Чем определяется работа выхода электронов из металла


ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ МЕТАЛЛА — Студопедия

Методические указания к лабораторной работе № 37

по физике (раздел «Оптика и атомная физика»)

Ростов-на-Дону
2013

УДК 530.1

Составители: С.М. Максимов, И.В. Ершов

Определение работы выхода электрона из металла: метод. указания к лабораторной работе № 37 по физике (раздел оптика и атомная физика). – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2013. – 10 с.

Указания содержат краткую теорию по явлению термоэлектронной эмиссии и работе вакуумного диода, а также порядок выполнения лабораторной работы.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета
«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор д-р. техн. наук, проф. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2013

 
 

Цель работы: Определение работы выхода электрона из вольфрамовой нити накала двухэлектродной лампы.

Приборы и принадлежности:вакуумный диод, вольтметр постоянного тока, миллиамперметр постоянного тока, амперметр переменного тока, два реостата, выпрямитель.

Краткая теория:

1. Работа выхода электрона из металла.

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном тепловом движении, однако при этом они практически не выходят с поверхности металла в вакуум даже при комнатной температуре. Это объясняется увеличением потенциальной энергии электрона при удалении его от поверхности металла. Таким образом, металл представляет для электронов проводимости потенциальную яму, ограниченную со всех сторон потенциальными барьерами. Отдельные электроны постоянно покидают поверхность металла, удаляясь от нее на несколько межатомных расстояний (d ≈ 10-9 – 10-10 м) и затем возвращаются обратно, поскольку их энергии недостаточно, чтобы преодолеть потенциальный барьер. В результате металл оказывается окруженным электронным облаком, которое образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой. В таком электронном облаке на электроны действуют силы, направленные внутрь металла. Для перевода электрона из металла в вакуум необходимо совершить работу против этих сил. При этом совершаемая работа идет на увеличение потенциальной энергии электрона.


Для удаления электронов за пределы металла разным электронам необходимо сообщить не одинаковую энергию. Например, электронам, находящимся на дне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию, равную высоте потенциального барьера εb, а для электрона, находящегося на самом верхнем заполненном уровне, достаточна энергия εbεF (рис.1). Здесь εF – энергия, отделяющая заполненные энергетические уровни электронов от незаполненных, называемая энергией Ферми (или уровнем Ферми).


Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для удаления его из твердого тела в вакуум, называется работой выхода . Работу выхода принято обозначать через Авых = и отсчитывать ее от уровня Ферми (где φ – потенциал выхода)

. (1)

Данное определение работы выхода распространяется на любые температуры.

2. Вакуумный диод.

Для того, чтобы электрон проводимости вылетел за пределы металла, необходимо, чтобы его кинетическая энергия оказалась больше работы выхода:

. (2)

Эту энергию электрон может получить разными путями. Один из них – повышение температуры металла, в результате чего происходит испускание (эмиссия) электронов в вакуум. Явление испускания электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Исследование термоэлектронной эмиссии осуществляется с помощью двухэлектродной лампы (вакуумного диода), подключенной по схеме (рис.2).

Вакуумный диод представляет собой хорошо откачанный стеклянный баллон, внутри которого имеется два электрода – катод К и анод А. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод – коаксиального с ней цилиндра. Катод нагревается током от батареи накала eн. Ток накала можно менять с помощью реостата R1. Между катодом и анодом с помощью батареи e создается разность потенциалов порядка 100 - 200 В, которая регулируется реостатом R2. Анодный ток измеряется с помощью миллиамперметра.

При постоянном токе накала катода зависимость силы анодного тока от анодного напряжения Ia = f(Ua) имеет вид, показанный на рис. 3. Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода. Различные кривые соответствуют разным температурам катода.

Согласно графику зависимости Ia = f(Ua) закон Ома для анодного тока в вакуумном диоде не выполняется. При Ua = 0 лишь небольшому числу электронов, вылетевших из катода, удается преодолеть электронное облако и долететь до анода, при этом в анодной цепи будет течь слабый ток. Чтобы полностью прекратить анодный ток, необходимо приложить между электродами некоторое отрицательное напряжение, поэтому вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат. Начальный участок кривой на рис.3 достаточно хорошо описывается зависимостью , поэтому при малых значениях Ua анодный ток изменяется по закону степени трех вторых :

, (3)

где G – коэффициент пропорциональности, зависящий только от конструкции диода, называемый первеансом лампы. При дальнейшем увеличении анодного напряжения анодный ток перестает расти, стремясь к определенному при данной температуре значению IS, называемому током насыщения (рис.3).

Как показывает опыт, ток насыщения растет с повышением температуры катода. Зависимость плотности тока от температуры при термоэлектронной эмиссии описывается уравнением Ричардсона-Дэшмена:

, (4)

где jT – плотность тока термоэлектронной эмиссии

A – постоянная, зависящая от рода металла

k = 1,38∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Уравнение (3) является основным законом термоэлектронной эмиссии. Ток насыщения для вакуумного диода определяется как:

, (5)

где S – площадь анода.

Плотность тока насыщения в соответствии с уравнением (4) определяется формулой:

(6)

Выберем два значения тока насыщения при различных температурах и найдем их отношение:

(7)

где Aвых = eφ

Прологарифмируем полученное отношение:

(8)

Отсюда получим выражение для работы выхода:

(9)

Таким образом, для определения работы выхода необходимо знать несколько пар значений токов насыщения и соответствующих им температур.

Порядок выполнения работы:

1. Собрать схему установки согласно рис. 4.

2. Включить выпрямитель в сеть и при помощи реостата R2 установить начальный ток накала, заданный преподавателем.

3. Изменяя при помощи реостата R1 анодное напряжение в пределах от 0 до 200 В с шагом 20 В, снять ВАХ диода, определить значения анодного тока при заданном начальном токе накала. Повторить аналогичные измерения анодного тока еще для двух других значений тока накала. Результаты измерений занести в табл. 1.

4. Используя полученные значения Ia, построить графики зависимости анодного тока от анодного напряжения (ВАХ) Ia = f(Ua).

5. Построить на одном графике все три ВАХ (Ia = f(Ua)) диода для разных значений тока накала. По графикам определить значения токов насыщения.

6. Определить для каждого тока накала температуру катода, используя график на рис.5.

7. Для каждой пары (1-2; 2-3; 1-3) вольт-амперных характеристик определить работу выхода электрона по формуле (9), вычислить её среднее значение и определить относительную погрешность измерений δA. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 1

    № IНАК.1 = А IНАК.2 = А IНАК.3 = А
Ua, В Ia, мА Ua, В Ia, мА Ua, В Ia, мА
1.      
2.            
3.            
4.            
5.            
6.            
7.            
8.            
9.            
10.            

Таблица 2

  № Is, мА T, K Aвых, эВ ΔAвых, эВ δAвых, %
1.     1-2      
2.     2-3    
3.     1-3    
Среднее значение      

Контрольные вопросы:

1. Что называется работой выхода электрона из металла? Чем она обусловлена и от чего зависит?

2. В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии?

3. Как устроен диод, и для каких целей он применяется?

4. Изобразите типичную вольт-амперную характеристику диода и объясните её.

5. Сформулируйте закон степени трех вторых.

6. Запишите формулу Ричардсона-Дэшмена и объясните её.

7. Опишите экспериментальный метод определения работы выхода электрона с использованием вакуумного диода.

Правила техники безопасности. При выполнении работы необходимо убедиться, что все токоведущие части электрической схемы изолированы. Категорически запрещается касаться руками или другими предметами зажимов цепи, находящихся под напряжением. По окончании работы обязательно отключите электрическую схему от источника напряжения.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Академия, 2006.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Том. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И.В. Савельев. – Спб.: Лань, 2006.

3. Сушков А.Д. Вакуумная электроника / А.Д. Сушков. – Спб.: Лань, 2004.

Составители: Максимов С.М., Ершов И.В.

Электронная рабочая функция | физика

Работа выхода электрона , энергия (или работа), необходимая для полного отрыва электрона от металлической поверхности. Эта энергия является мерой того, насколько крепко конкретный металл удерживает свои электроны, то есть насколько ниже энергия электрона, когда он присутствует внутри металла, чем когда он полностью свободен. Работа выхода важна в приложениях, связанных с эмиссией электронов из металлов, например, в фотоэлектрических устройствах и электронно-лучевых трубках.

Значение работы выхода для конкретного материала незначительно варьируется в зависимости от процесса эмиссии. Например, энергия, необходимая для выкипания электрона из нагретой платиновой нити (термоэлектронная работа выхода), немного отличается от энергии, необходимой для выброса электрона из платины, на которую падает свет (фотоэлектрическая работа выхода). Типичные значения для металлов составляют от двух до пяти электрон-вольт.

Когда соединяются металлы с разной работой выхода, электроны имеют тенденцию покидать металл с более низкой работой выхода (где они менее прочно связаны) и перемещаются к металлу с более высокой работой выхода.Этот эффект необходимо учитывать всякий раз, когда в определенных электронных схемах устанавливаются соединения между разнородными металлами.

Поскольку некоторые электроны в материале удерживаются более плотно, чем другие, точное определение работы выхода указывает, какие электроны задействованы, обычно те, которые связаны наиболее слабо.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня .

Рабочая функция - MSE 5317

Настройка рабочих функций для транзисторов с металлическим затвором
На протяжении последних сорока лет в процессе развития технологии интегральных схем, технология полевых транзисторов на основе комплементарных металл-оксид-полупроводников (CMOSFET) была доминирующей технологией очень крупномасштабных интегральных схем (VLSI). . Правила масштабирования для КМОП-устройства были первоначально предсказаны Гордоном Муром в 1965 году, и с тех пор они стали движущей силой для повышения скорости и уменьшения площади кристалла интегральных схем.Размеры устройств MOSFET продолжают активно масштабироваться, чтобы удовлетворить высокий спрос на улучшение характеристик схемы за счет снижения мощности и увеличения плотности интеграции. Продолжение правил масштабирования в конечном итоге привело к фундаментальным ограничениям как материалов, так и устройств, используемых в настоящее время в устройствах CMOS [1-3]. Мария в своем курсовом проекте подробно рассказала об электронных устройствах и основных принципах работы транзисторов [4].

Уменьшение толщины оксида затвора необходимо для поддержания масштабирования устройства, включая пороговое напряжение и емкость.Эквивалентная толщина оксида затвора (EOT) менее 1 нм необходима для высокопроизводительного устройства. Однако кажется, что фундаментальный предел процесса CMOS будет достигнут в ближайшем будущем, и необходимо учитывать квантово-механические эффекты. По мере уменьшения размера устройства ток утечки затвора быстро увеличивается из-за прямого туннелирования. Кроме того, управление затвором снижает и эффект проникновения поликремниевого бора в канал становится значительным для полевых МОП-транзисторов. Поскольку SiO 2 и поликремниевые материалы сталкиваются с фундаментальными проблемами для масштабируемых устройств, для продолжения масштабирования необходимы альтернативные материалы.Для достижения низкого EOT и стабильных характеристик электрода затвора, как оксиды с высокой диэлектрической проницаемостью (k) , так и металлические электроды затвора считаются необходимыми для усовершенствованных устройств [5-6]. Оксид гафния выглядит жизнеспособной заменой SiO 2 с высокой диэлектрической проницаемостью 25 по сравнению с 3,9 у SiO 2 . На рисунке 1 показаны статическая диэлектрическая проницаемость ( k ), экспериментальная ширина запрещенной зоны и (согласованное) смещение CB на Si возможных диэлектриков затвора и статическая диэлектрическая проницаемость в зависимости от ширины запрещенной зоны для возможных оксидов затвора.[5]

Рисунок 1: Статическая диэлектрическая проницаемость ( k ), экспериментальная ширина запрещенной зоны и (согласованное) смещение CB на Si возможных диэлектриков затвора и статическая диэлектрическая проницаемость в зависимости от ширины запрещенной зоны для возможных оксидов затвора.

К кандидатам на новые металлические затворы предъявляется множество требований, которые включают соответствующие рабочие функции, хорошую термическую / химическую стабильность интерфейса с основным диэлектриком и высокую концентрацию носителей, а также технологическую совместимость с нынешними и будущими КМОП.Желаемый металлический затвор должен иметь соответствующую рабочую функцию для устройств NMOS или PMOS. Это подразумевает работу выхода ~ 4 эВ для устройств NMOS и ~ 5 эВ для устройств PMOS. Двойные металлические затворы или электроды с металлическими затворами со средней шириной зазора могут использоваться при обработке CMOS, однако при более сложном сценарии интеграции процесса. Металлические вентили со средним зазором работы выхода, которые рассматриваются из-за простоты их интеграции, скорее всего, не будут подходить для масштабированных объемных КМОП-устройств из-за высокого результирующего порогового напряжения, которое не может быть уменьшено простым снижением легирования подложки, поскольку легирование канала будет затем станет слишком низким для управления эффектами короткого канала.По этой причине требуются два разных металла затвора с работой выхода вблизи краев зоны проводимости и валентной зоны Si. Он также должен иметь хорошую термостабильность с нижележащим диэлектриком, что означает, что выбор диэлектрика k жизненно важен с точки зрения обработки металла. Кроме того, необходим низкий коэффициент диффузии кислорода и других примесей металлического затвора. Кроме того, металлы-кандидаты должны иметь высокую концентрацию носителей, чтобы эффект истощения ворот был незначительным.В настоящее время ведется много исследований по альтернативным металлическим электродам затвора, включая элементарные, нитриды, силициды и сплавы [7-9]. Вычисления из первого принципа с использованием DFT выполняются для изучения работы выхода для достижения вышеизложенного. Сатеш в своем семестровом проекте обсуждал применение DFT [10]. Теперь мы рассмотрим основы работы выхода.

Работа в металлах
Если мы нагреем любой металл до достаточно высокой температуры, мы сможем дать электронам энергию, достаточную для преодоления естественного барьера, который не позволяет им вытекать с его поверхности.Это явление известно как термоэлектронная эмиссия . Это свойство используется в вакуумных трубках, в которых металлический катод обычно нагревается для подачи электронов, необходимых для работы трубки [11]. Другой способ вывести электроны наружу - автоэлектронная эмиссия. Автоэлектронная эмиссия , также известная как автоэлектронная эмиссия, представляет собой явление, включающее индуцированную электрическим полем эмиссию электронов с поверхности конденсированного материала (твердого или жидкого) в вакуум или в другой материал.Как термоэлектронные, так и автоэмиссионные источники используются для генерации электронного луча в электронных микроскопах. Вильямс и Картер в своей книге «Просвечивающая электронная микроскопия» обсуждали источники электронов в главе 5 [12].

Рис. 2: Схематическая диаграмма энергии металлов, показывающая работу выхода.

На рис. 2 представлена ​​принципиальная энергетическая диаграмма металла. Валентные зоны заполнены электронами до энергии Ферми (E F ). Распределение электронов по уровням обычно описывается функцией распределения f (E), которая равна нулю, когда E F F > E при 0 K, однако функция распределения при T не равное нулю, дается уравнением 1, которое известно как Распределение Ферми-Дирака схематично показано на рисунке 3.{(E-E_F) / kT} +1} \ end {align}

Рисунок 3: Функция распределения f (E) при T = 0 K и T> 0 K

Работа выхода поверхности сильно зависит от состояния поверхности. Присутствие незначительных количеств загрязнения (меньше монослоя атомов или молекул) или возникновение поверхностных реакций (окисление или аналогичные) может существенно изменить работу выхода. Для металлов и полупроводников характерны изменения порядка 1 эВ в зависимости от состояния поверхности.Эти изменения являются результатом образования электрических диполей на поверхности, которые изменяют энергию, необходимую электрону, чтобы покинуть образец. Из-за чувствительности работы выхода к химическим изменениям на поверхностях, ее измерение может дать ценную информацию о состоянии данной поверхности. Работа выхода также оказывает значительное влияние на формирование полосы на границах раздела полупроводников, и это будет обсуждаться в следующем разделе.

Работа выхода зависит от ориентации поверхности (анизотропия работы выхода), это можно увидеть в Таблице 1 и Таблице 2.Для кристалла с N электронами, если E N - начальная энергия металла, а E N-1 - энергия металла с одним электроном, удаленным в область электростатического потенциала V e , мы определяем работу выхода как

(2)

\ begin {align} \ phi = (E_ {N-1} + V_ {e}) - E_ {N} \ end {align}

При 0 К химический потенциал ($ \ mu $) по определению равен

(3)

\ begin {align} \ mu = E_ {N-1} - E_ {N} \ end {align}

В пределе больших систем всем поляризационным эффектом можно пренебречь после удаления электрона.Затем показано, что химический потенциал совпадает с энергией Ферми. Наконец, работа выхода - это разница между уровнем Ферми и уровнем вакуума.

(4)

\ begin {align} \ phi = V_ {e} - E_ {F} \ end {align}

Вычисление работы выхода делится на две части. Во-первых, необходимо выполнить самосогласованный расчет, чтобы найти энергию Ферми пластины. Во-вторых, нам нужно найти электростатический потенциал на уровне вакуума. Электронная плотность n (r) - это основная переменная, вычисляемая методом DFT.{+ d / 2} \ overline {V} _ {e} (z + z ') dz' \ end {align}

Уровень вакуума находится на графике макроскопического среднего по оси z. Потому что кривая среднего значения в вакууме почти плоская, если вакуум достаточно велик. Вычитание этого уровня вакуума из уровня Ферми дает работу выхода металлической поверхности. Это видно на Рисунке 4.

Рис. 4. Вычитание этого уровня вакуума из уровня Ферми дает работу выхода для металлической поверхности.

Модель

Slab - самый популярный способ моделирования поверхности.Модель плиты состоит из пленки, образованной несколькими атомными слоями, параллельными интересующей кристаллической плоскости. Использование плоских волн требует создания трехмерной периодичности. Тонкие плиты нужно повторять в одном направлении. Чтобы выполнить расчет суперячейки, необходимо определить элементарную ячейку, ориентированную с одной осью, перпендикулярной интересующей поверхности, содержащую неэквивалентные атомы кристаллической тонкой пленки и некоторых вакуумных слоев. В идеале толщина вакуумного слоя и плиты должна быть достаточно большой, чтобы две последовательные металлические поверхности не взаимодействовали значительно, и такую ​​плиту можно увидеть на рисунке 5.Сначала построить модель плиты нетривиально. Вам необходимо визуализировать их, и различные поверхности ГЦК показаны на рисунке 6. Следует отметить, что поверхностная примитивная ячейка является двумерной и отличается от обычной объемной примитивной ячейки.

Рисунок 5: Типовая модель плиты, использованная для расчетов

Рисунок 6: Различные ГЦК поверхности, используемые для расчетов

Рецепт для вычислений методом DFT (конечно, следует использовать надлежащую энергию отсечки для расширения плоской волны, сверхмягкие псевдопотенциалы, правильную сетку с точками k, правильный размер плиты, правильные аппроксимации корреляции обмена и хороший программный пакет) работы выхода:

  1. В качестве предварительного шага к изучению поверхности мы должны найти постоянную равновесной решетки.
  2. Хорошо известно, что равновесные положения атомов на поверхности кристалла обычно отличаются от положений на идеальной поверхности с объемным ограничением. Нам необходимо выполнить релаксационный расчет, чтобы найти равновесную геометрию поверхности.
  3. Расслабленные координаты помещаются в другой входной файл для выполнения самосогласованного расчета для определения энергии Ферми в пластине
  4. Использование кода постобработки для извлечения электростатического потенциала из выходного файла.
  5. Рассчитайте средний макроскопический потенциал для определения уровня вакуума.
  6. Поместите два значения в определение работы выхода, чтобы определить окончательное решение.

Резюме таких расчетов для Al и Cu показано в Таблице 1 и Таблице 2 соответственно. Результаты показывают небольшое отклонение от экспериментальных значений. Это может быть связано с тем, что эксперимент проводится при комнатной температуре, в то время как расчет DFT выполняется при 0 К. В целом, он показывает хорошую точность при использовании этого метода, поскольку ошибка находится в пределах расчетного диапазона.Из Cu мы видим, что он показывает тенденцию (110), (100), (111) увеличения работы выхода. Лучше всего это объясняется сглаживанием Смолуховского [14]. Это сглаживание приводит к возникновению дипольного момента, который противодействует диполю, создаваемому расширением электрона, и, таким образом, снижает работу выхода. Ориентации поверхности с высокой плотностью испытывают небольшое сглаживание, вызывая небольшой обратный диполь и, следовательно, высокую работу выхода. Однако из расчета видно, что Al не подчиняется этому возрастающему порядку.В статье Fall, CJ et al., , [15] авторы исследовали это явление и пришли к выводу, что тенденция работы выхода Al может быть объяснена переносом заряда атомно-подобными орбиталями p поверхности ионы, перпендикулярные плоскости поверхности, к ионам, параллельным поверхности, по сравнению с объемной плотностью заряда. Таким образом, он является результатом доминирующего p -атомного характера плотности состояний вблизи энергии Ферми. В целом, расчеты DFT восстановили как нормальную, так и аномальную анизотропию работы выхода ГЦК-металлов.

Al Уровень Ферми (эВ) Вакуум (эВ) Рабочая функция (эВ) Экспериментальная (эВ)
(100) 2,364 6,782 4,418 4,41 $ \ pm 0,02 $
(110) 2.488 6,768 4,28 4,28 $ \ pm 0,02 $
(111) 2,634 6,869 4,235 4.24 $ \ пп $ 0,03

Таблица 1: Расчеты работы выхода алюминия, показывающие, что работа выхода зависит от типа поверхности

Cu Уровень Ферми (эВ) Вакуум (эВ) Рабочая функция (эВ) Экспериментальная (эВ)
(100) 5,551 10,391 4,84 4.59 $ \ pm $ 0.03
(110) 2,390 7.105 4,715 4.48 $ \ pm $ 0.03
(111) 5,581 10,780 5,199 4.94 $ \ pm $ 0.03

Таблица 2: Расчеты работы выхода различных поверхностей Cu.

В источнике термоэлектронной эмиссии в ПЭМ нить или источник обычно представляют собой вольфрам и LaB 6 , выращенные с ориентацией <110> для усиления излучения и получения высокой плотности тока. Автоэлектронная эмиссия, как и термоэлектронная эмиссия LaB 6 , зависит от кристаллографии вольфрамового наконечника, ориентация <310> оказывается наилучшей.Таким образом, изучение работы выхода от различных поверхностей очень важно для достижения желаемых свойств [12].

Работа выхода тесно связана с дипольным барьером на поверхности и приравнивается к электроотрицательности в случае элементарных кристаллов (электроотрицательность - это способность одного элемента конкурировать с другими за валентный электронный заряд во время образования соединения) . Также хорошо известно, что адсорбция частиц на поверхности изменяет работу выхода поверхности понятным образом, причем адсорбаты, имеющие более высокую электроотрицательность, чем поверхность, увеличивают работу выхода, в то время как адсорбаты с более низкими электроотрицательностями имеют противоположный эффект. R. Ramprasad и др., Количественно оценили эти ожидаемые тенденции для тестового случая краев графеновой ленты с различными адсорбатами [16]. Статья H. B. Michaleson о «работе выхода элементов и ее периодичности» показывает, как такое поведение не только позволяет успешно прогнозировать работу выхода неизмеряемых элементов, но также определяет определенные тенденции данных. Как и в случае со многими физическими свойствами, эти тенденции и последовательности в периодической таблице наиболее полезны для сравнения и оценки данных, а также для планирования исследований [17].На рис. 7 показана периодическая система элементов с работой выхода в эВ. Данные приведены для поликристаллических образцов. На рис. 8 показана связь экспериментальных значений работы выхода с периодической системой элементов. Сплошная линия соответствует строкам в таблице элементов, а пунктирная - столбцам [17].

Рис. 7: Периодическая система элементов с работой выхода в эВ. Данные приведены для поликристаллических образцов.

Рисунок 8: Связь экспериментальных значений работы выхода с периодической системой элементов.Сплошная линия соответствует строкам в таблице элементов, а пунктирная - столбцам.

Измерение работы выхода
Многие методы были разработаны на основе различных физических эффектов для измерения электронной работы выхода образца. Можно выделить две группы экспериментальных методов измерения работы выхода: абсолютные и относительные. В методах первой группы используется электронная эмиссия из образца, вызванная поглощением фотонов (фотоэмиссия), высокой температурой (термоэлектронная эмиссия), электрическим полем (автоэлектронная эмиссия) или туннелированием электронов.Во всех относительных методах используется контактная разность потенциалов между образцом и электродом сравнения. Экспериментально используется либо анодный ток диода, либо измеряется ток смещения между образцом и эталоном, созданный искусственным изменением емкости между ними (метод зонда Кельвина, зондовый силовой микроскоп Кельвина).

Фотоэлектронная эмиссионная спектроскопия (ПЭС) - это общий термин для спектроскопических методов, основанных на внешнем фотоэлектрическом эффекте.В случае ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (UPS) поверхность твердого образца облучается ультрафиолетовым (УФ) светом и анализируется кинетическая энергия испускаемых электронов. Поскольку УФ-свет представляет собой электромагнитное излучение с энергией h f ниже 100 эВ, он способен извлекать в основном валентные электроны. Из-за ограничений глубины выхода электронов в твердых телах ИБП очень чувствителен к поверхности, так как информационная глубина находится в диапазоне 2–20 монослоев (1-10 нм). Результирующий спектр отражает электронную структуру образца, предоставляя информацию о плотности состояний, заполненности состояний и работе выхода [18].{\ frac {1} {2}} \ end {align}

Плотность тока (Дж) определяется выражением, приведенным ниже, и называется эффектом Шоттки или эффектом понижения барьера, и если нет снижения барьера, он является чисто термоэмиссионным, и выражение принимает форму уравнения Ричардсона-Душмана . Экспериментальная проверка может быть выполнена с помощью графика зависимости log (J / T 2 ) от 1 / kT, который дает прямую линию с наклоном и с которой мы можем получить работу выхода.

(9)

\ begin {align} J = AT ^ {2} e ^ {\ frac {- \ phi_ {eff}} {kT}} \ end {align}

Наличие электрического поля увеличивает ток эмиссии из-за снижения барьера.{3/2}} {(v / d)} \ rangle \ end {align}

Здесь график зависимости ln (J FN / (V / d) 2 ) от 1 / (V / d) дает нам работу выхода [19-20]

Рисунок 9: Автоэлектронная эмиссия при приложении небольшого электрического поля и туннелирования большим полем

Работа в полупроводниках
На рисунке 10 показана принципиальная энергетическая диаграмма полупроводника n-типа. Валентные зоны и зоны проводимости разделены запрещенной зоной (E g ). В невырожденном полупроводнике (имеющем умеренный уровень легирования) уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны.Это означает, что работа выхода теперь отличается от энергии ионизации (разность энергий между максимумом валентных зон (VBM) и уровнем вакуума) . В полупроводнике уровень Ферми становится несколько теоретической конструкцией, поскольку в запрещенной зоне нет разрешенных электронных состояний. Это означает, что необходимо учитывать распределение Ферми, которое является статистической функцией, которая дает вероятность найти электрон в заданном электронном состоянии. Уровень Ферми относится к точке на шкале энергий, в которой вероятность составляет всего 50%.Даже если в полупроводнике нет электронов прямо на уровне Ферми, работу выхода можно измерить с помощью фотоэмиссионной спектроскопии (ПЭС). Краткое описание легированных полупроводников в электронных устройствах см. В курсовой работе Марии [4].

Рисунок 10: Принципиальная энергетическая диаграмма полупроводника n-типа

На рис. 11 показан переход полупроводника n-типа с металлом слева и полупроводниковый переход p-типа с металлом справа. В переходе полупроводника n-типа с металлом уровень Ферми полупроводника выше, чем у металла, поэтому при контакте электронов переходят от полупроводника к металлу, высота барьера и нарастающий потенциал задаются уравнениями

(11)

\ begin {align} \ phi_ {B} (высота барьера) = \ phi_ {Metal} - EA \ end {align}

(12)

\ begin {align} V_ {BI} = \ phi_ {M} - \ phi_ {S} \ end {align}

В переходе полупроводника p-типа с металлом уровень Ферми полупроводника ниже, чем у металла, поэтому
при контакте электронов переходят из металла в полупроводник.Высота барьера и встроенный потенциал задаются уравнениями

(13)

\ begin {align} \ phi_ {B} (высота барьера) = E_ {g} + EA- \ phi_ {Metal} \ end {align}

(14)

\ begin {align} V_ {BI} = \ phi_ {M} - \ phi_ {S} \ end {align}

«Встроенный» потенциал иногда называют «изгибом полосы», поскольку это величина, на которую изменяются VB и CB при переходе от основной части к интерфейсу. Встроенный потенциал контролирует масштаб длины области обеднения полупроводника, а также контролирует барьер, который видит электрон при переходе от полупроводника к объему.«Высота барьера» - это полный барьер от уровня Ферми металла до зоны проводимости
(для полупроводников n-типа) или валентной зоны (для полупроводников p-типа) [19-20]. В таблице 3 представлена ​​сводная информация о высоте барьеров для переходов металл-полупроводник.

Рисунок 11: Переход полупроводника n-типа к металлу и переход полупроводника p-типа к металлу

Таблица 3: Высота барьеров для переходов металл-полупроводник

Выводы
Работа выхода поверхности кристалла определяется как энергия, необходимая для удаления электрона на уровне Ферми из объемной области кристалла в вакуум на бесконечности.Помимо описания способности электрона покидать материал, он коррелирует с химией на поверхности кристалла. Изучение работы выхода различных материалов теоретически и экспериментально может быть очень полезным для разработки новых электронных устройств.

Библиография

1. Г. Мур, «Запихивание большего количества компонентов в интегральные схемы», Электроника, том 38, вып. 8 апреля 1965 г.

2. Я. Цивидис, «Работа и моделирование МОП-транзистора», 2-е издание, 1999.

3. «Международная технологическая дорожная карта для полупроводников», Ассоциация полупроводниковой промышленности, 2005 г. (http://public.itrs.net).

5. Дж. Робертсон, "Оксиды затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для металлооксидных Si-транзисторов", Rep. Prog. Phys. т. 69, стр. 327–396, 2006.

6. К. Вайон, «Технологии будущего для передовых МОП-устройств», Ядерные приборы и методы в физических исследованиях B, том. 186, стр. 380, 2002.

7. I. De, D. Johri, A. Srivastava, C.M. Осберн, “Влияние рабочей функции затвора на производительность устройства в технологическом узле 50 нм”, Твердотельная электроника.т. 44, нет. 6; С. 1077-80, 2000.

8. Дж. Ли и др., «Технология двойного металлического затвора с настраиваемой работой выхода для объемных и не объемных КМОП», в International Electron Devices Meeting Technical Digest, Сан-Франциско, Калифорния, США, стр. 363-366, 2002.

9. В. Мисра, Х. Чжун и Х. Лазар, "Электрические свойства затворных электродов из сплава на основе Ru для Si-CMOS с двумя металлическими затворами", IEEE Electron Device Letters, vol. 23, стр. 354-6, 2002.

11. Омар, М. Али. «Элементарная физика твердого тела», Глава 4.Pearson Education, (2007).

12. Уильямс, Д. Б., Картер, К. Б., "Просвечивающая электронная микроскопия", глава 5, издательство Springer (1996).

13. К. Киттель, "Введение в физику твердого тела", издательство Wiley, издание 7.

14. Р. Смолуховский, Phy. Ред. 60, 1941

15. C.J.Fall, N.Binggeli, A. Baldereschi, Phy. Ред. B, 58,1998

16. R. Ramprasad, Paul von Allmen и L. R. C. Fonseca, "Вклады в работу выхода: исследование функционала плотности адсорбатов на краях графеновой ленты", Phys.Ред. B, 60, стр. 6023, 1999.

17. Х. Б. Майклсон, "Работа выхода элементов и ее периодичность", Journal of Applied Physics, vol. 48, № 11, стр. 4729-4733, 1977.

19. М. П. Мардер, "Физика конденсированного состояния", глава 19, Wiley, 2000.

20. Л. Солимар и Д. Уолш, «Электрические свойства материалов», глава 6, 7-е издание, Оксфорд, 2004.

.-19 Дж. Какая самая длинная длина волны электромагнитного излучения может выбрасывать электрон с поверхности куска металла?
Химия
Наука
  • Анатомия и физиология
  • Астрономия
  • Астрофизика
  • Биология
  • Химия
  • науки о Земле
  • Наука об окружающей среде
  • Органическая химия
  • Физика
.

ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА

1. Электронная трубка зависит от своего воздействия на поток электронов, которые действуют как носители тока. Для создания этого потока электронов в каждой трубке есть специальный металлический электрод (катод). Но при обычных комнатных температурах свободные электроны катода не могут покинуть его поверхность из-за определенных сдерживающих сил, которые действуют как барьер. Эти поверхностные силы притяжения стремятся удерживать электроны внутри катодного вещества, за исключением небольшой части, которая обладает достаточной кинетической энергией (энергией движения), чтобы пробить барьер.Большинство электронов движутся слишком медленно, чтобы это произошло.

2. Чтобы покинуть поверхность материала, электроны должны совершить определенную работу, чтобы преодолеть сдерживающие поверхностные силы. Для выполнения этой работы электроны должны иметь достаточную энергию, сообщаемую им от какого-либо внешнего источника энергии, поскольку их собственная кинетическая энергия недостаточна. Существует четыре основных метода получения электронной эмиссии с поверхности материала: термоэлектронная эмиссия, фотоэлектрическая эмиссия, автоэлектронная эмиссия и вторичная эмиссия.

3. Термоэлектронная эмиссия. Это самый важный и наиболее часто используемый в электронных лампах. В этом методе металл нагревается, что приводит к увеличению тепловой или кинетической энергии несвязанных электронов. Таким образом, большее количество электронов достигнет достаточной скорости и энергии, чтобы покинуть поверхность эмиттера. Количество электронов, высвобождаемых на единицу площади излучающей поверхности, связано с абсолютной температурой катода и количеством работы, которую электрон должен совершить, покидая излучающую поверхность.

4. Термоэлектронная эмиссия достигается за счет электрического нагрева катода. Это можно сделать двумя способами: 1) используя электроны, испускаемые нагревательной спиралью для проведения тока (прямой нагрев), или 2) размещая нагревательную спираль в никелевом цилиндре, покрытом оксидом бария, который излучает электроны (косвенный обогрев). Обычно используется метод косвенного нагрева.



5. Фотоэлектрическая эмиссия. В этом процессе энергия светового излучения, падающего на поверхность металла, передается свободным электронам внутри металла и ускоряет их в достаточной степени, чтобы они могли покинуть поверхность.

6. Автоэлектронная эмиссия или эмиссия с холодным катодом. Приложение сильного электрического поля (т.е. высокого положительного напряжения вне поверхности катода) буквально вытягивает электроны с поверхности материала из-за притяжения положительного поля. Чем сильнее поле, тем больше автоэлектронная эмиссия с холодной поверхности эмиттера.

7. Вторичная эмиссия. Когда высокоскоростные электроны внезапно ударяются о металлическую поверхность, они отдают свою кинетическую энергию электронам и атомам, на которые они ударяются.Некоторые из бомбардирующих электронов сталкиваются непосредственно со свободными электронами на поверхности металла и могут выбить их с поверхности. Электроны, освобожденные таким образом, известны как вторичные электроны эмиссии, поскольку первичные электроны из какого-то другого источника должны быть доступны для бомбардировки вторичной электронной эмиссионной поверхности.

УПРАЖНЕНИЯ:

1. Контрольные вопросы:

1. От чего зависит действие электронной лампы? 2.Что присутствует в каждой трубке для создания потока электронов? 3. При каких температурах свободные электроны не могут покинуть поверхность катода? 4. Какие силы удерживают электроны внутри катодного вещества? 5. Что должны сделать электроны, чтобы убежать? 6. Что должны иметь электроны, чтобы преодолеть сдерживающие поверхностные силы? 7. Сколько существует методов получения электронной эмиссии? 8. Какие они? 9. Что сообщает внешнюю энергию электронам при термоэлектронной эмиссии? 10. Какая энергия используется для образования свободных электронов при фотоэмиссии? 11.Что такое автоэлектронная эмиссия?

12. Как получается вторичная эмиссия? 13. Какое излучение чаще всего используется в электронике?

2. Переводите международные слова без словаря.

катод, эмиттер, материал, цилиндр, часть, энергия, излучение, температура, термический, адекватный, абсолютный, специальный, эмиссия, электрон, обычно

3. Определите, к каким частям речи принадлежат эти слова, и переведите их :

реализовывать, выравнивать, электрифицировать, классифицировать, создавать, усиливать, расширять, увеличивать, расширять, аналогично, иначе, вперед, к, вверх, наружу, вниз

Текст 5 Прочтите и переведите текст.

ДИОДЫ

1. Простейшей комбинацией элементов, составляющих электронную лампу, является диод. Он состоит из катода, который служит для испускания электронов, и пластины или анода, окружающей катод, который действует как коллектор электронов. Оба электрода заключены в герметичную оболочку из стекла или металла. Если катод нагревается косвенно, должна быть нагревательная спираль или нагреватель. Размер диодных трубок варьируется от крошечных металлических трубок до выпрямителей большого размера.Пластина обычно представляет собой полый металлический цилиндр из никеля, молибденового графита, тантала или железа.



2. Основной закон электричества гласит, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, а разные заряды притягиваются друг к другу. Электроны, испускаемые катодом электронной лампы, являются отрицательными электрическими зарядами. Эти заряды могут либо притягиваться, либо отталкиваться от пластины диодной лампы, в зависимости от того, заряжена пластина положительно или отрицательно.

3.Фактически, при приложении разности потенциалов (напряжения) от батареи или другого источника между пластиной и катодом диода внутри трубки создается электрическое поле. Силовые линии этого поля всегда проходят от отрицательно заряженного элемента к положительно заряженному. Электроны, будучи отрицательными электрическими зарядами, следуют направлению силовых линий в электрическом поле.

4. Установив электрическое поле правильной полярности между катодом и пластиной и «сформировав» силовые линии этого поля по определенным траекториям, 1 можно управлять движением электронов по желанию.Батарея подключается между пластиной и катодом диода, чтобы сделать пластину положительной по отношению к катоду, при этом силовые линии электрического поля проходят в направлении от катода к пластине.

5. И снова, приложение напряжения нагревателя приводит к эмиссии электронов с катода. Электроны следуют по силовым линиям к положительной пластине и ударяют по ней с высокой скоростью. Поскольку движущиеся заряды содержат электрический ток, поток электронов к пластине представляет собой электрический ток, называемый током пластины.

6. Достигнув пластины, электронный ток продолжает течь по внешней цепи, состоящей из соединительных проводов и батареи. Поступающие электроны поглощаются положительной клеммой батареи, и такое же количество электронов вытекает из отрицательной клеммы батареи и возвращается на катод, таким образом восполняя запас электронов, потерянных при эмиссии.

7. Пока катод трубки поддерживается при температурах излучения, а пластина остается положительной, ток пластины будет продолжать течь от катода к пластине внутри трубки и от пластины обратно к катоду через внешнюю цепь.

8. Теперь подключение батареи поменялось местами, чтобы сделать пластину отрицательной по отношению к катоду. Когда на нагреватель подается напряжение, катод испускает поток электронов. Однако эти электроны сильно отталкиваются от отрицательно заряженной пластины и стремятся заполнить межэлектродное пространство между катодом и пластиной. Поскольку электроны фактически не достигают пластины, трубка действует как разомкнутая цепь.

9. Общее количество электронов, испускаемых катодом диода, всегда одинаково при данной рабочей температуре.Напряжение пластины (напряжение между пластиной и катодом) не влияет, следовательно, на количество электронов, испускаемых катодом. Однако достигают ли эти электроны пластины на самом деле, определяется напряжением между пластиной и катодом, 2 , а также явлением, известным как пространственный заряд.

10. Термин пространственный заряд применяется к облаку электронов, которое образуется в межэлектродном пространстве между катодом и пластиной. Поскольку оно состоит из электронов, это облако представляет собой отрицательный заряд в межэлектродном пространстве, который оказывает отталкивающее действие на электроны, испускаемые катодом.Следовательно, эффект одного только этого отрицательного объемного заряда заключается в том, чтобы заставить значительную часть испускаемых электронов вернуться обратно в катод и не дать другим достичь пластины.

11. Объемный заряд, однако, действует не сам по себе. Ему противодействует электрическое поле от положительной пластины, которое проникает сквозь объемный заряд, притягивая электроны и таким образом частично преодолевая его эффекты. При низких положительных напряжениях пластины только ближайшие к ней электроны притягиваются к ней и образуют небольшой ток пластины.Тогда объемный заряд оказывает сильное влияние на ограничение количества электронов, достигающих пластины.

12. По мере увеличения напряжения на пластине большее количество электронов притягивается к пластине через отрицательный объемный заряд и, соответственно, меньшее количество электронов отталкивается обратно на катод. Если напряжение на пластине сделать достаточно высоким, в конечном итоге достигается точка, в которой все электроны, испускаемые катодом, притягиваются к пластине, и влияние объемного заряда полностью преодолевается.Дальнейшее увеличение напряжения на пластине не может увеличить ток пластины через трубку, а эмиссия с катода ограничивает максимальный ток.

Дата: 02.07.2015; вид: 1255;

.

Смотрите также