12. Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Р-n переход.

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большей кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу как против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в металле в результате их вылета, так и против сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образующих вблизи поверхности проводника электронное “облако”.

Между электронным газом, в металле и электронным «облаком” устанавливается динамическое равновесие. Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум называют работой выхода. Она равна 

А = e ф , где е - заряд электрона, ф - потенциал выхода.

Работа выхода производится электронами - за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Работу выхода принято выражать в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ – это работа, которую совершает электрон, пройдя разность потенциалов . . Для разных металлов работа выхода колеблется в пределах от 1–5 эВ.

При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется некоторое количество электронов, энергия которых превышает работу выхода А электрона из металла. При повышении температуры количество таких электронов резко возрастает и делается вполне заметным. Испускание электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Даже при средних температурах в металле имеется достаточно большое число электронов проводимости, способных совершить работу выхода и вылететь из металла. При этом работа выхода равна убыли кинетической энергии

до и после выхода из металла. При обычных температурах количество электронов, имеющих скорость, достаточную для вылета, очень невелика.

Существуют несколько способов сообщения электронам дополнительной энергии, необходимой для удаления их из металла: нагревание проводника (термоэлектронная эмиссия); облучение металлов видимым и ультрафиолетовым светом (фотоэлектронная эмиссия); воздействие ускоряющего внешнего электрического поля (автоэлектронная, или холодная эмиссия); бомбардировка металла электронами или ионами.

Для того чтобы получить значительный поток электронов, так называемый эмиттер нагревают до температур порядка 2000÷2500 К.

Для исследования термоэлектронной эмиссии можно использовать установку, состоящую из двух электродов - анода А и катода К, которые помещены в вакуум (рис.18.1). Катод выполнен в виде нити, анод - в виде коаксиального цилиндра. 

Катод, являющийся источником электронов, подогревается с помощью специальной батареи накала Бн. 

Анодная батарея Ба служит для создания электрического поля Евн между катодом и анодом. Когда нить разогрета, возникает электронное, облако, несущее отрицательный заряд. В результате включения батареи Ба анода поток электронов начинает двигаться между катодом и анодом, т.е. в цепи начинает протекать электрический ток. Сила тока зависит от температуры нити, напряжения Ua, которое создает анодная батарея, материала катода и геометрии электродов.

Зависимость анодного тока, регистрируемого гальванометром G, от анодного напряжения I = f(Ua) называется вольт - амперной характеристикой установки.

Такую характеристику можно снять экспериментально, поддерживая напряжение накала постоянным и изменяя напряжение Ua (рис. 18.2). На этой вольт - амперной характеристике можно выделить три области. Область I соответствует тому случаю, когда к электродам прикладывается задерживающая разность потенциалов (к аноду подключается отрицательный полюс батареи), т.е. поле Е тормозит электроны. Однако ток в цепи все же идет потому, что часть электронов, вылетающих из раскаленной нити, имеет энергию, достаточную для преодоления задерживающей разности потенциалов. Эта часть вольт - амперной характеристики называется «кривой задержки”. Помимо электрического поля Евн, создаваемого анодной батареей, между катодом и анодом существующее поле обязанное своему возникновению летящими электронами. Электроны, движущиеся от катода к аноду, создают определенный объемный заряд, который вызывает электрическое поле Еоб будет тормозить электроны при их вылете из катода и ускорять при подлете к аноду.

При увеличении разности потенциалов Ua поле Еоб будет уменьшаться. Поэтому все большее количество электронов станет долетать до анода и сила тока будет расти (область II).

При некотором значении разности потенциалов Ua=U0 суммарное поле Евн + Еоб у катода сделается равным нулю. При этом все вылетающие при данной температуре из катода электроны будут достигать анода. Поэтому дальнейшее повышение напряжения Ua не приведет к увеличению анодного тока I. Сила тока станет постоянной (область III).

Такой ток называется током насыщения. Сила тока насыщения при прочих равных условиях зависит от температуры эмиттера. Зависимость плотности тока насыщения jH от абсолютной температуры Т удовлетворительно описывается формулой Ричардсона - Дэшмена.

где  - средний коэффициент отражения электронов от границы эмиттер -вакуум, В - постоянная, зависящая от материала катода, А - работа выхода электрона, к - постоянная Больцмана.

Контактная разность потенциалов

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле.

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ - разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях термодинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей - отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень электрохим. потенциала (ферми-уровень) станет одинаковым. Установившаяся контактная разность потенциалов равна разности работ выхода проводников, отнесённой к заряду электрона.

Рассмотрим пример:

Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой. В верхней части рис. а  изображены два металла до приведения их в соприкосновение и даны их графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми  ЕF в первом металле 

графики потенциальной энергии электрона. Уровень Ферми  ЕF в первом металле лежит выше, чем во втором.

В нижней части рис. б изображены два металла после приведения их в соприкосновение и даны их графики потенциальной энергии электрона. Естественно, что при возникновении контакта между металлами электроны с самых высоких уровней в первом металле станут переходить на более низкие свободные уровни второго металла. В результате потенциал первого металла возрастет, а второго — уменьшится. Соответственно потенциальная энергия электрона в первом металле уменьшится, а во втором увеличится (напомним, что потенциал металла и потенциальная энергия электрона в нем имеют разные знаки). Условием равновесия между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) является равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми. При этом условии уровни Ферми обоих металлов располагаются на схеме на одинаковой высоте. На рис. б видно, что в этом случае потенциальная энергия электрона в непосредственной близости к поверхности первого металла (точки А и В на рис б) будет на еφ2 - eφ1 меньше, чем вблизи второго металла. Следовательно, между точками А и В устанавливается разность потенциалов, которая, как следует из рисунка, равна

Разность потенциалов (1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.

Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов неодинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов которая, как следует из рисунка, равна

В квантовой теории доказывается, что причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контактирующих металлах.

∆φ'' зависит от температуры Т контакта металлов (поскольку наблюдается зависимость ЕF от Т), обусловливая термоэлектрические явления. Как правило, ∆φ'' << ∆φ'.

Если, например, ввести в соприкосновение три разнородных проводника, имеющих одинаковую температуру, то разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциала во всех контактах. Она не зависит от природы промежуточных проводников. То же самое справедливо при любом числе промежуточных звеньев: разность потенциалов между концами цепи определяется разностью работ выхода для металлов, образующих крайние звенья цепи.

Значения внешней контактной разности потенциалов колеблются для различных пар металлов от нескольких десятых вольта до нескольких вольт. Мы рассмотрели контакт двух металлов. Однако контактная разность потенциалов возникает и на границе между металлом и полупроводником, а также на границе между двумя полупроводниками.

Для замкнутой цепи, составленной из произвольного числа разнородных металлов и полупроводников, с одинаковой температурой всех спаев, сумма скачков потенциалов будет равна нулю. Поэтому ЭДС в цепи возникнуть не может.

 Контактная разность потенциалов зависит от строения проводника (его объёмных электронных свойств) и от состояния его поверхности. Поэтому ее можно изменять обработкой поверхностей (покрытия ми, адсорбцией и т. п.), введением примесей (для полупроводников) и сплавлением с др. веществами (в случае металлов).

На контактной разности потенциалов основана работа важнейших элементов полупроводниковой электроники: р – n -переходов и контактов металл-полупроводник. Учёт контактной разности потенциалов важен при конструировании электровакуумных приборов. В электронных лампах контактной разности потенциалов влияет на вид вольт-амперных характеристик.

p-n переход 

Электронно-дырочным переходом (или кратко р-п-переходом) называют тонкий слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электронную, а другая – дырочную электропроводность, т.е. p-n переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. 

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает в области р-п-перехода объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля ( Е). Вектор этого поля направлен таким образом, что оно препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей зарядов. Поэтому через короткий промежуток времени на р-п-переходе устанавливается динамическое равновесие, он становится электрически нейтральным, а ток через р-п-переход – равным нулю. Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов  (потенциальным барьером), преодолеть которую носители без «сторонней помощи» не могут. Контактная разность потенциалов  на р-п-переходе зависит от концентрации примесей в областях полупроводника

Р-п переход представляет собой слой полупроводника с низкой концентрацией подвижных носителей зарядов (запирающий слой). Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

 Поскольку концентрация основных носителей зарядов в областях полупроводника различна, то и ширина запирающего слоя в р- и п-областях также будет различной (в области с меньшей концентрацией основных носителей она будет шире).

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью