第七章_场致发射

场致发射原理范文场致发射（Field Emission）是一种利用电场高强度的原理，从密集的金属尖端（例如钨尖、铕尖等）发射出电子的现象。

它是一种重要的电子发射机制，广泛应用于电子显微镜、射频微波器件、荧光显示器等领域。

本文将详细介绍场致发射的基本原理及其应用。

场致发射的原理基于量子力学的隧道效应。

当金属中存在一个极强的电场时，电子将被束缚在金属表面的费米能级附近。

如果金属尖端存在几何形状的尖缘，尖缘周围的电场会进一步增强，使得费米能级在尖端附近弯曲。

当电场强度超过一些阈值（一般为10^7～10^8V/m），电子有足够的能量穿过势垒，从金属尖端逸出发射。

场致发射的电子具有高速、高亮度和稳定性的特点，适用于要求高分辨率和高灵敏度的应用。

场致发射的机理可以通过费米面的形变来解释。

当金属尖端附近的电场强度增加时，费米面在尖端附近形成一个“弯曲”，即费米能级随距离的变化而变化。

这个费米面的弯曲导致了能态在空间上的重叠，即形成了一系列的波函数。

根据波函数的正交性，这些波函数中的一部分将趋向无穷大，使电子能够隧道穿过势垒，从而实现发射。

为了实现场致发射，需要满足一定的条件。

首先，金属尖端的半径应该尽量小，以增大周围的电场强度。

其次，金属尖端的表面应该尽量光滑，以防止电子被表面缺陷散射。

同时，正常的材料表面都会存在气体吸附，吸附的气体会降低电子隧穿经过的概率，因此需要对尖端进行氧化处理等，减少气体吸附。

最后，为了保证金属尖端之间形成足够的电场强度，通常需要对尖端进行高电压的加速。

场致发射在电子技术中有着广泛的应用。

最常见的应用之一是电子显微镜。

电子显微镜利用场致发射的高能电子来替代传统的光学显微镜，可以获得更高的分辨率和放大倍数。

此外，场致发射还用于制造射频微波器件，例如场发射管和冷阴极管。

在场发射管中，电场强度被用于控制电子的发射和加速；而在冷阴极管中，场致发射的电子作为多个发射源之一，被用于激发荧光屏。

此外，场致发射还用于荧光显示器和光电倍增管等领域。

第一章1、解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。

焊接电弧：由焊接电源提供能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。

热电离：气体粒子受热的作用而产生电离的过程。

场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子的运动被加速，最终与中性粒子发生非弹性碰撞而产生电离。

光电离：中性粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程。

热发射：固态或者液态物质（金属）表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出表面的现象。

场致发射：当固态或者液态物质（金属）表面空间存在强电场时，会使阴极较多的电子在电场的作用下获得足够的能量而克服电荷之间的静电吸引而发射出表面。

光发射：当固态或者液态物质（金属）表面接受光射线的辐射能量时，电极表面的自由电子能量增加最后飞出电极表面的现象。

粒子碰撞发射：当高速运动的粒子（电子或正离子）会碰撞金属电极表面，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面的现象。

冷阴极型电极：当使用钢，铜，铝等材料作为阴极时，其熔点和沸点都较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子，这种电弧称为“冷阴极电弧”，电极称为“冷阴极型电极”。

热阴极型电极：当使用钨，碳等材料作阴极时，其熔点和沸点都较高，阴极可以被加热到很高的温度，电弧阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧称为“热阴极电弧”，电极称为“热阴极型电极”。

2、试述电弧中带电粒子的产生方式。

答：电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。

赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子，这两种带电粒子的产生主要依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个过程。

气体的电离形式有：热电离，场致电离和光电离。

电子发射方式有：热发射场致发射光发射粒子碰撞发射3、焊接电弧由哪几个区域组成？试述各区域的导电机构。

2 . 当狭缝太宽、太窄时将会出现什么现象? 为什么? 答狭缝太宽则分辨本领将下降如两条黄色光谱线分不开。

狭缝太窄透光太少光线太弱视场太暗不利于测量。

3 . 为什么采用左右两个游标读数? 左右游标在安装位置上有何要求?答采用左右游标读数是为了消除偏心差安装时左右应差1 8 0 º1）测d和λ时，，，，实验要保证什么条件？如何实现如何实现如何实现如何实现？？？？答要求条件1：分光计分光计分光计分光计望远镜适合观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者光轴均垂直于分光计主轴。

实现：先用自准法调节望远镜，再用调节好的望远镜观察平行光管发出的平行光，调节缝宽和平行光管的高度，使得狭缝的象最清晰而且正好被十字叉丝的中间一根横线等分，分光计就调节好了。

要求条件2：光栅平面与平行光管的光轴垂直。

实现：如本文4.1所述，首先粗调，然后，当发现两者相差超过2′时，应当判断零级谱线更接近哪一侧的谱线，若接近左侧谱线，则光栅应顺时针旋转（从分光计上方看），反之应该逆时针旋转，再次测量。

3、用什么办法来测定光栅常数？光栅常数与衍射角有什么关系？答：用测量显微镜来测量光栅常数。

根据光栅衍射方程dsinφ＝kλ知道，光栅常数d与衍射角的正弦sinφ成反比。

4、测光波长应保证什么条件？实验时这些条件是怎样保证的？答：测光波长应保证入射的单色平行光垂直于光栅平面，否则该式将不成立。

实验时通过调节平行光管与光栅平面垂直来保证式成立。

5、分光计主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？为什么要设置一对左右游标？答：分光计主要包括：望远镜、平行光管、刻度盘、游标盘等。

设置一对左右游标的目的是为了消除刻度盘与游标盘之间的偏心差。

6、调节分光计的基本要求是什么？为什么说望远镜的调节是分光计调节中的关键？答：简单地说，调节分光计的基本要求是使分光计各部分都处于良好的工作状态。

因为分光计的水平调节、平行光管的调节等都要借助于望远镜，所以说望远镜的调节是分光计调节中的关键。

场发射扫描电镜原理场发射扫描电镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy，FE-SEM）是一种高分辨率、高清晰度的电镜技术。

其原理是在极细的钨（W）尖端处实现高强度的电场，这个电场可以帮助电子从钨尖端跃迁到样品上，形成高能的电子束，用来扫描和成像样品表面。

FE-SEM主要包括场致发射和电子透镜系统两个关键部分。

其中，场致发射是产生高强度电场的过程，通常采用极细的钨尖作为阴极，在其表面施加高电压，使钨尖表面的电子能够克服表面张力势垒跃出，并且形成高强度的电场。

在这种条件下，钨尖表面的电子被聚集在针尖旁边近似球形区域内，形成一种被称为“自发致密区”（Self-Assembled Dense Region，SADR）的结构。

这个结构在钨尖表面周围，造成高强度电场，在这个电场中，靠近钨尖表面的电子通过场致发射跃迁到样品表面，形成高能的电子束。

电子透镜系统由磁场和电场组成，用来引导和聚焦电子束。

其中，强壮的磁场和透镜系统是FE-SEM的一个关键组件，用于弯曲桥架射束中的电子，确定电子束扫描的方向和位置。

另一方面，电子透镜由多组电极组成，根据网格的配置和设计，可以对电子束进行聚焦。

这个过程可以在聚焦点上产生高度聚焦的电子束，使得电子束与样品表面的距离减小，进而在样品表面上产生高分辨率图像。

在FE-SEM中，电子束的扫描和成像过程是快速的。

电子束的聚焦和聚焦所花费的时间和贡献非常小。

因此，它可以在高速、高解析度和高图像质量的条件下对不同样品进行成像和分析。

其图像质量和解析度可以达到亚纳米级别，可以对大量的材料、结构和器件进行微观结构表征和研究。

尤其对于材料科学、纳米科学、生物医学和材料工程领域，FE-SEM已经成为一种不可或缺的研究手段。

•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。

与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。

答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。

内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。

分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。

二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。

对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。

欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。

在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。

在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。

2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。

要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。

3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。

这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。

第一章电介质的电气强度1.1气体放电的基本物理过程1.高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其他复合介质。

2.气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。

3.电离：指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。

4.带电质点的方式可分热电离、光电离、碰撞电离、分级电离。

5.带电质点的能量来源可分正离子撞击阴极表面、光电子发射、强场发射、热电子发射。

6.带电质点的消失可分带电质点受电场力的作用流入电极、带电质点的扩散、带电质点的复合。

7.附着：电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也可能发生电子附着过程而形成负离子。

8.复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。

（1）复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；（2）复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。

9.1、放电的电子崩阶段（1）非自持放电和自持放电的不同特点宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。

因此，在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小的电流。

由图1-3可知：（1）在I-U 曲线的OA 段： 气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。

当电压接近 时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关。

（2）在I-U 曲线的B 、C 点：电压升高至 时，电流又开始增大，这是由于电子碰撞电离引起的，因为此时电子在电场作用下已积累起足以引起碰撞电离的动能。

电压继续升高至 时，电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。

此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生了击穿。

（3）在I-U 曲线的BC 段：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，一般在微安级，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持，一旦去除外电离因素，气隙电流将消失。

1-1气体放电过程中产生带电质点最重要的方式是什么，为什么？答: 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点最重要的方式。

这是因为电子体积小，其自由行程(两次碰撞间质点经过的距离)比离子大得多，所以在电场中获得的动能比离子大得多。

其次．由于电子的质量远小于原子或分子，因此当电子的动能不足以使中性质点电离时，电子会遭到弹射而几乎不损失其动能；而离子因其质量与被碰撞的中性质点相近，每次碰撞都会使其速度减小，影响其动能的积累。

1-2简要论述汤逊放电理论。

答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此电子到达阳极表面时由于α过程，电子总数增至d e α个。

假设每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（d e α－1）个正离子。

这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．按照系数γ的定义，此（d e α－1）个正离子在到达阴极表面时可撞出γ（d e α－1）个新电子，则(d e α-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。

即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(d eα-1)=1或γde α＝1。

1-3为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？答:（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。

随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。

当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。

于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。

这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。

（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。

当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。

场致发射原理场致发射原理是指在强电场或强磁场的作用下，材料中的电子受到激发而从固体表面发射出来的现象。

这种发射方式与传统的热发射和光电发射不同，它不需要高温或光照，而只需要外加电场或磁场的作用即可实现电子的发射。

场致发射在电子学、光电子学、材料科学等领域具有重要的应用价值。

场致发射的原理是基于量子力学的电子隧穿效应。

在材料中，电子被束缚在原子核附近的能级中。

当外加电场或磁场达到一定强度时，电子的能量会增加，足以克服束缚力，从而逃逸出来。

这个过程可以用电子隧穿效应来解释，即电子通过量子隧道从材料中逃逸。

在场致发射中，电子的逃逸受到多种因素的影响。

首先是材料的性质，包括禁带宽度、电子亲和能、晶格结构等。

禁带宽度越小，电子逃逸的能量越低，逃逸的电子数目越多。

电子亲和能越小，电子逃逸的能量越低，逃逸的电子数目越多。

晶格结构对电子的逃逸也有一定影响，某些晶格结构能够提供更多的逃逸路径，从而增加逃逸电子数目。

其次是外加电场或磁场的作用强度。

当外加电场或磁场的作用强度越大时，电子逃逸所需的能量越小，逃逸的电子数目越多。

但是当作用强度过大时，可能会引起材料的损坏或失效，因此需要在适当的范围内选择。

温度也会对场致发射产生一定影响。

在一定温度下，材料中的电子具有一定的热运动能量，这会增加电子逃逸所需的总能量。

因此，较高的温度会减弱场致发射的效果。

场致发射具有一些独特的优点。

首先是发射电子的速度非常快，一般在纳秒或皮秒的时间尺度内完成。

这使得场致发射在高速电子学器件中具有重要的应用。

其次，场致发射不需要高温或光照，这样可以减少能量的消耗和材料的损伤。

此外，场致发射还具有很高的空间分辨率，可以实现微米甚至纳米级别的电子发射。

场致发射在许多领域有着广泛的应用。

在电子学中，场致发射被用于产生高速脉冲电子束，用于光电子学器件的驱动和调制。

在光电子学中，场致发射被用于产生高亮度的电子源，用于光阴极和显示器件。

在材料科学中，场致发射被用于研究材料的电子输运性质和表面形貌。

第一章习题答案一、填空题1. 投影型空间成像型直视型阴极射线管显示器平板显示器2. 主动发光型非主动发光型3. CRT投影技术LCD投影技术数字光处理器表面数字微晶装置4. 阴极射线管电子束电子枪阴罩荧光粉层5. 等离子体气体放电发光6. 半导体硅上的液晶玻璃半导体硅材料7. 头盔显示器全息显示器8. 真空荧光真空荧光管9. 无数个小发光二极管拼接10. 300mm×400mm 2二、名词解释1. 主动发光型显示器是指利用电能使器件发光，显示文字和图像的显示技术。

2. 被动发光型显示器是指器件本身不发光，需要借助于太阳光或背光源的光，用电路控制外来光的反射率和透射率，才能实现显示。

3. 投影型显示器是用显示器显示图像后，再经光学系统放大后投影到屏幕上的一种显示。

4. 空间成像型显示器是空间虚拟图像，也是投影显示的一种，代表技术是头盔显示器5. 电致发光显示器是利用某些材料在外界电场作用下发光实现显示的一种主动发光显示器。

6. 场致发射显示器是一种用冷阴极在高电场作用下发射电子，轰击涂覆在屏幕上的荧光粉发光实现显示的。

7. 发光二极管显示器是采用无数个小发光二极管拼接组成的显示器。

8. 响应时间是指显示器对输入信号的反应时间，如像素由暗转到亮，再由亮转到暗的图像完全显示所用的时间。

9. 亮度是指在单位面积上显示器画面明亮程度。

10. 开口率是像素的有效透光区面积与像素总面积的比值。

11. 对比度是指显示器的最大亮度与最小亮度的比值。

12. 灰度是指在白和黑之间的亮度层次分成几个等级，表示显示亮度不同的反差。

13. 拖尾是显示器在显示动态图像时出现的边缘模糊、看不清细节的现象。

14. 像素是平板显示图像的很多纵横排列的点中最小单位的点。

15. PPI，Pixels per inch，是每英寸所拥有的像素数目。

16. 画面尺寸是指显示区域对角线的长度。

17. 长宽比是显示画面横方向尺寸和纵方向尺寸的比。

焊接名词解释绪论1. 焊接定义：焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法。

2. 焊接方法分类：按照电极焊接时是否熔化，可以分为熔化极焊和非熔化极焊；按照自动化程度分为手工焊、半自动焊、自动焊等；按照按照焊接过程中母材是否熔化以及对母材是否施加压力进行分类，可以把焊接方法分为熔焊方法、压焊方法和钎焊方法三大类。

3. 焊接技术：焊接技术是机械制造工业中的关键技术之一，是现代先进制造技术的一个重要组成部分。

4. 压焊方法：压焊方法是焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）才能完成焊接的方法。

5. 钎焊方法：钎焊方法是焊接时采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接的方法。

6. 焊接工艺：焊接工艺是指制造焊件所有关的加工方法和实施要求，包括焊接准备、材料选用、焊接方法、焊接参数和操作要求等。

第一章焊接电弧1. 焊接电弧：焊接电弧是由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。

2. 气体放电：气体放电，是指当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象。

3. 两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件：一是必须有带电粒子，二是在两极之间必须有一定强度的电场。

4. 解离：两电极之间的气体受到外加能量（如外加电场、光辐射、加热等）作用时，气体分子热运动加剧。

当能量足够大时，由多原子构成的气体分子就会分解为原子状态，这个过程称为解离。

5. 电离：在外加能量的作用下，使中性气体分子或原子分离成为正离子和电子的现象称为电离。

6. 激励：激励是当中性气体分子或原子受到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子，而使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。

7. 热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。

第七章、弧光放电最常见的弧光放电有电焊弧光放电，非常明亮刺眼，闪电也是常见的弧光放电。

类似的放电为什么叫弧光放电呢？历史上最初的电弧放电是在大气中产生的，在两个相隔很近的放电电极间加以电压（电源功率很大，且限流电阻较小），就会产生明亮的放电火焰，火焰中气体温度很高，因为热空气上升，冷空气从下方来补充，使发光部分向上形成拱形，所以将这种放电称为电弧放电或弧光放电（Arc discharge）。

而现在把具有这类放电机理和放电特性的放电均称为弧光放电。

弧光放电的最大特点是大的放电电流密度，较低的阴极位降电压(低电压、大电流)。

§7.1 弧光放电的特征与分类一、弧光放电的几种起弧方法1. 起弧方法：①放电电极接触-分离式起弧方法：先将两放电电极接触，加以直流或交流电压，形成电流，然后再将两电极分离开，而形成弧光放电。

原因是两电极接触不良处产生局部高温，而且局部电场很强（虽然两电极间只有几十V的电压，但是极间距离→0），极易形成弧光放电。

电弧焊机就是采用的这种起弧原理；②直接在两放电电极间加以超高电压起弧：大气的击穿场强约为30KV/cm，也就是说，处于大气中的放电电极间距为1cm两个电极，加以30KV的电压，就可以直接起弧。

雨天的闪电就是直接起弧。

③辉光放电过渡起弧（常用的起弧方法）：正常辉光放电增大放电电流就会进入到反常辉光放电区，此时阴极位降区的电场强度会增大，继续增大放电电流，打到阴极上的正离子数量和动能都会随放电电流的增大而增大，而导致阴极表面温度Tc升高，当电流增大到使阴极温度上升到足以产生强烈的热电子发射时，管压降突然下降到很低的水平，放电发生质的变化，从辉光放电过渡到了弧光放电。

2. 过渡起弧过程的伏—安特性在正常辉光放电中，阴极位降（Uc~Un）几乎不随放电电流的变化而变化，阴极温度Tc也比较低，当进入反常辉光放电区后，管压降随放电电流的↑而↑，且Tc也增大，放电电流继续增大，就进入了弧光放电区。