Šta je Šottkijev efekat?

Šta je Šottkijev efekat?

Definicija Šottkijevog efekta

Šottkijev efekat se definiše kao smanjenje energije potrebne za uklanjanje elektrona sa čvrste površine u vakumu kada se primeni električno polje. Ovo povećava emitovanje elektrona iz zagretnih materijala i utiče na termionički tok, površinsku jonizacionu energiju i fotoelektrični prag. Nazvan po Valteru H. Šottkiju, ovaj efekat je ključan za uređaje za emitovanje elektrona, poput elektronskih topova.

Termioničko emitovanje

Da bismo razumeli Šottkijev efekat, prvo moramo pregledati koncepte termioničkog emitovanja i funkcije rada.

Termioničko emitovanje je emitovanje (oslobađanje) nosilaca naboja (iona ili elektrona) sa površine materijala zbog termalne energije koja mu je data. U čvrstom materijalu obično postoji jedan ili dva elektrona po atomu koji su slobodni da se kreću od jednog atoma do drugog, prema teoriji zon. Ovi elektroni mogu da pobegnu sa površine ako imaju dovoljno energije da premoći potencijalnu barjeru koja ih vezuje za materijal.

Funkcija rada se definiše kao minimalna energija potrebna za oslobađanje elektrona sa površine materijala zbog termalne energije. Ona varira u zavisnosti od materijala, njegovog kristalnog strukture, stanja površine i okruženja. Niža funkcija rada dovodi do većeg emitovanja elektrona.

Odnos između gustine termioničkog emitovanja J i temperature T zagretnog metala dat je Rikardsonovim zakonom, koji je matematički analogn Arhenijusovoj jednačini:

gde je W funkcija rada metala, k je Boltzmannova konstanta, AG je proizvod univerzalne konstante A0 pomnožene materijal-specifičnim korekcionim faktorom λR koji je tipično reda 0.5.

Uloga električnog polja

Sada možemo objasniti kako električno polje utiče na termioničko emitovanje i dovodi do Šottkijevog efekta.

Primena električnog polja na zagretni materijal snižava potencijalnu barjeru, omogućavajući više elektrona da pobegnu. Ovo smanjuje funkciju rada za količinu ΔW, povećavajući termionički tok. Snižavanje barjere ΔW se izračunava preko:

Modifikovana Rikardsonova jednačina koja uzima u obzir ovo snižavanje barjere je:

Modifikovana Rikardsonova jednačina koja uzima u obzir ovo snižavanje barjere je:

Ova jednačina opisuje Šottkijev efekat ili emitovanje pod uticajem polja, što se dešava kada se umjereno električno polje (niže od oko 108 V/m) primeni na zagretni materijal.

Emitovanje pod uticajem polja

Kada se vrlo visoko električno polje (preko 108 V/m) primeni na zagretni materijal, događa se drugačije emitovanje elektrona, poznato kao emitovanje pod uticajem polja ili Fowler-Nordheim tuneliranje.

U ovom slučaju, električno polje je toliko jako da stvara vrlo tanku potencijalnu barjeru koja omogućava elektronima da tuneliraju kroz nju bez dovoljno termalne energije. Ovaj tip emitovanja ili tuneliranja ne zavisi od temperature, već samo od jačine električnog polja.

Kombinovani efekti emitovanja pod uticajem polja i termioničkog emitovanja mogu biti modelirani Murfe-Gudovom jednačinom za termo-polje (T-P) emitovanje. Pri još većim poljima, emitovanje pod uticajem polja postaje dominantni mehanizam emitovanja elektrona, a emiter radi u režimu tako nazvanog "hladnog emitovanja pod uticajem polja (CFE)".

Primene

Šottkijev efekat se koristi u uređajima kao što su elektronski mikroskopi, vakumske cevi, gasne razrješavajuće lampice, solarni elementi i u nanotehnologiji.

Sažetak

Šottkijev efekat je fenomen u fizici koji smanjuje energiju potrebnu za uklanjanje elektrona sa čvrste površine u vakumu kada se električno polje primeni na površinu. Povećava emitovanje elektrona sa površine zagretnog materijala i utiče na termionički tok, površinsku jonizacionu energiju i fotoelektrični prag.

Šottkijev efekat se dešava kada umjereno električno polje snižava potencijalnu barjeru koja sprečava elektrone da pobegnu sa površine, što smanjuje funkciju rada i povećava termionički tok. Odnos između gustine termioničkog emitovanja, temperature, funkcije rada i jačine električnog polja može se opisati modifikovanom Rikardsonovom jednačinom.