Co to jest efekt Schottky'ego?

Co to jest efekt Schottky'ego?

Definicja efektu Schottky'ego

Efekt Schottky'ego definiuje się jako zmniejszenie energii potrzebnej do usunięcia elektronów z powierzchni ciała stałego w próżni, gdy zostaje nałożone pole elektryczne. To zwiększa emisję elektronów z nagrzanych materiałów i wpływa na prąd termionowy, energię jonizacji powierzchniową oraz próg fotoelektryczny. Nazwany na cześć Waltera H. Schottky'ego, ten efekt jest kluczowy dla urządzeń emisyjnych elektronów, takich jak lufy elektronowe.

Emisja termionowa

Aby zrozumieć efekt Schottky'ego, musimy najpierw przejrzeć koncepcje emisji termionowej i funkcji pracy.

Emisja termionowa to emisja (uwolnienie) nośników ładunku (jonów lub elektronów) z powierzchni materiału spowodowana podaną mu energią termiczną. W materiale stałym zwykle istnieje jeden lub dwa elektrony na każdy atom, które są wolne, aby poruszać się od jednego atomu do drugiego według teorii pasm. Te elektrony mogą uciec z powierzchni, jeśli mają wystarczającą energię, aby pokonać barierę potencjałową, która je wiąże z materiałem.

Funkcja pracy definiuje się jako minimalna energia potrzebna do uwolnienia elektronu z powierzchni materiału dzięki energii termicznej. Zmienia się w zależności od materiału, jego struktury krystalicznej, stanu powierzchni i środowiska. Niższa funkcja pracy prowadzi do wyższej emisji elektronów.

Związek między gęstością prądu termionowego J a temperaturą T nagrzanego metalu opisuje prawo Richardsona, które matematycznie jest analogiczne do równania Arrheniusa:

gdzie W to funkcja pracy metalu, k to stała Boltzmanna, AG to iloczyn uniwersalnej stałej A0 pomnożonej przez specyficzny dla materiału współczynnik korekcyjny λR, który zazwyczaj ma wartość rzędu 0,5.

Rola pola elektrycznego

Teraz możemy wyjaśnić, jak pole elektryczne wpływa na emisję termionową i powoduje efekt Schottky'ego.

Nakładanie pola elektrycznego na nagrzaną substancję obniża barierę potencjałową, pozwalając na ucieczkę większej liczby elektronów. To zmniejsza funkcję pracy o wartość ΔW, zwiększając prąd termionowy. Obniżenie bariery ΔW oblicza się za pomocą:

Modyfikowane prawo Richardsona, które uwzględnia to obniżenie bariery, to:

Modyfikowane prawo Richardsona, które uwzględnia to obniżenie bariery, to:

To równanie opisuje efekt Schottky'ego lub emisję termionową wzmacnianą polem, która występuje, gdy stosuje się umiarkowane pole elektryczne (poniżej około 108 V/m) do nagrzanego materiału.

Emisja polem

Gdy do nagrzanego materiału zastosuje się bardzo silne pole elektryczne (powyżej 108 V/m), występuje inny typ emisji elektronów zwany emisją polem lub tunelowaniem Fowlera-Nordheima.

W tym przypadku pole elektryczne jest tak silne, że tworzy bardzo cienką barierę potencjałową, która pozwala elektronom przetunelować przez nią bez posiadania wystarczającej energii termicznej. Ten typ emisji lub tunelowania jest niezależny od temperatury i zależy tylko od natężenia pola elektrycznego.

Złączone efekty emisji termionowej wzmacnianej polem i emisji polem można opisać równaniem Murphy-Gooda dla emisji termopolowych (T-F). Przy jeszcze wyższych polach emisja polem staje się dominującym mechanizmem emisji elektronów, a emitujący działa w tzw. reżimie „zimnej emisji elektronów polem (CFE)”.

Zastosowania

Efekt Schottky'ego jest wykorzystywany w urządzeniach takich jak mikroskopy elektronowe, lampy próżniowe, lampy wyładowcze, komórki słoneczne i w nanotechnologii.

Podsumowanie

Efekt Schottky'ego to zjawisko fizyczne, które zmniejsza energię potrzebną do usunięcia elektronów z powierzchni ciała stałego w próżni, gdy na powierzchnię zostaje nałożone pole elektryczne. Zwiększa on emisję elektronów z powierzchni nagrzanego materiału i wpływa na prąd termionowy, energię jonizacji powierzchniową oraz próg fotoelektryczny.

Efekt Schottky'ego występuje, gdy umiarkowane pole elektryczne obniża barierę potencjałową, która zapobiega ucieczce elektronów z powierzchni, co zmniejsza funkcję pracy i zwiększa prąd termionowy. Związek między gęstością prądu termionowego, temperaturą, funkcją pracy i natężeniem pola elektrycznego można opisać modyfikowanym prawem Richardsona.