Работа выхода электрона. Электронная эмиссия. Контактные явления в металлах и полупроводниках

Работа выхода электрона из кристалла.Электронная эмиссия. Электроны, имеющие энергии порядка уровня Ферми, могу переходить на более высокие уровни т.е. переходить в зону проводимости и терять связь с конкретным атомом. В металлах концентрация свободных электронов достаточно велика. Возьмем другую систему отсчёта энергии электронов: внутри вещества энергия отрицательна, вне –положительна. Распределение потенциальной энергии вблизи поверхности кристалла претерпевает «скачок»

Свободные электроны вблизи поверхности постоянно стремятся выйти за пределы кристалла. Их удерживают сила Кулона – она постоянно возвращает их на место. Таким образом, у поверхности кристалла образуется так называемый «виртуальный» электронный слой. За счет этого образуется двойной заряженный слоя с напряженностью электрического поля . Та работа, которую необходимо затратить, чтобы преодолеть кулоновскую силу притяжения ионного остова решётки и тормозящие силы контактного электрического поля и покинуть кристалл», называется работой выхода электрона из кристалла. Обычно полагают работу выхода A .

Электрон должен обладать при этом энергией .

Явление выхода электронов из вещества – электронная эмиссия.

По типу источника, сообщающего энергию для выхода различают:

1) Термоэлектронную эмиссию (источник – нагревание)

2) Фотоэлектронную эмиссию (источник – свет)

3) Автоэлектронную эмиссию (источник – статическое поле)

Вторичная э лектронная эмиссия(энергию получают в результате бомбардировки частицами катода).

В принципе можно рассчитать концентрацию свободных электронов, способных покинуть кристалл и образовать эмиссионный ток, по распределению Ф-Д.: , где

- )d exp{- - закон Ричардсона-Дешмана.

Контактные явления в металлах и полупроводниках

Контакт металл-металл. Рассмотрим контакт двух разнородных металлов с разным уровнем Ферми. зависит от концентрации электронов. Если привести эти металлы в контакт, то это равносильно двум термодинамическим системам способным обмениваться частицами. Для равновесия таких систем.как было установлено, необходимо равенство температур и химических потенциалов. Вероятность заполнения энергетического уровня w в металлах определяется

распределением Ферми:

Если , то будет установлено равновесие, иначе будет происходить обмен частицами. .

Этот процесс происходит без получения энергии из вне.

Равновесие наступит при равенстве новых уровней Ферми , что приведёт к возникновению контактной разности потенциалов .

Таким образом, разность потенциалов: внутренняя контактная разность потенциалов.

Если то равновесие не только в контакте, но и во всем кольце, то есть при обходе кольца суммарная разность потенциалов будет равна нулю.

Если то нарушится равновесие, а следовательно, равновесие установится на более высоком уровне в одном из контактов.. Тогда возникает ЭДС . Это явление- термоэдс или термотока.

Эффект Пельтье При пропускании тока от внешнего источника через контакт двух разнородных металлов, как установил Пельтье, происходит нагревание или охлаждение контакта.

Эффект Пельтье прямой, если происходит охлаждение, обратный, если нагревание.

Знак эффекта определяется направлением перехода электронов: переход

на более высокий уровень требует полученияэнергии от

решетки кристалла (охлаждение), на более низкий-

отдачи энергии (нагревание).

Рассмотрим некоторые термоэлектрические явления в полупроводниках.

A

B

В полупроводниках концентрация электронов и дырок есть функция температуры, ее общая формула:

A

Возьмем полупроводник n-типа. Нагреем точку A.

Тогда увеличится концентрация электронов в точке

А по сравнению с точкой В. Начнется диффузия электронов из точки с меньшим потенциалом в точку с большим. Процесс перехода электронов будет продолжаться до тех пор, пока сторонние силы не остановят его. Сторонними силами здесь выступят силы электрического поля, возникающего при переходе электронов. Напряжённость электрического поля направлено от горячего конца к холодному, то напряжённость поля сторонних сил направлено, как известно, противоположно.

В проводниках p-типа процесс в чем-то обратный: электроны будут течь от точки с меньшей температурой в точку с большей. Поле сторонних сил тоже меняет направление.

А теперь соединим эти два полупроводника в замкнутую цепь: поле сторонних способно перемещать заряды по замкнутой цепи.

n-тип

p-тип

A

В том случае, если температуру в точках А и В поддерживать постоянной и различной, возникает ток. Термо Э.Д.С. в этом случае значительно превышает термоэдс металлов. Следует отметить также, что эффект Пельтье в контакте двух разнородных полупроводников значительно выше..

Контакт метал– полупроводник. Отличается от случая, разобранного выше тем, что в полупроводнике всегда концентрация свободных электронов меньше

Раздел 9. Физические основы построения базовых элементов ЭВМ.

9.1. Полупроводниковые материалы. Р–n переход и его свойства. Диоды, (диод Ганна, ЛПД). Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы: биполярные и униполярные (с управляемым p-n переходом, МДП – транзисторы)