Mikä on Schottky-efekti?

Mikä on Schottky-efekti?

Schottky-efektin määritelmä

Schottky-efekti määritellään sähkökentän aiheuttamana energian tarpeen vähenemisenä elektronien poistamiseksi kiinteästä pinnasta vakuuksessa. Tämä lisää elektronien purkaumista lämpöidystä materiaalista ja vaikuttaa termioniikaiseen virtaan, pintaihmisenergiaan ja fotoelektroniikan kynnysarvoon. Efekti on nimetty Walter H. Schottkyn mukaan, ja se on keskeinen elektronipurkauslaitteissa, kuten elektronipyssyissä.

Termioniikainen purkaus

Schottky-efektin ymmärtämiseksi meidän on ensin tarkasteltava termioniikkaa ja työfunktion käsitteitä.

Termioniikka on varauksien (ionien tai elektronien) vapautuminen materiaalin pinnalta sen saaman lämpöenergian ansiosta. Kiinteässä materiaalissa on yleensä jokaisella atomilla yksi tai kaksi elektronia, jotka voivat liikkua atomin välillä bänditeorian mukaisesti. Nämä elektronit voivat pakena pinnalta, jos niillä on riittävästi energiaa ylittää sitovat ne materiaaliin potentiaalinen este.

Työfunktio määritellään vähimmäisenergiaksi, jota elektronin täytyy ylittää materiaalin pinnalta lämpöenergian avulla. Se vaihtelee materiaalin, sen kristallirakenteen, pinnan tilanteen ja ympäristön perusteella. Matalampi työfunktio johtaa suurempaan elektronipurkaumaan.

Lämpöidyn metallin termioniikkaisen purkausvirran tiheyden J ja lämpötilan T välinen suhde voidaan ilmaista Richardsonin laiksi, joka on matemaattisesti analoginen Arrheniuksen yhtälön kanssa:

missä W on metallin työfunktio, k on Boltzmannin vakio, AG on universaalisen vakion A0 tulona materiaalisituisella korjauksella λR, joka on yleensä noin 0.5.

Sähkökentän rooli

Nyt voimme selittää, miten sähkökenttä vaikuttaa termioniikkaan ja aiheuttaa Schottky-efektin.

Sähkökentän soveltaminen lämpöidylle materiaalille alentaa potentiaalista esteestä, mikä mahdollistaa enemmän elektronien pakenemisen. Tämä alentaa työfunktiota ΔW:n verran, mikä lisää termioniikkaista virtaa. Esteen alentuminen ΔW lasketaan kaavalla:

Esteen alentumista huomioiva muunnettu Richardsonin yhtälö on:

Esteen alentumista huomioiva muunnettu Richardsonin yhtälö on:

Tämä yhtälö kuvailee Schottky-efektiä tai kenttävahvistettua termioniikkaa, joka tapahtuu, kun kohtuullinen sähkökenttä (alle noin 108 V/m) sovelletaan lämpöidylle materiaalille.

Kenttäpurkaus

Kun erittäin voimakas sähkökenttä (yli 108 V/m) sovelletaan lämpöidylle materiaalille, tapahtuu erilainen elektronipurkaus, jota kutsutaan kenttäpurkaukseksi tai Fowler-Nordheim-tunneloinniksi.

Tällöin sähkökenttä on niin vahva, että se luo hyvin ohuen potentiaalisen esteen, joka sallii elektronien tunneloida läpi ilman riittävää lämpöenergiaa. Tämäntyyppinen purkaus tai tunnelointi on lämpötilasta riippumaton ja riippuu vain sähkökentän vahvuudesta.

Kenttävahvistetun termioniikan ja kenttäpurkauksen yhdistetty vaikutus voidaan mallintaa Murphy-Goodin yhtälöllä thermo-kenttäpurkaukselle (T-F). Korkeammassa kentissä kenttäpurkauksesta tulee hallitseva elektronipurkauksen mekanismi, ja purkaja toimii niin kutsutussa "cold field electron emission (CFE)" -tilassa.

Sovellukset

Schottky-efektia käytetään laitteissa, kuten elektronimikroskoipeissa, vakuumpuoleissa, kaasupurkavalajoissa, aurinkopaneelissa ja nanoteknologiassa.

Yhteenveto

Schottky-efekti on fysiikan ilmiö, jossa sähkökentän aiheuttama energian tarve elektronien poistamiseksi kiinteästä pinnasta vakuuksessa vähenee. Se lisää elektronien purkaumista lämpöidyn materiaalin pinnalta ja vaikuttaa termioniikaiseen virtaan, pintaihmisenergiaan ja fotoelektroniikan kynnysarvoon.

Schottky-efekti tapahtuu, kun kohtuullinen sähkökenttä alentaa potentiaalista esteestä, joka estää elektronien pakenemisen pinnalta. Tämä alentaa työfunktiota ja lisää termioniikkaista virtaa. Termioniikkaisen virran tiheyden, lämpötilan, työfunktion ja sähkökentän vahvuuden välistä suhdetta voidaan kuvata muunnettuna Richardsonin yhtälöllä.