物理電子發(fā)射理論P(yáng)PT演示文稿

1、1物理電子發(fā)射理論(第一講）2前言電子發(fā)射： 是研究從固體中發(fā)射電子的現(xiàn)象和規(guī)律，以及發(fā)射電子所帶有的結(jié)構(gòu)和成分信息的學(xué)科。3物質(zhì)是由原子組成的，原子是由繞核運(yùn)動的電子組成的。 氫原子（h）：1個電子 鐒原子（lw）：103個電子 1cm3固體中： 約1022個原子，約含有10221024個電子。 電子是物質(zhì)的基本粒子之一。4 研究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，電子與物體的作用，與電磁場的作用，與其它粒子（各種基本粒子、離子、原子、分子、光子等）的作用是物理學(xué)的基本任務(wù)。 物理電子學(xué)所涉及問題的廣泛性和深刻性： 固體電子學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、微電子學(xué)、波譜電子學(xué)、量子電子學(xué)、光電子學(xué)、氣體電子學(xué)、等離子電子學(xué)、

2、表面電子學(xué)、薄膜電子學(xué)、電子能譜學(xué)、真真空電子學(xué)空電子學(xué)和分子電子學(xué)等。5 真空電子學(xué)主要研究電子在真空中的特性及運(yùn)動規(guī)律。 電子發(fā)射主要研究電子如何從固體中逸出進(jìn)入真空的規(guī)律。6 200多年以前，摩擦帶電現(xiàn)象； 1883年，edison 在真空燈泡中做了熱電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)； 1887年，hertz 發(fā)現(xiàn)光電子發(fā)射； 經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展完善時期，近代物理學(xué)還沒有建立。 電子發(fā)射是一門較老的科學(xué)。7電子發(fā)射也是一門還在發(fā)展的學(xué)科。 衡量一門學(xué)科是否成熟的根據(jù)： 1、它的基本學(xué)科問題是否完全被認(rèn)識了，即其學(xué)科的基本理論問題是否解決了； 2、它的應(yīng)用范圍是否完全穩(wěn)定，其功能材料和器件的主要指標(biāo)是否已經(jīng)達(dá)到最

3、高水平，是否還具有新的應(yīng)用領(lǐng)域。 電子發(fā)射是一門年輕的科學(xué)。8研究電子發(fā)射在科學(xué)和技術(shù)發(fā)展史上起過重要作用： x射線是在研究電子發(fā)射現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的，使科學(xué)發(fā)展進(jìn)入了量子物理時代； 19世紀(jì)末期，發(fā)現(xiàn)了磷光效應(yīng)； 1876年，goldstein稱磷光效應(yīng)是“陰極射線”；“負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)”； stoney稱“負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)”是“電子”。9油滴實(shí)驗(yàn)： 1910年，millikan做了著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”測量了電子電荷、電子質(zhì)量和電子的荷質(zhì)比： 確定了電子的電荷是電量的最小單位，從此人們認(rèn)識了電子。kgcmegmce/10759. 1/10107. 910602. 111281910 電子的質(zhì)量很小，因此他有很大

4、的荷質(zhì)比，其值是氫原子的1840倍。 荷質(zhì)比大，電子束在電磁場中容易被聚焦、偏轉(zhuǎn)和加速，利用這些性質(zhì)可以執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)，制成性能優(yōu)越的電子束器件和設(shè)備。 顯像管、攝像管、示波管、圖像增強(qiáng)器、光電倍增管、高速開關(guān)管、存儲管和發(fā)射管等。11 電子具有波動性和粒子性：電子具有波動性和粒子性： 在加速器中，用加速到極高能量的電子束轟擊原子核和其它粒子，進(jìn)行高能物理的各種現(xiàn)象的研究。極高能電子束可以穿透大氣，射向遠(yuǎn)方，成為一種粒子武器。 / 100kv 0.37nm.0.1nmh mvhmv波長是普朗克常數(shù)， 是電子質(zhì)量， 是電子速度。用電壓加速電子，其電子波長該波長是可見光波長的十萬分之一，電子顯

5、微鏡的分辨率接近12 各種電子束器件和設(shè)備都是利用從固體中發(fā)射電子的電子源，電子發(fā)射是這些器件和設(shè)備的基本條件。13要實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射，一般要有兩個條件：要實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射，一般要有兩個條件： 真空環(huán)境：保證從固體發(fā)射出來的電子不致遭到其他氣體分子的碰撞而返回陰極。 能量和電場：固體中的電子要擺脫固體的束縛，必須要獲得能量。14 四種電子發(fā)射類型：四種電子發(fā)射類型： 加熱使電子從固體中發(fā)射出來熱電子熱電子發(fā)射；發(fā)射； 用光照射固體，光子能量激發(fā)電子引起發(fā)射光電發(fā)射光電發(fā)射； 用一定能量的電子轟擊固體而發(fā)射電子次級電子發(fā)射；次級電子發(fā)射； 加很強(qiáng)的電場，使固體表面勢壘降低、變窄，而使電子發(fā)射出來場致電子

6、發(fā)射。場致電子發(fā)射。15第一章第一章 熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射16 引言引言 定義：固體在熱狀態(tài)下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。17 edison觀察到熱電子發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)明了白熾燈，并在白熾燈里加了一個電極。 熱電子發(fā)射現(xiàn)象。 說明三個問題： 1、材料受熱時才能發(fā)射電子； 2、電子荷負(fù)電 3、二極管具有單向?qū)щ娞匦?18 這一章主要討論熱電子發(fā)射理論，包括金屬和半導(dǎo)體的電子狀態(tài)，金屬的熱電子發(fā)射公式，半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射公式，熱電子的動量和能量分布，外電場對熱電子發(fā)射的影響。191 、金屬中的電子、金屬中的電子 1900年，p.drude首先提出了金屬的自由電子論：晶格內(nèi)部有與晶格點(diǎn)陣處于熱平衡的“

7、自由電子”，自由電子可以在金屬中自由運(yùn)動。 20 1928年，a.sommerfeld從量子力學(xué)觀點(diǎn)闡明了金屬的自由電子模型：金屬內(nèi)部的自由電子遵從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布，在金屬表面存在足夠高的勢壘，如果把電子從金屬內(nèi)部移到外部，要做相當(dāng)?shù)墓Α?本節(jié)討論金屬內(nèi)部自由電子的狀態(tài)、動量、能量及其統(tǒng)計(jì)分布。 21 1.1 金屬的索末菲自由電子模型金屬的索末菲自由電子模型 核的勢場逐漸減弱。們可以看到，遠(yuǎn)離原子從孤立原子的勢能圖我時，層電子半徑的元素的是當(dāng)；個電子所屏蔽，則的層時，核電場被層電子的半徑是當(dāng)為常數(shù)。，其勢能函數(shù)為建立的庫侖場，子核電荷時，存在一個由整個原層電子軌道半徑是電子靠近原子核，即

8、/10103/2zkr 2c / 122k2rezcevmzrrrrrezcevlrrrrzecevzekrrrmmlllkk22的平均勢場疊加的結(jié)果其它價(jià)電子以近似為單原子勢場和的勢場可小，而外殼層電子所處變化很固體中內(nèi)殼層電子軌道化運(yùn)動。稱為共有在相似的軌道上運(yùn)動，子可以當(dāng)很多原子靠近，價(jià)電 23 只考慮金屬在x方向的原子排列產(chǎn)生的共有化運(yùn)動。價(jià)電子不僅受點(diǎn)陣的正離子的作用，也要受其它電子的作用，把兩個場的作用看成是一個平均場的作用，這樣就可以把一個電子看成一個在電場中作自由運(yùn)動的電子。 24索末菲自由電子模型：索末菲自由電子模型： 金屬中的價(jià)電子是處在一個近似的均勻勢場中作自由運(yùn)動。 個

9、“平底的勢壘箱”。這塊晶體就可以看成一，如此假定，即描述電子的波函數(shù)子，在金屬外部找不到電即勢能函數(shù)，相等，將勢能底定為零金屬內(nèi)部價(jià)電子的勢能lxxxlx0000 xv 251.2 金屬中自由電子的動量與能量金屬中自由電子的動量與能量 222222 1 ,8 0 1.1 ,0,0,8 0 mxev xxhv xxlmxexh動量空間電子狀態(tài)根據(jù)索末菲自由電子模型 要確定電子在在金屬內(nèi)部的狀態(tài) 可求解薛定諤方程在金屬內(nèi)部所以方程變?yōu)?222222222 1.2222,1.2 40 1.3 ,pmvhk,ep / mh k/ m,kme /hdxkx dx引進(jìn)波矢因?yàn)樗源胧降?6 .,1.5

10、4 . 1, 0,0,1.4 2222為波矢是一平面波自由電子的波函數(shù)一樣電子的波函數(shù)與真空中金屬中共有化運(yùn)動的價(jià)變?yōu)槭降糜袝r當(dāng)利用索末菲模型解為keeaxbabaxbeaexkxikxikxikxi27 1.7 1 lx 1.6 ., :born-karman 0,: 2222223kliklilxkilxkikxikxieeeeaeeaxlxxlllx必然有即則有狀態(tài)面波來描述電子的運(yùn)動仍然可以用周期性的平周期場運(yùn)動自由電子在無限大的的立方體排列延展開去既有無數(shù)個體積為晶體有無窮多個同樣在有限晶體邊界之外仍假設(shè)再利用利用第二個邊界條件28能量也是量子化的。能量：立的，量子化的。即動量是不連

11、續(xù)的，分的動量為：所以，金屬中自由電子，為正、負(fù)整數(shù)，即，式的結(jié)果是：滿足2222222/2/2/ 3210 / 1.7 mlnhmkhmpenlhkhpnlnknnkl 29222222222222 1.8 yxyyxxykxkiykxkinnmlhmkhmpenlhpnlhpeeayxyxyx能量：，動量：，對二維波函數(shù)：301.10 222 1.9 2222222222zyxzzyyxxzkykxkizkykxkinnnmlhmkhmpenlhpnlhpnlhpeeazyxzyxzyx能量：，動量：，對三維波函數(shù)：313233 ekek金屬中的電子是量子化的，只能取不連續(xù)的分立值， 同

12、的關(guān)系是分立的點(diǎn)連成的拋物線。但在實(shí)際處理問題時，通?？偸强紤]電子數(shù)很多的情況，電子的動量、能量相鄰值之間的差別非常小，可以把關(guān)系看成連續(xù)的。34，但具有同一能級。雖然代表不同的波函數(shù)，對應(yīng)：一個能級有許多電子態(tài)112121211 zyxnnn35 一個能級對應(yīng)于幾個電子態(tài)，稱這個能級是間并的，對應(yīng)于幾個電子態(tài)，稱該能級為幾重間并。36 3333 2 pouli/ 2/xxxyyyzzzh lhlhlppdpppdpppdp動量空間電子態(tài)密度根據(jù)不相容原理，在每一個動量空間的格點(diǎn)上，能容納兩個自旋方向相反的電子，即每一個動量矢量終端對應(yīng)自旋不同的兩個量子態(tài)，這樣構(gòu)成一個立方點(diǎn)陣。點(diǎn)陣的長度元為，體積元為，因此動量空間中單位體積的狀態(tài)數(shù)為：，處在動量空間，中的量子33332 1.11/pxyzldndp dp dphlh數(shù)為：