Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Физические основы вакуумной электроники

Программа курса лекций

«Вакуумная электроника»

(2 курс, осень, 3 семестр)

доцент А.С. Батурин

 

1. Введение. Значение вакуумной электроники; области ее применения.

2. Представления о квантовых свойствах электрона. Гипотеза Планка. Гипотеза де-Бройля (волновая гипотеза). Принцип соответствия Бора. Корпускулярно-волновой дуализм.

3. Характеристики плоской монохроматической волны: амплитуда, фаза, частота, волновое число (волновой вектор); направление распространения плоской монохроматической волны.

4. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Свойства свободных электронов в вакууме. Волны де-Бройля. Уравнение Шредингера в декартовых координатах для одной частицы и для системы из двух различных частиц. Многочастичная и одночастичная волновые функции, их физический смысл. Стационарные состояния. Разрешенные уровни энергии. Волновая функция электрона, имеющего постоянную потенциальную энергию. Граничные условия для волновой функции.

5. Задача об электроне, налетающем на прямоугольную потенциальную ступеньку. Надбарьерное отражение. Проникновение квантовой частицы под барьер. Туннельный эффект. Точное выражение для прозрачности прямоугольного потенциального барьера конечной ширины. Приближенное выражение для прозрачности барьера произвольной формы. Прозрачность треугольного барьера.

6. Неразличимость элементарных частиц и принцип запрета Паули. Классические частицы; квантовые частицы (фермионы и бозоны). Статистика Ферми-Дирака. Функция распределения Ферми-Дирака, ее свойства, график функции. Связь статистики Ферми-Дирака с классической статистикой Больцмана. Уровень Ферми, его физический смысл. Нахождение уровня Ферми в модельных двухуровневых задачах; зависимость положения уровня Ферми от температуры.

7. Элементы зонной теории кристаллического твердого тела. Энергетические зоны. Квантовые числа: номер зоны и квазиимпульс. Период энергетической зоны в пространстве квазиимпульсов. Представление о зонах Бриллюэна. Количество электронных состояний в одной энергетической зоне. Эффективная масса в экстремумах энергетических зон. Запрещенная зона. Перекрытие зон.

8. Классификация твердых тел металлы, диэлектрики, полупроводники. Собственный, донорный и акцепторный полупроводники. Уровень Ферми и работа выхода электронов для металла, собственного полупроводника, донорного полупроводника, акцепторного полупроводника. Зависимость уровня Ферми от температуры для металлов и полупроводников.

9. Энергетическая диаграмма твердое тело-вакуум. Потенциальный барьер на границе раздела металл-вакуум. Уровень энергии вакуума. Контактная разность потенциалов (КРП) между двумя проводящими телами, находящимися в электрическом контакте; природа КРП. Методы измерения контактной разности потенциалов.

10. Термоэлектронная эмиссия в вакуум из металлов и полупроводников. Вывод формулы Ричардсона-Дэшмана. Ток насыщения. Вольтамперные характеристики (ВАХ) вакуумного термоэмиссионного диода. Токопрохождение в вакууме. Начальные токи. Ток термоэлектронной эмиссии, ограниченный пространственным зарядом (закон трех вторых). Влияние электрического поля на термоэлектронную эмиссию. Эффект Шоттки. Влияние КРП на вольтамперную характеристику вакуумного диода с термокатодом. Термодинамическая работа выхода. Эффективная работа выхода. Ричардсоновская работа выхода; метод прямых Ричардсона. Средняя по току и средняя по поверхности работа выхода. Методы измерения работы выхода электронов.

11. Принципы термоэмиссионного преобразования энергии. Энергетические диаграммы для разных режимов ТЭПЭ. Компенсация пространственного заряда. ТЭПЭ, как тепловая машина. КПД идеального ТЭПЭ.

12. Основные типы термоэлектронных катодов и их характеристики. Эмиссионная способность, эффективность и срок службы термоэлектронных катодов. Пленочные эмиссионные системы. Эффективные термоэлектронные катоды. Металлопленочные катоды; торий на вольфраме. Оксидный катод.

13. Фотоэлектронная эмиссия. Законы внешнего фотоэффекта; уравнение Эйнштейна. Пороговая длина волны (красная граница). Влияние КРП на вольтамперную характеристику вакуумного диода с фотокатодом. Выражение (без вывода) для плотности тока фотоэмиссии в модели Фаулера вблизи пороговой длины волны. Фотоэлектронная работа выхода, ее опытное определение по методу кривых Фаулера и кривых Дюбриджа. Фотоэлектронная работа выхода для полупроводниковых катодов с различными типами проводимости. Основные характеристики фотоэмиттеров: интегральная чувствительность, спектральная чувствительность, квантовый выход. Эффективные фотоэмиттеры. Представление о фотоэмиттерах с отрицательным электронным сродством.

14. Автоэлектронная эмиссия. Вывод формулы Фаулера-Нордгейма. Функция Нордгейма. Экспериментальное наблюдение автоэлектронной эмиссии. Определение параметров автокатодов из экспериментальных данных; метод прямых Фаулера-Нордгейма; количественные оценки. Ионная бомбардировка. Типы автоэмиттеров: острийный, лезвийный, пленочный, стержневой; особенности их работы. Формфактор. Эффективные автоэлектронные катоды. Природа нестабильности тока автоэмиссии.

15. Приборы, предназначенные для исследований поверхности твердых тел: растровый электронный микроскоп (РЭМ); автоэлектронный проектор (АЭП); автоионный проектор (АИП); атомный зонд; сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — принцип действия, конструкция, разрешающая способность, особенности их работы и экспериментальные возможности. Природа высокой разрешающей способности этих приборов.

16. Поверхностная ионизация. Термоионная эмиссия. Формула Саха -Ленгмюра.

17. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ). Схема экспериментальной установки для исследования ВЭЭ. Кривая задержки и функция распределения электронов по энергиям. Истинно вторичные, упруго отраженные и рассеянные электроны. Особенности вторичной электронной эмиссии полупроводников и диэлектриков по сравнению с металлами. Формула Брюининга (без вывода), ее физический смысл. Кривые подобия. Эффективные вторично-эмиссионные катоды. Электронные умножители, коэффициент усиления. Фотоэлектронные умножители.

 

Литература

1.     Добрецов А.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника, М. Наука, 1966.

2.     Бондаренко Б.В. Эмиссия электронов и ионов из твердого тела в вакуум, учебное пособие, Москва, изд. МФТИ, 1982.

3.     Бондаренко Б.В. Электронно-эмиссионные явления, учебное пособие, Москва, изд. МФТИ, 1979.

4.     Шимони К. Физическая электроника. М., Энергия, 1977.

5.     Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Начальные главы квантовой механики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.

6.     Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника, Москва, Высшая школа, 1986.

7.     Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику, Москва, Наука, 1988.

8.    Бом. Д. Квантовая теория, М. Наука Главная редакция физическо-математической науки, 1965.

9.    Пейн Г. Физика колебаний и волн. М. Мир, 1979.

10.  Сасскинд Л., Фридман А. Квантовая механика. Теоретический минимум. -Спб: Питер, 2014.

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика