چه چیزی اثر شاتکی است

اثر شاتکی چیست؟

تعریف اثر شاتکی

اثر شاتکی به کاهش انرژی مورد نیاز برای خارج کردن الکترون‌ها از سطح یک جامد در فضای خلأ هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود، تعریف می‌شود. این امر باعث افزایش دیسشارژ الکترونی از مواد گرم شده و تأثیر بر جریان ترمیونیک، انرژی یونیزاسیون سطحی و آستانه فتوالکتریک می‌شود. این اثر به نام والتر اچ. شاتکی نامگذاری شده و برای دستگاه‌های تابش الکترونی مانند تفنگ‌های الکترونی بسیار مهم است.

تابش ترمیونیک

برای درک اثر شاتکی، ابتدا باید مفاهیم تابش ترمیونیک و تابع کار را مرور کنیم.

تابش ترمیونیک به تابش (آزادسازی) حامل‌های بار (یون‌ها یا الکترون‌ها) از سطح یک ماده به دلیل انرژی حرارتی داده شده به آن اشاره دارد. در یک ماده جامد، معمولاً یک یا دو الکترون برای هر اتم وجود دارد که می‌توانند بر اساس نظریه باند از یک اتم به اتم دیگر حرکت کنند. این الکترون‌ها می‌توانند از سطح خارج شوند اگر انرژی کافی برای غلبه بر مانع پتانسیل که آن‌ها را به ماده متصل می‌کند داشته باشند.

تابع کار به کمترین انرژی مورد نیاز برای خارج کردن یک الکترون از سطح یک ماده به دلیل انرژی حرارتی تعریف می‌شود. این تابع بر اساس ماده، ساختار بلوری، وضعیت سطح و محیط متفاوت است. یک تابع کار کمتر منجر به تابش الکترونی بیشتر می‌شود.

رابطه بین چگالی جریان ترمیونیک J و دمای T یک فلز گرم شده توسط قانون ریچاردسن، که ریاضیاً مشابه معادله آرنهیوس است، تعیین می‌شود:

که در آن W تابع کار فلز، k ثابت Больتزман و AG ضرب ثابت جهانی A0 در عامل تصحیح ویژه ماده λR است که معمولاً حدود 0.5 است.

نقش میدان الکتریکی

حال می‌توانیم توضیح دهیم که چگونه میدان الکتریکی تابش ترمیونیک را تحت تأثیر قرار می‌دهد و اثر شاتکی را ایجاد می‌کند.

اعمال میدان الکتریکی به یک ماده گرم شده مانع پتانسیل را کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد که الکترون‌های بیشتری از سطح خارج شوند. این کاهش تابع کار را به مقدار ΔW کاهش می‌دهد و جریان ترمیونیک را افزایش می‌دهد. کاهش مانع ΔW به صورت زیر محاسبه می‌شود:

معادله ریچاردسن اصلاح شده که این کاهش مانع را در نظر می‌گیرد به صورت زیر است:

معادله ریچاردسن اصلاح شده که این کاهش مانع را در نظر می‌گیرد به صورت زیر است:

این معادله اثر شاتکی یا تابش ترمیونیک میدانی را توصیف می‌کند که زمانی رخ می‌دهد که یک میدان الکتریکی معتدل (کمتر از حدود 108 V/m) به یک ماده گرم شده اعمال می‌شود.

تابش میدانی

هنگامی که یک میدان الکتریکی بسیار قوی (بیش از 108 V/m) به یک ماده گرم شده اعمال می‌شود، نوع دیگری از تابش الکترونی به نام تابش میدانی یا تونل‌زنی فولر-نوردهم رخ می‌دهد.

در این حالت، میدان الکتریکی به قدری قوی است که یک مانع پتانسیل بسیار نازک ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد الکترون‌ها بدون داشتن انرژی حرارتی کافی از آن عبور کنند. این نوع تابش یا تونل‌زنی مستقل از دما است و فقط به قوت میدان الکتریکی بستگی دارد.

اثرات ترکیبی تابش ترمیونیک میدانی و تابش میدانی می‌توانند با معادله مورفی-گود برای تابش ترمی-میدان (T-F) مدل‌سازی شوند. در میدان‌های قوی‌تر، تابش میدانی به عنوان مکانیزم غالب تابش الکترونی عمل می‌کند و انتشاردهنده در حالت "تابش الکترونی میدانی سرد (CFE)" عمل می‌کند.

کاربردها

اثر شاتکی در دستگاه‌هایی مانند میکروسکوپ‌های الکترونی، لامپ‌های خلاء، لامپ‌های گازی، سلول‌های فتوولتائیک و در نانوتکنولوژی استفاده می‌شود.

خلاصه

اثر شاتکی یک پدیده فیزیکی است که انرژی مورد نیاز برای خارج کردن الکترون‌ها از سطح یک جامد در فضای خلأ را کاهش می‌دهد هنگامی که یک میدان الکتریکی به سطح اعمال می‌شود. این امر باعث افزایش دیسشارژ الکترونی از سطح یک ماده گرم شده و تأثیر بر جریان ترمیونیک، انرژی یونیزاسیون سطحی و آستانه فتوالکتریک می‌شود.

اثر شاتکی زمانی رخ می‌دهد که یک میدان الکتریکی معتدل مانع پتانسیل که از خارج شدن الکترون‌ها از سطح جلوگیری می‌کند را کاهش می‌دهد، که منجر به کاهش تابع کار و افزایش جریان ترمیونیک می‌شود. رابطه بین چگالی جریان ترمیونیک و دما، تابع کار و قوت میدان الکتریکی می‌تواند با یک معادله ریچاردسن اصلاح شده توصیف شود.