18128

Термоелектронна емісія (ТЕЕ)

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Термоелектронна емісія ТЕЕ ТЕЕ є випромінювання електронів розжареними тілами. Джерело енергії збудження електронів – теплова енергія гратки. Густина струму термоемісії для кожного тіла є універсальною функцією параметри якої залежать від природи цього тіла структ...

Украинкский

2013-07-06

160.77 KB

9 чел.

Термоелектронна емісія (ТЕЕ)

ТЕЕ є випромінювання електронів розжареними тілами. Джерело енергії збудження електронів – теплова енергія гратки. Густина струму термоемісії для кожного тіла є універсальною функцією, параметри якої залежать від природи цього тіла, структури його поверхні, стану цієї поверхні і, звичайно, від температури.

Основне рівняння термоемісії (формула Річардсона-Дешмана) має вигляд:

  

де А0 – стала Зоммерфельда,

    - середній коефіцієнт прозорості потенціального барєру,

    - робота виходу електрона,

    Т - температура, К – постійна Больцмана.

Виведення цього рівняння може бути зроблене виходячи з законів термодинаміки, або ж статистично. Але варто зазначити, що «чистого» виведення як такого не існує: термодинаміка на певному етапі звертається до статистичної теорії, а статистика при переході до загального випадку вимагає термодинамічного розгляду.

Ми виведемо це рівняння статистично.

Виведення формули Річардсона-Дешмана

Ми знаємо, що щоб електрон вийшов у вакуум, йому треба надати енергію більшу за . Але цього не достатньо. Також необхідно, щоб електрон з цією енергією міг рухатись перпендикулярно поверхні металу; з якою б швидкістю не рухався електрон паралельно потенціальному бар’єру, він ніколи не залишить метал. Якщо розташувати вісь Х перпендикулярно поверхні металу, то умова виходу має вигляд:

  

де - висота потенціального барєру.

  

- максимальна швидкість електрона в металі.

Кількість електронів зі складовими швидкостей , які підходять кожну секунду до одиниці поверхні металу (потік електронів)

  

     (Ця формула отримується з розподілу Фермі-Дірака, коли замість Е поставити  m(Vx)2 /2).

Через те, що кожен електрон, що зіштовхується з барєром, залишить метал за умови незалежно від та , то загальна кількість електронів, що здатні залишити метал за одну секунду складе:

  

Для строгого розв’язку задачі про емісію електронів у вакуум треба ввести в це рівняння коефіцієнт прозорості бар’єру (електрони мають хвильові властивості і повинні при винекненні перешкоди частково відбиватися).

З попередньої лекції ми знаємо, що , де , тобто залежить від співвідношення енергії електрону і висоти потенціального бар’єру. Але через це рівняння  дуже важко розв’язати. Тому вводиться поняття : середнє значення коефіцієнта прозорості потенціального бар’єру для вилітаючих електронів. В такому випадку можна винести за знак інтегралу.

Аналізуємо рівняння  далі: через те, що для металів - одиниці еВ (для вольфраму, наприклад, ), а при Т=3000К, то

,

тобто одиницею в знаменнику можна знехтувати.

 ,

де - повна енергія електрона, який може вийти з дна потенціальної ями.

Виразимо тепер енергію через компоненти швидкості з формули  

  

звідки отримаємо:

  

В  

  

Таким чином:

  

- стала Зоммерфельда. Для всіх металів вона є однаковою. - стала Річардсона-Дешмана. А ось стала Річардсона-Дешмана для різних металів, що знайдена експериментально, в 1,5 ÷ 2 рази менша за :

для   Та :  

       Mo:  

        W :  

тобто складається враження, що . Теорія вказує на , адже вигляд потенціального бар’єру не такий:, а такий:

Можливою причиною вказаного розходження теорії з дослідом є зміна положення рівня Фермі в металах в залежності від температури. Але при нагріванні металу, як ми знаємо, Е0 змінюється слабо:

 ,

де - робота виходу при Т=0К.

для Mo,Ta та W  . Тобто при Т=1000К . може бути як додатньою, так і від’ємною величиною.

Іншою причиною відмінності від може бути плямистість катоду, яка полягає в тому, що у катода на поверхні є ділянки з різною роботою виходу. Ми ж вимірюємо інтегральний струм емісії.

Звертаю Вашу увагу на те, що формула  є справедливою і для напівпровідників. Лише треба пам’ятати, що для напівпровідника – це відстань від рівня Фермі до рівня вакууму: . Крім того треба пам’ятати, що положення рівня Фермі у напівпровідників набагато помітніше змінюється з температурою. Температурний коефіцієнт роботи виходу для напівпровідника , тобто при  , а це дуже істотна зміна.

Тому при обчисленні роботи виходу напівпровідника треба використовувати такі методи вимірювання , щоб температурна залежність роботи виходу враховувалася автоматично.

Методи вимірювання роботи виходу.

  1.  Метод прямих Річардсона.

,  але

Тоді:



, звідси й знаходиться. Це є річардсонівська, або приведена робота виходу, бо це є робота виходу емітера при температурі абсолютного нуля.

Перевагою цього методу є той факт, що значення роботи виходу не спотворено неврахуванням .

Недолік метода – знайдена робота виходу не істинна робота виходу катоду. Особливо це помітно для напівпровідникових катодів.

  1.  Метод повного струму.

 ;              ;                       

В цій формулі j - густина струму насичення при нульовому полі на катоді. Його знаходять експериментально з вольтамперної характеристики, побудованої в координатах Шоттки: lnj=f(Ua1/2). Температура катоду вимірюється за допомогою пірометра або термопари.

Перевага методу - значення не спотворено неврахуванням впливу температури на роботу виходу.

Недолік методу - припускаємо, що . Але похибка при визначенні таким методом дуже незначна. Дійсно, якщо (а це дуже занижене значення), Т=1000К, то .

  1.  Калориметричний метод.

Цей метод грунтується на тому, що емісія електронів термокатодом пов’язана з витратою енергії – теплоти випаровування електронів. А теплота випаровування електрона визначається роботою виходу катоду:

  

Тут - середня кінетична енергія електронів, що вилітають з катоду. - енергія, яку забирає з катоду один електрон.

  

- енергія, яку забирають у катода всі електрони, забезпечуючи густину струму емісії  j. Коли немає відбирання струму, то потужність розжарення , яка підводиться до катоду, витрачається лише на теплове випромінювання. При цьому температура катоду. Коли з катоду відбирається струм густиною j, то в тепловий баланс катоду додається потужність, що забирається електронами, і температура катоду падає до . Для відновлення температури потрібна вже потужність , більша ніж . Різниця цих потужностей:

  

З цієї формули  й знаходимо , бо j і T – вимірювані величини.

Перевага цього методу: значення роботи виходу не спотворене ні відсутністю точного значення , ні впливом Т на .

Недолік методу: реалізація методу на практиці потребує дуже точних вимірів температури катоду.

  1.  Метод контактної різниці потенціалів.

З назви цього методу зрозуміло, що в ньому використовується явище контактної різниці потенціалів. Відомо, що . Якщо робота виходу одного з матеріалів відома, наприклад, , то вимірюючи значення , знаходимо . Але, найчастіше всього, метод КРП використовується для визначення зміни роботи виходу матеріалу. А зміна може бути викликаною, наприклад, адсорбцією на підкладку якої-небудь речовини. Або навпаки, десорбцією з поверхні, наприклад, газових забруднень при нагріванні поверхні. Саме в цьому випадку метод КРП широко застосовується при дослідженнях поверхні твердих тіл.

Технічних втілень на практиці методу КРП існує декілька варіантів: метод Кельвіна, метод Зісмана, метод струму насичення, метод зсуву характеристик. Останній ще називається методом КРП у варіанті Андерсена. Ось він є дуже зручним на практиці, бо його можна автоматизувати.

Для розуміння суті цього методу нам треба розглянути декілька тем.Одна з них: вплив зовнішнього електричного поля на термоемісію катоду.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19814. Підбиття підсумків для оптимального (мінімального) значення цільової функції 95 KB
  4.Підбиття підсумків для оптимального мінімального значення цільової функції Оптимальним значенням транспортної задачі називають матрицю яка задовольняє умови задачі і для якої цільова функція 5.1 5.1 набирає найменшого значення. Теорема умова існування розв
19815. Початковий розподіл поставок 26.87 KB
  Одним из возможных методов нахождения первоначального базисного распределения поставок является метод северозападного угла показанный в следующем примере. Найти первоначальное базисное распределение поставок для транспортной задачи. Решение. Дадим переме
19817. Судження за допомогою оцінки клітини про її вигідність чи невигідність 27.5 KB
  3.Судження за допомогою оцінки клітини про її вигідність чи невигідність. 1. Перевіряють виконання необхідного і достатнього умови розв'язності задачі. Якщо завдання має неправильний баланс то вводять фіктивного постачальника або споживача з відсутніми запасами або за
19818. Об’єктно-орієнтоване програмування історія, концепція, методики. Основні ООП, їх значення та сутність 16.66 KB
  Об'єктноорієнтоване програмування це метод програмування оснований на поданні програми у вигляді сукупності взаємодіючих об'єктів кожен з яких є екземпляром певного класу а класи є членами певної ієрархії наслідування. ООП виникло в результаті розвитку ідеології п...
19819. Вказівник this. Вбудовані функції (специфікатор inline) 14.59 KB
  Вказівник this Ім'я this є службовим ключовим словом. Явно описати чи визначити вказівник this не можна. Відповідно до неявного визначення this є константним вказівником тобто змінювати його не можна однак у кожної приналежної класу функції він указує саме на той об'єкт для я...
19820. Виключення загальні принципи виявлення та уникнення помилок та обробка виключних ситуацій 25 KB
  3.Виключення: загальні принципи виявлення та уникнення помилок та обробка виключних ситуацій. Виключення виникнення непередбачених помилкових умов наприклад розподіл на нуль неможливість виділення пам'яті при створенні нового об'єкта і т.д. Зазвичай ці умови завершу...
19821. Віртуальні методи. Абстрактні класи 17.72 KB
  Абстрактний клас в обєктноорієнтованому програмуванні базовий клас який не передбачає створення екземплярів. Абстрактні класи реалізують на практиці один з принципів ООП поліморфізм. Абстрактний клас може містити і не містити абстрактні методи і властивості...