Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием электрического поля Е достаточно высокой напряженности (Е~10 В/см). Автоэлектронная эмиссия обнаружена в 1897 году Р. У. Вудом. В 1929 году Р. Э. Милликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j автоэлектронной эмиссии от 1/E вида lgj=A – B/E (A и B – константы). В 1928 – 29 годах Р. Фаулер и Л. Нордхейм дали теоретическое объяснение туннельного эффекта. Термин «автоэлектронная эмиссия» отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных другим видам электронной эмиссии.

При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не переходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер (Рис.1),

сниженный и суженный электрическим полем. Электронная волна, встречая на пути потенциальный барьер, частично отражается и частично переходит сквозь него. По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенциального барьера над уровнем Ферми ξ_F. Одновременно уменьшается ширина барьера. В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается т. н. прозрачность барьера D (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соответственно плотность тока автоэлектронной эмиссии.

Теоретический расчет плотности тока j автоэлектронной эмиссии приводит к формуле:

, (1)

где e – заряд электрона, n – концентрация электронов проводимости в проводнике с энергией ξ, связанной с компонентой импульса, нормальной к поверхности, E – напряженность электрического поля у поверхности эмиттера. Из (1) следует зависимость j от концентрации электронов в проводнике и их энергетического распределения n(ξ), а также от высоты и формы барьера, которые определяют его прозрачность D.

Для того чтобы создать сильные электрические поля, к обычным макроскопическим электродам необходимо было бы прикладывать напряжения в десятки миллионов вольт. Практически автоэлектронную эмиссию можно возбудить при гораздо меньших напряжениях, если придать катоду форму тонкого острия с радиусом вершины в десятые или сотые доли микрона. Сейчас реализованы условия, когда при микроскопических расстояниях катод-анод, равных единицам или долям микрона, и очень малых радиусах кривизны катода автоэмиссию удается получать при напряжениях всего в сотни и даже десятки вольт.

Металлические автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока j, т. е. там, где необходимы большие токи либо концентрированные электронные пучки. Преимуществами автоэлектронных эмиттеров являются отсутствие энергетических затрат на подогрев и безынерционность. Металлические автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) применяются в мощных сильноточных устройствах. Нелинейность вольт-амперной характеристики используется в устройствах СВЧ (преобразователи частоты, усилители, детекторы сигналов). Автоэмиссионный эмиттер в качестве интенсивного точечного источника электронов применяется в растровых микроскопах. Он перспективен в рентгеновской и обычной электронной микроскопии, в рентгеновской дефектоскопии, в рентгеновских микроанализаторах и электронно-лучевых приборах. Автоэмиссионные эмиттеры могут также употребляться в микроэлектронных устройствах и в чувствительных индикаторах изменения напряжения.

Автоэлектронный катод в сочетании с анодом, совмещенным с люминесцирующим экраном, превращает такой автоэмиссионный диод в эмиссионный электронный микроскоп. На его экране можно наблюдать картину углового распределения тока автоэлектронной эмиссии с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности.

Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры перспективны как чувствительные приемники ИК-излучения. Многоострийные системы эмиттеров служат основой для мозаичных систем в преобразователях ИК-изображений.

В высоковольтных вакуумных устройствах автоэлектронная эмиссия может играть и "вредную роль", способствуя утечкам тока, развитию вакуумного пробоя. Для подавления автоэлектронной эмиссии в этих случаях снижают поле у поверхности электродов (уменьшая нх кривизну), подбирают расположение электродов и распределение потенциалов, а также повышают работу выхода из поверхности (подбором материала или покрытия).

Автоэлектронная эмиссия из полупроводников. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с несколькими факторами:

1) электрическое поле глубоко проникает в полупроводник, что приводит к смещению энергетических зон, к изменению вблизи поверхности концентрации носителей заряда и их энергетического спектра;

2) концентрация электронов во много раз меньше, чем в металле, что ограничивает величину j, и она сильно зависит от внешних воздействий (температуpa, освещение и др.);

3) поверхностные состояния носителей заряда могут сказываться на характеристиках автоэлектронной эмиссии;

4) вольт-амперные характеристики и энергетические спектры автоэлектронов отражают зонную структуру полупроводников;

5) протекающий через полупроводник ток может приводить к перераспределению потенциала на нем, а также влиять на энергетический спектр электронов.

Все эти особенности привлекаются для объяснения наблюдаемых вольт-амперных характеристик и энергетических спектров автоэлектронов из полупроводников.

Автоэлектронные эмиттеры (катоды) делают в виде поверхностей с большой кривизной: острия, лезвия, шероховатые края фольг и пленок, торцы нитей и т. п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т. п. В зависимости от размеров эмиттеров и расстояния до анода напряжение V, обеспечивающее величину электрического поля E, достаточную для возникновения автоэлектронной эмиссии, может составлять от сотен вольт до нескольких десятков киловольт.

Стабильность автоэлектронной эмиссии связана с постоянством распределения φ вдоль катода и т. н. полевого множителя a=E/V. Оба эти фактора могут изменяться под влиянием адсорбции и миграции атомов или молекул как примесей, так и материала эмиттера. Например, локальные значения a возрастают в результате миграции поверхностных атомов под действием сильного электрического поля (перестройка в поле) или в результате "изъязвления" поверхности при ионной бомбардировке. Повышение стабильности автоэлектронной эмиссии достигается улучшением вакуума, очисткой эмиттера, использованием импульсного напряжения (для ослабления миграции атомов в электрическом поле и саморазогрева эмиттера), умеренным подогревом эмиттера (для защиты от адсорбции и для "заглаживания" дефектов в местах удара ионов), применением слабо адсорбирующих материалов (некоторые карбиды, бориды, нитриды металлов, углерод). Исследование автоэлектронной эмиссии из монокристаллов тугоплавких металлов, а также химических соединений с металлической проводимостью (LaB₆, ZrC и др.) в сверхвысоком вакууме (поверхность эмиттера остается чистой в течение часов или суток) позволило уточнить параметры автоэлектронной эмиссии для этих веществ.