Wat is die Schottky Effek?
Wat is die Schottky-effek?
Definisie van die Schottky-effek
Die Schottky-effek word gedefinieer as 'n vermindering in die energie wat nodig is om elektrone vanaf 'n vaste oppervlak in 'n vakuum te verwyder wanneer 'n elektriese veld toegepas word. Dit verhoog die elektron-uitstoot van verhitte materiale en beïnvloed die termies-elektriese stroom, oppervlak-ionisasienergie, en foto-elektriese drempel. Genoem na Walter H. Schottky, is hierdie effek krities vir elektron-uitstoottoestelle soos elektron-pistole.
Termiese emissie
Om die Schottky-effek te verstaan, moet ons eers die konsepte van termiese emissie en arbeidsfunksie oorweeg.
Termiese emissie is die emissie (vrylating) van ladingdragere (ionne of elektrone) vanaf die oppervlak van 'n materiaal as gevolg van die termiese energie wat daaraan gegee word. In 'n vaste materiaal is daar gewoonlik een of twee elektrone per atoom wat vry is om van die een atoom na die ander te beweeg, volgens bandteorie. Hierdie elektrone kan ontsnap van die oppervlak as hulle genoeg energie het om die potensiaalbarrière te oorkom wat hulle aan die materiaal bind.
Die arbeidsfunksie word gedefinieer as die minimum energie wat nodig is vir 'n elektron om vanaf 'n materiaal se oppervlak te ontsnap as gevolg van termiese energie. Dit varieer afhangende van die materiaal, sy kristalstruktuur, oppervlakstoestand, en omgewing. 'n Laer arbeidsfunksie lei tot hoër elektron-uitstoot.
Die verhouding tussen die termiese emissiestroomdigtheid J en die temperatuur T van 'n verhitte metaal word deur Richardson se wet gegee, wat wiskundig analoog is aan die Arrhenius-vergelyking:
waar W die arbeidsfunksie van die metaal is, k die Boltzmann-konstante is, AG is die produk van 'n universele konstante A0 vermenigvuldig met 'n materiaal-spesifieke korreksiefaktor λR wat tipies van orde 0.5 is.
Die rol van die elektriese veld
Nou kan ons verduidelik hoe die elektriese veld termiese emissie beïnvloed en die Schottky-effek veroorsaak.
Wanneer 'n elektriese veld op 'n verhitte materiaal toegepas word, word die potensiaalbarrière verlaag, wat meer elektrone toelaat om te ontsnap. Dit verlaag die arbeidsfunksie met 'n bedrag ΔW, wat die termiese stroom verhoog. Die verlaging van die barrière ΔW word bereken deur:
Die gewysige Richardson-vergelyking wat rekening hou met hierdie barrièreverlaging is:
Die gewysige Richardson-vergelyking wat rekening hou met hierdie barrièreverlaging is:
Hierdie vergelyking beskryf die Schottky-effek of veldversterkte termiese emissie, wat plaasvind wanneer 'n matige elektriese veld (lager as ongeveer 108 V/m) op 'n verhitte materiaal toegepas word.
Veldemissie
Wanneer 'n baie hoë elektriese veld (meer as 108 V/m) op 'n verhitte materiaal toegepas word, vind 'n verskillende elektron-uitstoot plaas, bekend as veldemissie of Fowler-Nordheim-tunneling.
In hierdie geval is die elektriese veld so sterk dat dit 'n baie dun potensiaalbarrière skep wat elektrone toelaat om deur dit te tunnel sonder om genoeg termiese energie te hê. Hierdie tipe emissie of tunneling is onafhanklik van temperatuur en hang slegs af van die sterkte van die elektriese veld.
Die gekombineerde effekte van veldversterkte termiese en veldemissie kan gemodelleer word deur die Murphy-Good-vergelyking vir termo-veld (T-F) emissie. By selfs hoër velde word veldemissie die dominante elektron-uitstoot-meganisme, en die emitter werk in die sogenaamde “koue veld elektron-uitstoot (CFE)” regime.
Toepassings
Die Schottky-effek word gebruik in toestelle soos elektronmikroskope, vakuumbuise, gasontladingslamppe, sonsellpanelles, en in nanotegnologie.
Opsomming
Die Schottky-effek is 'n fenomeen in fisika wat die energie wat nodig is om elektrone vanaf 'n vaste oppervlak in 'n vakuum te verwyder, verminder wanneer 'n elektriese veld op die oppervlak toegepas word. Dit verhoog die uitstoot van elektrone vanaf die oppervlak van 'n verhitte materiaal en beïnvloed die termiese stroom, die oppervlak-ionisasienergie, en die foto-elektriese drempel.
Die Schottky-effek vind plaas wanneer 'n matige elektriese veld die potensiaalbarrière verlaag wat elektrone verhoed om vanaf die oppervlak te ontsnap, wat die arbeidsfunksie verlaag en die termiese stroom verhoog. Die verhouding tussen termiese stroomdigtheid, temperatuur, arbeidsfunksie, en elektriese veldsterkte kan beskryf word deur 'n gewysige Richardson-vergelyking.
