Что такое эффект Шоттки?

Что такое эффект Шоттки?

Определение эффекта Шоттки

Эффект Шоттки определяется как уменьшение энергии, необходимой для удаления электронов с твердой поверхности в вакууме, когда к ней прикладывается электрическое поле. Это усиливает выброс электронов из нагретых материалов и влияет на термоэлектрический ток, энергию поверхностной ионизации и фотоэлектрический порог. Назван в честь Вальтера Х. Шоттки, этот эффект важен для устройств эмиссии электронов, таких как электронные пушки.

Термоэмиссия

Для понимания эффекта Шоттки нам сначала нужно рассмотреть концепции термоэмиссии и работы функции.

Термоэмиссия — это эмиссия (выброс) зарядовых носителей (ионов или электронов) с поверхности материала за счет тепловой энергии, переданной ему. В твердом материале обычно есть один или два электрона на каждый атом, которые могут свободно перемещаться от одного атома к другому на основе теории зон. Эти электроны могут покинуть поверхность, если у них достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер, который удерживает их в материале.

Работа функции определяется как минимальная энергия, необходимая для того, чтобы электрон мог покинуть поверхность материала за счет тепловой энергии. Она зависит от материала, его кристаллической структуры, состояния поверхности и окружающей среды. Более низкая работа функции приводит к более высокой эмиссии электронов.

Связь между плотностью термоэлектрического тока J и температурой T нагретого металла описывается законом Ричардсона, который математически аналогичен уравнению Аррениуса:

где W — работа функции металла, k — постоянная Больцмана, AG — произведение универсальной константы A0, умноженной на специфическую для материала поправку λR, которая обычно имеет порядок 0,5.

Роль электрического поля

Теперь мы можем объяснить, как электрическое поле влияет на термоэмиссию и вызывает эффект Шоттки.

Применение электрического поля к нагретому материалу снижает потенциальный барьер, позволяя большему количеству электронов выйти. Это уменьшает работу функции на величину ΔW, увеличивая термоэлектрический ток. Снижение барьера ΔW рассчитывается по формуле:

Модифицированное уравнение Ричардсона, учитывающее это снижение барьера, имеет вид:

Модифицированное уравнение Ричардсона, учитывающее это снижение барьера, имеет вид:

Это уравнение описывает эффект Шоттки или усиленную электрическим полем термоэмиссию, которая происходит, когда к нагретому материалу прикладывается умеренное электрическое поле (ниже примерно 10^8 В/м).

Полевая эмиссия

Когда к нагретому материалу прикладывается очень сильное электрическое поле (более 10^8 В/м), происходит другой тип эмиссии электронов, называемый полевой эмиссией или туннелированием Фаулера-Нордхайма.

В этом случае электрическое поле настолько сильно, что создает очень тонкий потенциальный барьер, через который электроны могут туннелировать без достаточной тепловой энергии. Этот тип эмиссии или туннелирования не зависит от температуры и зависит только от силы электрического поля.

Объединенные эффекты усиленной электрическим полем термоэмиссии и полевой эмиссии можно смоделировать с помощью уравнения Мерфи-Гуда для термо-полевой (T-F) эмиссии. При еще более высоких полях полевая эмиссия становится доминирующим механизмом эмиссии электронов, и излучатель работает в так называемом режиме "холодной полевой эмиссии (CFE)".

Применения

Эффект Шоттки используется в устройствах, таких как электронные микроскопы, вакуумные трубки, газоразрядные лампы, солнечные батареи и в нанотехнологиях.

Заключение

Эффект Шоттки — это физическое явление, которое уменьшает энергию, необходимую для удаления электронов с твердой поверхности в вакууме, когда к поверхности прикладывается электрическое поле. Он увеличивает выброс электронов с поверхности нагретого материала и влияет на термоэлектрический ток, энергию поверхностной ионизации и фотоэлектрический порог.

Эффект Шоттки возникает, когда умеренное электрическое поле снижает потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов с поверхности, что уменьшает работу функции и увеличивает термоэлектрический ток. Связь между плотностью термоэлектрического тока, температурой, работой функции и силой электрического поля может быть описана модифицированным уравнением Ричардсона.