Τι είναι το φαινόμενο Schottky;

Τι είναι το Φαινόμενο Schottky;

Ορισμός του Φαινομένου Schottky

Το φαινόμενο Schottky ορίζεται ως μείωση της ενέργειας που απαιτείται για να αφαιρεθούν ηλεκτρόνια από την επιφάνεια ενός στερεού σε κενό, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό ενισχύει την εκπομπή ηλεκτρονίων από θερμανόμενα υλικά και επηρεάζει τη θερμοϊονική ροή, την ενεργειακή ιόνιση της επιφάνειας και το φωτοηλεκτρικό όριο. Προσδιορισμένο με το όνομα Walter H. Schottky, αυτό το φαινόμενο είναι βασικό για τα συστήματα εκπομπής ηλεκτρονίων, όπως τα πυροβόλα ηλεκτρονίων.

Θερμοϊονική Εκπομπή

Για να κατανοήσουμε το φαινόμενο Schottky, πρώτα πρέπει να εξετάσουμε τις έννοιες της θερμοϊονικής εκπομπής και της εργασίας της λειτουργίας.

Η θερμοϊονική εκπομπή είναι η εκπομπή (εκδοχή) των φορέων φορτίου (ιόντων ή ηλεκτρονίων) από την επιφάνεια ενός υλικού λόγω της θερμικής ενέργειας που δίνεται σ' αυτό. Σε ένα στερεό υλικό, υπάρχουν συνήθως ένα ή δύο ηλεκτρόνια για κάθε άτομο που είναι ελεύθερα να μετακινηθούν από ένα άτομο σε άλλο βάσει της θεωρίας των ζωνών. Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να διαφύγουν από την επιφάνεια αν έχουν αρκετή ενέργεια για να ξεπεράσουν την δυναμική προσβολή που τα δένει στο υλικό.

Η εργασία της λειτουργίας ορίζεται ως η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για ένα ηλεκτρόνιο να διαφύγει από την επιφάνεια ενός υλικού λόγω θερμικής ενέργειας. Μεταβάλλεται βάσει του υλικού, της κρυσταλλινής δομής, της κατάστασης της επιφάνειας και του περιβάλλοντος. Μια χαμηλότερη εργασία της λειτουργίας οδηγεί σε υψηλότερη εκπομπή ηλεκτρονίων.

Η σχέση μεταξύ της πυκνότητας της θερμοϊονικής ροής J και της θερμοκρασίας T ενός θερμανόμενου μετάλλου δίνεται από το νόμο του Richardson, ο οποίος είναι μαθηματικά αντίστοιχος με την εξίσωση Arrhenius:

όπου W είναι η εργασία της λειτουργίας του μετάλλου, k είναι η σταθερά Boltzmann, AG είναι το προϊόν μιας κατανομής σταθεράς A0 πολλαπλασιασμένης με έναν συντελεστή διόρθωσης λR που είναι συνήθως τάξης 0,5.

Ρόλος του Ηλεκτρικού Πεδίου

Τώρα, μπορούμε να εξηγήσουμε πώς το ηλεκτρικό πεδίο επηρεάζει τη θερμοϊονική εκπομπή και προκαλεί το φαινόμενο Schottky.

Η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε ένα θερμανόμενο υλικό μειώνει τη δυναμική προσβολή, επιτρέποντας σε περισσότερα ηλεκτρόνια να διαφύγουν. Αυτό μειώνει την εργασία της λειτουργίας κατά ένα ποσό ΔW, αυξάνοντας τη θερμοϊονική ροή. Η μείωση της δυναμικής προσβολής ΔW υπολογίζεται από:

Η τροποποιημένη εξίσωση Richardson που λαμβάνει υπόψη αυτή τη μείωση της δυναμικής προσβολής είναι:

Η τροποποιημένη εξίσωση Richardson που λαμβάνει υπόψη αυτή τη μείωση της δυναμικής προσβολής είναι:

Αυτή η εξίσωση περιγράφει το φαινόμενο Schottky ή την ενισχυμένη θερμοϊονική εκπομπή, το οποίο συμβαίνει όταν εφαρμόζεται ένα μέτριο ηλεκτρικό πεδίο (κάτω από περίπου 108 V/m) σε ένα θερμανόμενο υλικό.

Εκπομπή Πεδίου

Όταν εφαρμόζεται ένα πολύ υψηλό ηλεκτρικό πεδίο (πάνω από 108 V/m) σε ένα θερμανόμενο υλικό, συμβαίνει μια διαφορετική εκπομπή ηλεκτρονίων, η οποία ονομάζεται εκπομπή πεδίου ή τούνελινγκ Fowler-Nordheim.

Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό που δημιουργεί μια πολύ λεπτή δυναμική προσβολή που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να τούνελαν από αυτή χωρίς να έχουν αρκετή θερμική ενέργεια. Αυτό το είδος εκπομπής ή τούνελινγκ είναι ανεξάρτητο από τη θερμοκρασία και εξαρτάται μόνο από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου.

Οι συνδυασμένες επιδράσεις της ενισχυμένης θερμοϊονικής εκπομπής και της εκπομπής πεδίου μπορούν να μοντελοποιηθούν από την εξίσωση Murphy-Good για τη θερμο-πεδιακή (T-F) εκπομπή. Σε ακόμη υψηλότερα πεδία, η εκπομπή πεδίου γίνεται η κυρίαρχη μηχανισμός εκπομπής ηλεκτρονίων, και ο εκπομπέας λειτουργεί στον ορισμένο ως «κρύα εκπομπή πεδίου (CFE)».

Εφαρμογές

Το φαινόμενο Schottky εκμεταλλεύεται σε συστήματα όπως οι ηλεκτρονικοί μικροσκοποί, τα βακουομετρικά βουβάλα, τα φωτεινά πνευματικά φωτιστικά, τα φωτοβολταϊκά πάνελ, και στη νανοτεχνολογία.

Σύνοψη

Το φαινόμενο Schottky είναι ένα φαινόμενο στη φυσική που μειώνει την ενέργεια που απαιτείται για να αφαιρεθούν ηλεκτρόνια από την επιφάνεια ενός στερεού σε κενό, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια. Αυξάνει την εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός θερμανόμενου υλικού και επηρεάζει τη θερμοϊονική ροή, την ενεργειακή ιόνιση της επιφάνειας και το φωτοηλεκτρικό όριο.

Το φαινόμενο Schottky συμβαίνει όταν ένα μέτριο ηλεκτρικό πεδίο μειώνει τη δυναμική προσβολή που εμποδίζει τα ηλεκτρόνια να διαφύγουν από την επιφάνεια, μειώνοντας την εργασία της λειτουργίας και αυξάνοντας τη θερμοϊονική ροή. Η σχέση μεταξύ της πυκνότητας της θερμοϊονικής ροής, της θερμοκρασίας, της εργασίας της λειτουργίας και της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να περιγραφεί από μια τροποποιημένη εξίσωση Richardson.