Hvad er Schottky-effekten?

Hvad er Schottky-effekten?

Definition af Schottky-effekten

Schottky-effekten defineres som en reduktion i den energi, der kræves for at fjerne elektroner fra en fast overflade i vakuum, når der anvendes et elektrisk felt. Dette øger elektronudledningen fra opvarmede materialer og påvirker termoionstrømmen, overfladeioniseringsenergien og fotoelektriske terskel. Opkaldt efter Walter H. Schottky, er denne effekt afgørende for elektronudledningsenheder som elektronkanoner.

Termoionudledning

For at forstå Schottky-effekten skal vi først gennemgå koncepterne om termoionudledning og arbejdsgang.

Termoionudledning er udledningen (frigivelsen) af ladningsbærere (ioner eller elektroner) fra overfladen af et materiale pga. den termiske energi, der gives til det. I et fast materiale er der normalt ét eller to elektroner pr. atom, der er frie til at bevæge sig fra et atom til et andet baseret på båndteori. Disse elektroner kan undslippe overfladen, hvis de har nok energi til at overkomme den potentielle barriere, der binder dem til materialet.

Arbejdsgangen defineres som den mindste energi, der kræves for, at et elektron kan undslippe fra overfladen af et materiale pga. termisk energi. Den varierer afhængigt af materialet, dets kristalstruktur, overfladetilstand og miljø. En lavere arbejdsgang resulterer i højere elektronudledning.

Forholdet mellem termoionstrømstætheden J og temperaturen T af et opvarmet metal er givet ved Richardsons lov, som matematisk ligner Arrhenius-ligningen:

hvor W er arbejdsgangen for metallet, k er Boltzmanns konstant, AG er produktet af en universel konstant A0 ganget med en materiale-specifik korrektionsfaktor λR, som typisk er af orden 0,5.

Elektriske feltets rolle

Nu kan vi forklare, hvordan et elektrisk felt påvirker termoionudledning og forårsager Schottky-effekten.

Anvendelse af et elektrisk felt på et opvarmet materiale sænker den potentielle barriere, hvilket tillader flere elektroner at undslippe. Dette reducerer arbejdsgangen med en mængde ΔW, hvilket øger termoionstrømmen. Barrierens nedbringelse ΔW beregnes ved:

Den ændrede Richardson-ligning, der tager højde for denne barrierens nedbringelse, er:

Den ændrede Richardson-ligning, der tager højde for denne barrierens nedbringelse, er:

Denne ligning beskriver Schottky-effekten eller feltforbedret termoionudledning, som indtræffer, når et moderat elektrisk felt (lavere end cirka 108 V/m) anvendes på et opvarmet materiale.

Feltudledning

Når et meget stærkt elektrisk felt (over 108 V/m) anvendes på et opvarmet materiale, forekommer en anden type elektronudledning kaldet feltudledning eller Fowler-Nordheim-tunneling.

I dette tilfælde er elektriske felt så stærkt, at det skaber en meget tynd potentiell barriere, der tillader elektroner at tunge igennem den uden at have nok termisk energi. Denne type udledning eller tunneling er uafhængig af temperatur og afhænger kun af styrken af elektriske felt.

De kombinerede effekter af feltforbedret termoionudledning og feltudledning kan modelleres ved Murphy-Good-ligningen for termo-felt (T-F) udledning. Ved endnu stærkere felter bliver feltudledning den dominerende elektronudledningsmekanisme, og emitteren fungerer i den såkaldte "kolde felt-elektronudlednings (CFE)" regime.

Anvendelser

Schottky-effekten benyttes i enheder som elektronmikroskoper, vakuumrør, gasudløsningslamper, solceller og i nanoteknologi.

Oversigt

Schottky-effekten er et fysisk fænomen, der reducerer den energi, der kræves for at fjerne elektroner fra en fast overflade i vakuum, når et elektrisk felt anvendes på overfladen. Det øger udledningen af elektroner fra overfladen af et opvarmet materiale og påvirker termoionstrømmen, overfladeioniseringsenergien og fotoelektriske terskel.

Schottky-effekten indtræffer, når et moderat elektrisk felt sænker den potentielle barriere, der forhindrer elektroner i at undslippe fra overfladen, hvilket reducerer arbejdsgangen og øger termoionstrømmen. Forholdet mellem termoionstrømstætheden, temperaturen, arbejdsgangen og elektriske felts styrke kan beskrives ved en ændret Richardson-ligning.