Was ist der Schottky-Effekt?
Was ist der Schottky-Effekt?
Definition des Schottky-Effekts
Der Schottky-Effekt wird definiert als eine Reduktion der Energie, die benötigt wird, um Elektronen von einer Festkörperoberfläche in Vakuum zu entfernen, wenn ein elektrisches Feld angewendet wird. Dies erhöht die Elektronenemission aus beheizten Materialien und beeinflusst den thermionischen Strom, die Oberflächenionisierungsenergie und die photoelektrische Schwelle. Benannt nach Walter H. Schottky, ist dieser Effekt entscheidend für Elektronenemissionsgeräte wie Elektronenkanonen.
Thermionische Emission
Um den Schottky-Effekt zu verstehen, müssen wir zunächst die Konzepte der thermionischen Emission und der Arbeitsspannung überprüfen.
Thermionische Emission ist die Emission (Freisetzung) von Ladungsträgern (Ionen oder Elektronen) von der Oberfläche eines Materials aufgrund der thermischen Energie, die ihm zugeführt wird. In einem festen Material gibt es normalerweise ein oder zwei Elektronen pro Atom, die frei sind, sich von einem Atom zum anderen zu bewegen, basierend auf der Bandentheorie. Diese Elektronen können die Oberfläche verlassen, wenn sie genug Energie haben, um das Potentialbarriere zu überwinden, das sie an das Material bindet.
Die Arbeitsspannung wird definiert als die minimale Energie, die erforderlich ist, damit ein Elektron aufgrund thermischer Energie die Oberfläche eines Materials verlässt. Sie variiert je nach Material, seiner Kristallstruktur, der Oberflächenbedingung und der Umgebung. Eine niedrigere Arbeitsspannung führt zu einer höheren Elektronenemission.
Das Verhältnis zwischen der thermionischen Emissionsstromdichte J und der Temperatur T eines beheizten Metalls wird durch das Richardson-Gesetz beschrieben, das mathematisch analog zur Arrhenius-Gleichung ist:
Dabei ist W die Arbeitsspannung des Metalls, k die Boltzmann-Konstante, AG das Produkt einer universellen Konstanten A0 multipliziert mit einem materialspezifischen Korrekturfaktor λR, der typischerweise von der Größenordnung 0,5 ist.
Rolle des elektrischen Feldes
Nun können wir erklären, wie das elektrische Feld die thermionische Emission beeinflusst und den Schottky-Effekt verursacht.
Das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein beheiztes Material senkt das Potentialbarriere, sodass mehr Elektronen entweichen können. Dies reduziert die Arbeitsspannung um einen Betrag ΔW und erhöht den thermionischen Strom. Die Barriersenkung ΔW wird berechnet durch:
Die modifizierte Richardson-Gleichung, die diese Barriersenkung berücksichtigt, lautet:
Die modifizierte Richardson-Gleichung, die diese Barriersenkung berücksichtigt, lautet:
Diese Gleichung beschreibt den Schottky-Effekt oder die feldverstärkte thermionische Emission, die auftritt, wenn ein moderates elektrisches Feld (niedriger als etwa 108 V/m) auf ein beheiztes Material angelegt wird.
Feldemission
Wenn ein sehr starkes elektrisches Feld (über 108 V/m) auf ein beheiztes Material angelegt wird, tritt eine andere Art der Elektronenemission auf, die als Feldemission oder Fowler-Nordheim-Tunneln bezeichnet wird.
In diesem Fall ist das elektrische Feld so stark, dass es eine sehr dünne Potentialbarriere schafft, die es den Elektronen ermöglicht, ohne genug thermische Energie hindurchzutunneln. Diese Art der Emission oder Tunneln ist unabhängig von der Temperatur und hängt nur von der Stärke des elektrischen Feldes ab.
Die kombinierten Effekte der feldverstärkten thermionischen und Feldemission können durch die Murphy-Good-Gleichung für thermo-feldemission (T-F) modelliert werden. Bei noch stärkeren Feldern wird die Feldemission zum dominierenden Mechanismus der Elektronenemission, und der Emittor arbeitet im sogenannten „kalten Feldemissionsregime (CFE)“.
Anwendungen
Der Schottky-Effekt wird in Geräten wie Elektronenmikroskopen, Vakuumröhren, Gasentladungslampen, Solarzellen und in der Nanotechnologie eingesetzt.
Zusammenfassung
Der Schottky-Effekt ist ein Phänomen in der Physik, das die Energie reduziert, die benötigt wird, um Elektronen von einer Festkörperoberfläche in Vakuum zu entfernen, wenn ein elektrisches Feld auf die Oberfläche angelegt wird. Er erhöht die Entladung von Elektronen von der Oberfläche eines beheizten Materials und beeinflusst den thermionischen Strom, die Oberflächenionisierungsenergie und die photoelektrische Schwelle.
Der Schottky-Effekt tritt auf, wenn ein moderates elektrisches Feld die Potentialbarriere senkt, die Elektronen daran hindert, die Oberfläche zu verlassen, was die Arbeitsspannung verringert und den thermionischen Strom erhöht. Das Verhältnis zwischen der thermionischen Stromdichte und der Temperatur, der Arbeitsspannung und der Stärke des elektrischen Feldes kann durch eine modifizierte Richardson-Gleichung beschrieben werden.
