Какво е ефектът на Шотки?

Какво е ефектът на Шотки?

Дефиниция на ефекта на Шотки

Ефектът на Шотки се дефинира като намаление на необходимата енергия за извличане на електрони от твърда повърхност в вакуум, когато се прилага електрическо поле. Това увеличава излъчването на електрони от затоплените материали и влияе върху термоелектронния ток, повърхностната ионизационна енергия и фотоелектронния праг. Именуван по Валтер Х. Шотки, този ефект е ключов за устройства за излъчване на електрони като електронни пушки.

Термоелектронно излъчване

За да разберем ефекта на Шотки, първо трябва да преговорим концепциите за термоелектронно излъчване и работна функция.

Термоелектронното излъчване е излъчването (освобождаването) на носители на заряд (йони или електрони) от повърхността на материал, поради термичната енергия, дадена му. В твърд материал обикновено има един или два електрона за всеки атом, които са свободни да се движат от един атом към друг, според теорията на зоните. Тези електрони могат да избягат от повърхността, ако имат достатъчно енергия, за да преодолеят потенциалния барьер, който ги задържа в материала.

Работната функция се дефинира като минималната енергия, необходима за електрон, за да избяга от повърхността на материала, поради термичната енергия. Тя варира в зависимост от материала, неговата кристална структура, състоянието на повърхността и околната среда. По-ниска работна функция води до по-високо електронно излъчване.

Връзката между термоелектронната токова плътност J и температурата T на затоплен метал се дава от законът на Ричардсън, който математически е аналогичен на уравнението на Арениус:

където W е работната функция на метала, k е константата на Болцман, AG е произведението на универсална константа A0, умножена по специфичен за материала коригиращ фактор λR, който обикновено е от порядък 0.5.

Ролята на електрическото поле

Сега можем да обясним как електрическото поле влияе върху термоелектронното излъчване и причинява ефекта на Шотки.

Прилагането на електрическо поле към затоплен материал намалява потенциалния барьер, позволявайки на повече електрони да избягат. Това намалява работната функция с количество ΔW, увеличавайки термоелектронния ток. Намаляването на барьера ΔW се изчислява по следния начин:

Модифицираното уравнение на Ричардсън, което взима предвид това намаление на барьера, е:

Модифицираното уравнение на Ричардсън, което взима предвид това намаление на барьера, е:

Това уравнение описва ефекта на Шотки или полево-усилваното термоелектронно излъчване, което се наблюдава, когато се прилага умерено електрическо поле (по-ниско от около 108 V/m) към затоплен материал.

Полево излъчване

Когато се прилага много силно електрическо поле (над 108 V/m) към затоплен материал, се наблюдава различен тип електронно излъчване, наречен полево излъчване или тунелиране на Фаулер-Нордхейм.

В този случай електрическото поле е толкова силно, че създава много тънък потенциален барьер, който позволява на електроните да тунелират през него без да имат достатъчна термична енергия. Този вид излъчване или тунелиране е независимо от температурата и зависи само от силата на електрическото поле.

Обединените ефекти на полево-усилваното термоелектронно излъчване и полевото излъчване могат да бъдат моделирани с уравнението на Мърфи-Гуд за термо-полево (T-F) излъчване. При дори по-високи полета, полевото излъчване става доминиращ механизъм за електронно излъчване, и излъчителят работи в така наречен режим на "хладно полево електронно излъчване (CFE)".

Приложения

Ефектът на Шотки се използва в устройства като електронни микроскопи, вакуумни лампи, газови разрядни лампи, слънчеви клетки и в нанотехнологии.

Резюме

Ефектът на Шотки е феномен в физиката, който намалява енергията, необходима за извличане на електрони от твърда повърхност в вакуум, когато се прилага електрическо поле към повърхността. Това увеличава излъчването на електрони от повърхността на затоплен материал и влияе върху термоелектронния ток, повърхностната ионизационна енергия и фотоелектронния праг.

Ефектът на Шотки се наблюдава, когато умерено електрическо поле намалява потенциалния барьер, който предотвратява електроните да избягат от повърхността, което намалява работната функция и увеличава термоелектронния ток. Връзката между термоелектронната токова плътност, температурата, работната функция и силата на електрическото поле може да бъде описана с модифицираното уравнение на Ричардсън.