Що таке ефект Шотткі?

Що таке ефект Шотткі?

Визначення ефекту Шотткі

Ефект Шотткі визначається як зменшення енергії, необхідної для виводу електронів з поверхні твердого тіла в вакуумі, коли застосовується електричне поле. Це підвищує емісію електронів з нагрітих матеріалів і впливає на термоелектронний струм, енергію поверхневої іонізації та фотоелектронний поріг. Названий на честь Вальтера Г. Шотткі, цей ефект є важливим для пристроїв електронної емісії, таких як електронні пушки.

Термоелектронна емісія

Для розуміння ефекту Шотткі спочатку потрібно переглянути концепції термоелектронної емісії та робочої функції.

Термоелектронна емісія - це випуск (віддача) носіїв заряду (іонів або електронів) з поверхні матеріалу через теплову енергію, надану йому. У твердому матеріалі, як правило, є один-два електрона на кожен атом, які можуть вільно переміщатися від одного атома до іншого на основі теорії зон. Ці електрони можуть втекти з поверхні, якщо у них достатньо енергії, щоб подолати потенційний бар'єр, який зв'язує їх з матеріалом.

Робоча функція визначається як мінімальна енергія, необхідна для виводу електрона з поверхні матеріалу через теплову енергію. Вона змінюється в залежності від матеріалу, його кристалічної структури, стану поверхні та середовища. Нижча робоча функція призводить до більшої емісії електронів.

Зв'язок між густинною термоелектронного струму J та температурою T нагрітого металу задається законом Річардсона, який математично аналогічний рівнянню Аррениуса:

де W - це робоча функція металу, k - стала Больцмана, AG - це добуток універсальної сталої A0 помноженої на коригувальний фактор λR, який, як правило, має порядок 0,5.

Роль електричного поля

Тепер ми можемо пояснити, як електричне поле впливає на термоелектронну емісію та призводить до ефекту Шотткі.

Застосування електричного поля до нагрітого матеріалу знижує потенційний бар'єр, дозволяючи більшості електронів втекти. Це зменшує робочу функцію на величину ΔW, підвищуючи термоелектронний струм. Зниження бар'єру ΔW обчислюється за формулою:

Модифіковане рівняння Річардсона, яке враховує це зниження бар'єру, має вигляд:

Модифіковане рівняння Річардсона, яке враховує це зниження бар'єру, має вигляд:

Це рівняння описує ефект Шотткі або поле-сприяній термоелектронний випуск, який відбувається, коли застосовується середнє електричне поле (нижче, ніж приблизно 108 В/м) до нагрітого матеріалу.

Полевий випуск

Коли до нагрітого матеріалу застосовується дуже сильне електричне поле (понад 108 В/м), відбувається інший вид електронного випуску, відомий як полевий випуск або тунельний ефект Фаулера-Нордгейма.

У цьому випадку електричне поле настільки сильне, що створює дуже тонкий потенційний бар'єр, який дозволяє електронам тунелювати через нього без достатньої теплової енергії. Цей тип випуску або тунелювання незалежний від температури та залежить лише від сили електричного поля.

Сумарний вплив поле-сприяній термоелектронної та полевої емісії можна моделювати рівнянням Мерфі-Гуда для термо-полевої (T-F) емісії. При ще більших полях полева емісія стає домінуючим механізмом електронного випуску, і емітер працює в режимі, відомому як "холодна полева емісія електронів (CFE)".

Застосування

Ефект Шотткі використовується в пристроях, таких як електронні мікроскопи, вакуумні лампи, газорозрядні лампи, сонячні батареї та в нанотехнологіях.

Підсумок

Ефект Шотткі - це фізичне явище, яке зменшує енергію, необхідну для виводу електронів з поверхні твердого тіла в вакуумі, коли на поверхню застосовується електричне поле. Він підвищує випуск електронів з поверхні нагрітого матеріалу та впливає на термоелектронний струм, енергію поверхневої іонізації та фотоелектронний поріг.

Ефект Шотткі відбувається, коли середнє електричне поле знижує потенційний бар'єр, який запобігає втечі електронів з поверхні, що зменшує робочу функцію та підвищує термоелектронний струм. Зв'язок між густинною термоелектронного струму, температурою, робочою функцією та силою електричного поля можна описати модифікованим рівнянням Річардсона.