อะไรคือ Schottky Effect

อะไรคือผล Schottky?

คำจำกัดความของผล Schottky

ผล Schottky ถูกกำหนดเป็นการลดพลังงานที่ต้องการในการนำอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของวัสดุในสุญญากาศเมื่อมีสนามไฟฟ้าถูกนำมาใช้ ซึ่งทำให้การปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากวัสดุที่ถูกทำความร้อนเพิ่มขึ้นและมีผลกระทบต่อกระแสเทอร์โมไอออนิก พลังงานไอโอนิสชันบนพื้นผิว และเกณฑ์โฟโตอิเล็กทริค ชื่อนี้ถูกตั้งตาม Walter H. Schottky และมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์การปลดปล่อยอิเล็กตรอน เช่น ปืนอิเล็กตรอน

การปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิก

เพื่อเข้าใจผล Schottky เราจำเป็นต้องทบทวนแนวคิดของการปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิกและฟังก์ชันการทำงาน

การปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิกคือการปลดปล่อย (การปล่อย) ของพาหะประจุ (ไอออนหรืออิเล็กตรอน) จากพื้นผิวของวัสดุเนื่องจากพลังงานความร้อนที่ได้รับ ในวัสดุทึบ มักจะมีอิเล็กตรอนหนึ่งหรือสองตัวสำหรับอะตอมแต่ละตัวที่สามารถเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งตามทฤษฎีวงจร อิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถหลุดออกจากพื้นผิวได้หากพวกมันมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะกำแพงศักยภาพที่ยึดพวกมันไว้กับวัสดุ

ฟังก์ชันการทำงานถูกกำหนดเป็นพลังงานขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับอิเล็กตรอนเพื่อหลุดออกจากพื้นผิวของวัสดุเนื่องจากพลังงานความร้อน มันแตกต่างกันตามวัสดุ โครงสร้างผลึก สภาพพื้นผิว และสภาพแวดล้อม ฟังก์ชันการทำงานที่ต่ำลงทำให้การปลดปล่อยอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น

ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของกระแสเทอร์โมไอออนิก J และอุณหภูมิ T ของโลหะที่ถูกทำความร้อนถูกกำหนดโดยกฎของ Richardson ซึ่งทางคณิตศาสตร์คล้ายคลึงกับสมการ Arrhenius:

เมื่อ W คือฟังก์ชันการทำงานของโลหะ k คือค่าคงที่ Boltzmann AG คือผลคูณของค่าคงที่สากล A0 คูณด้วยปัจจัยปรับแก้เฉพาะวัสดุ λR ซึ่งมักจะอยู่ในระดับ 0.5

บทบาทของสนามไฟฟ้า

ตอนนี้เราสามารถอธิบายว่าสนามไฟฟ้ามีผลกระทบต่อการปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิกและทำให้เกิดผล Schottky ได้อย่างไร

การใช้สนามไฟฟ้ากับวัสดุที่ถูกทำความร้อนลดกำแพงศักยภาพ ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้มากขึ้น ซึ่งลดฟังก์ชันการทำงานลง ΔW ทำให้กระแสเทอร์โมไอออนิกเพิ่มขึ้น การลดกำแพง ΔW คำนวณได้โดย:

สมการ Richardson ที่ปรับปรุงแล้วที่คำนึงถึงการลดกำแพงนี้คือ:

สมการ Richardson ที่ปรับปรุงแล้วที่คำนึงถึงการลดกำแพงนี้คือ:

สมการนี้อธิบายผล Schottky หรือการปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิกที่ได้รับการเสริมจากสนามไฟฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีสนามไฟฟ้าที่เหมาะสม (น้อยกว่าประมาณ 10^8 V/m) ถูกนำไปใช้กับวัสดุที่ถูกทำความร้อน

การปลดปล่อยสนาม

เมื่อมีสนามไฟฟ้าที่สูงมาก (มากกว่า 10^8 V/m) ถูกนำไปใช้กับวัสดุที่ถูกทำความร้อน จะเกิดการปลดปล่อยอิเล็กตรอนที่แตกต่างเรียกว่าการปลดปล่อยสนามหรือการทะลุ Fowler-Nordheim

ในกรณีนี้ สนามไฟฟ้ามีความแรงมากจนทำให้กำแพงศักยภาพบางมาก ทำให้อิเล็กตรอนสามารถทะลุผ่านได้โดยไม่จำเป็นต้องมีพลังงานความร้อนเพียงพอ การปลดปล่อยหรือการทะลุชนิดนี้ไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้าเท่านั้น

ผลกระทบที่รวมกันของการปลดปล่อยเทอร์โมไอออนิกที่ได้รับการเสริมจากสนามและการปลดปล่อยสนามสามารถจำลองโดยสมการ Murphy-Good สำหรับการปลดปล่อยเทอร์โมสนาม (T-F) เมื่อมีสนามที่สูงขึ้น การปลดปล่อยสนามจะกลายเป็นกลไกการปลดปล่อยอิเล็กตรอนที่สำคัญ และตัวปลดปล่อยจะทำงานในภาวะที่เรียกว่า "การปลดปล่อยสนามเย็น (CFE)"

การประยุกต์ใช้

ผล Schottky ถูกใช้ในอุปกรณ์เช่น ไมโครสโคปอิเล็กตรอน หลอดสุญญากาศ หลอดไฟแบบปลดปล่อยแก๊ส เซลล์แสงอาทิตย์ และในเทคโนโลยีนาโน

สรุป

ผล Schottky คือปรากฏการณ์ในฟิสิกส์ที่ลดพลังงานที่ต้องการในการนำอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของวัสดุในสุญญากาศเมื่อมีสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับพื้นผิวนั้น ซึ่งทำให้การปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของวัสดุที่ถูกทำความร้อนเพิ่มขึ้นและมีผลกระทบต่อกระแสเทอร์โมไอออนิก พลังงานไอโอนิสชันบนพื้นผิว และเกณฑ์โฟโตอิเล็กทริค

ผล Schottky เกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าที่เหมาะสมลดกำแพงศักยภาพที่ป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากพื้นผิว ซึ่งลดฟังก์ชันการทำงานและเพิ่มกระแสเทอร์โมไอออนิก ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของกระแสเทอร์โมไอออนิก อุณหภูมิ ฟังก์ชันการทำงาน และความแรงของสนามไฟฟ้าสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ Richardson ที่ปรับปรุงแล้ว