Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля E достаточно высокой напряженности (E~10 В/см). Автоэлектронная эмиссия обнаружена в 1897 Р. У. Вудом. 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 проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем. Электронная волна, встречая на пути потенциальный барьер, частично отражается и частично проходит сквозь него. По мере увеличения внешнего ускоряющего поля понижается высота потенциального барьера над уровнем Ферми E_F, одновременно уменьшается ширина барьера. В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, соответственно увеличивается так называемая прозрачность барьера D (отношение числа электронов, прошедших сквозь барьер, к полному числу электронов, падающих на барьер) и соответствующая плотность тока автоэлектронной эмиссии.

Эффект Ноттингема - выделение теплоты на катоде при автоэлектронной эмиссии и поглощение теплоты при термоавтоэлектронной эмиссии, обусловленные разницей между средней энергией электронов, подходящих к поверхности катода и покидающих его. 

При низкой температуре (при автоэлектронной эмиссии, рисунок 1 а) распределение электронов по энергиям практически не отличается от распределения Ферми при абсолютном нуле. Сквозь потенциальный барьер U в вакуум уходят электроны, энергия которых несколько ниже уровня Ферми (на величину ~ Δ ε). При этом происходит нагревание эмиттера за счет энергии электронов, приходящих на электрической цепи на освобождающиеся уровни. В случае термоавтоэлектронной эмиссии (при высокой температуре) электроны уходят с уровней, лежащих выше уровня Ферми (рисунок 1 б). Заполнение этих уровней электронами, приходящими из цепи, приводит к охлаждению эмиттера.

С возрастанием Т нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через так называемую температуру инверсии, соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. При больших Т, когда эмиттер разогревается за счет джоулевых потерь, инверсия эффекта Ноттингема в некоторых пределах препятствует лавинному саморазогреву и стабилизирует автоэлектронную эмиссию.

Металлические автоэлектронные эмиттеры используются в тех случаях, когда требуется высокая плотность тока , то есть 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.

 

Автоэлектронные эмиттеры (катоды) делают в виде поверхностей с большой кривизной: острия, лезвия, шероховатые края фольг и пленок, торцы нитей. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг. 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 так называемого 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) в сверхвысоком вакууме (поверхность эмиттера остается чистой в течение часов или суток) позволило уточнить параметры автоэлектронной эмиссии для этих веществ.