מהו אפקט שוטקי?

מהו אפקט שוטקי?

הגדרת אפקט שוטקי

אפקט שוטקי מוגדר כהוזלת האנרגיה הנדרשת להסרת אלקטרונים משטח חומר מוצק בחלל ריק כאשר מופעל עליו שדה חשמלי. זה מגביר את הפליטת האלקטרונים מהחומר הממומץ ומשפיע על הזרם תרמיוני, אנרגיית האיוניזציה של המשטח, והסף הפוטואלקטרי. נקרא על שם ולטר ה. שוטקי, האפקט הזה חשוב עבור מכשירים פולטי אלקטרונים כמו קנים אלקטרוניים.

פליטת תרמית

כדי להבין את אפקט שוטקי, עלינו קודם כל לסקור את מושגי הפליטת תרמית ואנרגיית העבודה.

פליטת תרמית היא פליטת נושאי מטען (айоны או אלקטרונים) משטח חומר כתוצאה מהאנרגיה החום שניתנת לו. בחומר מוצק, יש בדרך כלל אחד או שני אלקטרונים לכל אטום שהם חופשיים לנוע מאטום לאטום בהתאם לתורת הפסים. אלקטרונים אלה יכולים להימלט מהמשטח אם יש להם מספיק אנרגיה להתגבר על מחסום הפוטנציאל שמקשר אותם לחומר.

אנרגיה העבודה מוגדרת כהנמוכה ביותר הנדרשת לאלקטרון להימלט משטח החומר כתוצאה מהאנרגיה החום. היא משתנה בהתאם לחומר, מבנה הגביש, מצב המשטח והסביבה. אנרגיה עבודה נמוכה יותר גורמת לפליטת אלקטרונים גבוהה יותר.

היחס בין צפיפות הזרם התרמיתוני J לטמפרטורה T של מתכת ממומצת ניתן על ידי חוק ריצ'רדסון, שמבחינה מתמטית דומה למשוואת ארניוס:

כאשר W היא אנרגיית העבודה של המתכת, k הוא קבוע בולטצמן, AG הוא מכפלת קבוע אוניברסלי A0 בהגברה ספציפית למادة λR אשר בדרך כלל מסדר גודל 0.5.

תפקיד השדה החשמלי

כעת, נוכל להסביר כיצד השדה החשמלי משפיע על פליטת תרמית וגורם לאפקט שוטקי.

יישום שדה חשמלי על חומר ממומץ מוריד את מחסום הפוטנציאל, מאפשר ליותר אלקטרונים להימלט. זה מוריד את אנרגיית העבודה בכמות ΔW, מגביר את הזרם התרמיתוני. ירידת המחסום ΔW מחושבת על ידי:

משוואת ריצ'רדסון המותאמת שתוקפת את ירידת המחסום היא:

משוואת ריצ'רדסון המותאמת שתוקפת את ירידת המחסום היא:

משוואה זו מתארת את אפקט שוטקי או פליטת תרמית מוגברת בשדה, שהופך לקריטי כאשר שדה חשמלי מתון (נמוך מבערך 108 V/m) מופעל על חומר ממומץ.

פליטת שדה

כאשר שדה חשמלי גבוה מאוד (מעל 108 V/m) מופעל על חומר ממומץ, מתרחש סוג אחר של פליטת אלקטרונים הקרוי פליטת שדה או מעבר פולר-נורדהיים.

במקרה זה, השדה החשמלי כה חזק עד שהוא יוצר מחסום פוטנציאל מאוד דק המאפשר לאלקטרונים לחצות אותו ללא צורך באנרגיה חום מספקת. סוג פליטה או מעבר זה אינו תלוי בטמפרטורה ותלוי רק בעוצמת השדה החשמלי.

האפקטים המשולבים של פליטת תרמית מוגברת בשדה ופליטת שדה יכולים להיות מודלים על ידי משוואת מרפי-גוד עבור פליטת תרמו-שדה (T-F). בשדות גבוהים אפילו יותר, פליטת שדה נעשית למנגנון הדומיננטי של פליטת אלקטרונים, והפולט פועל במשטר הנקרא "פליטת שדה קר (CFE)".

יישומים

אפקט שוטקי נוצל במכשירים כמו מיקרוסקופים אלקטרוניים, tübes vakum, מנורות פליטה גז, תאים סולריים, ובטכנולוגיות ננו.

סיכום

אפקט שוטקי הוא תופעה בפיזיקה המפחיתה את האנרגיה הנדרשת להסרת אלקטרונים משטח חומר מוצק בחלל ריק כאשר מופעל עליו שדה חשמלי. זה מגביר את הפליטת האלקטרונים מהמשטח של חומר ממומץ ומשפיע על הזרם תרמיוני, אנרגיית האיוניזציה של המשטח, והסף הפוטואלקטרי.

אפקט שוטקי מתרחש כאשר שדה חשמלי מתון מוריד את מחסום הפוטנציאל המונע מהאלקטרונים להימלט מהמשטח, מה שמפחית את אנרגיית העבודה ומגביר את הזרם התרמיוני. היחס בין צפיפות הזרם התרמיוני לטמפרטורה, אנרגיית העבודה ועוצמת השדה החשמלי יכול להיות מתואר על ידי משוואת ריצ'רדסון מותאמת.