ショットキー効果とは何か

ショットキー効果とは何か？

ショットキー効果の定義

ショットキー効果は、真空状態で電界を適用すると固体表面から電子を取り出すのに必要なエネルギーが減少する現象です。これにより、加熱された材料からの電子放出が増加し、熱電子流、表面イオン化エネルギー、および光電閾値に影響を与えます。ウォルター・H・ショットキーにちなんで名付けられたこの効果は、電子銃などの電子放出装置にとって重要です。

熱電子放出

ショットキー効果を理解するには、まず熱電子放出と仕事関数の概念を確認する必要があります。

熱電子放出は、材料に与えられた熱エネルギーによってその表面から荷電粒子（イオンまたは電子）が放出される現象です。固体材料では、通常、バンド理論に基づいて各原子に自由に移動できる1つまたは2つの電子があります。これらの電子は、材料を拘束するポテンシャルバリアを克服するのに十分なエネルギーがあれば表面から逃げることができます。

仕事関数は、電子が熱エネルギーによって材料の表面から逃げるために必要な最小エネルギーとして定義されます。これは、材料、結晶構造、表面状態、環境によって異なります。仕事関数が低いほど、電子放出が高くなります。

加熱された金属の温度Tと熱電子放出電流密度Jとの関係は、リチャードソン則によって与えられ、これはアレニウス方程式と数学的に類似しています：

ここで、Wは金属の仕事関数、kはボルツマン定数、AGは普遍的な定数A0と材料固有の補正係数λR（通常は約0.5）の積です。

電界の役割

ここでは、電界が熱電子放出にどのように影響を与えてショットキー効果を引き起こすかを説明します。

加熱された材料に電界を適用すると、ポテンシャルバリアが低下し、より多くの電子が逃げやすくなります。これにより、仕事関数がΔWだけ減少し、熱電子流が増加します。バリアの低下ΔWは以下の式で計算されます：

このバリアの低下を考慮に入れた修正リチャードソン方程式は以下の通りです：

このバリアの低下を考慮に入れた修正リチャードソン方程式は以下の通りです：

この方程式は、中程度の電界（約108 V/m未満）が加熱された材料に適用されたときに生じるショットキー効果または電界強化熱電子放出を記述しています。

フィールド放出

非常に高い電界（108 V/m以上）が加熱された材料に適用されると、異なる電子放出が生じます。これをフィールド放出またはフォーラー＝ノードハイムトンネリングと呼びます。

この場合、電界が非常に強いため、電子が熱エネルギーを持たなくてもトンネル効果によって非常に薄いポテンシャルバリアを通過することができます。この種の放出またはトンネル効果は温度には依存せず、電界強度のみに依存します。

電界強化熱電子放出とフィールド放出の組み合わせ効果は、マーフィーグッド方程式でモデル化できます。さらに高い電界では、フィールド放出が主な電子放出メカニズムとなり、「冷陰極フィールド放出（CFE）」レジームで動作します。

応用

ショットキー効果は、電子顕微鏡、真空管、ガス放電ランプ、太陽電池、ナノテクノロジーなど、さまざまな装置で利用されています。

まとめ

ショットキー効果は、真空状態で固体表面に電界を適用すると、電子を取り出すのに必要なエネルギーが減少する物理現象です。これにより、加熱された材料からの電子放出が増加し、熱電子流、表面イオン化エネルギー、および光電閾値に影響を与えます。

ショットキー効果は、中程度の電界が電子が表面から逃げるのを防ぐポテンシャルバリアを低下させることで生じます。これにより、仕事関数が減少し、熱電子流が増加します。熱電子流密度と温度、仕事関数、および電界強度との関係は、修正リチャードソン方程式で記述できます。