Hva er Schottky-effekten?

Hva er Schottky-effekten?

Definisjon av Schottky-effekten

Schottky-effekten defineres som en reduksjon i energien som trengs for å fjerne elektroner fra en fast overflate i vakuum når et elektrisk felt påføres. Dette øker utslippet av elektroner fra varmete materialer og påvirker termoionstrømmen, overflatenes ioniseringsenergi og fotoelektriske terskelverdier. Effekten er oppkalt etter Walter H. Schottky og er viktig for elektronutslippsenheter som elektronkanoner.

Termoionutslipp

For å forstå Schottky-effekten, må vi først se nærmere på konseptene termoionutslipp og arbeidsfunksjon.

Termoionutslipp er utslippet (frigjøringen) av ladningsbærere (ioner eller elektroner) fra overflaten av et materiale som følge av termisk energi som gis til det. I et fast materiale finnes det vanligvis ett eller to elektroner per atom som kan bevege seg fritt fra ett atom til et annet basert på båndteori. Disse elektronene kan slippe unna overflaten hvis de har nok energi til å overvinne potensiell barriere som binder dem til materialet.

Arbeidsfunksjonen defineres som den minste energien som kreves for at et elektron skal kunne slippe unna overflaten av et materiale som følge av termisk energi. Den varierer basert på materialet, dets krystallstruktur, overflateforhold og miljø. En lavere arbeidsfunksjon resulterer i høyere elektronutslipp.

Forholdet mellom termoionstrømdensitet J og temperaturen T av et varmet metall beskrives av Richardsons lov, som matematisk er analog med Arrhenius-ligningen:

der W er arbeidsfunksjonen til metallet, k er Boltzmann-konstanten, AG er produktet av en universell konstant A0 multiplisert med en materie-spesifikk korreksjonsfaktor λR som typisk er av orden 0,5.

Elektrisk feltets rolle

Nå kan vi forklare hvordan et elektrisk felt påvirker termoionutslipp og forårsaker Schottky-effekten.

Ved å påføre et elektrisk felt til et varmet materiale senkes potensiell barriere, noe som tillater flere elektroner å slippe unna. Dette reduserer arbeidsfunksjonen med en mengde ΔW, og øker termoionstrømmen. Barriersenkingen ΔW beregnes ved:

Den modifiserte Richardsonekvasjonen som tar hensyn til denne barriersenkingen er:

Den modifiserte Richardsonekvasjonen som tar hensyn til denne barriersenkingen er:

Denne ligningen beskriver Schottky-effekten eller feltforsterket termoionutslipp, som forekommer når et moderat elektrisk felt (lavere enn omtrent 108 V/m) påføres et varmet materiale.

Feltutslipp

Når et svært sterk elektrisk felt (over 108 V/m) påføres et varmet materiale, forekommer et annet type elektronutslipp kjent som feltutslipp eller Fowler-Nordheim-tunneling.

I dette tilfellet er elektriske feltet så sterkt at det skaper en svært tynn potensiell barriere som lar elektroner tunnellere gjennom den uten å ha nok termisk energi. Dette type utslipp eller tunneling er uavhengig av temperatur og avhenger bare av styrken av elektrisk felt.

De kombinerte effektene av feltforsterket termoionutslipp og feltutslipp kan modelleres ved Murphy-Good-ligningen for termo-felt (T-F) utslipp. Ved enda høyere felt blir feltutslipp den dominerende mekanismen for elektronutslipp, og emitteren fungerer i det såkalte "kolde felt-elektronutslipp (CFE)"-regimet.

Anvendelser

Schottky-effekten benyttes i enheter som elektronmikroskop, vakuumrør, gasdisciplamper, solcellepaneler og innen nanoteknologi.

Oppsummering

Schottky-effekten er et fenomen i fysikken som reduserer energien som trengs for å fjerne elektroner fra en fast overflate i vakuum når et elektrisk felt påføres overflaten. Det øker utslippet av elektroner fra overflaten av et varmet materiale og påvirker termoionstrømmen, overflatenes ioniseringsenergi og fotoelektriske terskelverdier.

Schottky-effekten forekommer når et moderat elektrisk felt senker potensiell barriere som hindrer elektroner i å slippe unna overflaten, noe som reduserer arbeidsfunksjonen og øker termoionstrømmen. Forholdet mellom termoionstrømmen, temperatur, arbeidsfunksjon og styrke av elektrisk felt kan beskrives ved en modifisert Richardsonekvasjon.