Что называется работой выхода электрона из металла

Обновлено: 06.07.2024

Работа выхода — разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных кристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной.

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

Содержание

Работа выхода в фотоэффекте

Работа выхода в внешнем фотоэффекте - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света

Измерение работы выхода

Единицами измерения работы выхода являются Джоуль (Дж) или электронвольт (эВ).

Работа выхода электрона из различных металлов

Единица измерения: эВ электронвольт
Источник: CRC Handbook of Chemistry and Physics version 2008, стр. 12-114.
Примечание: Работа выхода может зависеть от ориентации освещаемого кристалла. К примеру, Ag: 4.26, Ag(100): 4.64, Ag(110): 4.52, Ag(111): 4.74. Диапазоны изменения работы выхода для типичных кристаллографических направлений указаны в таблице.

Литература

Физика поверхности
Физика твёрдого тела
Физика полупроводников

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Работа выхода" в других словарях:

РАБОТА ВЫХОДА — энергия Ф, к рую необходимо затратить для удаления эл на из твёрдого или жидкого в ва в вакуум (в состояние с равной нулю кинетич, энергией). Р. в. Ф=еj, где j потенциал Р. в., е абс. величина электрич. заряда электрона. Р. в. равна разности… … Физическая энциклопедия

работа выхода — электрона; работа выхода Работа, соответствующая разности энергий между уровнем химического потенциала в теле и уровнем потенциала вблизи поверхности тела вне его при отсутствии электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

РАБОТА ВЫХОДА — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и Ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Большой Энциклопедический словарь

РАБОТА ВЫХОДА — РАБОТА ВЫХОДА, энергия, затрачиваемая на удаление электрона из вещества. Учитывается при ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ и в ТЕРМОЭЛЕКТРОНИКЕ … Научно-технический энциклопедический словарь

работа выхода — Энергия, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Ферми в данном материале. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

работа выхода — [work function] энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной работе выхода; чем меньше работа выхода, тем… … Энциклопедический словарь по металлургии

работа выхода — Work Function Работа выхода Минимальная энергия (обычно измеряемая в электрон вольтах), которую необходимо затратить для удаления электрона из объема твёрдого тела. Электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

работа выхода — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Энциклопедический словарь

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. work function vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. work function; work of emission; work of exit vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. работа выхода, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Что называется работой выхода электронов из металла, от чего она зависит?

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в вакуум.

Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода.

Работа выхода имеет величину порядка нескольких эВ и зависит от рода металла и состояния его поверхности: загрязнения и следы влаги изменяют ее. Наиболее быстро движущиеся электроны покидают металл на расстоянии нескольких межатомных расстояний. В результате в этом месте возникает избыток положительных зарядов, а вблизи поверхности проводника образуется электронное облако.

Какие вещества или материалы называют полупроводниками?

Полупроводниками называют вещества, которые по способности передавать электрич. заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (изоляторами)

Собственная проводимость полупроводника.

Собственная проводимость полупроводников –

1.при температурах близких к абсолютному нулю, связи между всеми атомами в кристалле заполнены – при таких температурах собственные полупроводники являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток.

2.При нагревании или облучении кинетическая энергия валентных электронов повышается и некоторые парно электронные связи разрушаются.

Что такое примесная проводимость полупроводника?

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Виды примесной проводимости.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Что называется энергией ионизации?

Энергия ионизации — разновидность энергии связи или, как её иногда называют, первый ионизационный потенциал (I1), представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическом (основном) состоянии на бесконечность.

Что называется рекомбинацией ионов?

Рекомбинацией называют соединение положительного иона со свободным электроном, приводящее к образованию положительного иона с меньшим электрическим зарядом или нейтрального атома (молекулы). Процесс рекомбинации является обратным процессу ионизации. Ионы и электроны в ионизированном газе при отсутствии внешнего электрического поля вместе с нейтральными молекулами, атомами участвуют в тепловом хаотическом движении.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Что называется магнитной индукцией? Что называется напряженностью магнитного поля?

Магнитная индукция магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью

Напряженностью магнитного поля – отношение механической силы, действующей на положительный полюс пробного магнита, к величине его магнитной массы или механическая сила, действующая на положительный полюс пробного магнита единичной массы в данной точке поля.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.016)

Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия

Электроны проводимости в металлах образуют своеобразный электронный газ и участвуют в тепловом движении. Но поскольку они удерживаются в объеме металла, а не разлетаются из него, значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Для того чтобы электрон вывести за пределы металла необходимо совершить определенную работу против удерживающих его сил.

Работой выхода А электрона из металла называется работа, которую нужно совершить при удалении электрона из металла в вакуум.

Электрон – заряженная частица и сила, препятствующая его выходу из металла, имеет электрическую природу. Существуют две наиболее вероятные причины возникновения этой силы, а следовательно, и работы выхода.

Электрон, обладая достаточной кинетической энергией, может покинуть поверхность металла. На поверхности металла в результате этого индуцируется положительный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Работа этой силы представляет часть работы выхода.

Электроны вследствие хаотического движения способны пересекать поверхность металла и удаляться от нее на малые расстояния. При этом число электронов, покидающих поверхность металла, равно числу электронов, возвращающихся в металл и на границе металл-вакуум поддерживается динамическое равновесие электронов.

Над поверхностью металла, таким образом, существует электронная “атмосфера “ т.е. у поверхности образуется как бы двойной электрический слой (напоминающий плоский заряженный конденсатор. Рис.97)

Электрическое поле такого двойного электрического слоя заключено в малом зазоре над поверхностью металла, и прохождение электрона через этот двойной электрический слой сопровождается совершением определенной работы, связанной с разностью потенциалов А = е φ. Величину φ называют потенциальным барьером. Полная работа выхода электрона обуславливается обеими этими причинами.

Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию

то он может покинуть объем металла. Работа выхода для металлов имеет порядок величины несколько эВ. Энергия же теплового движения электронов в металле при комнатной температуре (Т ≃ 300 0 К) имеет величину порядка ∼ 0,03 эВ. Поэтому подавляющее большинство электронов будет связано в пределах металла. Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, то часть из них получает возможность покинуть металл и мы наблюдаем явление испускания электронов, называемое электронной эмиссией. Различают различные типы электронной эмиссии. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии при повышении температуры, то такая эмиссия называется термоэлектронной.

При подведении энергии светом наблюдается фотоэмиссия, при бомбардировке поверхности какими-либо частицами наблюдается вторичная электронная эмиссия. Эмиссия под действием сильного электрического поля называется автоэлектронной.Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать на электронной лампе – электровакуумном диоде (рис. 98), состоящим из анода А и накаливаемого катода К, включенных в электрическую цепь. Ток диода (анодный ток) имеет зависимость “степени 3/2”

I = c· U 3/2 , где U – анодное напряжение; с – const.

Плотность тока насыщения, когда все вылетающие с катода электроны (при данной температуре катода) достигают анода, определяют по формуле Ричардсона-Дэшмана

где А – постоянная Ричардсона-Дэшмана =6,02·10 5 А/м 2 ·К 2 , Т – абсолютная температура катода, – работа выхода материала катода, k – постоянная Больцмана.

Электрический ток в газах

Газы, состоящие из нейтральных молекул и атомов, не проводят электрический ток. Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы.

Ионизацией молекулы или атома называется процесс отщепления или отрыва от них одного или нескольких электронов в результате чего возникают положительный ион и электроны. Если нейтральный атом и молекула присоединяют электрон, то возникает отрицательный ион. Процесс, обратный ионизации, т.е. такой, при котором электроны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтральную молекулу или атом, называется рекомбинацией.

Для ионизации молекулы (атома) небходимо совершить работу ионизации А_i против сил притяжения между вырываемым электроном и атомным остатком. Эта работа зависит от вида атома, кратности ионизации, энергетического состояния. Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов в ускоряющем поле, которую должна пройти заряженная частица, чтобы накопить энергию, равную работе ионизации

Ионизация газов вызывается бомбардировкой его атомов и молекул заряженными частицами (электронами, ионами, α-частицами), нейтронами, электромагнитным излучением.

Газовым разрядом называется процесс прохождения электрического тока через газ. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Предположим, что на газовый промежуток действует какой-либо ионизатор (например, ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, падающие на катод и выбивающие из него фотоэлектроны), в результате чего газ становится электропроводящим и в цепи потечет ток (рис. 99а). Увеличение анодного напряжения приведет к изменению тока в цепи. Вольтамперную характеристику можно разделить на 4 участка (рис. 99б). На первом участке кривой при небольших напряжениях выполняется закон Ома. Плотность тока в газовом промежутке равна

где n₀ – число пар противоположно заряженных частиц в единице объема; u₊ и u_- - подвижность этих частиц;

е – заряд электрона;

Е – напряженность поля.

На 2-м участке кривой наблюдается отклонение от закона Ома, вызванное убыванием концентрации ионов в газе и ток достигает насыщения I_Н при некотором значении U_Н. Увеличение напряжения на участке 3 кривой не приводит к увеличению тока, т.е. все образующиеся в газе электроны и ионы достигают анода и катода.

Газовый разряд, который поддерживается вследствие действия внешнего ионизатора, получил название несамостоятельного.

Если в одном из режимов разряда на участках кривой 1-2-3 действие внешнего ионизатора прекратить, то разряд прекратится. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к резкому возрастанию анодного тока. Это происходит вследствие того, что электроны под действием поля приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул и атомов газа. Процесс такой ионизации носит лавинный характер.

За время свободного пробега в сильном электрическом поле электрон(e) успевает приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой(M), вызвать ее ионизацию.

При этом образуется положительный ион и добавочный электрон.

Эти два электрона в свою очередь набрав нужную энергию ионизируют два атома, а образовавшиеся (2+2) электрона ионизируют следующие 4 атома и удвоят количество электронов и т.д. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока как показано на рис. 100.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс, непрерывно воспроизводящий новые электроны взамен ушедших на анод.

Такими могут быть процессы вторичной электронной эмиссии с катода в результате его бомбардировки ускоренными положительными ионами, фотоэффект, соударения положительных ионов с нейтральными молекулами и атомами.

Виды газовых разрядов:

Тлеющий – наблюдаемый при давлениях 0,1 – 0,01 мм. рт. ст., применяется в газовых трубках, лампах дневного света ( красное свечение у неона, синевато-зеленое – у аргона, желтоватые – у натрия).

Искровой разряд – возникает между электродами при сильных полях – на воздухе Е_крит ≃ 3·10 6 В/м или 30 кВ/см, в вакууме Е_крит выше.

Коронный разряд – когда вследствие высокой напряженности на острие электрода начинает развиваться лавинный процесс, но вследствие снижения напряженности поля по мере удаления от острия эта лавина не достигает анода.

Молния – вид искрового разряда. Токи 10 4 - 5 ·10 5 А. ΔU 10 8 - 10 9 В, длительность мкс., заряд 0,1 – 200 Кл. Сильное разогревание воздуха приводит к возникновению ударной звуковой волны – грому.

Дуговой разряд – при низком сопротивлении цепи искровой разряд переходит в дуговой, который протекает при высоких токах в десятки и сотни ампер.

Работа выхода электронов из металла. Контактные явления

Электроны проводимости в кристалле находятся в потенциальной яме. Выход из нее требует совершения работы по преодолению силы, действующей на электрон со стороны кристалла. Найдем эту силу. Обладая энергией теплового движения, электроны могут выскакивать из кристалла на расстояние в несколько периодов. Вышедший из кристалла и находящийся у его поверхности на расстоянии х электрон индуцирует в металле заряд е₊ (рис.97). Этот наведенный заряд действует на вышедший электрон так, как если бы он был сосредоточен под поверхностью металла на глубине х в точке, симметричной той, в которой находится электрон (см. Эл-во §5). Индуцированный заряд е₊ называется электрическим изображением заряда е_-. Оба точечные заряда притягиваются друг к другу с силой Кулона . (14.1)

Но это и есть сила притяжения металлом вышедшего из него электрона. Под действием этой силы электрон втягивается обратно в металл. Чтобы удалить электрон из металла, надо совершить работу по преодолению этой силы, перемещая электроны на бесконечность из точки, расположенной на расстоянии х₀ от поверхности металла. В качестве х₀ можно взять межатомное расстояние.

На рис.98 показана зависимость потенциальной энергии электрона от расстояния х до атомной плоскости – стенки металла. Энергетическое расстояние еj от уровня Ферми до нулевого уровня называют термодинамической работой выхода электрона, величину j – потенциалом выхода. Уровень Е_с обозначает дно зоны проводимости, где Е = 0. У металлов работа выхода еj заключена в пределах 1,8 ¸ 5,3 эВ. Меньше всего она у щелочных металлов, больше – у золота, серебра, платины (табл. 14.1).

Таблица 14.1
Металл	еj, эВ	Металл	еj, эВ
Литий Li	2,38	Платина Pt	5,32
Натрий Na	2,35	Ванадий V	4,58
Калий К	2,22	Вольфрам W	4,54
Рубидий Rb	2,16	Золото Au	4,30
Цезий Cs	1,18	Серебро Ag	4,30

Большое влияние на работу выхода оказывают мономолекулярные адсорбированные слои. Например, слой атомов цезия Cs на вольфраме W (рис.99). Цезий щелочной металл. Его внешний, валентный электрон связан с ядром значительно слабее, чем валентные электроны в вольфраме. Поэтому атомы цезия отдают вольфраму свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы. Между этими ионами и их электрическими изображениями в вольфраме возникает сила притяжения, удерживающая ионы цезия на поверхности вольфрама. Поле этого двойного электрического слоя помогает выходу электронов из вольфрама. По этому в присутствии слоя цезия работа выхода электрона из вольфрама уменьшается с 4,54 эВ до 1,38 эВ. Подобно цезию действуют одноатомные слои бария Ba, церия Cе, тория Th и др.

2. Термоэлектронная эмиссия.

С повышением температуры металла поверхность Ферми разрыхляется, энергия электронов увеличивается, и они поднимаются на более высокие уровни (рис.100). Соответственно уменьшается работа выхода электронов. Поэтому концентрация вылетевших из кристалла электронов в пристеночном слое растет. Процесс испускания электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Формально термоэлектронная эмиссия есть всегда, когда Т > 0 К. Но заметной она становится при температурах Т > 800 К.

Облако термоэлектронов находится в динамическом равновесии. Число вылетевших из металла электронов в каждый промежуток времени примерно равно числу электронов, втянутых в металл. Поэтому суммарный ток эмиссии равен нулю.

На основе термоэлектронной эмиссии построен ламповый вакуумный диод (рис.101). Здесь К – катод, обычно нагреваемая вольфрамовая спираль, А – анод, холодная металлическая пластина обычно цилиндрической формы. По оси этого цилиндра натягивается спираль катода. Оба электрода помещаются в стеклянный сосуд с высоким вакуумом.

Если между катодом и анодом создавать электрическое поле с напряжением U, как показано на рис.101, то термоэлектроны под действием этого поля будут перемещаться от катода к аноду. Возникает электрический ток в вакууме. Вольтамперная характеристика вакуумного диода показана на рис.102. С повышением анодного напряжения U ток I через анод растет почти пропорционально U. Но при достижении некоторого значенья I_нас перестает увеличиваться. Это предельное значение I_нас называют ток насыщением. Он возникает тогда, когда все электроны, вылетевшие из нагретого катода, захватываются полем и переносятся к аноду.

С повышением температуры катода ток насыщения увеличивается. Разделив ток насыщения на поверхность S катода, получаем плотность тока насыщения j_нас = i_насçS. В 1901г. Оуэн Ричардсон, исходя из классических представлений, теоретически нашел зависимость плотности тока насыщения от температуры поверхности катода. Уточненная Дешманом в 1923г. с учетом квантовых представлений, зависимость j_нас(Т) имеет вид: . Формула Ричардсона-Дэшмана (14.2)

Здесь еj – работа выхода, А – константа, имеющая разное значение у разных металлов и колеблющаяся около теоретического значения А= 1,2·10 6 Аç(м 2 К 2 ).

3. Контактная разность потенциалов.

Рассмотрим процессы, происходящие при контакте двух разных металлов. Допустим, до электрического контакта металл 1 (на рис.103 слева) имеет работу выхода еj₁, а работа выхода металла 2 больше, j₂ > j₁.

Приведем металлы в состояние электрического контакта, то есть сблизим их до такого расстояния, при котором возможен эффективный обмен электронами. Поскольку работа выхода электронов из металла 2 больше, то уровень Ферми в металле 2 ниже, чем в металле 1. В результате электроны проводимости с уровня Ферми металла 1 начинают переходить на уровень Ферми металла 2.

В результате такого перехода электронов металл 2 заряжается отрицательно, энергия электронов и, соответственно, уровень Ферми в нем повышаются. Металл 1 заряжается положительно, энергия электронов и уровень Ферми в нем понижаются. Между металлами возникает контактная разность потенциалов j₁₂.

Суммарное перетекание зарядов прекратится, когда уровни Ферми сравняются, а разность потенциалов между проводниками будет равна разности потенциалов выхода, j₁₂ = j₂ - j₁, и встречные потоки электронов сравняются n₂₁=-n₁₂ (рис.103 справа). Контактная разность потенциалов между проводниками создает для электронов, переходящих в проводник с большей работой выхода, потенциальный барьер высотой еj₁₂.

Оценим количество электронов, перетекающих из одного металла в другой при возникновении контактной разности потенциалов j₁₂. Будем считать, что между контактирующими металлами остается зазор шириной d, а заряды концентрируются на контактирующих поверхностях. Тогда заряд Q на каждой из поверхностей, необходимый для создания напряжения j₁₂, найдется из формулы плоского конденсатора, . (14.3)

Как видно из таблицы 14.1, контактная разность потенциалов В. Расстояние d между металлами не может быть меньше параметра решетки а » 0,3 нм. Полагая j₁₂ =1 В и d = 0,3 нм, получаем максимальную плотность заряда на контактирующих поверхностях.

Разделив на заряд электрона получаем, что на 1 м 2 поверхности приходится 2·10 17 электронов. Если диаметр атомов взять равным постоянной решетки а = 0,3 нм, то на 1 м 2 поверхности в одноатомном слое металла размещается атомов. Если атомы металла содержат по одному валентному электрону, то для создания контактной разности потенциалов 1 В потребовалось всего лишь (2×10 17 ç10 19 )´100% = 2% электронов проводимости одноатомного поверхностного слоя.

4. Закон Вольта.

Контактную разность потенциалов открыл в девяностых годах XVIII века итальянец Александр Вольта. В серии экспериментов 1792–1794 годов он установил, что в цепочке из ряда последовательно соединенных металлов контактная разность потенциалов зависит лишь от крайних металлов. Этот опытный факт называется законом Вольта. Действительно, пусть имеется цепочка из металлов 1,2,3,4 (рис.104). Работа выхода металлов еj₁, еj₂, еj₃, еj₄. На границе каждой пары возникает контактная разность:

Просуммировав левые и правые части, получаем: . (14.5)

Сумма всех контактных ЭДС (левой части равенства) равна контактной ЭДС крайних металлов в цепочке (правая часть равенства). Если концы цепи замкнуть, то независимо от количества звенев сумма контактных разностей потенциалов равна нулю. Тока в цепи нет.

5. Термо-ЭДС.

Сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю лишь при условии, что температуры всех контактов одинаковы. В 1821 г. Томас Зеебек, сжимая концы висмутовой и медной пластинок теплыми пальцами обнаружил, что если цепь замкнута, то в ней протекает ток. Это явление возникновения ЭДС в цепи из разных металлов при перепаде температур между спаями называют эффектом Зеебека или термоэлектричеством. В рамках классической электронной теории можно дать простое толкование явлению Зеебека и получить зависимость термо-ЭДС от перепада температур.

Пусть имеется замкнутая цепь из двух металлов 1 и 2 со спаями A и B (рис.105). Полагаем, что электроны проводимости на верхних уровнях зоны проводимости распределяются в силовом поле решетки по закону Больцмана.

Здесь n₀₁ и n₀₂ – концентрация электронов проводимости на уровнях Ферми. В силу полной заполняемости этих уровней будем полагать n₀₁ = n₀₂; U₁ и U₂ – потенциальная энергия электронов в металлах 1 и 2. Она может изменяться от нуля на уровне Ферми до еj (работа выхода) на нулевом уровне. Разделим первое уравнение на второе.

Разделив разность U₁ –U₂ на заряд электрона е, получаем концентрационную разность потенциалов между металлами 1 и 2. . (14.9)

Если температуры спаев Т_А и Т_B одинаковы, то концентрационная ЭДС в замкнутой цепи, так же, как контактная разность потенциалов, равна нулю. Тока в цепи нет. Если же температуры спаев разные, Т_А ¹ Т_B, то в цепи возникает термо-ЭДС (рис.106). Концентрационные перепады потенциалов в контактах А и B разные.

Учитывая грубость классических приближений, обычно выделяют лишь температурную зависимость, которая хорошо подтверждается опытом при малых перепадах температур, . (14.12)

Термо-ЭДС, возникающая в цепи из разных металлов, широко применяется для измерения температур в диапазоне от 0 К до » 1000°С. Соответствующее устройство из двух разных металлов называется термопарой. Один спай термопары поддерживается при постоянной температуре, например при 0 о С в сосуде с тающим льдом, другой помещают в ту среду, температуру которой хотят измерить. О величине температуры можно судить как по величине термотока, измеряемого гальванометром, так и более точно по величине термо-ЭДС, измеряемой методом компенсации. С помощью термопар можно измерять температуру с точностью до сотых долей градуса.

6. Эффект Пельтье,1834 г.

Он обратен эффекту Зеебека и состоит в том, что при пропускании тока по цепи из разных металлов один контакт у металла нагревается, другой охлаждается.

Пусть в цепи из двух разных металлов действует источник тока – батарея Б. В результате в цепи идет постоянный ток I (рис.107). Проходя спай B, электроны, идущие по цепи на рисунке против часовой стрелки, дополнительно ускоряются полем контактного потенциала. Их скорость дрейфа увеличивается, поэтому при столкновении с узлами электроны передают им большую, по сравнению со средней, энергию. Спай В нагревается больше, чем рядом расположенные участки проводников.

В спае А электроны тормозятся контактным полем, их скорость дрейфа уменьшается, поэтому спай А нагревается меньше, чем рядом расположенные участки проводов. Кроме того, для установления равновесия этих электронов с электронным газом им необходимо приобрести еще энергию. Эту энергию они черпают из решетки. В результате спай А охлаждается больше, чем нагревается. В итоге теплота в спае А поглощается.

Выделяющаяся или поглощающаяся теплота Пельтье Q_П в контакте пропорциональна заряду It, прошедшему через контакт. . (14.13)

Здесь П – коэффициент Пельтье связан с дифференциальной термо-ЭДС соотношением: П = аDT.(14.14)

Где DТ – разность температур между контактами.

Эффект Пельтье позволяет создавать малогабаритные холодильные устройства. Их особенность в том, что изменяя направление тока в цепи, можно один и тот же контакт заставить как поглощать тепло (холодильник), так и выделять его (нагреватель).

7. Эффект Томсона.

В 1853 – 54 г.г. Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон независимо друг от друга применили к явлениям термоэлектричества принципы термодинамики. В процессе построения термодинамической теории термоэлектричества Томсон установил, что неравномерно нагретый проводник должен вести себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. На этом основании Томсон пришёл к заключению и подтвердил его экспериментально, что в однородном неравномерно нагретом проводнике должно выделяться или поглощаться тепло Пельтье (тепло Томсона). Само явление назвали эффектом Томсона.

Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис.108

Концы двух одинаковых проводящих стержней помещены в два термостата с разными температурами Т₁ и Т₂. Допустим, Т₁ > Т₂. Тогда градиент температуры в верхнем стержне направлен по току I, а в нижнем – против тока. В результате в одном стержне выделяется тепло Томсона (его температура выше), а в другом – поглощается.

Знак эффекта у разных проводников разный. В висмуте и цинке, например, тепло выделяется, если поток тепла и электрический ток совпадают по направлению (на рисунке нижний проводник). А в Fe, Pt, Sb при тех же условиях тепло поглощается. С изменением направления тока знак эффекта во всех проводниках меняется.

Тепло Томсона Q, выделяющееся в проводнике, пропорционально перепаду температур ΔТ, току I, протекающему по проводнику, и времени t Q = σΔTIt.

Здесь σ – коэффициент Томсона. Он зависит от материала провода и от его температуры. Коэффициент σ невелик. У металлов он порядка 10 –5 ВçК. За положительное направление тока принимают направление градиента температур, то есть направление от холодного конца проводника к горячему. Если тепло при этих условиях выделяется (проводник нагревается), эффект Томсона считается положительным.

Количественно эффект Томсона исследовал в 1867 г. Франсуа Леру. В установке, собранной по схеме рис. 108, к поверхности стержней он присоединял спаи термопар. Пока тока через стержни не было, термоЭДС в цепи термопар была равна нулю. При включении тока через стержни появлялась термоЭДС, величина и знак которой позволяли определить коэффициент Томсона σ.

8. Закон Джоуля – Ленца в замкнутой цепи всегда выполняется. Суммарный эффект Пельтье и Томсона в замкнутой цепи равен нулю, поскольку наряду с участками цепи, где тепло Пельтье и Томсона выделяется, всегда есть участки, где такое же тепло поглощается.

Работа выхода. Свойства перехода и эффекты при контакте двух металлов.

Собственная проводимость. У полупроводников и диэлектриков валентная зона полностью заполнена электронами и при T=0 K они не могут принять участие в проводимости. Принять участие в проводимости они смогут, если им сообщить энергию, превышающую энергию запрещенной зоны, и они перейдут в свободную зону. Свободная зона станет для них зоной проводимости (так её и называют). Это происходит при T>0 , когда в кристалле появляются фононы. Поглотив фонон или несколько фононов, электрон заполненной (валентной) зоны может получить энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Одновременно приходят в движение электроны верхних уровней валентной зоны, так как эти уровни частично освобождаются. Поэтому у полупроводников проводимость возникает при T ≠ 0 в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны (потолка валентной зоны) на верхние уровни зоны проводимости (дно зоны проводимости). При этом в валентной зоне освобождается такое же число уровней. Освобожденные уровни ведут себя как положительно заряженные частицы с зарядом «+e ». Такие фиктивные квазичастицы (частицы, которые не могут быть обнаружены в свободном состоянии) – называют «дырками». Уровень Ферми, как показывает расчет, расположен в собственных полупроводниках и диэлектриках посередине запрещенной зоны и не связан с реальным электроном. К такому выводу можно прийти на основании следующих рассуждений. Примем за начало отсчета энергии энергетический уровень, соответствующий дну зоны проводимости. Тепловые колебания переводят электроны из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны переходят назад в валентную зону. Им на смену из валентной зоны приходят новые электроны. Отсюда в проводимости принимают участие как электроны, находящиеся на верхних уровнях валентной зоны, так и на нижних уровнях зоны проводимости. Энергия первых E1 = ;0 вторых E E 2 = −∆ . Тогда энергия, затрачиваемая на образование двух носителей, делится на два и средняя энергия электронов, принимающая участие в проводимости равна 2 ∆E − . Энергия не соответствует реальному уровню, занятому электроном и практически не зависит от температуры. Эту энергию называют уровнем Ферми.

Проводимость полупроводников и диэлектриков, обусловленную свободными электронами и дырками, образовавшимися в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется собственной проводимостью. 2 Собственная проводимость полупроводников, пропорциональная числу носителей заряда, зависит от температуры по закону 2 σ σ0 . E kT e ∆ − = (1) Наиболее важными собственными полупроводниками являются кремний (Si→Z=14) и германий (Ge → Z=32). Электронные конфигурации и ширина запрещенной зоны: Si 2 2 6 2 2 −1 2 2 3 3 s s p s p (∆ = E 1,1 эВ), Ge- 2 2 6 2 6 10 2 2 1 2 2 3 3 3 4 4 s s p s p d s p (∆E = 75,0 эВ). Si и Ge имеют по 4 валентных электрона в s- и p-подоболочках. Связь с соседними атомами − ковалентная. Валентная зона при T=0 заполнена. Ширина запрещенной зоны небольшая.

Примесная проводимость возникает, когда в чистом полупроводнике некоторые атомы замещают другими атомами и связана с появлением энергетических уровней в запрещенной зоне. Примесь может быть как поставщиком электронов, так и образовывать центры прилипания. У Si и Ge 4 электрона образуют связь с соседними атомами. Заменим атом Si или Ge атомами примеси, обладающими пятью валентными электронами (фосфор, мышьяк, сурьма). Четыре образуют связь с соседними атомами Si или Ge, а пятый оказывается лишним и не может образовать ковалентную связь. Энергия 4-х электронов – та же, что у электронов атома германия и они располагаются в энергетическом спектре в валентной зоне. Пятый электрон слабо связан с атомным остатком P. Требуется небольшая энергия по сравнению с ∆E , чтобы перевести его в зону проводимости. В результате в запрещенной зоне возникает добавочный уровень, расположенный близко к свободной зоне (они расположены на расстоянии 0,05 эВ от дна зоны проводимости - донорные уровни). При T = 0 зона проводимости пуста. При нагревании в результате теплового заброса электронов в зону проводимости возникает электронная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники такого типа называются электронными (или полупроводниками n-типа). Энергия активации проводимости значительно меньше, чем для собственных полупроводников. Если примесь, напримерIn, B содержит три валентных электрона, то одна двойная связь не укомплектована. Эта связь может быть обеспечена переходом от атома Si или Ge к атому индия другого электрона, то есть возникает энергетический уровень, расположенный выше потолка валентной 3 зоны. Но при T = 0 такой переход невозможен, так как необходима дополнительная энергия. Поэтому при T = 0 валентные электроны Si или Ge остаются на своих местах, а примесные атомы In или B не укомплектованы. Но возникает принципиальная возможность для перехода электронов, получивших дополнительную энергию, на более высокий энергетический уровень. При T = 0 проводимости нет. При T > 0 электроны получают дополнительную энергию (0,05 эВ). При этом в валентной зоне возникает дырка. Естественно, возможен и обратный переход. Но пока электрон находится в атоме индия (атом индия превращается в отрицательный ион), его вакантное место будет занято другим валентным электроном, то есть в результате возникает дырка и дырочная проводимость. Такие полупроводники получили название дырочных полупроводников или полупроводников p-типа. Примеси, вводимые для захвата электронов из валентной зоны, назвали акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями (уровнями прилипания).

2.Движение электронов в магнитном поле. Эффект Холла.

1)Если заряженная частица в магнитном поле движется вдоль линий магнитной индукции, то угол α между векторами v и B

равен 0 или π.Тогда сила Лоренца равна нулю

F=QvB =0

2)Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоро-

стью , которая перпендикулярна вектору B,то

F=QvB = QvB

3)Частица будет двигаться по окружности, радиус которой находится из условия

QvB= , а отношение Период вращения частицы:T=

Ускорителями заряженных частиц называются устройства, которые под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц . Ускорители подразделяются на непрерывные и импульсные. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные.

Эффект Холла –это возникновение в металле или полупроводнике с током плотностью , электрического поля в направлении, перпендикулярном и e ,где R

3.Сколько атомов содержится в элементарной ячейке структуры алмаза?

Пространственная решетка — это схема, которая показывает расположение материальных частиц в пространстве. Пространственная решетка фактически состоит из множества одинаковых параллелепипедов, которые целиком, без промежутков, заполняют пространство. Материальные частицы обычно располагаются вузлахрешетки — точках пересечения ееребер.

Элементарная ячейка — это наименьший параллелепипед, с помощью которого можно построить всю пространственную решетку путем непрерывных параллельных переносов (трансляций) в трех направлениях пространства.

1. Из равенства осевых единиц a=b=c и осевых углов α=β=γ=90° следует, что сингония является кубической.

2. Определим число атомов алмаза в элементарной ячейке 1/8*8+1/2*6 + 4=8. 1/8 – доля каждого атома алмаза, находящегося в вершине в элементарной ячейке данной структуры. 8 – число таких атгмов.1/2 – доля каждого атома находящегося в грани элементарной ячейки алмаза, граней 6, 4 атома внутри решетки.

3. Атомы алмаза образуют сложную кубическую гранецентрированную ячейку Бравэ.

1. Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках.

Положение уровня Ферми в собственных и примесных полупроводниках связано с концентрацией носителей заряда, установившейся при данной температуре в состоянии термодинамического равновесия. Переброс электронов в зону проводимости за счет температурного возбуждения и возникновение в результате этого процесса дырок в валентной зоне называется термической генерацией свободных носителей заряда. Одновременно происходит и обратный процесс: электроны возвращаются в валентную зону, в результате чего исчезают электрон и дырка. Этот процесс называетсярекомбинацией носителей заряда. Для количественного описания процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниках используют понятияскоростигенерации,скоростирекомбинацииивременижизниносителей заряда.

Скорость генерации носителей - это число носителей, возбуждаемых в единичном объеме полупроводника за единицу времени.

Скорость рекомбинации носителей - это число носителей, рекомбинирующих в единице объема полупроводника за единицу времени.

Время жизни носителей t - это среднее время от генерации носителя до его рекомбинации.

Из приведенных выше определений непосредственно следуют следующие соотношения между скоростями рекомбинации электронов R_nидырокR_pи их временами жизниt_nиt_pсоответственно:

(28)

Здесь учтено, что 1/t- вероятность рекомбинации носителя за единицу времени.

При фиксированной температуре устанавливается термодинамическое равновесие, при котором процессы генерации и рекомбинации взаимно уравновешиваются. Такие носители, находящиеся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой, называются равновесными.

Электропроводность полупроводника может быть возбуждена и другими способами, например, облучением светом, действием ионизирующих частиц, электрическим полем, инжекцией носителей через контакт и др. Во всех этих случаях дополнительно к равновесным носителям в полупроводнике возникают носители заряда, которые не будут находиться в состоянии теплового равновесия с кристаллом. Такие носители называются неравновесными.

Общую концентрацию электронов в зоне проводимости nв случае равновесных и неравновесных носителей можно представить в виде

(29)

где n₀– концентрация равновесных электронов;Dn- концентрация неравновесных электронов.

Общая концентрация дырок

(30)

где p₀ иDp- равновесная и неравновесная концентрации дырок соответственно.

Поскольку распределение Ферми-Дирака справедливо только для состояния термодинамического равновесия, то понятно, что статистика неравновесных носителей должна быть иной. В отсутствие термодинамического равновесия принято вводить два новых параметра распределения – квазиуровень Ферми E_Fnдля электронов и квазиуровень Ферми E_Fpдля дырок. Эти параметры выбирают таким образом, чтобы для концентраций электронов и дырок при наличии неравновесных носителей выполнялись уравнения (17) и (19) соответственно при условии заменыE_F наE_Fn для электронов и наE_Fp для дырок. Таким образом, в невырожденных полупроводниках справедливы уравнения

(31)

(32)

Рисунок 7 Расщепление уровня Ферми на два квазиуровня - для электронов и для дырок : а - равновесное состояние; б - неравновесное состояние

Поскольку при наличии избыточных носителей заряда закон действующих масс не выполняется ( ), т.к. нет никакой зависимости междуDn иDp, квазиуровни Ферми для электронов и дырок разные и не совпадают с равновесным уровнем Ферми (рис.7).

В состоянии термодинамического равновесия квазиуровни Ферми совпадают с равновесным уровнем Ферми E_F. Чем выше концентрация неравновесных носителей заряда, тем дальше отстоят квазиуровни Ферми от уровня Ферми. Из уравнений (31), (32), (17) и (19) следует

(33)

Это соотношение выражает связь между концентрациями электронов и дырок в неравновесном состоянии. Разность энергий _{характеризует отклонение от состояния термодинамического равновесия. Еслиnp>n₀ ·p₀, то _{. Это условие соответствуетинжекции(вбрасыванию) избыточных носителей. Еслиnpn₀ p₀ , то говорят обэкстракции (обеднении) носителей.}}

Работа выхода. Свойства перехода и эффекты при контакте двух металлов.

Как показывает эксперимент, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл, что свидетельствует о наличии в поверхностном слое задерживающего поля.

Работой выхода называется минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы вывести его из твердого тела в вакуум.

С точки зрения классической физики наличие удерживающего поля объясняется возникновением на границе металла двойного электрического слоя, состоящего из положительных ионов и электронного облака, толщиной порядка 10 -10 -10 -9 м, которое препятствует вылету электронов.

Согласно зонной теории при температурах вблизи абсолютного нуля должны быть заполнены последовательно без промежутков все энергетические состояния электронов, начиная с уровня с наименьшей энергией, и существует резкая граница между заполненными и свободными уровнями.

При более высоких температурах эта граница размывается и ширина переходной зоны от практически полностью заполненных уровней до практически полностью свободных порядкаkT.

Наивысший занятый электронами уровень называется уровнем Ферми, а соответствующая ему энергия – энергией Ферми ( или Е_F). Следовательно, работа выхода равна работе перемещения электрона с уровня Ферми за пределы твердого тела, т.е. определяется разностью энергии свободного электрона и его энергией на уровне Ферми: (рис.205). В соответствии с этим говорят, что электроны внутри твердого тела находятся в потенциальной яме, глубина которой равна работе выхода.

На рис.205а представлена потенциальная яма для металлов, а на рис.205б – для диэлектриков. Е_в и Е_п - валентная и зона проводимости соответственно.

Работа выхода зависит от химического строения металла и чистоты поверхности. Она составляет 4,53 эВ для молибдена, 4,39 – для меди, 6,3 эВ – для платины, и может быть изменена нанесением покрытия на поверхность металла. Например, покрытие молибдена оксидом кальция или бария снижает работу выхода до 2,2 эВ.

В 1797 г. итальянский физик А.Вольта экспериментально установил, что если ряд металлов привести в контакт в определенной последовательности: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Этот ряд называется рядом Вольта, а возникающие контактные разности потенциалов составляют от нескольких десятых вольта до целых вольт.

Вольт экспериментально установил два закона для этого ряда последовательно соединенных металлов.

1.Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2.Контактная разность между концами ряда последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

С точки зрения классической теории возникающая при контакте разность потенциалов обусловлена различиями в концентрации свободных электронов и разными работами выхода.

Согласно зонной теории при контакте двух металлов с различными работами выхода А₁2, а следовательно, различными уровнями Ферми (рис.206а), происходит переход электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие (рис.206б). Этот процесс продолжается до совпадения заполненных уровней, т.е. равенства энергии электронов в обоих металлах.

Между внутренними точками металлов, в контактном слое порядка 10 -10 м, возникает внутренняя разность потенциалов . Из равенства энергий электронов: следует, что внутренняя разность потенциалов: .

Между внешними не контактирующими поверхностями металлов возникает внешняя разность потенциалов, которую можно определить, выразив работу выхода для каждого металла как разность энергий электрона вне металла и внутри металла:

При контакте внутренние энергии равны и внешняя разность потенциалов . Измерить эту разность потенциалов для металлов находящихся в воздухе достаточно трудно из-за сорбции на поверхности ионов.

Необходимо отметить, что аналогичные процессы возникают при контактах металлов и с веществами, которые при реальных температурах относят к диэлектрикам или полупроводникам.

Читайте также: