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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、
2、等离子电子学、表面电子学、薄膜电子学、电子能谱学、真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
3、否已经达到最高水平，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。,10,电子的质量很小，因此他有很大的荷质比，其值是氢原子的1840倍。 荷质比大，电子束在电磁
4、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： 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。,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： 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
5、体的束缚，必须要获得能量。,14,四种电子发射类型： 加热使电子从固体中发射出来热电子发射； 用光照射固体，光子能量激发电子引起发射光电发射； 用一定能量的电子轰击固体而发射电子次级电子发射； 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发射。,15,第一章 热电子发射,16,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
6、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。,19,1 、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“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,22,23,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： 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。,25,1.2 金属中自由电子的动量与能量,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,一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。,36,37,