Материал: UnEncrypted
цезію виникає подвійний електричний шар, зовнішня сторона якого заряджена позитивно. Поле подвійного шару допомагає виходу електрона з вольфраму, тому у присутності шару цезію робота виходу електронів з вольфраму зменшується з 4,52 до 1,36 еВ. Подібно цезію діють одноатомні шари інших електропозитивних металів – барію, церію, торію і т.д.
Рисунок 6.1 – Робота виходу електронів з металу: а – потенціальний бар'єр для електронів біля поверхні кристала; б – сили електричного зображення; в – зміна потенціальної енергії електрона з видаленням його з поверхні металу
Зменшення роботи виходу під впливом адсорбції електропозитивних металів знаходить широке практичне застосування при виготовленні катодів електронних ламп, фотокатодів і под.
60
Зовсім інакше діє, наприклад, кисень, адсорбований поверхнею металу. Зв'язок валентних електронів в атомі кисню значно сильніший, ніж в металах. Тому при адсорбції атом кисню не віддає, а, навпаки, одержує від металу два електрони, перетворюючись на негативно заряджений іон. В результаті цього зовнішня сторона подвійного електричного шару виявляється зарядженою негативно (рис. 6.3, б), внаслідок чого електричне поле гальмує вихід електронів з металу і робота виходу збільшується.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 6.2 – Робота |
|
|
|
|
Рисунок 6.3 – Утворення подвійного |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
виходу електронів з |
|
|
|
|
електричного шару при нанесенні плівки |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
напівпровідника |
|
|
|
|
цезію на поверхню вольфраму |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6.2 Термоелектронна емісія
На рис. 6.4 показана енергетична схема вольфраму і крива розподілу електронів по енергіях при Т=0 К (суцільна лінія) і при високій температурі (штрихова лінія). З рис. 6.4 видно, що при підвищенні температури «хвіст» кривої розподілу заходить за нульовий рівень потенціальної ями, що свідчить про появу деякого числа електронів, що мають кінетичну енергію, що перевищує висоту потенціального бар'єра. Такі електрони здатні виходити з металу (випаровуватися). Тому нагрітий метал випускає електрони. Це явище одержало назву термоелектронної емісії. Значною мірою воно спостерігається лише при високій температурі, коли число термічно збуджених електронів, здатних вийти з металу, виявляється достатньо великим.
Помістивши поблизу нагрітого металу провідник і створивши між ним і металом поле, що відсмоктує електрони, можна одержати
термоелектронний струм (thermoelectric current).
61
E,еВ
0 |
|
|
|
__12 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
B |
|
|
__10 |
|
|
|
__ 8 |
||
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
__ 6 |
|
|
|
__4 |
|
|
|
|
|
__2 |
n |
|
|
|
|
|
|
0 |
||
|
|
|
||
D
μ=8,95еВ x0=4,52еВ
Нульовий рівень |
|
K |
e |
A |
|
0 |
|||
|
|
|
еВ |
F=-qe |
=13,47 |
V |
|
|
0 |
|
U |
|
а)
K e A
F=-qe |
V |
б)
Рисунок 6.4 – Енергетична схема |
Рисунок 6.5 – Напрям зовнішнього |
|||
вольфраму |
і криві |
розподілу |
поля і сили діючої на електрон, |
|
електронів по енергіях п(Е) сили, |
при затримуючій (а) і прискорю- |
|||
діючої при Т=0К (суцільна крива) |
ючій (б) напрузі на аноді |
|||
і |
при |
високій |
температурі |
|
(штрихова крива) |
|
|
||
|
Якщо між емітером (термокатодом К) і колектором (анодом А) |
|||
створити різницю потенціалів V, |
перешкоджаючу руху електронів до |
|||
колектора (рис. 6.5, а), то на колектор зможуть потрапити лише ті електрони, які вилетіли з емітера із запасом кінетичної енергії, не меншим
– qV(V
0). Для цьогоїх енергія в емітері повинна бути неменшехвн– qV.
На рис. 6.6, а показаний графік залежності ln I від V. Для (V<0) він являє собою пряму, відсікаючу на осі ординат (V = 0) відрізок ln I0.
При позитивному потенціалі на колекторі (рис. 6.5, б) всі електрони, що покидають емітер (emitter), потрапляють на колектор (collector). Тому струм в колі змінюватись не повинен, залишаючись рівним струму
насичення I0 (штрихова крива на рис.6.6,а).
Слід вказати, що подібна ВАХ спостерігається лише при відносно малій густині струму емісії і високих позитивних потенціалах на колекторі, коли поблизу емітуючої поверхні не виникає будь-яка кількість значного об'ємного заряду з електронів, що не встигли досягти колектора. За наявності ж такого заряду вольт-амперна характеристика описується рівнянням Чайльда – Ленгмюра, згідно з яким I ~ V3/2.
Ефект Шотткі. Висновок про незалежність від V при V > 0 не зовсім точний. Прискорююче поле на емітуючій поверхні, діючи на електрон з силою F = - qe (рис. 6.5, б), здійснює на шляху х роботу Fx = = -qex тим самим зменшує потенціальну енергію електрона на Ueqex. На рис. 6.6, б показана залежність від х потенціальної енергії електрона в зовнішньому полі Ue (штрихпунктирна пряма), в полі сил електричного зображення Uзоб (штрихова крива) і результуючої потенціальної енергії електрона (суцільна крива).
62
ln1 |
|
E |
|
0 |
0 |
|
|
|
|
||
lnI0 |
|
|
Uзоб |
|
|
|
|
|
|
U |
Ue |
|
|
|
|
|
μ |
|
d |
|
|
|
|
0 |
V |
|
x |
a) |
|
б) |
|
E |
|
0 |
|
|
Uзоб |
|
Ue |
|
U |
|
Тунелювання |
d |
електронів |
|
x |
в) |
|
Рисунок 6.6 – Залежність струму від напруги на аноді (а) і вплив зовнішнього поля на висоту і форму потенціального бар'єра на межі метал-вакуум при ефекті Шотткі (б) і холодній емісії (в)
З рис. 6.6, б видно що прискорююче поле, діюче на емітуючій поверхні, знижує потенціальний бар'єр на х. Розрахунок показує, що для полів не дуже високої напруженості зниження потенціального бар'єра під дією зовнішнього поля називається ефектом Шотткі. Він призводить до того, що із зростанням позитивного потенціалу на колекторі струм емісії не зберігається постійним ( I0 ), а дещо збільшується (суцільна крива
рис. 6.6, а).
Холодна емісія електронів. Зовнішнє прискорююче поле викликає не тільки зниження потенціального бар'єра, але і зменшення його товщини d (рис. 6.6, в), що в полях достатньо високої напруженості (>109 В/м) робить такий бар'єр достатньо прозорим для тунельного просочування електронів і виходу їх з твердого тіла. Це явище одержало назву холодної емісії електронів. Густина струму при холодній емісії електронів експоненціально росте із збільшенням напруженості прискорюючого поля:
j = Ce2 exp(- a / e), |
(6.3) |
деС, а– сталі, щохарактеризуютьпотенціальнийбар'єр.
63
6.3 Контактна різниця потенціалів
Розглянемо процеси, що відбуваються при зближенні і контакті двох електронних провідників, наприклад, двох металів, енергетичні схеми яких показані на рис. 6.7, а. В ізольованому стані електронний газ в цих
провідниках характеризується хімічнимипотенціалами(chemical potential) m1 і m2 і роботами виходу x1 і x2 . Приведемо провідники в контакт, зближуючи їх
дотакоївідстані, приякійможливийефективнийобмінелектронами. Зрис. 6.7, а видно, що в зоні провідності провідника 2 зайняті всі стани аж до рівня Фермі, причому проти цих станів розташовуються зайняті рівні зони провідності провідника 1. Тому при абсолютному нулі електрони з провідника 2 не можуть переходити в провідник 1. При температурі, відмінній від 0 К, електрони
провідника 2, термічно збуджені на рівні, розташовані вище m1 , можуть переходити в провідник 1, але число таких електронів при звичайних температурахневелике, внаслідокчогоїхпотік n21 будеслабким.
Інша картина складається для провідника 1. В ньому зона провідності також укомплектована аж до рівня Фермі m1 , але внаслідок меншої роботи виходу ( x1 < x2 ) проти зайнятих станів цього провідника, розташованих вище рівня Фермі m2 , розміщуються вільні рівні зони провідності провідника 2.
Тому за наявності контакту (навіть при абсолютному нулі) електрони із зайнятих рівнів провідника 1 переходитимуть на вільні рівні провідника 2,
утворюючи потік n21 , на перших порах значно перевершуючий потік n21 .
Тепер розглянемо, як відбувається встановлення рівноваги між провідниками.
Провідник 1, втрачаючи електрони, заряджається позитивно, провідник 2, придбавши надмірні електрони, заряджається негативно. Виникнення цих зарядів викликає зсув один відносно одного енергетичних рівнів провідників 1 і 2. В провіднику 1 зарядженому позитивно, всі рівні опускаються вниз, а в провіднику 2, зарядженому негативно, всі рівні підіймаються вгору відносно своїх положень в незарядженому стані цих провідників (рис. 6.7, б). Це легко зрозуміти з таких простих міркувань. Для
переведення електрона, наприклад, з нульового рівня 01 металу 1 на нульовий рівень 02 металу 2, що знаходиться під негативним потенціалом
-V, відносно металу 1 необхідно виконати роботу, чисельно рівну qV. Ця робота переходить в потенціальну енергію електрона.
64