Hiệu ứng Schottky là gì

Hiệu ứng Schottky là gì?

Định nghĩa Hiệu ứng Schottky

Hiệu ứng Schottky được định nghĩa là sự giảm năng lượng cần thiết để loại bỏ electron từ bề mặt vật rắn trong chân không khi áp dụng một điện trường. Điều này tăng cường việc phát electron từ vật liệu được làm nóng và ảnh hưởng đến dòng điện nhiệt điện, năng lượng ion hóa bề mặt, và ngưỡng quang điện. Được đặt tên theo Walter H. Schottky, hiệu ứng này rất quan trọng đối với các thiết bị phát electron như súng electron.

Phát xạ nhiệt điện

Để hiểu về hiệu ứng Schottky, chúng ta cần xem xét lại các khái niệm về phát xạ nhiệt điện và hàm công việc.

Phát xạ nhiệt điện là quá trình phát (giải phóng) các hạt mang điện (ion hoặc electron) từ bề mặt của một vật liệu do năng lượng nhiệt được cung cấp cho nó. Trong vật liệu rắn, thường có một hoặc hai electron tự do cho mỗi nguyên tử có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác dựa trên lý thuyết dải. Các electron này có thể thoát khỏi bề mặt nếu chúng có đủ năng lượng để vượt qua rào cản tiềm năng ràng buộc chúng vào vật liệu.

Hàm công việc được định nghĩa là năng lượng tối thiểu cần thiết để electron thoát khỏi bề mặt của vật liệu do năng lượng nhiệt. Nó thay đổi dựa trên vật liệu, cấu trúc tinh thể, điều kiện bề mặt, và môi trường. Hàm công việc thấp hơn dẫn đến phát electron cao hơn.

Mối quan hệ giữa mật độ dòng điện nhiệt điện J và nhiệt độ T của kim loại được làm nóng được mô tả bởi luật Richardson, tương tự như phương trình Arrhenius:

trong đó W là hàm công việc của kim loại, k là hằng số Boltzmann, AG là tích của hằng số phổ quát A0 nhân với hệ số hiệu chỉnh đặc trưng cho vật liệu λR thường có giá trị khoảng 0,5.

Vai trò của Điện trường

Bây giờ, chúng ta có thể giải thích cách điện trường ảnh hưởng đến phát xạ nhiệt điện và gây ra hiệu ứng Schottky.

Áp dụng điện trường lên vật liệu được làm nóng sẽ làm giảm rào cản tiềm năng, cho phép nhiều electron thoát ra. Điều này giảm hàm công việc bằng một lượng ΔW, tăng dòng điện nhiệt điện. Sự giảm rào cản ΔW được tính bằng:

Phương trình Richardson sửa đổi để tính toán sự giảm rào cản này là:

Phương trình Richardson sửa đổi để tính toán sự giảm rào cản này là:

Phương trình này mô tả hiệu ứng Schottky hoặc phát xạ nhiệt điện được tăng cường bởi điện trường, xảy ra khi một điện trường vừa phải (thấp hơn khoảng 10^8 V/m) được áp dụng lên vật liệu được làm nóng.

Phát xạ điện trường

Khi một điện trường rất mạnh (trên 10^8 V/m) được áp dụng lên vật liệu được làm nóng, một dạng phát electron khác gọi là phát xạ điện trường hoặc tunneling Fowler-Nordheim xuất hiện.

Trong trường hợp này, điện trường mạnh đến mức tạo ra một rào cản tiềm năng rất mỏng, cho phép electron xuyên qua mà không cần đủ năng lượng nhiệt. Loại phát xạ hoặc tunneling này độc lập với nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường.

Các hiệu ứng kết hợp của phát xạ nhiệt điện được tăng cường bởi điện trường và phát xạ điện trường có thể được mô hình hóa bằng phương trình Murphy-Good cho phát xạ nhiệt điện trường (T-F). Ở các điện trường cao hơn nữa, phát xạ điện trường trở thành cơ chế phát electron chủ đạo, và bộ phát hoạt động ở chế độ gọi là "phát xạ điện trường lạnh (CFE)".

Ứng dụng

Hiệu ứng Schottky được sử dụng trong các thiết bị như kính hiển vi điện tử, bóng bán dẫn, đèn xả khí, pin mặt trời, và trong công nghệ nano.

Tóm tắt

Hiệu ứng Schottky là một hiện tượng trong vật lý làm giảm năng lượng cần thiết để loại bỏ electron từ bề mặt vật rắn trong chân không khi áp dụng một điện trường lên bề mặt. Nó tăng cường việc phát electron từ bề mặt của vật liệu được làm nóng và ảnh hưởng đến dòng điện nhiệt điện, năng lượng ion hóa bề mặt, và ngưỡng quang điện.

Hiệu ứng Schottky xảy ra khi một điện trường vừa phải làm giảm rào cản tiềm năng ngăn chặn electron thoát ra từ bề mặt, làm giảm hàm công việc và tăng dòng điện nhiệt điện. Mối quan hệ giữa mật độ dòng điện nhiệt điện, nhiệt độ, hàm công việc, và cường độ điện trường có thể được mô tả bằng phương trình Richardson sửa đổi.