Cosa è l'effetto Schottky?

Cos'è l'effetto Schottky?

Definizione dell'effetto Schottky

L'effetto Schottky è definito come una riduzione dell'energia necessaria per rimuovere elettroni dalla superficie di un solido in vuoto quando viene applicato un campo elettrico. Ciò aumenta la emissione di elettroni dai materiali riscaldati e influenza la corrente termionica, l'energia di ionizzazione superficiale e la soglia fotoelettrica. Questo effetto, intitolato a Walter H. Schottky, è cruciale per i dispositivi di emissione di elettroni come le armi elettroniche.

Emissione termionica

Per comprendere l'effetto Schottky, dobbiamo prima esaminare i concetti di emissione termionica e funzione di lavoro.

L'emissione termionica è l'emissione (rilascio) di portatori di carica (ioni o elettroni) dalla superficie di un materiale a causa dell'energia termica fornita al materiale. In un materiale solido, ci sono generalmente uno o due elettroni per atomo che sono liberi di muoversi da un atomo all'altro in base alla teoria delle bande. Questi elettroni possono sfuggire dalla superficie se hanno abbastanza energia per superare la barriera potenziale che li lega al materiale.

La funzione di lavoro è definita come l'energia minima necessaria per un elettrone per sfuggire dalla superficie di un materiale a causa dell'energia termica. Essa varia in base al materiale, alla sua struttura cristallina, alle condizioni della superficie e all'ambiente. Una funzione di lavoro inferiore comporta un' emissione di elettroni maggiore.

La relazione tra la densità di corrente termionica J e la temperatura T di un metallo riscaldato è data dalla legge di Richardson, che è matematicamente analoga all'equazione di Arrhenius:

dove W è la funzione di lavoro del metallo, k è la costante di Boltzmann, AG è il prodotto di una costante universale A0 moltiplicata da un fattore di correzione specifico del materiale λR che è tipicamente dell'ordine di 0,5.

Ruolo del campo elettrico

Ora possiamo spiegare come il campo elettrico influenzi l'emissione termionica e causi l'effetto Schottky.

Applicando un campo elettrico a un materiale riscaldato, si abbassa la barriera potenziale, permettendo a più elettroni di sfuggire. Ciò riduce la funzione di lavoro di un valore ΔW, aumentando la corrente termionica. L'abbassamento della barriera ΔW è calcolato da:

L'equazione di Richardson modificata che tiene conto di questo abbassamento della barriera è:

L'equazione di Richardson modificata che tiene conto di questo abbassamento della barriera è:

Questa equazione descrive l'effetto Schottky o emissione termionica potenziata dal campo, che si verifica quando un campo elettrico moderato (inferiore a circa 108 V/m) viene applicato a un materiale riscaldato.

Emissione di campo

Quando un campo elettrico molto elevato (superiore a 108 V/m) viene applicato a un materiale riscaldato, si verifica un diverso tipo di emissione di elettroni chiamato emissione di campo o tunneling Fowler-Nordheim.

In questo caso, il campo elettrico è così forte da creare una barriera potenziale molto sottile che consente agli elettroni di attraversarla per tunnel senza avere abbastanza energia termica. Questo tipo di emissione o tunneling è indipendente dalla temperatura e dipende solo dall'intensità del campo elettrico.

Gli effetti combinati dell'emissione termionica potenziata dal campo e dell'emissione di campo possono essere modellati dall'equazione Murphy-Good per l'emissione termo-campo (T-F). A campi ancora più elevati, l'emissione di campo diventa il meccanismo dominante di emissione di elettroni, e l'emettitore opera nel cosiddetto regime di "emissione di campo freddo (CFE)".

Applicazioni

L'effetto Schottky viene utilizzato in dispositivi come microscopi elettronici, tubi a vuoto, lampade a scarica di gas, celle fotovoltaiche e nella nanotecnologia.

Riepilogo

L'effetto Schottky è un fenomeno fisico che riduce l'energia richiesta per rimuovere elettroni dalla superficie di un solido in vuoto quando viene applicato un campo elettrico alla superficie. Aumenta la emissione di elettroni dalla superficie di un materiale riscaldato e influenza la corrente termionica, l'energia di ionizzazione superficiale e la soglia fotoelettrica.

L'effetto Schottky si verifica quando un campo elettrico moderato abbassa la barriera potenziale che impedisce agli elettroni di sfuggire dalla superficie, diminuendo la funzione di lavoro e aumentando la corrente termionica. La relazione tra la densità di corrente termionica e la temperatura, la funzione di lavoro e l'intensità del campo elettrico può essere descritta da un'equazione di Richardson modificata.