ماذا هو تأثير شوتكي؟

ما هو تأثير شوتكي؟

تعريف تأثير شوتكي

يُعرف تأثير شوتكي بأنه تقليل في الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترونات من سطح جسم صلب في الفراغ عندما يتم تطبيق مجال كهربائي. هذا يعزز تفريغ الإلكترونات من المواد المحمية ويشكل تأثيرًا على التيار الحراري، وطاقة أيونية السطح، وعتبة التأثير الكهروضوئي. سمى باسم والتر إتش. شوتكي، هذا التأثير حاسم للأجهزة المنبعثة للإلكترونات مثل مدافع الإلكترونات.

الانبعاث الحراري

لفهم تأثير شوتكي، يجب أولاً أن نراجع مفاهيم الانبعاث الحراري ووظيفة العمل.

الانبعاث الحراري هو انبعاث (إطلاق) حاملات الشحن (الأيونات أو الإلكترونات) من سطح المادة بسبب الطاقة الحرارية المعطاة لها. في المادة الصلبة، هناك عادةً إلكترونين واحد أو اثنين لكل ذرة يمكنهما الحركة من ذرة إلى أخرى بناءً على نظرية النطاقات. يمكن لهذه الإلكترونات الهروب من السطح إذا كانت لديها طاقة كافية لتجاوز الحاجز الكهربائي الذي يربطها بالمادة.

تُعرَّف وظيفة العمل بأنها الطاقة الدنيا اللازمة لإلكترون ليهرب من سطح المادة بسبب الطاقة الحرارية. تتغير هذه الوظيفة بناءً على المادة، وبنية البلورات، وحالة السطح، والبيئة. يؤدي انخفاض وظيفة العمل إلى زيادة انبعاث الإلكترونات.

يتم تحديد العلاقة بين كثافة التيار الحراري J ودرجة حرارة T للمعدن المحمي بواسطة قانون ريتشاردسون، والذي يشبه بشكل رياضي معادلة آرنيوس:

حيث W هي وظيفة العمل للمعدن، k هي ثابت بولتزمان، AG هو ناتج ضرب الثابت العالمي A0 بعامل تصحيح محدد للمادة λR والذي يكون عادةً من الرتبة 0.5.

دور المجال الكهربائي

الآن يمكننا شرح كيفية تأثير المجال الكهربائي على الانبعاث الحراري وتسببه في تأثير شوتكي.

تطبيق مجال كهربائي على مادة محمية يقلل الحاجز الكهربائي، مما يسمح بخروج المزيد من الإلكترونات. هذا يقلل من وظيفة العمل بمقدار ΔW، مما يزيد من التيار الحراري. يتم حساب انخفاض الحاجز ΔW بواسطة:

معادلة ريتشاردسون المعدلة التي تأخذ بعين الاعتبار هذا الانخفاض في الحاجز هي:

معادلة ريتشاردسون المعدلة التي تأخذ بعين الاعتبار هذا الانخفاض في الحاجز هي:

هذه المعادلة تصف تأثير شوتكي أو الانبعاث الحراري المعزز بالمجال، والذي يحدث عندما يتم تطبيق مجال كهربائي معتدل (أقل من حوالي 108 فولت/متر) على مادة محمية.

الانبعاث بالمجال

عند تطبيق مجال كهربائي عالي جدًا (أكثر من 108 فولت/متر) على مادة محمية، يحدث نوع مختلف من انبعاث الإلكترونات يسمى الانبعاث بالمجال أو النفق فولر-نوردهايم.

في هذه الحالة، يكون المجال الكهربائي قويًا جدًا بحيث يخلق حاجزًا كهربائيًا رقيقًا جدًا يسمح للإلكترونات بالعبور عبره دون الحاجة إلى طاقة حرارية كافية. هذا النوع من الانبعاث أو النفق مستقل عن درجة الحرارة ويعتمد فقط على قوة المجال الكهربائي.

يمكن نمذجة الآثار المركبة للانبعاث الحراري المعزز بالمجال والانبعاث بالمجال بواسطة معادلة ميرفي-جود للانبعاث الحراري-المجال (T-F). عند مجالات أعلى، يصبح الانبعاث بالمجال الآلية الرئيسية للانبعاث الإلكتروني، ويقوم المنبعث بالعمل في نظام "الانبعاث الإلكتروني بالمجال البارد (CFE)".

تطبيقات

يُستخدم تأثير شوتكي في الأجهزة مثل المجاهر الإلكترونية، وأنبوب الفراغ، وأضواء تفريغ الغاز، وخلايا الألواح الشمسية، وفي التقنية النانوية.

ملخص

تأثير شوتكي هو ظاهرة في الفيزياء تقلل من الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترونات من سطح جسم صلب في الفراغ عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على السطح. يزيد هذا من تفريغ الإلكترونات من سطح المادة المحمية ويؤثر على التيار الحراري، وطاقة أيونية السطح، وعتبة التأثير الكهروضوئي.

يحدث تأثير شوتكي عندما يقلل المجال الكهربائي المعتدل الحاجز الكهربائي الذي يمنع الإلكترونات من الهروب من السطح، مما يقلل من وظيفة العمل ويزيد التيار الحراري. يمكن وصف العلاقة بين كثافة التيار الحراري ودرجة الحرارة، ووظيفة العمل، وقوة المجال الكهربائي بواسطة معادلة ريتشاردسون المعدلة.