Термоэлектронная эмиссия

Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, участвующие в тепловом движении. Выйти из металла этим электронам мешает сущест­вующее в поверхностном слое металла электрическое поле, образовавшееся за счет вылета других электронов, а также взаимодействие в процессе вылета с наведенным на ближай­шем к месту вылета конце металла электрическим зарядом про­тивоположного знака. Из-за этих причин вылетающий электрон должен обладать для вылета некоторой минимальной энергией, которую называют работой выхода и обозначают буквой А. Работа выхода – индивидуальная характеристика металла. Электрону можно сообщить разными способами дополнитель­ную энергию, в результате чего он сможет покинуть металл. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении температуры этого тела, то говорят о тер­моэлектронной эмиссии. Классическая электронная теория дает для плотности тока термоэлектронной эмиссии выражение

,

а квантовая теория металлов приводит к выражению

.

Здесь С и D – константы, k – постоянная Больцмана, а Т – абсо­лютная температура металла.

Явление термоэлектронной эмиссии широко используется для создания вакуумных (диод, триод, тетрод, пентод и др.) и газонаполненных (газотрон, титратрон) электронных ламп.

При сообщении электрону необходимой для выхода из ме­талла энергии с помощью света наблюдают внешний фотоэф­фект. Если энергия сообщается электронам при бомбардировке извне какими-либо частицами, говорят о вторичной эмиссии. Если электроны вытягиваются из металла сильным электриче­ским полем, происходит автоэлектронная эмиссия.

7.Полупроводники.

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их элек­трических свойствах неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и шириной запрещенных зон. Полупроводни­ками являются твердые тела, которые при температуре, равной нулю Кельвина, характеризуются полностью занятой электро­нами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости срав­нительно узкой (шириной менее 3 эВ) запрещенной зоной. Своим названием полупроводники обязаны тому, что их элек­тропроводность меньше электропроводности металлов и боль­ше электропроводности диэлектриков.

В природе полупроводники существуют в виде элементов четвертой, пятой и шестой групп Периодической системы эле­ментов Менделеева. Типичными полупроводниками являются кремний, германий, мышьяк, селен и др., а также ряд химиче­ских соединений (оксиды, сульфиты, селениды). По характеру электропроводности различают собственные и примесные по­лупроводники. При 0 К собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. Тока в них при наложении внешнего по­ля не возникает. При повышении температуры за счет тепловой активации электроны из валентной зоны могут быть перебро­шены в зону проводимости. При наложении на кристалл элек­трического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. В результате переброса электронов в зону проводимости в валентной зоне возникают вакантные состоя­ния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место – дырку – может переместиться электрон с соседнего подуровня, а дырка поя­вится на месте ушедшего электрона. Такой процесс перемеще­ния дырки равносилен перемещению дырки в направлении сил поля так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Таким образом, в собст­венном полупроводнике наблюдаются два вида носителей –электроны и дырки. Число электронов в зоне проводимости в этом случае всегда равно числу дырок в валентной зоне. Уве­личение проводимости полупроводников с повышением темпе­ратуры связано с ростом числа электронов и дырок, возникаю­щем при возрастании числа электронов, которые из-за теплово­го возбуждения переходят в зону проводимости.

При введении в кристалл полупроводника примесных ио­нов или создании дефектов такого же типа в кристаллической решетке электропроводность полупроводника существенно возрастает. Например, при замещении атома четырехвалентно­го германия атомом пятивалентного ниобия один электрон легко при тепловых колебаниях решетки отделяется от атома и становится свободным. При этом он за счет тепловой активации легко перебрасывается в зону проводимости без образования дырки в валентной зоне. С точки зрения зонной теории элек­тропроводности, появление такого электрона в запрещенной зоне вблизи валентной зоны образуется энергетический уро­вень – он называется донорным уровнем. Такой вид проводи­мости в полупроводнике называется примесным электронным, а полупроводник называется примесным электронным, донор­ным или n-полупроводником. Носителями заряда в таком полу­проводнике, как понятно из объяснения, являются электроны.

При введении в кристалл полупроводника атома с меньшей валентностью, чем валентность собственных атомов, в запре­щенной зоне вблизи валентной зоны образуется энергетический уровень (он называется акцепторным), на который из валентной зоны за счет тепловой активации могут переходить электроны. При этом в валентной зоне образуются дырки, которые в этом случае и являются носителями заряда. Полупроводник в такой ситуации называется дырочным, акцепторным или р-полупроводником.

С ростом температуры примесного полупроводника растет число перебросов электронов через всю запрещенную зону, это приводит к тому, что, как и при отсутствии примесей, электро­проводность осуществляется равным количеством электронов и дырок, т.е. проводимость полупроводников (даже примесных) при высоких температурах является собственной.

Эффект Холла.

Гальваномагнитные явления − совокуп­ность физических явлений, связанных с действием магнитного поля на проводники, по которым течет ток. Наиболее распро­страненным эффектом является эффект Холла. Эффект заклю­чается в возникновении в твердом проводящем теле, помещенном в магнитное поле и по которому перпендикулярно этому полю течет ток в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю, электрического поля, которое и называют холловским полем. Причиной возникновения эффекта является действие силы Лоренца на носители заряда, направленно дви­гающиеся в процессе протекания тока. В результате между гра­нями образца, перпендикулярными магнитному полю В и току I, возникает холловская разность потенциалов U

где n - концентрация носителей заряда, е - элементарный электрический заряд, а b - размер образца в направлении магнитного поля. Знак холловской разности потенциалов зависит от зна­ка заряда носителей. Это позволяет по знаку холловской разности потенциалов определять тип примесной проводимости полупроводника. Количественное измерение холловской разности потенциалов позволяет определять концентрацию носителей заряда. Измерение эффекта Холла и электрического сопротивления даёт возможность также определять подвижность носи­телей. Эффект Холла относится к так называемым поперечным гальваномагнитным эффектам. Вторым поперечным эффектом является возникающая в направлении холловского поля разность температур. Причиной возникновения этого эффекта яв­ляется разброс скоростей направленного движения носителей заряда. Эта же причина вызывает появление продольной (вдоль протекания тока) разности температур. Движение носителей заряда по дугам окружности в магнитном поле вызывает рост электрического сопротивления при увеличении магнитного поля (эффект магнитосопротивления). Эффект Холла широко используется в технике - датчики магнитного поля, умножители посто­янных токов в аналоговых вычислительных машинах и др.