Проявление волновых параметров объекта делает неосуществимым описание его движения законами традиционной механики, потому что электрону в данном случае не могут быть приписаны четкие значения координаты и импульса. Неопределенность этих величин связана меж собой соотношением Гейзенберга. При всем этом идет речь не о погрешности опыта, а о принципной невозможности сразу и точно знать координату и импульс частички.

Из этого соотношения следует, что при описании движения электронов в вакууме волновыми качествами электрона можно пренебречь, тогда как при описании движения электронов в атоме, туннельном переходе, в джозефсоновском контакте и т.п. описание их движения может быть лишь на базе квантово-механических представлений.

В согласовании с квантовой механикой свободные электроны могут иметь всякую энергию — их энергетический диапазон непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энерго уровни отдельных электронов размываются в зоны разрешенных состояний, отделенные друг от друга нелегальной зоной. В случае нескольких атомов, объединенных хим связью (к примеру, в молекуле), электрические орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном числу атомов, образуя так именуемые молекулярные орбитали. При предстоящем увеличении системы до макроскопического кристалла, количество орбиталей становится очень огромным, а разница энергий электронов, находящихся на примыкающих орбиталях, соответственно очень малеханькой, энерго уровни расщепляются до фактически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон. Наивысшая из разрешённых энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в какой при температуре 0К все энерго состояния заняты электронами, именуется валентной зоной, последующая за ней — зоной проводимости. В металлах зоной проводимости именуется наивысшая разрешённая зона, в какой находятся электроны при температуре 0 К.

В базе зонной теории лежат последующие главные приближения:

1. Жесткое тело представляет собой совершенно повторяющийся кристалл.
2. Сбалансированные положения узлов кристаллической решетки фиксированы, т.е. ядра атомов числятся недвижными (адиабатическое приближение). Малые колебания атомов вокруг сбалансированных положений, которые могут быть описаны как фононы, вводятся потом как возмущение электрического энергетического диапазона.
3. Многоэлектронная задачка сводится к одноэлектронной: воздействие на данный электрон всех других описывается неким усредненным повторяющимся полем.

Ряд явлений, по существу многоэлектронных, таких, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, и таких, где играют роль экситоны, не может быть поочередно рассмотрен в рамках зонной теории. Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила осознать природу и разъяснить важные характеристики металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны меж зонами валентности и проводимости является главный величиной в зонной теории, она определяет оптические и электронные характеристики материала.

Так как одним из главных устройств передачи электрону энергии является термический, то проводимость полупроводников очень очень находится в зависимости от температуры. Их проводимость можно прирастить, создав разрешенный энергетический уровень в нелегальной зоне, методом легирования. Таким макаром создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Уровень Ферми в полупроводниках находится посреди нелегальной зоны, в металлах – это верхний заполненный уровень при О К. Величина энергии Ферми находится в зависимости от концентрации электронов в металле и для большинства металлов составляет 5-10 эВ.

Для перевода электрона из твердого тела в вакуум нужно сказать ему дополнительную энергию (работу выхода, определяемую разностью полной энергии потенциального барьера и энергией уровня Ферми). Для полупроводников полная работа выхода электронов складывается из наружной работы выхода и энергетической полуширины нелегальной зоны. Зависимо от методов подвода дополнительной энергии различают термо-, фото-, вторичную, авто- и экзоэлектронную эмиссии.

В электрических устройствах около катода обычно создается наружное поле электронное поле, наличие которого приводит к уменьшению потенциального барьера на границе раздела металл-вакуум, работа выхода электрона из металла миниатюризируется (эффект Шотки). Энергетическая схема потенциального барьера на границе металл – вакуум при наличии наружного поля имеет вид, представленный на рисунке 4.1.

Рис. 4.1

При наличии сильного электронного поля появляется автоэлектронная эмиссия. Наружное поле приводит не только лишь к понижению, да и к сужению потенциального барьера на границе металл-вакуум.

Под электрической эмиссией понимается испускание электронов из твердого тела либо какой-нибудь другой среды. Посреди эмиссионных явлений автоэмиссия занимает особенное место, потому что это чисто квантовый эффект, при котором для высвобождения электронов из катода не требуется издержек энергии на сам эмиссионный акт в отличие от термо-, фото- и вторичной эмиссии.

Для того чтоб электрон мог покинуть поверхность катода, согласно представлениям традиционной физики его энергия непременно должна быть больше, чем высота потенциального барьера. Но есть физические ситуации, в каких электрон может освободиться не перепрыгивая через барьер, а проходя через него. Это может быть в этом случае, когда барьер на границе очень узкий. Таковой очень узкий барьер может быть сотворен сильным электронным полем. Процесс просачивания электрона через возможный барьер именуется туннельным эффектом. В итоге туннельного эффекта осуществляется автоэлектронная эмиссия. Условием появления автоэлектронной эмиссии является соизмеримость ширины потенциального барьера с длиной волны Де-Бройля для электронов. Для выполнения этого условия нужна напряженность электронного поля порядка 10-ов МэВ. Такие значения напряженности поля могут быть достигнуты на остриях либо в тонких диэлектрических пленках.

Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электронного поля описывается уравнением Нодгейма-Фаулера:

где –эмиссионные неизменные, Е – напряженность электронного поля.

Согласно этому уравнению плотность тока с острия может достигать , но ток эмиссии при всем этом может быть всего несколько мкА. Теория Фаулера-Нордгейма разъясняет экспоненциальную зависимость эмиссионного тока от напряженности поля. Из нее также следует возможность получения циклопических плотностей тока, в миллионы раз (пробой Зинера) превосходящих плотности тока, которые могли бы быть получены хоть каким другим обычным методом — в итоге термо-, фото- и других видов эмиссии. Из теории вытекает, что автоэмиссия должна наблюдаться также при низких температурах прямо до температур, близких к абсолютному нулю. Все эти характеристики автоэмиссии были доказаны экспериментально.

Процесс автоэмиссии оказался фактически безынерционным. Следствием квантово-механической природы процесса автоэмиссии является возможность получения большенных плотностей тока. А именно, это связано с тем, что туннельный механизм высвобождения электронов из твердого тела не просит энергетических издержек на эмиссионный акт и исключает, таким макаром, необходимость наружного воздействия на материал катода, другими словами его нагрева, бомбардировки, насыщенного облучения и т.п.

Автоэлектронная эмиссия с раздельно взятого острия отличается непостоянностью и сопровождается эрозией катода, просит очень высочайшего вакуума. В последние годы развивается вакуумная микроэлектроника и наноэлектроника. Это связано с созданием матричных автоэмиссионных систем с микронными и нанометровыми размерами, содержащими в одном в одном пикселе (ячейке) до 10 тыщ острий. Такие устройства употребляют для отображения инфы (сотовые матрицы). Одним из вариантов практического внедрения устройств такового типа является сканирующие туннельные микроскопы (СТМ).