TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ

GVHD : GS TS. Lê Văn Hiếu
HVTH : Phạm Văn Thịnh

MÔN : ĐIỆN TỬ HỌC PHÁT XẠ
2
I. GIỚI THIỆU:
• Phát xạ nhiệt điện tử là gì?
Là sự phát xạ của điện tử từ kim loại hay vật thể đƣợc đốt
nóng.
• Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi
Frederick Guthrie. Khi ông đang nghiên cứu các vật thể
mang điện tích , ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt
mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện
tích. Ông cũng tìm thấy hiện tượng tương tự đối với
các quả cầu mang điện tích âm.
• Hiện tƣợng phát xạ nhiệt điện tử đƣợc dùng làm cathode
(Thƣờng là W tinh khiết) phát điện tử trong một số dụng
cụ điện tử.Loại cathode hiệu dụng hơn là cathode màng
mỏng, bán dẫn, cathode oxide
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1. CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA
KIM LOẠI
• 2. PT PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM
LOẠI
• 3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT

5
Khi điện tử bay ra khỏi lớp
biên kim loại, nó bị kéo lại bởi
lực ảnh điện này (xảy ra cả ở
0
o
K)  Trên biên kim loại
thành lập 2 lớp điện:
- Lớp biên của mạng.
- Lớp điện tử.

• Schottky:
– 1 tụ điện phẳng có
khoảng cách a
– Cƣờng độ trƣờng từ 0
đến a không đổi
• Langmuir:
– Dựa vào lý thuyết kim
loại cổ điển: bên trong
kim loại lực F=0 …
0
x c a
F
F
c

1
2
2
2

a
2
2
0
2
2
0
0



• Schottky:
– Lực trong khoảng 2 lớp điện:

– Công thoát toàn phần của điện tử: • Langmuir:
– Lực t/d lên điện tử ở giữa 2 lớp điện: F
1
= F
c
– k(x – c)
2
(4)
Thỏa: x = 0 thì F
1
=0
x = a thì


1

2
2
1
4a
e
F 
2
2
4a
e
7
• Mặc dù W
0
của 2 giả thiết trên bằng nhau nhƣng dạng hàng rào thế
năng khác nhau.
• W
0
đƣợc tính bằng phƣơng pháp nhiễu xạ trên mạng tinh thể.
• Ở 0
o
K, ε << W
0
 Để phát xạ đƣợc cần cung cấp 1 năng lƣợng bổ
sung: Φ
0
= W
0
– ε ; Φ

8
2. PHƢƠNG TRÌNH PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ
CỦA KIM LOẠI:
• Số điện tử đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s là:
d(v
x
,v
y
,v
z
) = v
x
dn(v
x
,v
y
,v
z
) (6)
với v
x
: thành phần vận tốc có hƣớng vuông góc với bề mặt kim loại.
• Điều kiện điện tử thoát ra khỏi kim loại:
• Từ phân bố thống kê Fermi Dirac của điện tử theo năng lƣợng, ta suy
ra phân bố của điện tử theo vận tốc:
• từ (6) 


v,v,vdν
kT
εW
zyx
x
3
3
zyx



9
• Theo CHLT phải có hệ số truyền qua D:
– D=f(W) khó tính tích phân
– dễ tính tích phân hơn, ta đƣợc số điện tử thoát ra khỏi
kim loại:

• Mật độ dòng phát xạ:
• 

• Hay

• dN(W
x
): số điện tử có năng lƣợng trong khoảng (W
x
, W

dvdvdv
v
h
2m
eDeνj
1
v -
kT
εW
zyx
x
3
3
e
 
 




(12) dWe1lnkT
h
e m 4
Dj
x
W
kT
εW
3
0


– (A.m
-2
độ
-2
)

là hằng số

– Khác nhau đối với các kim loại khác nhau.
20
kT
εW
0


1ee
kT
εW
kT
εW
0
x



(14) ee1ln
kT
εW
kT







3
2
0
h
k e m 4π
A 
DAA
0

11
• Nhƣng công thức trên có sự sai lệch so với thực tế vì Φ
0
phụ thuộc
vào nhiệt độ T:
– Mức năng lƣợng ε biến đổi theo nhiệt độ.
– Do biến đổi hằng số mạng tinh thể nên W
0
biến đổi.
• Khai triển chuỗi Taylor cho hàm số Φ
0
(T): • Thế vào (15) ta đƣợc:

d
(17) .eeTDAj
kT
αT)(T
k
α
2
0
000




k
α
01
eDAA


(18) eTAj
kT
ψ
2
1


12
3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT
ĐIỆN TỬ:
• Vì W ≥ W

kT
ε
3
3
e
h
2m
C 
 
(20) dvdvdveDCv'd
zyx
kT
vvvm
x
2
z
2
y
2
x




13
• Gọi u
x
, u
y
, u

W
2
mv
2
mu

 
 
(21) dududueeuDCu,u,udυ
zyx
2kT
uuum
kT
W
xzyx
2
z
2
y
2
x
0



 
 
(22) dududueDLu,u,udn
zyx
kT

2
=0
• Khi có điện trƣờng ngoài E theo hƣớng gia tốc điện tử 
điện tử bị kéo ra khỏi bề mặt với 1 lực:
F’ = qE = eE.
(23) (x)dxFA
b
20




15
•  Lực cản tác động lên điện tử
ngoài kim loại là:
F(x) = F
2
(x) – eE (24)
 x < x
k
: F(x)>0: cản điện tử
 x = x
k

 x > x
k
: F(x)<0: gia tốc cho điện
tử
x
eE

k

(25) eEx
4x
e
A
Edx)()(F(x)dxA
k
k
2
0
0
22
x
b
k


  



 b x
x
k
k
edxxFdxxF
(26) eEeAA
0




(30) ejj
kT
eEe
0E


(31)
kT
eEe
j
j
ln
0
E

(32)
T
E
1,906
j
j
log
0
E

(33)
T
V

k
, lý
thuyết trên không
trùng với thực
nghiệm.
Nếu E
k
≈ 3.10
6

V.cm
-1
: quá lớn
=> xuất hiện phát
xạ mới: phát xạ
tự động
19
5. CATHODE MÀNG MỎNG - PHƢƠNG PHÁP
LÀM GIẢM CÔNG THOÁT
• Từ công thức dòng phát xạ nhiệt điện tử j ta thấy chỉ cần
1 biến đổi nhỏ công thoát hiệu dụng ϕ
0
có thể làm biến đổi
dòng j rất lớn.
• Ví dụ phủ một màng mỏng Cs, Ba, hay Th lên cathode W,
thì khả năng phát xạ điện tử sẽ tăng
-> Hiện tƣợng giảm công thoát của cathode màng mỏng đã
đƣợc Langmuir giải thích: Vật chất đƣợc hấp phụ nằm trên
bề mặt cathode dƣới dạng ion dƣơng hay một lớp nguyên
tử bị phân cực dipole. Hai lớp điện gần kề bề mặt cathode,

eV
0

4E



Cathode

ϕ
0
(eV)
kim loại
cathode

ϕ
0
(eV)
kim loại
màng

ϕ
0
(eV)
Cathode
màng mỏng

W_Cs
W_Ba
W_Th

1,5






22
docm
A
A
Bảng : Trị số công thoát hiệu dụng ϕ
0
(eV)

Nguyên nhân làm giảm A:
1. Do phát xạ vết ở đây rất mạnh
2. Do biến đổi dạng hàng rào thế năng dƣới tác dụng của điện
trƣờng dipole
24
6. CATHODE OXIDE
Cathode oxide là lớp oxide kim loại kiềm thổ (BaO, SnO,
CaO) phủ lên mặt kim loại. Quá trình tạo một catod oxide
nhƣ sau :
• Nhúng cốt kim loại vào cacbonat kim loại kiềm thổ BaCO
3

khi cathode khô lắp nó vào dụng cụ và tiếp tục hút khí.
• Phân huỷ cacbonat bằng cách nung nóng theo từng khoản
thời gian với nhiệt độ 1500