Vad är Schottky-effekten?

Vad är Schottky-effekten?

Definition av Schottky-effekt

Schottky-effekten definieras som en minskning av den energi som krävs för att ta bort elektroner från en fast yta i vakuum när ett elektriskt fält tillämpas. Detta ökar utsläppet av elektroner från upphettade material och påverkar termoelektriska strömmar, ytegenskaper för jonisering och fotoelektrisk tröskel. Namnet kommer ifrån Walter H. Schottky, och denna effekt är viktig för apparater för elektronutsläpp, såsom elektronkanoner.

Termoelektrisk utsläppning

För att förstå Schottky-effekten måste vi först granska koncepten termoelektrisk utsläppning och arbetsfunktion.

Termoelektrisk utsläppning är utsläppandet (frigörelsen) av laddningsbärare (ioner eller elektroner) från ytan av ett material på grund av den termiska energi som ges till det. I ett fast material finns det vanligtvis en eller två elektroner per atom som är fria att röra sig från en atom till en annan baserat på bandteori. Dessa elektroner kan undanfly ytan om de har tillräckligt med energi för att övervinna potentialbarriären som binder dem till materialet.

Arbetsfunktionen definieras som den minsta energi som behövs för att en elektron ska kunna fly från en materials yta på grund av termisk energi. Den varierar beroende på materialet, dess kristallstruktur, ytkondition och miljö. En lägre arbetsfunktion resulterar i högre elektronutsläpp.

Förhållandet mellan termoelektriska strömstätheten J och temperaturen T hos en upphettad metall beskrivs av Richardsons lag, vilken matematiskt är analog med Arrhenius ekvation:

där W är metallen's arbetsfunktion, k är Boltzmannkonstanten, AG är produkten av en universell konstant A0 multiplicerat med en materialspecifik korrektionsfaktor λR vilket vanligtvis är av storleksordningen 0,5.

Elektriska fältets roll

Nu kan vi förklara hur elektriska fält påverkar termoelektrisk utsläppning och orsakar Schottky-effekten.

Att applicera ett elektriskt fält på ett upphettat material sänker potentialbarriären, vilket tillåter fler elektroner att undanfly. Detta minskar arbetsfunktionen med en mängd ΔW, vilket ökar termoelektriska strömmar. Barriersänkningen ΔW beräknas genom:

Den modifierade Richardsons ekvation som tar hänsyn till denna barriersänkning är:

Den modifierade Richardsons ekvation som tar hänsyn till denna barriersänkning är:

Denna ekvation beskriver Schottky-effekten eller fältförstärkt termoelektrisk utsläppning, vilket inträffar när ett moderat elektriskt fält (lägre än ungefär 108 V/m) tillämpas på ett upphettat material.

Fältutsläppning

När ett mycket starkt elektriskt fält (över 108 V/m) tillämpas på ett upphettat material inträffar en annan typ av elektronutsläppning kallad fältutsläppning eller Fowler-Nordheim-tunneling.

I detta fall är elektriska fältet så starkt att det skapar en mycket tunn potentialbarriär som tillåter elektroner att tunnela igenom den utan att ha tillräckligt med termisk energi. Denna typ av utsläppning eller tunneling är oberoende av temperatur och beror endast på styrkan av elektriska fältet.

De kombinerade effekterna av fältförstärkt termoelektrisk utsläppning och fältutsläppning kan modelleras av Murphy-Good-ekvationen för termo-fälts (T-F) utsläppning. Vid ännu starkare fält blir fältutsläppningen den dominerande mekanismen för elektronutsläpp, och emitteraren fungerar i det så kallade "kalla fältet elektronutsläpp (CFE)"-läget.

Användningsområden

Schottky-effekten används i apparater som elektronmikroskop, vakuumrör, gasutsläpps lampor, solceller och inom nanoteknik.

Sammanfattning

Schottky-effekten är ett fenomen i fysiken som minskar den energi som krävs för att ta bort elektroner från en fast yta i vakuum när ett elektriskt fält tillämpas på ytan. Det ökar utsläppet av elektroner från ytan av ett upphettat material och påverkar termoelektriska strömmar, ytegenskaper för jonisering och fotoelektrisk tröskel.

Schottky-effekten inträffar när ett moderat elektriskt fält sänker potentialbarriären som hindrar elektroner från att undanfly ytan, vilket minskar arbetsfunktionen och ökar termoelektriska strömmar. Förhållandet mellan termoelektriska strömstäthet, temperatur, arbetsfunktion och styrkan av elektriska fältet kan beskrivas av en modifierad Richardson-ekvation.