Электрон как устойчивая материальная частица может быть сравнительно просто выделен различными физическими способами, что и обусловило его широкое использование в различных областях науки и техники.
Внутри кристалла каждый атом удерживается симметрично направленными силами связи. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом неуравновешен вследствие того, что со стороны окружающей среды связь отсутствует или заметно ослаблена. Это вызывает повышение энергии поверхностного слоя кристалла wn. Если необходимая атому энергия, для перемещения внутри тела равна wq (см. Рис. 1.2. Потенциальный барь - рис. 1.2), то для выхода в окружаю - ер для системы атомов у по - щую среду она равна wn, причем
Wq. Поэтому для соединения
границе твердой и жидкой фаз ДВуХ монокристаллов в один требу - (iб) в начальный период их ется введение извне деформацион-
контакта «
ной или тепловой энергии, превышающей граничную энергию wT.
Внешняя деформационная энергия будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в кристаллической решетке, возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится «выигрыш» энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения - энергии активации.
Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении.
Стадийность процесса сварки. Результаты исследований и теоретический анализ показывают, что сварку и пайку можно отнести к классу так называемых топохимических* реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1.3), характерной только для микроучастков соединяемых поверхностей.
Топохимические реакции - это химические реакции с участием твердых
На первой стадии (А) развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия. При этом энергетические уровни связи соответствуют уровням, характерным для физической адсорбции = 0,04...0,4 кДж/моль). На второй стадии (Б) - стадии химического взаимодействия (схватывания) - заканчивается процесс образования прочного соединения. Схватывание - бездиффузи - онный процесс и в принципе может происходить при любых температурах, если возможна микропластическая деформация.
На практике получение монолитных соединений осложняется тем, что свариваемые поверхности имеют:
Микронеровности - 10 м даже при тщательной обработке (поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках);
Загрязнения, так как на любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.
Для монолитного соединения материалов при сварке необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию.
Энергия активации. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:
Для разрыва старых связей между атомами тела и атомами внешней среды, обусловленных физико-химическим состоянием поверхности;
Для повышения энергии поверхностных атомов до уровня потенциального барьера, при котором возможно образование новых химических связей, т. е. схватывание.
В общем случае энергия активации может быть сообщена в форме теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и Других видов облучения (радиационная активация).
Наиболее простой способ получения электронов - нагрев твердых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлектроны. Для сообщения электронам необходимой энергии и формирования из них потока частиц, несущих определенную энергию, могут использоваться различные методы. Самый простой из них и наиболее распространенный - ускорение электронов с помощью электрического поля, создаваемого в электронной пушке между катодом и анодом, в котором на электрон действует сила
где е = 1,6* 10 Кл - заряд электрона; Е - напряженность электрического поля, В/м.
При движении электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов U он приобретает энергию
Это приращение энергии электрона происходит вследствие его ускорения полем - увеличения его кинетической энергии, т. е.
где те - масса электрона, кг; v, г0 - конечная и начальная скорости электрона, м/с. Принимая Vq = 0, получим
т. е. энергия электрона зависит от его массы и скорости. В реальных условиях, когда масса электрона постоянна, единственный путь увеличения его энергии - повышение скорости его движения, что и реализуется в электронной пушке.
Из формулы (3.4) можно получить выражение для скорости движения электрона при прохождении между точками с разностью потенциалов U:
где п - концентрация газа на пути движения электронов; г - газокинетический радиус взаимодействия молекул газа.
Значения средней длины свободного пробега электрона в воздухе (при 300 К) для разных значений давленияр приведены ниже:
р, Па................................ 1,01 105 133 1,33 1,3 ■ 10-2
Л, мм................................ 3,5 10^ 2,6- 10~‘ 26,6 2660
Таким образом, исходя из конструктивных особенностей установок, максимально допустимым давлением в камере для элек-
условиях давление стараются довести до 5 10 или 5-Ю Па, так как при ухудшении вакуума в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами ионов остаточных газов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом электронной пушки. При повышении давления в камере До 1...10 Па рассеяние электронного пучка становится существенным в пространстве его дрейфа и это ограничивает возможную Длину пучка.
Очевидно, что выводить электронный пучок из вакуума в область с более высоким давлением имеет смысл только в том случае, если длина свободного пробега электронов в этой области предельно мала. Такие электронные пушки с выводом электронного пучка в атмосферу иногда применяют для сварки. При этом электронная пушка перемещается непосредственно по свариваемому изделию, ход пучка в атмосфере составляет не более 10 мм. Применяемое ускоряющее напряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подают защитный газ (гелий или аргон).
При падении электронного пучка на обрабатываемую поверхность кинетическая энергия электронов в результате их взаимодействия с атомами вещества обрабатываемой поверхности превращается в другие виды энергии.
Максимальное значение плотности мощности qim электронного пучка в зоне его воздействия на вещество может достигать 7 8 2
10 ...10 Вт/см, что позволяет проводить размерную обработку материалов путем их локального испарения в месте воздействия пучка на изделие. По мере уменьшения qim (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой пучка) возможно проведение термических процессов (плавки, сварки, нагрева в вакууме), а также нетермических процессов - стерилизации, полимеризации и т. п.
Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество, испытывая торможение и проходя при этом некоторый путь. Длина этого пути, изученная Шонландом, определяется по формуле
где 8 - глубина проникания электрона в вещество, см; U - ускоряющее напряжение, В; р - плотность вещества, г/см.
Реальная глубина проникания электрона в вещество в соответствии с формулой (3.9) обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ею нельзя пренебрегать при учете взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях плотности мощности в электронном пучке. Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с кристаллической структурой или отдельными частицами вещества. При этом вследствие обмена энергией увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки, повышается температура вещества. Достаточно большая энергия, сообщенная электронами атомам, может привести даже к разрыву связей между отдельными атомами.
При торможении электрона в веществе кроме выделения тепловой энергии происходит еще ряд различных явлений. Суммарное выделение энергии при электронной бомбардировке поверхности расходуется на следующие основные процессы:
1) собственно нагрев поверхности, используемый в технологических целях;
2) тормозное рентгеновское излучение, возникающее при электронной бомбардировке материалов;
3) вторичная электронная эмиссия, отражение электронов и термоэлектронная эмиссия с обрабатываемой поверхности;
4) побочные явления, сопровождающиеся потерями энергии.
Следует отметить, что электронный пучок имеет максимальный коэффициент поглощения энергии в обрабатываемом веществе, достигающий 80...95 % полной мощности источника и является одним из самых эффективных источников энергии для сварки.
Нагрев обрабатываемого материала электронным пучком осуществляется в результате выделения тепловой энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей передачи теплоты в его внутренние слои. Высокая интенсивность ввода энергии в вещество при электронно-лучевой обработке приводит к развитию значительных поверхностных температур, уровень которых может превышать точку кипения даже самых тугоплавких материалов.
· Электронные пучки. Под электронными пучками понимают направленные потоки электронов, поперечные размеры которых значительно меньше их длины. Электронные пучки впервые были обнаружены в газовомразряде, происходящем при пониженном давлении.
При тлеющем разряде положительными ионами с катода выбивается большое число электронов. Если разряд происходит в трубке при очень больших разрежениях, то средняя длина свободного пробега электронов увеличивается и катодное темное пространство расширяется. Электроны, выбитые с катода положительными ионами, движутся почти без столкновений и образуют катодные лучи. Эти лучираспространяются нормально к поверхности катода. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок.
· Свойства и применение электронных пучков. Электронные пучки вызывают свечение(флуоресценцию) некоторых веществ. К ним относятся стекло, сульфиды цинка, кадмия и др. Эти вещества называются люминофо-рами. Это свойство электронных пучков применяется в вакуумной электро-нике – свечение экранов телевизоров, осциллографов, электронно-оптических преобразователей и др. Попадая на тела, электронные пучки вызывают их нагревание. Это свойство пользуется для сварки сверхчистых металлов в вакууме.
Электронные пучки отклоняются в электрическом и магнитном полях. Возможность управления электронным пучком с помощью электрического и магнитного поля и свечение экранов, покрытых люминофором под действием электронных пучков, используют в электронно-лучевых трубках.
· Электронно-лучевая трубка. Устройство электронно-лучевой трубки показано на рис. 12.4.1. Она представляет собой стеклянный вакуумный баллон L , в котором находится «электронная пушка», состоящая из накаленного катода К , эмитирующего электроны, и анода с диафрагмой (чаще нескольких анодов, расположенныхдруг за другом) D 1 , D 2 . Между катодом и анодом создают разность потенциалов U , позволяющую разогнать электроны до большой скорости и получить узкий пучок. В месте попадания электронного пучка на экран Е , покрытый флуоресцирующим составом, возникает яркая светящаяся точка.
Управление пучком электронов производится двумя парами пластин С 1 и С 2 расположенных перпендикулярно друг другу. Поле пластин С 1 смещает луч в горизонтальном направлении, поле пластин С 2 - в вертикальном. На пластины С 1 и С 2 можно подавать либо постоянное, либо переменное напряжение. В зависимости от этого светящееся пятно на экране будет либо оставаться на месте, либо перемещаться, образуя прямую, синусоиду и т. д. На этом свойстве основано устройство осциллографа. В более сложных случаях на экране можно получить чередование темных и светлых пятен, которые дают изображение предметов. Такое явление мы наблюдаем в электронно-лучевой трубке телевизора.
Вопросы для повторения:
1. В чем состоит ионизация газа и рекомбинация ионов в газе?
2. Что такое газовый разряд?
3. В чем заключается разница между самостоятельным и несамостоя-тельным газовыми разрядами?
4. Что представляют собой дуговой и тлеющий разряды?
5. Что такое плазма? Какими свойствами она обладает?
6. Что такое диод, как он устроен и почему может работать выпрямителем переменного тока?
7. Что такое электронные пучки, какими свойствами обладают, где применяются?
8. Приведите примеры применения тлеющего разряда в технике.
9. Приведите примеры практического применения плазмы.
10. Опишите механизм образования электронно-ионных лавин.
Резюме:
В процессе изучения темы мы ознакомились со свойствами газовых разрядов и протеканием электрического тока в газах и вакууме.
Приложение
Приложение N 1.
Распределение электронов и дырок описывается функцией Ферми–Дирака.
,
где f Ф-Д (Е ) – вероятность того, что энергетическое состояние занято и может колебаться от 0 до 1 ,
E F – уровень Ферми, часто называемый энергией Ферми или электрохи-мическим потенциалом.
Согласно принципу Паули каждое квантовое состояние может быть заня-то только одним электро-ном. При большем их числе, при абсолютном нуле температур все состояния ниже E F заполнены:
f Ф-Д (Е ) = 1 , а выше E F – свободны от электронов и f Ф-Д (Е ) = 0 . Так как при Т = 0ºК электроны проводимости обладают ненулевой энергией, но распределены по всем разрешенным состояниям от 0 до E F (эВ) то
.
Уровень Ферми в собственном полупроводнике определяется уравнением:
Плотность состояний g(E)
Число состояний на единичный энергетический интервал в единице объема полупроводника как функция энергии.
В двух прилегающих друг к другу фазах электронное равновесие до-стигается при равенстве уровней Ферми. -
Приложение N 2.
Для определения вида функции φ(х) мы воспользовались известным из электростатики уравнением Пуассона, связывающим потенциал поля U(x) с объемной плотностью ρ(х) неподвижных зарядов, создающих это поле.
Это уравнение имеет вид:
принимаем ρ(х) = qNd
Глоссарий
| Аморфные вещества | С термодинамической точки зрения аморфное ТТ находится в метастабильном состоянии и со временем должно закристаллизоваться. Аморфные вещества ведут себя как жидкости с аномально высокой вязкостью. К ним относятся стекла, пластмассы и смолы, При повышении температуры они постепенно размягчаются и приобретают способность течь, как жидкости [§1.1]. |
| Анизотропия | Неодинаковость свойств кристалла в разных направлениях, которая является результатом его симметрии и внутреннего строения[§1.1]. |
| Акцепторные уровни | Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупровод-ника, называют акцепторными акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками p -типа;часто их называютакцепторными полупроводниками . [§ 3.6.1]. |
| Адсорбционный слой | См. [§ 4.2.2]. |
| Барьерная емкость | При обратном напряжении, приложенном к p -n переходу, носители заря-дов обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало. Таким образом, в режиме обратного напряжения p -n переход представляет собой емкость. Эту емкость называют барьерной (С б) . [§ 8.5]. |
| Ван-дер-ваальсовские связи | Силы взаимодействия в таких кристаллах определяются наличием у молекул естественных или индуцированных электрических моментов [§ 1.3]. |
| Валентная зона | При сближении атомов на растояние примерно 10 –8 см.,будет происходить перекрытие волновых функций атомарных электронов. Благодаря этому энергетический уровень валентных электронов превращается в зону.Эта зона носит название валентной [§ 2.1]. |
| Водородная связь | В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда[§1.1]. |
| Вольтамперная характеристика p-n перехода | См. [§8.4]. |
| Время жизни носителей | Среднее время существования носителей заряда в полупроводнике обычно называют временем жизни носителей [ § 3.8]. |
| Вырожденный газ | В вырожденном газе в формировании электропроводности могут участвовать не все свобод-ные электроны, а лишь те из них, которые располагаются непосредственно у уровня Ферми.[§ 5.2.2]. |
| Генерация носителей заряда | Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов [§ 3.4]. |
| Гетеропереход | Гетеропереходом называют переход, образующийся на границе контакта двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. [§ 9.3]. |
| Дефекты в кристалле | Нрушения периодичности решетки, которые не сводятся к тепловым движениям, называются дефектами [§ 1.7]. |
| Дефекты по Шоттки | В реальных кристаллах некоторые узлы кри-сталлической решетки, в которых должны находиться атомы, оказываются незанятыми [§ 1.7]. |
| Дефекты по Френкелю | Они возникают в том случае, когда атом покидает свое место в узле кристаллической решетки и размещается в междоузлии в окружении атомов, расположенных на своих законных местах [§ 1.7]. |
| Дислокации | Этот вид дефектов возникает в случае, когда между атомными плоскостями вклинивается неполная дополнительная атомная плоскость [§ 1.7]. |
| Дырка | Вакантное место в ковалентной связи получило название дырки. Незавершенная связь будет иметь избыточный положительный заряд равный по величине заряду электрона [§ 3.2]. |
| Донорные уровни | Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называютсядонорами , а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками п -типа;часто их называют такжедонорными полупроводниками [§3.6.1]. |
| Дрейфовый ток | Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока. [ § 3.8]. |
| Диффузионный ток | Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным бездрейфовым током . [ § 3.8]. |
| Диффузионная длина | Среднее расстояние, которое проходят за время жизни носители, называют диффузионной длиной носителей заряда. . |
| Двойной электрический слой | Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным элект-рическим слоем. . |
| Запрещенная зона | Зоны дозволенных энергий отделены друг от друга интервалом, называемым запрещенной зоной или энергетической щелью [§ 2.1]. |
| Зона проводимости | Если же в самой верхней занятой, но не полной зоне, имеются свободные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны, то они образуют так называемую зону проводимости [§ 2.1]. |
| Ионные кристаллы | Ионные кристаллы (NaСl, KC1 и др.) характерны тем, что силы притяжения, действующие между ионами - электростатические. [§1.1]. |
| Индексы Миллеры | В ристаллографии принято пользоваться для обозначения плоскостей особыми индексами Миллера. [ § 1.6]. |
| Инжекционный лазер | См.[§10.6]. |
| Инверсия населенностей | Инверсия населенностей – соотношение между населенностями разных энергетических уровней атомов или молекул вещества, при котором число частиц на верхнем из данной пары уровней больше, чем на нижнем. [§10.5]. |
| Кристалл | Кристалл, представляет собой совокупность атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия. Структурными единицами ТТ служат атомы, молекулы или ионы. Термодинамически устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией, с повышением температуры, по достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, они скачкомпереходят в жидкое состояние. Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. [§1.1]. |
| Ковалентный кристалл | В ковалентных кристаллах (алмаз, Ge, Si и др.) валентные электроны соседних атомов обобществлены, поэтому ковалентный кристалл можно рассматривать как одну огромную молекулу [§1.1]. |
| Класс симметрии | В кристаллографии показано, что существуют всего 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций называется классом симметрии. В природе существуют только кристаллы, относящиеся к одному из 32 классов симметрии [§ 1.3]. |
| Коэффициент Холла | См.[§ 6.1.1]. |
| Контактная разность потенциалов | См. [§ 7.1.1]. |
| Когерентность | Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени, или же два идеальных монохроматических колебания имеют одну и ту же частоту, то такие колебания называются когерентными. [§10.5]. |
| Лазеры | Вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным, а излучатели таких волн получили название лазеров (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света за счет индуцированного излучения). [§10.4]. |
| Металлическая связь | В металлических кристаллах связь (металлическая связь) обуслов-лена коллективным взаимодействием подвижных электронов с остовом кристаллической решетки. Для переходных металлов характерна также ковалентная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутренних оболочек [§1.1]. |
| Молекулярные кристаллы | В молекулярных кристаллах молекулы связаны между собой относительно слабыми электростатическими силами (ван-дер-ваальсовы силы) обусловленными динамической поляризацией молекул [§1.1]. |
| Неравновесная концентрация | Если с помощью какого либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. [§3.8]. |
| Невырожденный газ | В случае невырожденного газа плотность заполнения зоны проводи-мости электронами на столько небольшая, что они практически никогда не встречаются так близко, что бы их поведение могло ограничиваться принци-пом Паули.[§ 5.2.1, § 5.2.2]. |
| Несамостоятельный газовый разряд | Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом. |
| Ось симметрии | Если кристалл обладает осью симметрии (поворотной осью), то он может быть совмещен сам с собой, т.е. приведен в положение неотличимое от исходного, путем поворота на некоторый угол вокруг этой оси. В зависимости от симметрии кристалла величина угла поворота, необходимого для совмещения кристалла с самим собой, может составлять 360, 180, 120, 90, 60 градусов. (2п / п, где n = 1, 2, 3, 4 или 6) [§ 1.3]. |
| Основные носители | Электроны, составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках п -типа, называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными.. И на оборот, дырки составляющие подавляющее большинство носителей заряда в полупроводниках p -типа, называют основными носителями заряда, а электроны– неосновными. [§ 3.6.2, § 3.6.3]. |
| Омический переход | Контакт, электрическое сопротивление которого мало и не зависит от направления тока в заданном рабочем диапазоне токов. [§9.3.3]. |
| Период трансляции | Трансляция а представлена вектором, имеющим определенное направление и численное значение, равное а, называемое периодом трансляции [§1.3]. |
| Плоскость симметрии | Если одна половина кристалла совмещается с другой при отражении в некоторой плоскости, как в зеркале, то такая плоскость называется плоскостью симметрии [§ 1.3]. |
| Поворотно-зеркальная ось | К этому элементу симметрии приводит одновременное применение двух операций: поворота вокруг оси и зеркального отражения в плоскости, перпендикулярной оси [§ 1.3]. |
| Полупроводники | Полупроводники, широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, по её удельному значению sзанимающих про-межуточное положение между металлами (s ~ 10 4 -10 6 Ом -1 см -1) и хорошими диэлектриками (s ~ 10 -12 -10 -11 Ом -1 см -1) (интервалы значений sуказаны при комнатной температуре) [§ 3.1]. |
| Примесный полупроводник | Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а его электропроводность обусловленную наличием в кристалле примесей-примесной [§ 3.6.1]. |
| Полупроводник n-типа | См. Донорные уровни. [§ 3.6.1]. |
| Полупроводник p-типа | См. Акцепторные уровни [§ 3.6.1].[ § 3.6.3]. |
| Примесная проводимость | Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной [§ 3.6.2]. |
| Переход Шоттки | Выпрямляющий контакт металл – полупро-водник п -типа называют переходом Шоттки. Важнейшей особенностью перехода Шоттки по сравнению с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда . [§9.1]. |
| Поверхностные явления в полупроводниках | Физические явления, возникающие у поверхности полупроводникового кристалла вызванные нарушением распределения потенциала кристаллической решетки полупроводника вследствие его обрыва у поверхности; наличием нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за поверхностных атомов; искажением потенциала решетки из-за возможных поверхностных дефектов структуры кристалла. [§9.2]. |
| Поверхностный потенциал | Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля из-за наличия зарядов между объемом и поверхностью. Разность потен-циалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом [§9.2]. |
| Пробой | Туннельный -основан на изученном нами туннельном эффекте – когда электроны проходят через потенциальный барьер р-п- перехода, не изменяя своей энергии. |
| Лавинный -Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в р-п- переходе. Двигаясь с большой скоростью в области р-п- перехода они сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. | |
| Тепловой -Электрический и тепловой пробой во многих случаях происходят одновременно. Во время электрического пробоя полупроводник разогревается и затем происходит тепловой пробой. Тепловая генерация пар электрон –дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока, а увеличение тока, приводит в свою очередь к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно. При чрезмерном разогреве кристалла, р-п- переход необратимовыходит из строя. | |
| Работа выхода | Работой выхода называется работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов φ 0 .[§ 4.2.1]. |
| Рекомбинация носителей заряда | Процесс превращения свободного электрона в связанный электрон и исчезновение пары носителей заряда (электрон-дырка) носит название рекомбинации. |
| Силы взаимодействия | Природа сил взаимодействия между атомами в кристаллах хорошо известна. Это – электрические силы отталкивания и притяжения по-ложительно и отрицательно заряженных частиц, имеющихся в каждом атоме. [§1.1]. |
| Сингония | В кристаллографии принято объединять 32 класса симметрии в 7 систем симметрии или 7 сингоний, которые носят следующие названия в порядке возрастания симметрии триклинная система, включающая два класса симметрии, тригональная система, объединяющая семь классов, моноклинная система, куда входят три класса, гексагональная система - пять классов, ромбическая, также с тремя классами, тетрагональная система с семью классами, кубическая система [§ 1.3]. [§ 1.3]. |
| Собственный полупроводник | Полупроводник будет являться собственным, если влияние примесей на его свойства пренебрежимо мало. В нем свободные носители заряда возникают только за счет разрыва валентных связей [§ 3.2]. |
| Стимулированное излучение | Может воз-никнуть процесс, при котором все возбужденные атомы излучают почти одновременно, взаимосвязано и так, что генерируемые фотоны абсолютно неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое вынужденное когерентное излучение называют стимулированным или индуцированным [§10.4.]. |
| Термопара | См.[§11.2.1]. |
| Термоэлемент | См. [§ 11.2.2]. |
| Термоэлектрические явления | См. [§10.1.1]. |
| Трансляция | Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру. С геомет-рической точки зрения такую структуру можно создать с помощью операции параллельного смещения, которая называется трансляцией [§1.3]. |
| Твердое тело | Твердым телом (ТТ) называют такое агрегатное состояние вещества, которое характеризуется постоянством формы рассматриваемой макро-системы и особым характером теплового движения атомов, составляющих макросистему. Различают кристаллические и аморфные ТТ. Термодинами-чески устойчивыми ТТ являются кристаллические, так как они обладают минимальной внутренней энергией[§1.1]. |
| Трансляционная группа | Положение любой точки в пространственной решетке определяться комбинацией перемещений ma+nb+pc. Комбинация трех векторов а,b,с называется трансляционной группой [§1.3]. |
| Тепловой пробой p-n перехода | Тепловой пробойp-nперехода происходит вследствие вырывания ва-лентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристалли-ческой решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увели-чению концентрации не-основных носителей заряда и к росту обратного тока. [§8.4]. |
| Туннельный эффект | Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. [§8.6]. |
| Фотопроводимость полупроводников | Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. [§ 10.1]. |
| Фоторезистивный эффект | Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. [§10.2]. |
| Центр симметрии | Если в кристалле существует точка, обладающая тем свойством, что при замене радиуса-вектора r , любой из частиц, составляющих кристалл на обратный ему вектор -r , кристалл переходит в состояние, неотличимое от исходного, то эта точка называется центром симметрии или центром инверсии [§ 1.3]. |
| Экстракция носителей заряда | Для неосновных носителей (дырок в n - области и электронов в р - области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует, и они будут втягиваться полем в области p-n перехода. Это явление называется экстракцией. [§ 8.2]. |
| Элементарная ячейка | Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях а, в, с, называется элементарным параллелепипедом или элементарной ячейкой.[ §1.3]. |
| Элементы симметрии | плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии[ §1.3]. |
| Электрохимический потенциал | Энергия электрохимического потенциала – работа, которую необходимо затратить для изменения числа частиц в системе на единицу при условии постоянства объема и температуры [§ 3.3]. |
| Электрический пробой p-n перехода | Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). [§ 8.4]. |
| Электронная эмиссия | См. [§ 4.2.2]. |
| Электронно –дырочный переход (p-n переход). | Переход между материалами с электропроводностью n- и p- типа носит название p-n перехода. [§ 7.2]. |
| Электростатический домен | См. Эффект Ганна [§ 5.6]. |
| Энергия Ферми | При температуре равной абсолютному нулю Т = 0 К энергия всей атомной системы, в том числе и электронного газа минимальна. Однако при этом наблюдается характерная ситуация, когда электроны, находящиеся на верхних энергетических уровнях, обладают еще достаточно большой энергией, которую они не могут сбросить и перейти на нижние уровни из-за запрета Паули. Энергия электронов, занимающих самый верхний из занятых уровней, обозначается ε макс и называется энергией Ферми [§ 2.1, § 3.3]. |
| Эффективная масса | Влияние на движение электрона в поле периодического кристаллического потенциала ионов и остальных электронов приводит к тому, что свойства носителей тока в кристалле (электронов проводимости и дырок) во многом отличается от свойств электронов в свободном пространстве. А их масса (эффективная масса) может сильно отличаться от массы свободного электрона и зависеть от направления движения [§ 3.5]. |
| Эффект Ганна | См.[§ 5.6]. |
| Эффект Зиннера | См.[§ 5.6]. |
| Эффект Зеебека | См. [§ 10.1.1]. |
| Эффект Пельтье | См. [§ 10.1.2]. |
| Эффект Томсона | См. [§ 10.1.3]. |
| Эффект Холла | Явление возникновения в полупроводнике с текущим по нему током поперечного электрического поля под действием магнитного поля называют эффектом Холла. [§ 6.1.1]. |
| Эффект Штарка | См.[§ 5.6]. |
При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. Некоторые вещества (стекло, суль фиды цинка и кадмия), бомбардируемые* электронами, светятся. В настоящее. время среди материалов этого типа (люминофоров") применяются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энергии электронного пучка. Виагра купить перевод виагра doctor-stvol.com/viagra-100/4615-viagra-100-dnepr .
Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 177).
Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо (рис. 178). Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического или магнитного полей и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучка применяют в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка.
Электронно-лучевая трубка - основной элемент телевизора и осциллографа*- прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях (рис. 179).
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 180 Трубка представляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов - электронная пушка (рис. 181). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за» другом). Электроны испускаются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитным экраном //. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод ai и Л 2 состоит из дисков с небольшими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшение площади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.
На пути к экрану пучок последовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора (см. рис. 180). Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов очень мала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциалов управляющих пластин.
Параметры электронных пучков
На рисунке изображена схема источника электронов, пред-
установках. Электроны вытягиваются из катода, если на
Кроссо́вер (англ. crossover, сокр. х-over , буквальнопереходное или согласующее устройство, пограничное или переходное явление, пересечение и т. п.) - собирательное название, относящееся к различным понятиям и предметам:
Кроссовер - точка минимального сечения электронного пучка в электронной пушке,электронном микроскопе.
сти катода, а радиусом кроссовера r c , который может быть
На рисунке приведена схема источника и траектории элек-
Для определения радиуса кроссовера r c пучка электронов, эмитированных с катода с начальной скоростью vo (соответствующей энергии eVo) используется соотношение:
Получаем
Из этого равенства видно, что в первом приближении радиус кроссовера не зависит от площади эмитирующей поверхности катода и определяется только отношением начальной энергии электронов eVo к энергии электронов в области кроссовера eV.
Это выражение было получено в предположении, что все эмитируемые катодом электроны имеют одну и ту же начальную энергию eVo, в результате чего кроссовер обладает четко
Магнитные линзы
в которой с помощью кольцевого магнита создается аксиально-симметричное магнитное поле. Различают два типа магнитных линз – длинные и короткие.
Примером диной магнитной линзы является длинный соленоид. На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, направление действия ее перпендикулярно как направлению скорости электрона, так и вектору напряженности магнитного поля. Благодаря этому движение электрона внутри длинного соленоида происходит по спирали, описывая в плоскости, проходящей через ось Z синусоиду (рисунок).
Где ω = 2π/T= eH/2m.
Если скорости электронов, попадающих в соленоид, близки, то продольное равномерное магнитное поле фокусирует поток электронов в точках, соответствующих равенству
Z= n T v o /2 = n2πmv o /eH,
Где v o – скорость электронов, входящих в соленоид; n – ряд простых целых чисел.
Основные особенности фокусировки в длинной магнитной линзе:
1. Фокусировка получаетсч не в одной, а в нескольких равноотстоящих друг от друга точках.
2. Пучок электронов, движущихся параллельно оси не фокусируется, т.е. диаметр этого пучка не может быть уменьшен.
Длинные магнитные линзы (соленоид с равномерным полем) на практике применяются для переноса изображения.
Гораздо более широкое применение нашли тонкие магнитные линзы. Фокусирующее действие тонкой магнитной линзы является более сложным из-за неоднородности магнитного поля, в котором можно выделить тангенциальную и радиальную составляющие. Для построения траектории электрона в этом случае необходимо знать величину начальной скорости электрона и распределение напряженности магнитного поля вдоль оси катушки.
При получении изображения при помощи тонких (коротких) магнитных линз происходит поворот изображения относительного объекта. Фокусирующее действие магнитной линзы тем больше, чем больше напряженность магнитного поля и уже область, в которой оно сосредоточено. Поэтому на практике магнитные линзы оформляются в виде катушек с панцирем (рисунок).
Короткая магнитная линза позволяет получать увеличенные или уменьшенные изображения. Т.е. пригодна для использования в электронном микроскопе. Короткая линза фокусирует и параллельный оси поток электронов.
Напряженность поля на оси короткой магнитной линзы может быть найдена из выражения:
R – средний радиус катушки; J- сила протекающего тока; Z – расстояние по оси катушки
Магнитные линзы могут быть только фокусирующими. Так как магнитное поле действует только на движущиеся электроны, то магнитная линза должна находится в электрическом поле V. Фокусное расстояние тонкой магнитной линзы определяется выражением
Здесь Rm – средний радиус катушки магнита, n – число витков в катушке, i – ток через катушку.
В магнитной линзе происходит поворот изображения на угол ∆ф
∆ф= [ град.].
 |
кие линзы называют продольными системами. В этих системах пучки электронов фокусируются малыми по сравнению с продольными поперечыми составляющими поля. Более эффективными оказываются поперечные системы, в которых силовые линии поля направлены поперек пучка. Поперечные электронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка)
тронно-оптические системы в последнее время стали широко использоваться, особенно для фокусировки частиц (сильная фокусировка).
Поперечные фокусирующие поля обычно создаются четыремя электродами либо четыремя магнитными катушками, расположенными вокруг оси системы. При этом находящиеся диаметрально противоположно электроды или магниты имеют одинаковую полярность, а соседние элементы – противоположную (см. рисунок) Такие четырехполюсные системы, имеющие по по две плоскости симметрии, называются квадрупольными линзами. Отличительной особенностью квадрупольных линз является то, что продольная составляющая поля в них отсутствует. Рассмотрим в качестве примера квадрупольную электростатическую линзу. Образованную че-
Уравнения 2.146 получены из 2.145 дифференцированием по Х или Y, отсюда и знаки.
 |
Отклонение пучка заряженных частиц происходит в электрическом и магнитном полях. Причем в магнитном поле заряженная частица обязательно должна двигаться с конечной скоростью.
Отклонение круглого пучка частиц системой из двух электродов показано на рисунке 2.41. Простейшая система отклонения или развертки пучка предствляет собой набор электростатических отклоняющих пластин. Отклонение в электростатическом поле не зависит от величины отношения е/m и поэтому может использоваться как для электронов, так и для ионов.
В магнитных отклоняющих системах, где отклонение пропорционально скорости частиц (и, следовательно, отношению е/m), для отклонения ионов требуется очень сильное магнитное поле.
Угол отклонения можно получить в следующем виде
tgθ=(l /Vo)*(Vd/2*d)
Это обычное уравнение электростатического отклонения заряженных частиц (в данном случае электронов), проходящих между идеальными пластинами. Вместо l надо z
Здесь Vo - средний потенциал, подаваемый на пластины, Vd – сигнальный потенциал. Потенциал верхней пластины Vo + Vd/2, потенциал нижней пластины - Vo - Vd/2
В случае магнитного отклонения используются однородные взаимно перпендикулярные магнитные поля, создаваемые двумя парами обтекаемых током отклоняющих катушек.
Горизонтально расположенные катушки соединяются последовательно и по ним проходит ток, создающий магнитное поле c напряженностью Вl
, под действием которого пучок будет перемещаться в вертикальной плоскости. Вертикально расположенные катушки также соединяются последовательно, и своим магнитным полем будут вызывать перемещение пучка по горизонтали.
Рассмотрим подробнее отклонение пучка магнитным полем. Будем считать, что магнитное поле, созданное парой катушек, однородно и имеет индукцию В
. Ширина поля, пересекаемая электронным пучком, равна l
.
Электроны, входя в поперечное магнитное поле, движутся по дуге окружности. Пройдя по дуге, пучок выходит из зоны магнитного поля под углом a к оси Z , а затем движется по прямой линии до экрана.
Центральной частью любого спектрометра является энергоанализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. В энергоанализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.
Наибольшее распространение в электронных спектрометрах получил энергоанализатор типа цилиндрическое зеркало Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров (рис. 6.4.). Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S 1 и S 2 для прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению к внутреннему цилиндру потенциал V ab . В пространстве между цилиндрами электростатическое поле изменяется обратно пропорционально радиусу r :
 |
здесь r a и r b – соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.
Электроны, влетевшие в энергоанализатор от источника О с некоторой скоростью v 0 под углом влета θ , в результате отклонения от первоначальной траектории под действием электрического поля, будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в точке О 1 , в которой располагается коллектор электронов, например, электронный умножитель.
Наилучшая фокусировка электронного пучка в цилиндрическом зеркале достигается при угле влета электронов θ = 42° 18,5". В этом случае расстояние между точками О и О 1 , т.е. между образцом и детектором электронов L 0 = 6,12r a . Максимальное удаление электронов от оси анализатора r max =0,3L 0 .
В случае бесконечно узких входной и выходной щелей через энергоанализатор проходят лишь электроны со строго определенной энергией Е 0 . При конечной ширине щелей S 1 и S 2 Анализатор цилиндрическое зеркало будет пропускать электроны с с энергетическим разбросом δЕ . Две группы электронов равной интенсивности с некоторой средней энергией Е считаются разрешенными, если при их наложении результирующая кривая имеет минимум.
Уменьшить δЕ min можно уменьшением ширины щелей, однако при этом уменьшается чувствительность прибора, так как уменьшается доля электронов, достигающих детектора электронов. Улучшить разрешающую способность анализатора без ухудшения его параметров можно уменьшением энергии электронов Е , влетающих в анализатор. С этой целью перед входной щелью анализатора ставят замедляющие электроны сетки или систему электронных линз.
 |
Промышленные анализаторы, достаточно хорошим разрешением, конструируют на базе двухпролетного АЦЗ, согласованным со сферическими сетками, осуществляющими предварительное торможение электронов (рис. 6.5). Двухпролетный анализатор, как это видно из рисунка, представляет собой два последовательных обычных АЦЗ. Для измерений с угловым разрешением может используется вращающаяся диафрагма, расположенная на входе электронов во второй каскад анализатора.
Наибольшее разрешение, сравнимым с АЦЗ, обладает концентрический полусферический анализатор (ПСА ). Анализатор этого типа состоит из двух сферических секторов с радиусами кривизны r a и r b (рис. 6.6). Электроны в этом случае движутся в поле сферического конденсатора:
 |
где V ab – разность потенциалов между внешней и внутренней сферами.
В режиме фокусировки источник, находящийся в точке О и его изображение, которое расположено в точке О 1 , лежат на одной линии, проходящей через центр сфер .
Рассмотренные выше энергоанализаторы позволяют регистрировать электроны, обладающие энергиями, лежащими в заданном «окне». В энергоанализаторах этого типа электроны пропускаются через диспергирующее электростатическое поле и их отклонение от первоначальной траектории является функцией электрического поля, приложенного к электродам анализатора. Анализаторы, работающие на этом принципе называются дисперсионными . В электронной спектроскопии широкое применение находит также энергоанализатор с задерживающим полем (АЗП ) В этом энергоанализаторе используется тормозящее электростатическое поле, которое пропускает на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля.
Упругое рассеяние
При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. Образцу при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (>1 кэВ). Характерная энергия электронов в пучке составляет 1…50 кэВ. Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым. Экспериментально установлено, что доля отраженных электронов может достигать 30% от начального количества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают с поверхности образца в качестве отражённых электронов, имеют меньшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходят некоторое расстояние внутри твёрдого тела и они теряют энергию. Коэффициент отражения электронов прямо пропорционален атомному номеру материала мишени.
Угловое распределение упругорассеянных электронов можно рассчитать, используя резерфордовскую модель рассеяния с учетом экранировки атома электронным облаком. Тогда плотность вероятности на расстоянии z от поверхности определяется соотношением
Здесь Н 0 =1 – вероятность нахождения электрона на поверхности образца, r 0 – радиус зондирующего пучка электронов, r – расстояние от оси пучка падающих электронов, z – глубина проникновения электронов, измеряемая вдоль оси пучка.
Из приведенной формулы следует, что при распространении пучка электронов в пленке он уширяется, что показано на рисунке.
 |
Неупругое рассеяние
При неупругих взаи-модействиях траектория элек-трона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца. Благодаря неупругим взаимо-действиям возникают:
§ вторичные электроны
§ непрерывное рентгеновское излучение
§ характеристическое рентгеновское излучение
§ оже-электроны
§ колебания решётки (фононы)
§ электронные колебания (плазмоны)
§ электронно-дырочные пары
§ Катодолюминесценция
Рассмотрим эти явления подробнее:
Взаимодействие электрона пучка с твёрдым телом может привести к высвобождению слабо связанных электронов т.н. медленных вторичных электронов. Вторичными принято называть электроны, обладающие энергией до 50 эВ. Этот порог задан условно для того, чтобы различать вторичные и отражённые электроны. Большая часть вторичных электронов имеет энергию 3…5 эВ.
Чтобы вылететь из твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Поэтому только вторичные электроны, находящиеся в тонком приповерхностном слое (5…50 нм), могут покинуть образец. Следовательно, плотность и направление вторичных электронов зависит от рельефа поверхности.
Большой класс экспериментальных методов основан на регистрации сигналов, возникающих в процессе облучения исследуемого объекта электронным пучком.
Для корректной интерпретации получаемых данных необходимо понимание процессов взаимодействия электронов с исследуемыми объектами.
Электрон с высокой энергией претерпевает торможение в кулоновском поле атома. Потеря энергии электрона при таком торможении преобразуется в квант рентгеновского излучения, которое называется тормозным рентгеновским излучением. Так как энергетические потери электрона в процессе этого торможения могут принимать любые значения, то тормозное рентгеновское излучение образует непрерывный спектр с энергией от нуля до энергии электронов пучка.
Электрон, обладающий достаточно высокой энергией, при взаимодействии с атомом может вызвать освобождение сильно связанного электрона с внутренних оболочек, в результате чего атом оказывается ионизованным в высокоэнергетическом состоянии. Последующая релаксация этого возбуждённого состояния приводит к эмиссии характеристического рентгеновского излучения. На этом явлении основан рентгеноструктурноый анализ.
Образовавшийся квант излучения может провзаимодействовать с электроном внешней оболочки, не покинув атома (внутреннее преобразование). При этом другой электрон с внешней оболочки покидает атом. Такие электроны называются оже-электронами. Энергия таких оже-электронов составляет по порядку величины 100эВ-1кэВ. Эти электроны используется в оже- спектроскопии.
При бомбардировке электронным пучком диэлектрика или полупроводника электрон валентной зоны может быть переброшен в зону проводимости. Таким образом, образуется электроннодырочная пара, которая может рекомбинировать. При этом энергия, будет излучена в виде кванта света. Это явление называется катодолюминесценцией. Генерируемые кванты света будут лежать в ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазоне в зависимости от ширины запрещенной зоны.
Значительная доля энергии, приносимой на образец электронным пучком, передаётся твёрдому телу в виде возбуждения колебаний решётки – фононов - нагрева образца (область с на рисунке).
Если коэффициент теплопроводности образца достаточно высокий, то образец нагревается незначительно - не более 10°С. В материалах с низкой теплопроводностью (или в тонких пленках на диэлектрических подложках) при высоких токах пучка (1 мкА) вследствие нагрева может происходить модификация микрообъёма образца (отжиг, изменение фазы, разрушение и т.д.). Нагрев в таких случаях может достигать от единиц до тысяч градусов. Однако при типовых режимах работы (токах зонда ~ 10 нА) изменение или разрушение исследуемого образца не наблюдается.
Потери энергии в тонких и толстых мишенях, обусловленные неупругим рассеянием, реализуются как дискретные события, сопровождающиеся рождением вторичных электронов низких энергий (до 50 эВ).
В случае неупругого рассеяния угол рассеяния зависит от потери энергии падающего электрона.
В тонких пленках толщиной в несколько сотен нанометров падающий электрон претерпевает много столкновений, и накапливающееся в результате отклонение можно найти статистически, используя уравнение Больцмана.
Энергетический спектр вторичных электронов
Если энергия электронов достаточна для преодоления ими поверхностного потенциального барьера, то они покидают твердое тело и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны обладают энергиями от нуля до энергии первичных электронов.
Энергетическое распределение вторичных электронов имеет сложный характер и отражает разнообразные, сложные и часто связанные между собой процессы взаимодействия первичных электронов с твердым телом.
Энергетические спектры и угловое распределение вторичных электронов содержит достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках, в основном поверхности и приповерхностного слоя твердого тела, - составе, структуре, электронном строении.
Реальный энергетический спектр, полученный экспериментально, зависит от условий эксперимента и может существенно отличаться по форме от изображенного на рисунке.
Схематически вид кривой распределения вторичных электронов по энергии представлен на Рисунке. Как показывают экспериментальные результаты, вид спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении энергии первичных электронов. При энергии первичных электронов в интервале 100 эВ … 1000 эВ значительная доля в спектре приходится на медленные электроны (область а на рисунке) – эти электроны называют истинно вторичными электронами , так как эту группу составляют, в основном, электроны, выбитые из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами.
Максимум спектра истинно вторичных электронов лежит в области 1 … 10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера вещества твердого тела. При достаточно больших значениях энергии первичных электронов положение максимум не зависит от Ер, однако, при Ер<20 эВ он сдвигается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.
Область b на рисунке относится к не упруго отраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии.
В металлах и полупроводниках большая часть энергии, теряющейся в диапазоне b (из-за возбуждения электронов и ионизационных потерь), передается электронам проводимости или валентным электронам путем индивидуального или коллективного возбуждения.
При энергии, близкой к энергии первичных электронов Ер (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам. Рисунок. Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии.
Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов(области а и с), в спектре вторичных электронов в области b на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рисунке) не зависят от энергии первичных электронов
Эти пики соответствуют величине энергии, необходимой для ионизации атомов, и поэтому соответствующие потери энергии зависят от атомного номера. В этих процессах первичным или вторичным электроном на внутренней оболочке создается дырка, которая затем заполняется либо электроном с соседней оболочки атома, либо валентным электроном – так называемый эффект Оже Механизм Оже характеризуется заполнением дырки одним электроном и эмиссией второго электрона (оже-электрона)
Суть оже-процесса заключается в том, что на заполненный электронами уровень атома переходит электрон с внешней оболочки, а вся высвобождающаяся энергия передается электрону, находящемуся на другой орбите внешней оболочки. Этот электрон вылетает из образца с характерной энергией и называется оже-электроном. При этом энергия испущенного оже- электрона никак не зависит от энергии падающего электрона и полностью определяется спектром энергетических уровней в твердом теле.
Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Энергия оже-электронов лежит в диапазоне ≈ 50… 500 эВ. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Минимальная площадь анализа ограничена диаметром электронного пятна и составляет величину до 10 нм В случае рентгеновского излучения (рентгеновской флуоресценции) вместо второго электрона испускается фотон.
Максимумы 2 смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов.
Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью.
Энергетические потери из-за возбуждения фононов в диапазоне с могут быть разрешены только при помощи наиболее совершенных анализаторов спектра