子核和其它粒子，进行高能物理的各种现象的研究。极高能电子束可以穿透大气，射向远方，成为一种粒子武器。 / 100kv 0.37nm.0.1nmh mvhmv波长是普朗克常数， 是电子质量， 是电子速度。用电压加速电子，其电子波长该波长是可见光波长的十万分之一，电子显

5、微镜的分辨率接近12 各种电子束器件和设备都是利用从固体中发射电子的电子源，电子发射是这些器件和设备的基本条件。13要实现电子发射，一般要有两个条件：要实现电子发射，一般要有两个条件： 真空环境：保证从固体发射出来的电子不致遭到其他气体分子的碰撞而返回阴极。 能量和电场：固体中的电子要摆脱固体的束缚，必须要获得能量。14 四种电子发射类型：四种电子发射类型： 加热使电子从固体中发射出来热电子热电子发射；发射； 用光照射固体，光子能量激发电子引起发射光电发射光电发射； 用一定能量的电子轰击固体而发射电子次级电子发射；次级电子发射； 加很强的电场，使固体表面势垒降低、变窄，而使电子发射出来场致电子

6、发射。场致电子发射。15第一章第一章 热电子发射热电子发射16 引言引言 定义：固体在热状态下发射电子的现象称为热电子发射。17 edison观察到热电子发射现象，发明了白炽灯，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、二极管具有单向导电特性 18 这一章主要讨论热电子发射理论，包括金属和半导体的电子状态，金属的热电子发射公式，半导体的热电子发射公式，热电子的动量和能量分布，外电场对热电子发射的影响。191 、金属中的电子、金属中的电子 1900年，p.drude首先提出了金属的自由电子论：晶格内部有与晶格点阵处于热平衡的“

7、自由电子”，自由电子可以在金属中自由运动。 20 1928年，a.sommerfeld从量子力学观点阐明了金属的自由电子模型：金属内部的自由电子遵从费米-狄拉克统计分布，在金属表面存在足够高的势垒，如果把电子从金属内部移到外部，要做相当的功。 本节讨论金属内部自由电子的状态、动量、能量及其统计分布。 21 1.1 金属的索末菲自由电子模型金属的索末菲自由电子模型 核的势场逐渐减弱。们可以看到，远离原子从孤立原子的势能图我时，层电子半径的元素的是当；个电子所屏蔽，则的层时，核电场被层电子的半径是当为常数。，其势能函数为建立的库仑场，子核电荷时，存在一个由整个原层电子轨道半径是电子靠近原子核，即

8、/10103/2zkr 2c / 122k2rezcevmzrrrrrezcevlrrrrzecevzekrrrmmlllkk22的平均势场叠加的结果其它价电子以近似为单原子势场和的势场可小，而外壳层电子所处变化很固体中内壳层电子轨道化运动。称为共有在相似的轨道上运动，子可以当很多原子靠近，价电 23 只考虑金属在x方向的原子排列产生的共有化运动。价电子不仅受点阵的正离子的作用，也要受其它电子的作用，把两个场的作用看成是一个平均场的作用，这样就可以把一个电子看成一个在电场中作自由运动的电子。 24索末菲自由电子模型：索末菲自由电子模型： 金属中的价电子是处在一个近似的均匀势场中作自由运动。 个

9、“平底的势垒箱”。这块晶体就可以看成一，如此假定，即描述电子的波函数子，在金属外部找不到电即势能函数，相等，将势能底定为零金属内部价电子的势能lxxxlx0000 xv 251.2 金属中自由电子的动量与能量金属中自由电子的动量与能量 222222 1 ,8 0 1.1 ,0,0,8 0 mxev xxhv xxlmxexh动量空间电子状态根据索末菲自由电子模型 要确定电子在在金属内部的状态 可求解薛定谔方程在金属内部所以方程变为 222222222 1.2222,1.2 40 1.3 ,pmvhk,ep / mh k/ m,kme /hdxkx dx引进波矢因为所以代入式得26 .,1.5

10、4 . 1, 0,0,1.4 2222为波矢是一平面波自由电子的波函数一样电子的波函数与真空中金属中共有化运动的价变为式得有时当利用索末菲模型解为keeaxbabaxbeaexkxikxikxikxi27 1.7 1 lx 1.6 ., :born-karman 0,: 2222223kliklilxkilxkikxikxieeeeaeeaxlxxlllx必然有即则有状态面波来描述电子的运动仍然可以用周期性的平周期场运动自由电子在无限大的的立方体排列延展开去既有无数个体积为晶体有无穷多个同样在有限晶体边界之外仍假设再利用利用第二个边界条件28能量也是量子化的。能量：立的，量子化的。即动量是不连

11、续的，分的动量为：所以，金属中自由电子，为正、负整数，即，式的结果是：满足2222222/2/2/ 3210 / 1.7 mlnhmkhmpenlhkhpnlnknnkl 29222222222222 1.8 yxyyxxykxkiykxkinnmlhmkhmpenlhpnlhpeeayxyxyx能量：，动量：，对二维波函数：301.10 222 1.9 2222222222zyxzzyyxxzkykxkizkykxkinnnmlhmkhmpenlhpnlhpnlhpeeazyxzyxzyx能量：，动量：，对三维波函数：313233 ekek金属中的电子是量子化的，只能取不连续的分立值， 同

12、的关系是分立的点连成的抛物线。但在实际处理问题时，通常总是考虑电子数很多的情况，电子的动量、能量相邻值之间的差别非常小，可以把关系看成连续的。34，但具有同一能级。虽然代表不同的波函数，对应：一个能级有许多电子态112121211 zyxnnn35 一个能级对应于几个电子态，称这个能级是间并的，对应于几个电子态，称该能级为几重间并。36 3333 2 pouli/ 2/xxxyyyzzzh lhlhlppdpppdpppdp动量空间电子态密度根据不相容原理，在每一个动量空间的格点上，能容纳两个自旋方向相反的电子，即每一个动量矢量终端对应自旋不同的两个量子态，这样构成一个立方点阵。点阵的长度元为，体积元为，因此动量空间中单位体积的状态数为：，处在动量空间，中的量子33332 1.11/pxyzldndp dp dphlh数为：