Лекции (Ляхова) (F_05_el)

Посмотреть архив целиком

Электрические свойства.


Энергетический уровень Ферми и работа выхода.


Для изолированной системы постоянного объема (не получающей и не отдающей энергии) изменение внутренней энергии dE пропорционально изменению числа частиц dN:

dE = dN,

где - коэффициент пропорциональности - химический потенциал, численно равный работе, которую нужно затратить, чтобы увеличить число частиц N на 1. С термодинамической точки зрения величина соответствует энергии Ферми EF.

При термодинамическом равновесии N частиц могут переходить из одной части системы в другую без изменения суммарной энергии. В каждой из частей происходит изменение энергий:


dE1 = - 1 N,

dE2 = 2 N,

dE1 + dE2 = 0,

- dE1 = dE2,

1 = 2.

Во всех частях системы, находящейся в термодинамическом равновесии, уровень Ферми занимает одно и то же положение.

Для того, что бы электрон покинул кристалл, необходимо, чтобы он произвел работу по преодолению сил, действующих со стороны кристалла. Граница кристалла характеризуется энергетическим уровнем вакуума Евак.. При контакте с другими веществами уровень вакуума изгибается таким образом, что уровни Ферми совпадают.


( Евак = 0 )


Ес




Рис. Потенциальная яма - кристалл.


Термодинамической работой выхода о называется энергия, которую нужно сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы он вылетел в вакуум с нулевой начальной скоростью:

о = Евак - , при Евак = 0 о = - .

Внешней работой выхода называется энергетический зазор между уровнем вакуума и дном зоны проводимости:

вн = Евак - Ес .






Рис. Евак

Зонная диаграмма о вн

собственного и Ес

слаболегированного

(невырожденного)

полупроводника. ЕV о > вн





Рис. Eвак

Зонная диаграмма о вн

проводника и

сильнолегированного Ес

полупроводника

EV o < вн


При T > 0 К существует ненулевая вероятность обладания электроном энергии, достаточной для совершения работы о . При термодинамическом равновесии другой электрон, теряя энергию, возвращается в кристалл.

Адсорбционные слои оказывают существенное влияние на работу выхода. Вольфрам W, покрытый слоем цезия (Cs - щелочной металл 1 группы), заряжается отрицательно, Cs - положительно.


Рис. Образование ионы Cs ионы кислорода

двойного слоя на + + + + + - - - - - - - - - -

поверхности W. __ __ __ __ __ + + + + + + + +

W W

Между разноименно заряженными ионами возникает сила притяжения, удерживающая Cs на поверхности W. Поле двойного электрического слоя уменьшает работу выхода электронов из W с 4.52 до 1.36 эВ. Аналогично влияют другие электроположительные металлы: барий, церий, торий.

При адсорбции кислорода W заряжается отрицательно. Такое двойное электрическое поле тормозит электроны, увеличивая работу выхода.

Для совершения работы выхода может быть использован внешний источник энергии:

1) высокого напряжения (холодная эмиссия),

2) тепловой (термоэлектронная эмиссия),

3) электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия).

Контактная разность потенциалов.


Контакт двух проводников (металлов)


При соприкосновении двух проводников (1) и (2), с различными уровнями Ферми 1 и 2 и работами выхода 1 и 2 возможен обмен электронами. Уровни Ферми совмещаются. Если 1 < 2 , то больше электронов будет переходить из проводника (1) в (2) благодаря меньшей работе выхода, чем из проводника (2) в (1) в результате дрейфа и диффузии. После установления термодинамического равновесия проводник (1) зарядится положительно, а проводник (2) - отрицательно: возникает разность потенциалов Vкi , называемая контактной внутренней.

Евак


1 1 2 2 q Vкi = 2 - 1

Рис. Схема возникновения внутренней контактной разности потенциалов между 2-мя металлами.


Внутренняя контактная разность потенциалов Vкi создает для электронов, переходящих в проводник (2) , потенциальный барьер высотой qVкi:

q Vкi = 2 - 1 (энергия), Vкi = ( 2 - 1 ) 1/q (потенциал).

В диффузии участвуют электроны с энергиями уровня Ферми, которая зависит от концентрации электронов и их эффективной массы. В создании двойного электронного слоя участвует не более 2% свободных электронов. Толщина слоя составляет 10-8 см. Внутренняя контактная разность потенциалов Vкi не превышает 10-3 В, что не препятствует протеканию токов в металлах. Этот эффект имеет место в полупроводниках. В многослойных тонких пленках из-за возникновения контактной разности потенциалов потери мощности выше, чем в монолитном проводнике.

Контактная разность потенциалов возникает не только при плотном соприкосновении электронных проводников, но и при их сближении на расстояние, при котором возможен эффективный обмен электронами. При сближении на расстояние L двух проводников (1) и (2), с различными уровнями Ферми 1 и 2 и работами выхода 1 и 2 возможен обмен термически возбужденными (эмитирующими) электронами.

Если 1 < 2 , больше электронов будет переходить из проводника (1) в (2) благодаря меньшей работе выхода, чем из проводника (2) в (1) . Плотность тока термоэлектронной эмиссии из проводника (1) в начале процесса будет больше. В обратном направлении возникает дрейфовый и диффузионный токи. После установления термодинамического равновесия уровни Ферми выравниваются. Проводник (1) зарядится положительно, а проводник (1) - отрицательно: т.е. возникает разность потенциалов Vк , называемая внешней контактной.

Внешняя контактная разность потенциалов Vк создает для электронов, переходящих в проводник (2) , потенциальный барьер высотой qVк :

q Vк = 1 - 2 , Vк = 1/q ( 1 - 2 ) .

В зазоре между проводниками возникает электрическое поле напряженностью Ек .

Евак


1 1 L 2 2 q Vк = 1 - 2


L


Рис. Схема возникновения контактной разности потенциалов между 2-мя металлами.


Например, при разности работ выхода 1 - 2 = 1 эВ и величине зазора L = 10-7 см напряженность электрического поля в зазоре составляет:

Е = Vк / L = ( 1 - 2 ) / (q L ) = 107 В/см.

Это существенно отличается от поля соприкасающихся электронных проводников. Электроны (термоэмитируемые) в зазоре обладают гораздо большей энергией, чем фермиевые электроны контакта.

Необходимо обеспечивать плотный контакт между проводниками при соединении. Неплотное соединение нагревается в результате термоэлектронной эмиссии, джоулева тепла. Возможен в электрическом поле высокой напряженности пробой воздушного промежутка - газовый разряд - искрение.



. Термоэлектродвижущая сила.


В 1823 г. Т. Зеебек установил, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников (1) и (2), возникает электродвижущая сила Vт , если контакты А и В этих проводников поддерживаются при различных температурах: горячей Тг и холодной Тх .

ТермоЭДС пропорциональна разности температур:

Vт = a ( Tг - Tх ),

где а - коэффициент пропорциональности,

а = dVт / dT,

называют дифференциальной или удельной термоЭДС.

Для возникновения термоЭДС имеется 2 основных источника:

- изменение контактной разности потенциалов с температурой - контактная составляющая Vк ,

- образование направленного потока носителей заряда в проводнике при наличии градиента температуры - объемная составляющая Vоб .


А 1 В

+ +

- 2 -



Рис. Схема термопары.


Контактная составляющая термоЭДС. При одинаковой температуре в каждом из контактов уровни Ферми устанавливаются на одной высоте. Возникает контактная разность потенциалов, но разности потенциалов между контактами А и В нет.

Если контакт А нагреть до температуры Тг , изменится положение уровня Ферми на 1 у (1) и на 2 у (2) проводников, а также работа выхода:

= 1 - 1 , = 2 - 2 .

Если 1 2 , уровни Ферми оказываются не на одной высоте. После установления термодинамического равновесия контактная разность потенциалов будет равна:

Vк + Vк = 1/q ( - г2) = 1/q (1 - 2) - 1/q ( 1 - 2 ),


Случайные файлы

Файл
132924.rtf
1727-1.rtf
69182.rtf
60189.rtf
34807.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.