전자 및 이온 방출은 이미터가 열 가열, 빛 복사, 전자 또는 이온 충격, 일정하거나 고주파 전기장 등에 노출될 때 진공 또는 가스가 있는 고체의 경계면에서 발생하는 하전 입자의 방출입니다. .

가열된 물체에 의해 전자가 진공 속으로 방출되는 현상을 열이온 방출.

언제 티 = 0가장 빠른 전자의 에너지조차도 경계의 전위 장벽을 극복하기에는 충분하지 않기 때문에 결정에서 전자 방출이 있을 수 없습니다.

고체가 가열되면 결정 격자 원자의 진동 진폭이 증가합니다. 온도가 증가함에 따라 점점 더 많은 수의 전자(그림 2.10)가 진공 상태에서 고체 경계의 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 얻습니다.

모든 입방미터의 금속이 포함된 경우 DN 너, 너,유속도 성분을 갖는 자유 전자 너 엑스~ 전에 u x + du x,~에서 너 y~ 전에 u y + +du y그리고로부터 너 z~ 전에 u z + du z, (어디 너 엑스– 몸체 표면에 수직인 방향의 속도 성분), 표면에 도달하는 전자의 플럭스는 다음과 같습니다.

속도 성분이 다음 방향인 전자만 엑스잠재적인 장벽을 극복하기에 충분합니다.

주어진 온도에서 단위 시간당 1m2의 금속 표면을 떠나는 전자의 수를 결정하려면 금속의 전자 속도 분포 함수를 공식에 대체하고 결과 식을 적분해야 합니다.

양자역학 이론에 따르면 모든 전자가 진공 속으로 빠져나가는 것은 아니며 전위 장벽에서 반사될 가능성이 있습니다. 따라서 장벽 D의 투명성 개념이 도입되었습니다.

Richardson-Deshman 방정식은 열 방출 전류 밀도를 결정합니다.

어디에 보편적 상수이며 이미 터 유형에 의존하지 않습니다.

페르미 에너지는 다음 관계식에 의해 결정됩니다. 첫 번째 근사치는 온도에 의존하지 않으므로 유효 일함수로 대체될 수 있음을 알 수 있습니다.

줄(J)로 표현되는 일함수는 어디에 있습니까?

Richardson-Deshman 방정식은 금속 표면의 열이온 방출 전류 밀도가 온도와 재료의 유효 일함수에 따라 달라짐을 보여줍니다.

열이온 방출 전류 밀도를 결정하는 방정식은 금속뿐만 아니라 모든 유형의 반도체 음극에도 적용 가능합니다. 그러나 특이성은 금속에서 페르미 준위의 위치가 첫 번째 근사치로 온도와 무관한 것으로 간주될 수 있다는 것입니다. j eff.주어진 물질의 상수로서 불순물 반도체에서 페르미 준위의 위치는 온도에 따라 달라집니다. 일함수의 온도계수( ㅏ)는 금속에 대해 êa½ ~ 10 –5로 결정되었습니다. 반도체 a ~ 10 –4. 계수가 영향을 받는다는 점을 고려하면 많은 수의열 방출 전류 밀도를 결정하는 데 미미한 부분을 차지하는 정확한 정의가 없으므로 모든 유형의 열이온 음극에 대해 Richardson-Deshman 공식을 사용합니다.

오늘은 열이온 방출에 초점을 맞췄습니다. 효과 이름의 변형, 매체 및 진공에서의 발현이 고려됩니다. 온도 한계를 탐구합니다. 열이온 방출의 포화 전류 밀도의 종속 구성 요소가 결정됩니다.

열이온 방출 효과의 이름

"열이온 방출"이라는 용어에는 다른 이름이 있습니다. 이 현상을 발견하고 최초로 연구한 과학자들의 이름을 따서 리처드슨 효과(Richardson Effect) 또는 에디슨 효과(Edison Effect)라고 정의합니다. 따라서 책의 텍스트에서 이 두 문구를 접하는 사람은 동일한 물리적 용어가 함축되어 있음을 기억해야 합니다. 국내외 작가들의 출판물 간 불일치로 인해 혼란이 생겼다. 소련의 물리학자들은 법칙에 설명적인 정의를 제공하려고 노력했습니다.

"열이온 방출"이라는 용어는 현상의 본질을 담고 있습니다. 페이지에서 이 문구를 본 사람은 우리가 전자의 온도 방출에 대해 이야기하고 있다는 것을 즉시 이해하지만 이것이 금속에서 확실히 발생한다는 사실은 여전히 ​​​​뒤에 남아 있습니다. 하지만 그것이 세부 사항을 밝히기 위해 정의가 존재하는 이유입니다. 외국 과학은 우선권과 저작권에 매우 민감합니다. 그러므로 무언가를 기록할 수 있었던 과학자는 명명된 현상을 받게 되고, 가난한 학생들은 실제로 효과의 본질뿐만 아니라 발견자의 이름도 외워야 합니다.

열이온 방출의 결정

열이온 방출 현상은 고온에서 금속에서 전자가 방출되는 현상입니다. 따라서 가열된 철, 주석 또는 수은이 이러한 기본 입자의 원천입니다. 이 메커니즘은 금속에 특별한 연결이 있다는 사실에 기초합니다. 양전하를 띤 핵의 결정 격자는 구조 내부에 구름을 형성하는 모든 전자의 공통 기반입니다.

따라서 표면 근처에 있는 음전하 입자 중에는 항상 볼륨을 떠날 수 있는, 즉 전위 장벽을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가진 입자가 있습니다.

열이온 방출 효과 온도

금속 결합 덕분에 잠재적 출구 장벽을 극복할 만큼 충분한 강도를 가진 모든 금속 표면 근처에 전자가 있게 됩니다. 그러나 이러한 동일한 에너지 분산으로 인해 한 입자는 결정 구조에서 거의 벗어나지 않는 반면 다른 입자는 날아가서 특정 거리를 커버하여 주변 매체를 이온화합니다. 분명히 매질에 켈빈이 많을수록 더 많은 전자가 금속 부피를 떠나는 능력을 얻습니다. 따라서 열이온 방출 온도는 얼마인지에 대한 의문이 제기됩니다. 대답은 간단하지 않으며, 우리는 이 효과의 존재에 대한 하한과 상한을 고려할 것입니다.

열이온 방출의 온도 한계

금속의 양극 입자와 ​​음극 입자 사이의 연결은 매우 조밀한 에너지 분포를 포함하여 여러 가지 특징을 가지고 있습니다. 페르미온인 전자는 각각 자신의 에너지 틈새를 차지합니다(모두 동일한 상태에 있을 수 있는 보존과 달리). 그럼에도 불구하고 이들 사이의 차이는 너무 작아서 스펙트럼은 이산형이 아닌 연속형으로 간주될 수 있습니다.

결과적으로 이는 금속의 전자 상태 밀도를 높이는 결과를 낳습니다. 그러나 절대 영도에 가까운 매우 낮은 온도에서도(이것은 0 켈빈, 즉 약 섭씨 영하 273도라는 점을 기억하십시오) 에너지가 더 높거나 낮은 전자가 있을 것입니다. 동시. 이는 특정 조건(얇은 호일)에서는 극도로 낮은 온도에서도 금속에서 전자의 방출이 거의 관찰되지 않음을 의미합니다. 따라서, 열이온 방출 온도의 하한은 절대 영도에 가까운 값이라고 볼 수 있다.

온도 척도의 반대편에는 금속 용해가 있습니다. 물리화학적 데이터에 따르면 이 특성은 이 클래스의 모든 재료에 대해 다릅니다. 즉, 녹는점이 같은 금속은 없습니다. 정상적인 조건에서 수은이나 액체는 이미 섭씨 영하 39도에서 결정 형태로 변하고 텅스텐은 3500도에서 변합니다.

그러나 이러한 모든 한계에는 한 가지 공통점이 있습니다. 금속은 더 이상 견고한 몸체가 아닙니다. 이는 법칙과 효과가 변경됨을 의미합니다. 그리고 용융물에 열이온 방출이 존재한다고 말할 필요도 없습니다. 따라서 이 효과의 상한은 금속의 용융온도가 됩니다.

진공 조건에서의 열이온 방출

위에서 논의한 모든 것은 매체(예: 공기 또는 불활성 가스)에서의 현상과 관련이 있습니다. 이제 진공 상태에서 열이온 방출이 무엇인지에 대한 질문을 살펴보겠습니다. 이를 위해 가장 간단한 장치를 설명하겠습니다. 공기가 펌핑되는 플라스크에는 얇은 금속 막대가 배치되어 전류원의 음극이 연결됩니다. 실험 중에 결정 구조를 잃지 않도록 재료는 충분히 높은 온도에서 녹아야 합니다. 이렇게 얻은 음극은 다른 금속 원통으로 둘러싸여 있으며 양극이 여기에 연결되어 있습니다. 당연히 양극도 진공으로 채워진 용기에 위치합니다. 회로가 닫히면 열이온 방출 전류를 얻습니다.

이러한 조건에서 일정한 음극 온도에서 전압에 대한 전류의 의존성은 옴의 법칙을 따르지 않고 두 번째 세 법칙을 따른다는 점은 주목할 만합니다. 또한 Child(다른 버전에서는 Child-Langmuir 및 Child-Langmuir-Boguslavsky)와 독일어 과학 문헌인 Schottky 방정식의 이름을 따서 명명되었습니다. 이러한 시스템의 전압이 증가함에 따라 특정 순간에 음극에서 방출된 모든 전자가 양극에 도달합니다. 이것을 포화 전류라고 합니다. 전류-전압 특성에서 이는 곡선이 안정기에 도달하고 전압을 더 이상 높이는 것이 효과적이지 않다는 사실로 표현됩니다.

열이온 방출 공식

이것이 열이온 방출이 갖는 특징입니다. 공식은 꽤 복잡하므로 여기서는 소개하지 않겠습니다. 또한 모든 참고서에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 일반적으로 열이온 방출에 대한 공식은 없으며 포화 전류 밀도만 고려됩니다. 이 값은 재료(일함수를 결정함)와 열역학적 온도에 따라 달라집니다. 공식의 다른 모든 구성요소는 상수입니다.

많은 장치는 열이온 방출을 기반으로 작동합니다. 예를 들어, 오래된 대형 TV와 모니터는 바로 이러한 효과를 갖습니다.

도체와 진공 사이의 경계면을 통과할 때 전기장의 강도와 유도가 갑자기 변한다는 것은 이미 알려져 있습니다. 이와 관련된 특정 현상이 있습니다. 전자는 금속 경계 내에서만 자유로울 수 있습니다. "금속-진공" 경계를 넘으려고 시도하자마자 전자와 표면에 형성된 과잉 양전하 사이에 쿨롱 인력이 발생합니다(그림 6.1).

표면 근처에는 전자구름이 형성되고, 계면에는 전위차()를 갖는 전기이중층이 형성된다. 금속 경계에서의 잠재적인 점프는 그림 6.2에 나와 있습니다.

금속 내에서 전자는 자유롭고 격자 위치와의 상호 작용 에너지는 0이기 때문에 금속이 차지하는 부피에 위치 에너지 우물이 형성됩니다. 금속 밖에서 전자는 에너지를 얻습니다. 여 0 . 이것이 인력에너지인데, 금속을 떠나기 위해서는 전자가 전위장벽을 넘어 일을 해야 한다.

(6.1.1)

이 작품은 금속을 떠나는 전자의 일함수 . 이를 위해서는 전자에 충분한 에너지가 공급되어야 합니다.

열이온 방출

일함수의 값은 물질의 화학적 성질, 열역학적 상태, 계면 상태에 따라 달라집니다. 일함수를 수행하기에 충분한 에너지가 가열을 통해 전자에 전달되면 금속에서 전자가 빠져나가는 과정을 열이온 방출 .

고전 열역학에서 금속은 전자 가스를 포함하는 이온 격자로 표현됩니다. 자유 전자 공동체는 이상 기체의 법칙을 따르는 것으로 믿어집니다. 결과적으로 맥스웰 분포에 따르면 0K가 아닌 온도에서 금속은 열에너지가 일함수보다 큰 특정 수의 전자를 포함합니다. 이 전자는 금속을 떠납니다. 온도가 증가하면 그러한 전자의 수도 증가합니다.

가열된 물체(이미터)에 의해 진공이나 다른 매체로 전자가 방출되는 현상을 열이온 방출 . 전자의 열 운동 에너지가 음으로 하전된 전자와 표면에서 제거될 때 금속 표면에 유도된 양전하 사이의 쿨롱 인력을 극복하기에 충분하도록 가열이 필요합니다(그림 6.1). 또한 온도가 충분히 높으면 금속 표면 위에 음으로 하전된 전자 구름이 생성되어 전자가 금속 표면을 떠나 진공 상태로 들어가는 것을 방지합니다. 이 두 가지 이유와 아마도 다른 이유가 금속에서 전자의 일함수를 결정합니다.

열이온 방출 현상은 1883년 미국의 유명한 발명가 에디슨이 발견했습니다. 그는 양극 전위가 있는 양극과 음극 전위가 있는 음극이라는 두 개의 전극이 있는 진공관에서 이 현상을 관찰했습니다. 램프의 음극은 전류에 의해 가열되는 내화성 금속(텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등)으로 만들어진 필라멘트일 수 있습니다(그림 6.3). 이러한 램프를 진공 다이오드라고합니다. 음극이 차가우면 음극-양극 회로에 전류가 거의 흐르지 않습니다. 음극 온도가 증가함에 따라 음극-양극 회로에 전류가 나타나며, 음극 온도가 높을수록 전류가 더 커집니다. 일정한 음극 온도에서 음극-양극 회로의 전류는 전위차가 증가함에 따라 증가합니다. 유음극과 양극 사이에서 다음과 같은 고정된 값에 도달합니다. 포화 전류 나 N. 여기서 음극에서 방출된 모든 열전자는 양극에 도달합니다.. 양극 전류는 비례하지 않습니다 유, 따라서 진공 다이오드의 경우 옴의 법칙이 적용되지 않습니다.

그림 6.3은 진공 다이오드 회로와 전류-전압 특성(볼트-암페어 특성)을 보여줍니다. 나는(우아). 여기 유 h – 지연 전압 나 = 0.

저온 및 폭발성 방출

금속 내의 자유 전자에 대한 전계력의 작용으로 인한 전자 방출을 호출합니다. 차가운 방출 또는 필드 전자 . 이를 위해서는 전계 강도가 충분해야 하며 조건이 충족되어야 합니다.

(6.1.2)

여기 디– 경계면의 이중 전기층 두께. 일반적으로 순수한 금속과 실제로 차가운 방출은 크기 정도의 강도 값에서 관찰됩니다. 이러한 불일치는 미시적 수준에서 프로세스를 설명하는 고전적 개념의 불일치에 기인합니다.

전계 방출은 잘 진공된 진공관에서 관찰할 수 있으며, 음극은 팁이고 양극은 평평하거나 약간 구부러진 표면을 가진 일반 전극입니다. 곡률 반경에 따른 팁 표면의 전계 강도 아르 자형그리고 잠재력 유양극에 상대적인 것은 동일합니다

와 , 이는 음극 표면의 전계 방출로 인해 약한 전류가 나타나는 결과를 낳습니다. 전위차가 증가함에 따라 방출 전류의 강도가 급격히 증가합니다. 유. 이 경우 음극은 특별히 가열되지 않으므로 방출을 저온이라고 합니다.

전계방출을 이용하면 원칙적으로 전류밀도를 구하는 것이 가능하다. 그러나 이를 위해서는 모양이 동일한 다수의 팁 모음 형태의 이미터가 필요하며(그림 6.4), 이는 실제로 불가능하며, 또한 전류를 10 8 A/cm 2로 증가시키면 폭발적인 파괴가 발생합니다. 팁과 전체 이미 터의.

공간 전하의 영향을 받는 AEE 전류 밀도는 다음과 같습니다(Child-Langmuir 법칙).

어디 - 음극의 기하학적 구조와 재질에 따라 결정되는 비례 계수.

간단히 말해서 Childe-Langmuir의 법칙은 전류 밀도가 비례한다는 것을 보여줍니다(3초의 법칙).

음극의 마이크로부피 단위 에너지 농도가 최대 10 4 J x m –1 이상(총 에너지 10 –8 J)일 때 전계 방출 전류는 다음과 같은 이유로 인해 질적으로 다른 유형의 방출을 시작할 수 있습니다. 음극에서 마이크로팁의 폭발 (그림 6.4).

이 경우 초기 전류보다 훨씬 큰 전자 전류가 나타납니다. 관찰됨 폭발적인 전자 방출 (VEE). VEE는 1966년 G.A.가 이끄는 직원 팀에 의해 Tomsk Polytechnic Institute에서 발견되고 연구되었습니다. 개월.

VEE는 최대 10 9 A/cm 2 의 전류 밀도와 최대 10 13 W의 전력으로 전자 흐름을 얻을 수 있는 유일한 유형의 전자 방출입니다.

	쌀. 6.4	쌀. 6.5

VEE 전류는 구조상 특이합니다. 그것은 전자 눈사태의 특성을 갖는 전자 10 11 ¸ 10 12 조각의 개별 부분으로 구성됩니다. 엑톤(첫 글자 " 폭발 센터") (그림 6.5). 눈사태 형성 시간은 10 -9 ¸ 10 -8 초입니다.

엑톤에서 전자의 출현은 음극의 미세 부분의 급격한 과열로 인해 발생하며 본질적으로 일종의 열이온 방출입니다. 엑톤의 존재는 음극 표면에 크레이터가 형성되면서 나타납니다. 엑톤에서의 전자 방출 중단은 열 전도성으로 인한 방출 영역의 냉각, 전류 밀도 감소 및 원자 증발로 인해 발생합니다.

전자와 엑톤의 폭발적인 방출은 진공 스파크와 아크, 저압 방전, 압축 및 고강도 가스, 마이크로 갭에서 근본적인 역할을 합니다. 음극 표면에 고강도 전기장이 있는 경우.

폭발적인 전자 방출 현상은 고전류 전자 가속기, 강력한 펄스 및 X선 장치, 강력한 상대론적 마이크로파 발생기와 같은 펄스 전기물리 시설 생성의 기초가 되었습니다. 예를 들어, 펄스 전자 가속기는 펄스 지속 시간이 10 -10 ¸ 10 -6 s이고 전자 전류가 10 6 A이고 전자 에너지가 10 4 ¸ 10 7 eV인 경우 10 13 W 이상의 전력을 갖습니다. 이러한 빔은 플라즈마 물리학, 방사선 물리학 및 화학 연구, 가스 레이저 펌핑 등에 널리 사용됩니다.

광전자 방출

광전자 방출 (광효과) 전자기 방사선에 노출되었을 때 금속에서 전자를 "녹아웃"시키는 것으로 구성됩니다.

광전 효과와 전류-전압 특성을 연구하기 위한 설정 다이어그램은 그림에 표시된 것과 유사합니다. 6.3. 여기서는 음극을 가열하는 대신 광자 또는 γ-양자의 흐름이 음극을 향하게 됩니다(그림 6.6).

광전 효과의 법칙은 저온 방출의 경우보다 고전 이론과 훨씬 더 일치하지 않습니다. 이러한 이유로 우리는 광학에서 양자 개념을 논의할 때 광전 효과 이론을 고려할 것입니다.

γ - 방사선을 기록하는 물리적 장비에서는 다음을 사용합니다. 광전자 증배관 (오후). 장치 다이어그램은 그림 6.7에 나와 있습니다.

두 가지 방출 효과를 사용합니다. 광효과그리고 2차 전자 방출, 이는 다른 전자와 충돌할 때 금속에서 전자를 두드리는 것으로 구성됩니다. 전자는 광전 음극( FC). 과속 FC그리고 첫 번째 이미터( 캔사스 1) 그들은 다음 방사체로부터 더 많은 수의 전자를 녹아웃시키기에 충분한 에너지를 얻습니다. 따라서 전자의 증식은 인접한 이미 터 사이의 전위차가 연속적으로 통과하는 동안 전자 수가 증가하여 발생합니다. 마지막 전극을 컬렉터라고 합니다. 마지막 이미터와 컬렉터 사이의 전류가 기록됩니다. 따라서, 오후전류 증폭기 역할을 하며 후자는 방사능을 평가하는 데 사용되는 광음극에 입사되는 방사선에 비례합니다.

열이온 방출

열이온 방출 (리처드슨 효과, 에디슨 효과) - 가열된 물체에 의한 전자 방출 현상. 금속의 자유 전자 농도는 매우 높으므로 평균 온도에서도 전자 속도(에너지) 분포로 인해 일부 전자는 금속 경계의 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 갖습니다. 온도가 증가함에 따라 열운동의 운동에너지가 일함수보다 큰 전자의 수가 증가하고 열이온 방출 현상이 눈에 띄게 됩니다.

열이온 방출 법칙에 대한 연구는 가장 간단한 2전극 램프인 진공 다이오드를 사용하여 수행할 수 있습니다. 진공 다이오드는 음극 K와 양극 A라는 두 전극을 포함하는 진공 실린더입니다. 가장 간단한 경우 음극은 필라멘트로 만들어집니다. 전류에 의해 가열되는 내화성 금속(예: 텅스텐). 양극은 음극을 둘러싸는 금속 원통 형태를 취하는 경우가 가장 많습니다. 다이오드가 회로에 연결된 경우 음극이 가열되고 양극에 양의 전압(음극에 상대적)이 가해지면 다이오드의 양극 회로에 전류가 발생합니다. 배터리의 극성을 바꾸면 음극이 아무리 뜨거워도 전류가 멈춥니다. 결과적으로 음극은 음의 입자, 즉 전자를 방출합니다.

가열된 음극의 온도를 일정하게 유지하고 양극 전압(전류-전압 특성)에 대한 양극 전류의 의존성을 제거하면 선형이 아닌 것으로 나타납니다. 즉, 옴의 법칙은 진공 다이오드에 적용되지 않습니다. . 작은 양수 값 영역의 양극 전압에 대한 열이온 전류의 의존성은 두 번째 3의 법칙(러시아 물리학자 S. A. Boguslavsky(1883-1923)과 미국 물리학자 I. Langmuir(1881)에 의해 확립됨)에 의해 설명됩니다. -1957)): , 여기서 B는 전극의 모양과 크기 및 상대적 위치에 따른 계수입니다.

양극 전압이 증가하면 전류는 포화 전류라고 하는 특정 최대값까지 증가합니다. 이는 음극을 떠나는 거의 모든 전자가 양극에 도달하므로 전계 강도가 더 증가해도 열이온 전류가 증가할 수 없음을 의미합니다. 결과적으로, 포화 전류 밀도는 음극 물질의 방사율을 특징으로 합니다. 포화 전류 밀도는 양자 통계를 기반으로 이론적으로 도출된 Richardson-Deshman 공식에 의해 결정됩니다. 여기서 A는 음극에서 나온 전자의 일 함수, T는 열역학적 온도, C는 상수이며 이론적으로는 동일합니다. 모든 금속(이것은 표면 효과에 의해 분명히 설명되는 실험에 의해 확인되지 않습니다). 일함수가 감소하면 포화 전류 밀도가 급격히 증가합니다. 따라서 일함수가 1~1.5eV인 산화물 음극(예: 알칼리 토금속 산화물로 코팅된 니켈)이 사용됩니다.

많은 진공 전자 장치의 작동은 열이온 방출 현상을 기반으로 합니다.

문학

• 물리학 과정 Trofimova T.I.

위키미디어 재단. 2010.

• 쿠리아-무리아
• 조력 발전소

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9. 실험실 작업 2번. 낮은 방출 전류 밀도에서의 열이온 방출 연구 . 18

작업 순서 .. 19

보고 요구사항 . 19

통제 질문 .. 19

소개

방출 전자는 응축 매체에서 전자의 방출(방출)과 관련된 현상을 연구합니다. 전자 방출은 신체의 전자 일부가 외부 영향의 결과로 경계의 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 획득하거나 외부 전기장이 전자 일부에 대해 "투명"하게 만드는 경우에 발생합니다. 외부 영향의 성격에 따라 다음이 있습니다.

• 열이온 방출(몸의 가열);
• 2차 전자 방출(전자에 의한 표면 충격);
• 이온-전자 방출(이온으로 표면을 충격);
• 광전자 방출(전자기 조사);
• 외전자방출(기계적, 열적 및 기타 유형의 표면 처리);
• 전계방출(외부 전기장) 등

결정에서 주변 공간으로의 전자 방출 또는 한 결정에서 다른 결정으로의 전이를 고려해야 하는 모든 현상에서 "일 함수"라는 특성은 결정적인 의미를 갖습니다. 일함수는 고체에서 전자를 제거하여 위치 에너지가 0이라고 가정되는 지점에 전자를 배치하는 데 필요한 최소 에너지로 정의됩니다. 다양한 발광현상을 기술하는 것 외에도 일함수의 개념은 두 금속, 금속과 반도체, 두 반도체의 접촉에서 접촉전위차의 발생과 갈바닉 현상을 설명하는데 중요한 역할을 한다.

지침은 두 부분으로 구성됩니다. 첫 번째 부분에는 고체 방출 현상에 대한 기본 이론 정보가 포함되어 있습니다. 열이온 방출 현상에 주된 관심이 집중됩니다. 두 번째 부분에서는 열이온 방출에 대한 실험적 연구, 접촉 전위차 연구 및 샘플 표면의 일함수 분포에 대한 실험실 작업에 대한 설명을 제공합니다.

1부. 기본 이론 정보

1. 전자 일함수. 표면 상태의 일함수에 대한 영향

전자가 고체 내부에 유지된다는 사실은 신체의 표면층에서 지연 전계가 발생하여 전자가 주변 진공으로 빠져나가는 것을 방지한다는 것을 나타냅니다. 고체 경계에서의 전위 장벽의 개략도가 그림 1에 나와 있습니다. 1. 결정을 떠나려면 전자가 일함수와 동일한 일을 해야 합니다. 구별하다 열역학적그리고 외부작업 기능.

열역학적 일함수는 진공의 0준위 에너지와 고체의 페르미 에너지의 차이입니다.

외부 일함수(또는 전자 친화도)는 0 진공 준위의 에너지와 전도대 하단 에너지 간의 차이입니다(그림 1).

쌀. 1. 결정전위의 형태유 결정 내의 이온 위치 선과 결정의 표면 근처 영역을 따라: 이온의 위치는 수평선에 점으로 표시됩니다. Φ=-유 /е - 작업 기능 잠재력; 이자형에프 – 페르미 에너지(음수); 이자형 씨– 전도대 하단의 에너지;와오 – 열역학적 일함수;와 – 외부 작업 기능; 음영 처리된 영역은 일반적으로 채워진 전자 상태를 나타냅니다.

고체와 진공의 경계에서 전위장벽이 나타나는 데는 크게 두 가지 이유가 있습니다. 그 중 하나는 결정에서 방출된 전자가 결정 표면에 양전하를 유도한다는 사실 때문입니다. 전자와 결정 표면 사이에 인력(전기 이미지 힘, 그림 12의 섹션 5 참조)이 발생하여 전자를 다시 결정으로 되돌리는 경향이 있습니다. 또 다른 이유는 열 운동으로 인해 전자가 금속 표면을 가로질러 짧은 거리(원자 단위)로 이동할 수 있다는 사실 때문입니다. 그들은 표면 위에 음으로 하전된 층을 형성합니다. 이 경우 전자가 탈출한 후 결정 표면에 양으로 하전된 이온층이 형성됩니다. 그 결과 전기이중층이 형성된다. 외부 공간에 전기장을 생성하지는 않지만 이중층 자체 내부의 전기장을 극복하는 작업도 필요합니다.

대부분의 금속과 반도체의 일함수 값은 수 전자 볼트입니다. 예를 들어 리튬의 경우 일함수는 2.38eV, 철은 4.31eV, 게르마늄은 4.76eV, 실리콘은 4.8eV입니다. 대체로 일함수 값은 전자 방출이 발생하는 단결정 면의 결정학적 방향에 따라 결정됩니다. 텅스텐의 (110) 평면의 경우 일함수는 5.3eV이고, (111) 및 (100) 평면의 경우 이 값은 각각 4.4eV 및 4.6eV입니다.

결정 표면에 증착된 얇은 층은 일함수에 큰 영향을 미칩니다. 결정 표면에 침전된 원자나 분자는 종종 결정에 전자를 주거나 결정으로부터 전자를 받아 이온이 됩니다. 그림에서. 그림 2는 금속에서 전자의 열역학적 일함수가 발생하는 경우에 대한 금속과 고립된 원자의 에너지 다이어그램을 보여줍니다. 승 0이온화 에너지보다 크다 이온표면에 증착된 원자의 이 상황에서 원자의 전자는 에너지적으로 유리합니다. 터널금속 속으로 들어가 페르미 준위까지 내려갑니다. 이러한 원자로 덮인 금속 표면은 음전하를 띠고 양이온으로 이중 전기층을 형성하며, 이 전기장은 금속의 일함수를 감소시킵니다. 그림에서. 도 3의 a는 세슘 단층으로 코팅된 텅스텐 결정을 보여준다. 여기서 위에서 논의한 상황이 실현됩니다. 이온세슘(3.9eV)은 텅스텐(4.5eV)의 일함수보다 작습니다. 실험에서 일함수는 3배 이상 감소했습니다. 텅스텐이 산소 원자로 덮여 있으면 반대 상황이 관찰됩니다(그림 3b). 산소는 텅스텐보다 원자가 전자의 결합이 강하기 때문에 텅스텐 표면에 산소가 흡착되면 전기 이중층이 형성되어 금속의 일함수가 증가합니다. 가장 일반적인 경우는 표면에 침전된 원자가 금속에 전자를 완전히 포기하거나 여분의 전자를 흡수하지 못하고 전자 껍질을 변형시켜 표면에 흡착된 원자가 분극되어 전기 쌍극자가 되는 경우입니다. .3c). 쌍극자의 방향에 따라 금속의 일함수는 감소하거나(쌍극자의 방향은 그림 3c에 해당) 증가합니다.

2. 열이온 방출 현상

열이온 방출은 고체 표면에서 전자 방출 유형 중 하나입니다. 열이온 방출의 경우 외부 영향은 고체 가열과 관련이 있습니다.

열이온 방출 현상은 가열된 물체(방출체)에 의해 진공이나 다른 매체로 전자가 방출되는 것입니다.

열역학적 평형 조건에서 전자의 수는 엔(E), 다음 범위의 에너지를 가지고 있습니다. 이자형~ 전에 이자형+dE는 Fermi-Dirac 통계에 의해 결정됩니다.

,(1)

어디 지(E)– 에너지에 해당하는 양자 상태의 수 이자형; 이자형 에프 – 페르미 에너지; 케이– 볼츠만 상수; 티– 절대 온도.

그림에서. 그림 4는 금속의 에너지 다이어그램과 전자 에너지 분포 곡선을 보여줍니다. 티=0K, 저온에서 티 1그리고 고온에서 티 2. 0K에서 모든 전자의 에너지는 페르미 에너지보다 작습니다. 어떤 전자도 결정을 떠날 수 없으며 열이온 방출도 관찰되지 않습니다. 온도가 증가함에 따라 금속을 떠날 수 있는 열 여기 전자의 수가 증가하여 열이온 방출 현상이 발생합니다. 그림에서. 4 이것은 다음과 같은 사실로 설명됩니다. 티=티2분포 곡선의 "꼬리"는 전위 우물의 0 수준을 넘어갑니다. 이는 전위 장벽의 높이를 초과하는 에너지를 가진 전자의 출현을 나타냅니다.

금속의 경우 일함수는 수 전자 볼트입니다. 에너지 케이 티수천 켈빈의 온도에서도 전자 볼트의 일부입니다. 순수 금속의 경우 약 2000K의 온도에서 상당한 전자 방출을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 순수 텅스텐의 경우 2500K의 온도에서 눈에 띄는 전자 방출을 얻을 수 있습니다.

열이온 방출을 연구하려면 가열된 몸체(음극)의 표면에 전기장을 생성하여 전자를 가속하여 방출기 표면에서 전자를 제거(흡입)해야 합니다. 전기장의 영향으로 방출된 전자가 움직이기 시작하고 전류가 형성되는데, 이를 전류라고 합니다. 열이온성. 열이온 전류를 관찰하기 위해 일반적으로 두 개의 전극이 있는 전자관인 진공 다이오드가 사용됩니다. 램프의 음극은 내화성 금속(텅스텐, 몰리브덴 등)으로 만들어진 필라멘트로, 전류에 의해 가열됩니다. 양극은 일반적으로 가열된 음극을 둘러싸는 금속 원통 모양입니다. 열이온 전류를 관찰하기 위해 다이오드는 그림 1에 표시된 회로에 연결됩니다. 5. 당연히 열이온 전류의 세기는 전위차가 증가함에 따라 증가해야 합니다. V양극과 음극 사이. 그러나 이러한 증가는 비례하지 않습니다. V(그림 6). 특정 전압에 도달하면 열이온 전류의 증가가 사실상 중단됩니다. 주어진 음극 온도에서 열이온 전류의 한계값을 포화 전류라고 합니다. 포화 전류의 크기는 단위 시간당 음극 표면을 빠져나갈 수 있는 열전자의 수에 의해 결정됩니다. 이 경우, 음극에서 열이온 방출에 의해 공급된 모든 전자는 전류를 생성하는 데 사용됩니다.

3. 온도에 따른 열이온 전류의 의존성. 공식 리처드슨-데시먼

열이온 전류 밀도를 계산할 때 우리는 전자 가스 모델을 사용하고 적용할 것입니다.페르미-디랙(Fermi-Dirac) 통계입니다. 열이온 전류 밀도는 결정 표면 근처의 전자 구름 밀도에 의해 결정되며 이는 식 (1)로 설명됩니다. 이 공식에서 전자의 에너지 분포에서 전자 운동량 분포로 이동해 보겠습니다. 이 경우 전자 파동 벡터의 허용 값을 고려합니다. 케이 V 케이 - 공간은 각 값에 대해 균등하게 분배됩니다. 케이 8권을 차지했다 피 3 (크리스탈 볼륨이 1인 경우). 전자의 운동량을 고려하면 p =ћ 케이 우리는 운동량 공간의 부피 요소에서 양자 상태의 수를 얻습니다. DP xdp ydp z평등할 것이다

(2)

식 (2)의 분자에 있는 두 개는 전자 스핀의 두 가지 가능한 값을 고려합니다.

축을 지향하자 지음극 표면에 수직인 직각 좌표계(그림 7). 결정 표면에서 단위 면적을 선택하고 그 위에 측면 모서리가 있는 직육면체를 베이스처럼 만들어 보겠습니다. v z =피 z /m n(m n– 유효 전자 질량). 전자는 부품의 포화 전류 밀도에 기여합니다. v z축 속도 지. 하나의 전자의 전류 밀도에 대한 기여는 다음과 같습니다.

(3)

어디 이자형– 전자 전하.

평행 육면체의 전자 수, 속도는 고려 된 간격에 포함됩니다.

전자 방출 중에 결정 격자가 파괴되지 않기 위해서는 전자의 미미한 부분이 결정을 떠나야 합니다. 이를 위해서는 식 (4)와 같이 조건을 만족해야 한다. 그녀의에프>> 케이티. 그러한 전자의 경우, 식(4)의 분모의 단위는 무시될 수 있습니다. 그러면 이 수식은 다음과 같은 형태로 변환됩니다.

(5)

이제 전자의 수를 구해보자 dN고려중인 범위에서, 지- 사이에 포함된 임펄스 성분 아르 자형 지그리고 아르 자형 z +dp z. 이렇게 하려면 이전 표현식을 적분해야 합니다. 아르 자형 엑스 그리고 아르 자형 와이–무한대에서 +무한대까지. 통합할 때 다음 사항을 고려해야 합니다.

,

테이블 적분을 사용하십시오.

,.

결과적으로 우리는

.(6)

이제 (3)을 고려하여 평행 육면체의 모든 전자에 의해 생성되는 열이온 전류의 밀도를 찾아 보겠습니다. 이를 위해서는 운동 에너지가 페르미 준위인 모든 전자에 대해 식 (6)을 적분해야 합니다. E ≥EF +승 0오직 그러한 전자만이 결정을 떠날 수 있으며, 오직 전자만이 열전류를 계산하는 역할을 합니다. 축을 따른 전자의 운동량 구성 요소 지조건을 만족해야 한다

.

따라서 포화 전류 밀도는

모든 값에 대해 통합이 수행됩니다. 새로운 통합 변수를 소개하겠습니다.

그 다음에 p z dp z =m n du그리고

.(8)

결과적으로 우리는

,(9)

,(10)

상수는 어디에 있나요?

.

평등 (10)은 공식이라고 불립니다 리처드슨-데시먼. 열이온 포화 전류의 밀도를 측정함으로써 이 공식을 사용하여 상수 A와 일함수 W 0 를 계산할 수 있습니다. 실험 계산의 경우 공식 리처드슨-데시먼형태로 표현하는 것이 편리합니다.

이 경우 그래프는 의존성을 보여줍니다. ln(js/티 2) 1부터 /티직선으로 표현됩니다. 세로축과 직선의 교차점에서 ln이 계산됩니다. ㅏ , 직선의 경사각에 따라 일함수가 결정됩니다(그림 8).

4. 접촉전위차

두 개의 전자 전도체, 예를 들어 서로 다른 일함수를 갖는 두 개의 금속이 접근하여 접촉할 때 발생하는 과정을 고려해 보겠습니다. 이들 금속의 에너지 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 9. 하자 이자형F 1그리고 이자형F 2는 각각 첫 번째와 두 번째 금속에 대한 페르미 에너지이고, 승01그리고 승02– 업무 기능. 고립된 상태에서 금속은 동일한 진공 준위를 가지므로 페르미 준위가 다릅니다. 확실성을 가정해보자. 승01< 승02, 그러면 첫 번째 금속의 페르미 준위는 두 번째 금속의 페르미 준위보다 높을 것입니다(그림 9a). 이들 금속이 금속 1의 점유 전자 상태와 반대 방향으로 접촉하면 자유 전자가 생성됩니다. 에너지 수준금속 2. 따라서 이러한 도체가 접촉하면 도체 1에서 도체 2로 전자의 흐름이 발생합니다. 이로 인해 전자를 잃은 첫 번째 도체가 양으로 하전되고 두 번째 도체가 얻는 사실로 이어집니다. 추가 부정요금은 음으로 청구됩니다. 충전으로 인해 금속 1의 모든 에너지 준위는 아래로 이동하고 금속 2의 에너지 준위는 위로 이동합니다. 레벨 변위 프로세스와 도체 1에서 도체 2로의 전자 전이 프로세스는 두 도체의 페르미 레벨이 정렬될 때까지 계속됩니다(그림 9b). 이 그림에서 볼 수 있듯이 평형 상태는 도체 0 1과 0 2의 0 레벨 사이의 전위차에 해당합니다.

.(11)

전위차 V K.R.P~라고 불리는 접촉 전위차. 결과적으로, 접촉 전위차는 접촉 도체로부터 전자의 일함수 차이에 의해 결정됩니다. 얻은 결과는 진공에서의 열이온 방출, 외부 회로 등을 포함하여 두 물질 간에 전자를 교환하는 모든 방법에 유효합니다. 금속이 반도체와 접촉할 때 유사한 결과가 얻어집니다. 금속과 반도체 사이에는 접촉 전위차가 발생하는데, 이는 두 금속 사이의 접촉의 경우와 거의 동일한 크기(약 1V)입니다. 유일한 차이점은 도체에서 전체 접촉 전위차가 금속 사이의 간격에 거의 떨어지면 금속이 반도체와 접촉하면 전체 접촉 전위차가 반도체에 떨어지며 충분히 큰 층이 있다는 것입니다. 전자가 형성되거나, 풍부하거나, 고갈됩니다. 이 층에 전자가 고갈되면(n형 반도체의 일함수가 금속의 일함수보다 작은 경우) 이러한 층은 차단 및 이러한 전환이라고 함곧게 펴는 성질을 갖게 됩니다. 금속과 반도체의 정류 접촉에서 발생하는 전위 장벽을 쇼트키 장벽, 그리고 그 기반으로 작동하는 다이오드 - 쇼트키 다이오드.

볼트암페어낮은 방출 전류 밀도에서 열이온 음극의 특성. 쇼트키 효과

다이오드의 열이온 음극과 양극 사이에 전위차가 발생하는 경우(그림 5) V, 양극으로의 전자 이동을 방지하면 양극과 음극 사이의 정전기 장 에너지 이상의 운동 에너지를 보유하고 음극에서 날아가는 것만 양극에 도달 할 수 있습니다. -이자형 V(V< 0). 이를 위해서는 열이온 음극에서의 에너지가 그 이상이어야 합니다. 승 0 –еV. 그런 다음 수식으로 바꾸면 리처드슨-데시먼 (10) 승 0~에 승 0 –еV, 우리는 열 방출 전류 밀도에 대해 다음 식을 얻습니다.

,(12)

여기 jS– 포화 전류 밀도. 이 식에 로그를 취해보자

.(13)

양극의 양전위에서 열이온 음극을 떠나는 모든 전자는 양극에 도달합니다. 따라서 회로의 전류는 포화 전류와 동일하게 유지되면서 변하지 않아야 합니다. 따라서, 볼트암페어열음극의 특성(전류-전압 특성)은 그림 1과 같은 형태를 갖습니다. 10(곡선 a).

유사한 전류-전압 특성은 방출 표면 근처에서 상당한 전자 공간 전하가 발생하지 않는 경우 양극에서 상대적으로 낮은 방출 전류 밀도와 높은 양전위에서만 관찰됩니다. 섹션에서 논의된 공간 전하를 고려한 열이온 음극의 전류-전압 특성. 6.

낮은 방출 전류 밀도에서 전류-전압 특성의 또 다른 중요한 특징을 살펴보겠습니다. 결론은 열전류가 다음에서 포화 상태에 도달한다는 것입니다. V=0은 양극재와 음극재가 동일한 열역학적 일함수를 갖는 경우에만 유효합니다. 음극과 양극의 일함수가 동일하지 않으면 양극과 음극 사이에 접촉 전위차가 나타납니다. 이 경우 외부 전기장이 없더라도 ( V=0) 접촉 전위차로 인해 양극과 음극 사이에 전기장이 존재합니다. 예를 들어, 여 0,000< 여 0a 그러면 양극은 음극에 비해 음전하를 띠게 됩니다. 접촉 전위차를 없애려면 양극에 양의 바이어스를 적용해야 합니다. 그렇기 때문에 볼트암페어열음극의 특성은 접촉 전위차의 양에 따라 양극 전위 쪽으로 이동합니다(그림 10, 곡선 b). 사이의 역관계로 여 0,000그리고 여 0a전류-전압 특성의 이동 방향은 반대입니다(그림 10의 곡선 c).

포화 전류 밀도의 독립성에 대한 결론 V>0은 매우 이상화되어 있습니다. 열이온 방출의 실제 전류-전압 특성에서는 열이온 방출 전류가 증가함에 따라 약간의 증가가 관찰됩니다. V포화 모드에서 쇼트키 효과(그림 11).

쇼트키 효과는 외부 가속 전기장의 영향으로 고체에서 전자의 일함수가 감소하는 것입니다.

쇼트키 효과를 설명하려면 결정 표면 근처의 전자에 작용하는 힘을 고려하십시오. 정전기 유도 법칙에 따라 반대 부호의 표면 전하가 결정 표면에 유도되어 전자와 결정 표면의 상호 작용을 결정합니다. 전기적 이미지 방법에 따르면 전자에 대한 실제 표면 전하의 작용은 가상의 작용으로 대체됩니다. 긍정적인 점요금 +e, 결정 표면에서 전자와 동일한 거리에 있지만 표면의 반대쪽에 위치합니다(그림 12). 그러면 쿨롱의 법칙에 따라 두 점전하 사이의 상호작용의 힘은

,(14)

여기 ε 영형– 전기 상수: 엑스전자와 결정 표면 사이의 거리이다.

진공 수준이 0인 상태에서 계산하면 전기 이미지 역장에서 전자의 위치 에너지는 다음과 같습니다.

.(15)

외부 가속 전기장에서 전자의 위치 에너지 이자형

전자의 총 위치 에너지

.(17)

결정 표면 근처에 위치한 전자의 총 에너지에 대한 그래픽 결정이 그림 1에 나와 있습니다. 이는 결정으로부터 전자의 일함수가 감소하는 것을 명확하게 보여주는 그림 13이다. 총 전자 포텐셜 에너지 곡선(그림 13의 실선)은 다음 지점에서 최대에 도달합니다. xm:

.(18)

이 지점은 외부 전계 강도에서 표면으로부터 10Å 떨어져 있습니다. » 3× 106V/cm.

그 시점에 엑스 중 총 위치 에너지는 전위 장벽의 감소(따라서 일함수 감소)와 같습니다.

.(19)

쇼트키 효과의 결과로 양극의 양 전압에서 열 다이오드 전류는 양극 전압이 증가함에 따라 증가합니다. 이 효과는 전자가 진공 속으로 방출될 때뿐만 아니라 금속-반도체 또는 금속-절연체 접촉을 통해 이동할 때도 나타납니다.

6. 진공에서의 전류는 공간 전하에 의해 제한됩니다. '3초'의 법칙

높은 열이온 방출 전류 밀도에서 전류-전압 특성은 음극과 양극 사이에서 발생하는 체적 음전하의 영향을 크게 받습니다. 이 음의 벌크 전하는 음극에서 탈출하는 전자가 양극에 도달하는 것을 방지합니다. 따라서 양극 전류는 음극으로부터의 전자 방출 전류보다 작은 것으로 나타납니다. 양극에 양전위가 가해지면 공간 전하에 의해 생성된 음극의 추가 전위 장벽이 감소하고 양극 전류가 증가합니다. 이는 열 다이오드의 전류-전압 특성에 대한 공간 전하의 영향을 정성적으로 나타낸 것입니다. 이 문제는 1913년 Langmuir에 의해 이론적으로 탐구되었습니다.

여러 가지 단순화된 가정에 따라 양극과 음극 사이에 적용된 외부 전위차에 대한 열 다이오드 전류의 의존성을 계산하고 다음을 고려하여 양극과 음극 사이의 전계, 전위 및 전자 농도 분포를 찾아보겠습니다. 공간 요금.

쌀. 14. "3초"의 법칙의 결론

다이오드 전극이 평평하다고 가정해보자. 양극과 음극 사이의 거리가 짧은 경우 디그것들은 무한히 큰 것으로 간주될 수 있습니다. 좌표의 원점을 음극 표면에 두고 축을 엑스이 표면에 수직으로 양극을 향하도록 합시다(그림 14). 음극 온도를 일정하고 동일하게 유지하겠습니다. 티. 정전기장 전위 제이 양극과 음극 사이의 공간에 존재하는 는 단 하나의 좌표의 함수가 됩니다. 엑스. 그는 만족해야 한다 포아송 방정식

,(20)

여기 아르 자형 – 체적 전하 밀도; N– 전자 농도; 제이 , 아르 자형 그리고 N좌표의 함수입니다 엑스.

음극과 양극 사이의 전류 밀도를 고려하면

그리고 전자 속도 V방정식에서 결정될 수 있습니다

어디 중– 전자 질량, 방정식 (20)은 다음 형식으로 변환될 수 있습니다.

, .(21)

이 방정식은 경계 조건으로 보완되어야 합니다.

이러한 경계 조건은 음극 표면의 전위 및 전계 강도가 사라져야 한다는 사실에서 비롯됩니다. 방정식 (21)의 양변에 다음을 곱합니다. 디제이 /dx, 우리는 얻는다

.(23)

고려해 보면

(24a)

그리고 ,(24b)

우리는 (23)을 다음과 같은 형식으로 씁니다.

.(25)

이제 우리는 방정식 (25)의 양쪽을 적분할 수 있습니다. 엑스 0부터 해당 값까지 엑스, 잠재력이 동일한 경우 제이 . 그런 다음 경계 조건 (22)을 고려하여 다음을 얻습니다.

다음과 같은 두 부분(27)을 통합합니다. 엑스=0, 제이 =0 ~ 엑스=1, 제이= V a, 우리는 얻는다

.(28)

등식(28)의 양변을 제곱하고 전류밀도를 표현함으로써 제이~에서 ㅏ(21)에 따르면, 우리는 다음을 얻는다.

.(30)

공식 (29)는 Langmuir의 "3초 법칙"이라고 불립니다.

이 법칙은 임의의 모양의 전극에 유효합니다. 수치 계수의 표현은 전극의 모양에 따라 달라집니다. 위에서 얻은 공식을 사용하면 음극과 양극 사이 공간의 전위, 전기장 강도 및 전자 밀도의 분포를 계산할 수 있습니다. 식(26)의 통합은 다음과 같습니다. 엑스=0 = 전위가 동일할 때의 값 제이 , 관계로 이어진다

저것들. 전위는 음극으로부터의 거리에 비례하여 변합니다. 엑스 4/3의 거듭제곱. 유도체 디제이/ dx전극 사이의 전계 강도를 나타냅니다. (26)에 따르면, 전기장 세기의 크기는 이자형 ~엑스 19 . 마지막으로 전자 농도

(32)

그리고 (31)에 따르면 N(엑스)~ (1/엑스) 2/9 .

종속성 제이 (엑스 ), 이자형(엑스) 그리고 N(엑스)는 그림에 표시되어 있습니다. 15. 만일 엑스→0이면 농도는 무한대가 되는 경향이 있습니다. 이는 음극에서 전자의 열 속도를 무시한 결과입니다. 실제 상황에서 열이온 방출 중에 전자는 속도가 0이 아닌 특정 유한 방출 속도로 음극을 떠납니다. 이 경우 음극 근처에 작은 역전계가 있어도 양극 전류가 존재합니다. 결과적으로, 체적 전하 밀도는 음극 근처의 전위가 음의 값으로 감소하는 값으로 변경될 수 있습니다(그림 16). 애노드 전압이 증가함에 따라 최소 전위는 감소하고 캐소드에 접근합니다(그림 16의 곡선 1과 2). 양극에서 충분히 높은 전압에서 최소 전위는 음극과 합쳐지고 음극의 전계 강도는 0이 되며 의존성은 제이 (엑스)는 초기 전자 속도를 고려하지 않고 계산된 접근법(29)입니다(그림 16의 곡선 3). 높은 양극 전압에서 공간 전하는 거의 완전히 용해되고 음극과 양극 사이의 전위는 선형 법칙에 따라 변합니다(곡선 4, 그림 16).

따라서 초기 전자 속도를 고려한 전극간 공간의 전위 분포는 "3초" 법칙을 도출할 때 이상적인 모델의 기초가 되는 분포와 크게 다릅니다. 이는 애노드 전류 밀도의 변화와 의존성을 초래합니다. 그림 1에 표시된 전위 분포의 경우 초기 전자 속도를 고려한 계산. 17, 원통형 전극의 경우 총 열이온 방출 전류에 대해 다음과 같은 의존성을 제공합니다. 나 (나=jS, 어디 에스– 열전류의 단면적):

.(33)

옵션 xm그리고 VM의존 유형에 따라 결정됩니다. 제이 (엑스), 그 의미는 그림에서 분명하다. 17. 매개변수 엑스 중 전위가 최소값에 도달하는 음극으로부터의 거리와 동일 = VM. 요인 씨(xm), 제외하고 xm, 음극과 양극의 반경에 따라 달라집니다. 식 (33)은 애노드 전압의 작은 변화에 유효합니다. 그리고 엑스 중 그리고 VM는 위에서 논의한 바와 같이 양극 전압에 따라 달라집니다.

따라서 "3초"의 법칙은 보편적이지 않으며 상대적으로 좁은 전압 및 전류 범위에서만 유효합니다. 그러나 이는 전자 장치의 전류와 전압 사이의 비선형 관계를 보여주는 명확한 예입니다. 전류-전압 특성의 비선형성은 고체 전자 장치의 요소를 포함하여 무선 및 전기 회로의 많은 요소의 가장 중요한 특징입니다.

2부. 실험실 작업

7. 열이온 방출 연구를 위한 실험 설정

실험실 작업 1번과 2번은 범용 실험실 스탠드를 기반으로 구현된 하나의 실험실 설치에서 수행됩니다. 설치 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 18. 측정 섹션에는 직접 또는 간접적으로 가열된 음극이 있는 EL 진공 다이오드가 포함되어 있습니다. 측정 섹션의 전면 패널에는 필라멘트 "백열등", 양극 "양극" 및 음극 "음극"의 접점이 표시됩니다. 필라멘트 소스는 B5-44A 유형의 안정화된 직류 소스입니다. 다이어그램의 I 아이콘은 소스가 현재 안정화 모드에서 작동함을 나타냅니다. 직류 전원을 사용하는 절차는 이 장치에 대한 기술 설명 및 작동 지침에서 확인할 수 있습니다. 실험실 작업에 사용되는 모든 전기 측정 장비에 대해서도 유사한 설명이 제공됩니다. 양극 회로에는 열 다이오드의 양극 전류를 측정하기 위해 직류 측정 모드에서 사용되는 안정화된 직류 소스 B5-45A와 범용 디지털 전압계 B7-21A가 포함되어 있습니다. 양극 전압과 음극 가열 전류를 측정하려면 전원에 내장된 장치를 사용하거나 추가 전압계 RV7-32를 연결하여 음극의 전압을 보다 정확하게 측정할 수 있습니다.

측정 섹션에는 작동 음극 필라멘트 전류가 다른 진공 다이오드가 포함될 수 있습니다. 정격 필라멘트 전류에서 다이오드는 공간 전하에 의해 양극 전류를 제한하는 모드에서 작동합니다. 이 모드는 실험실 작업 1번을 수행하는 데 필요합니다. 실험실 작업 No. 2는 공간 전하의 영향이 미미한 감소된 필라멘트 전류에서 수행됩니다. 필라멘트 전류를 설정할 때에는 특히 주의해야 합니다. 주어진 진공관에 대한 공칭 값보다 과도한 필라멘트 전류는 음극 필라멘트의 소손 및 다이오드 고장으로 이어집니다. 따라서 작업을 준비할 때에는 반드시 작업에 사용된 다이오드의 동작 필라멘트 전류값을 선생님이나 엔지니어에게 확인하시고, 해당 데이터를 워크북에 꼭 적어서 보고서 작성 시 활용하시기 바랍니다. 실험실 작업.

8. 실험실 작업 1번. 공간 전하가 미치는 영향 연구 볼트암페어열전류 특성

작업 목적: 애노드 전압에 대한 열이온 방출 전류의 의존성에 대한 실험적 연구, "3초" 법칙의 지수 결정.

볼트암페어열이온 방출 전류의 특성은 "3초"의 법칙으로 설명됩니다(섹션 6 참조). 이 다이오드 작동 모드는 충분히 높은 음극 필라멘트 전류에서 발생합니다. 일반적으로 정격 필라멘트 전류에서 진공 다이오드 전류는 공간 전하에 의해 제한됩니다.

이 실험실 작업을 수행하기 위한 실험 설정은 섹션에 설명되어 있습니다. 7. 작업 중 정격 필라멘트 전류에서 다이오드의 전류-전압 특성을 측정해야 합니다. 사용되는 진공관의 작동 전류 규모 값은 교사나 엔지니어로부터 받아 학습서에 기록해야 합니다.

작업 순서

1. 실험 설정 작동에 필요한 장비 작동에 대한 설명과 절차를 숙지하세요. 그림 18에 따라 회로를 조립하십시오. 엔지니어 또는 교사가 조립된 회로의 정확성을 확인한 후에만 설치를 네트워크에 연결할 수 있습니다.

2. 음극 필라멘트 전류 전원 공급 장치를 켜고 필요한 필라멘트 전류를 설정합니다. 필라멘트 전류가 변하면 필라멘트의 온도와 저항이 변하고, 이는 결국 필라멘트 전류의 변화로 이어지므로 연속 근사법을 사용하여 조정을 수행해야 합니다. 조정을 완료한 후 필라멘트 전류와 음극 온도가 안정될 때까지 약 5분 정도 기다려야 합니다.

3. 양극 회로에 정전압원을 연결하고 양극의 전압을 변화시키면서 전류-전압 특성을 하나씩 측정한다. 0.5~1V마다 0~25V 범위의 전류-전압 특성을 확인합니다.

나는(V a), 어디 나는– 양극 전류, V a– 양극 전압.

5. 양극 전압의 변화 범위가 작다고 가정하면 값은 다음과 같습니다. xm, 씨(x,n) 그리고 VM식 (33)에 포함된 는 상수로 간주될 수 있습니다.전체적으로 V a크기 VM무시할 수 있습니다. 결과적으로 식 (33)은 다음과 같은 형태로 변환됩니다. 제이그에게 완전한 의미 나)

6. 공식(34)에서 값을 결정합니다. 와 함께전류-전압 특성에 대한 양극 전압의 세 가지 최대 값에 대해. 얻은 값의 산술 평균을 계산합니다. 이 값을 공식 (33)에 대입하여 값을 결정합니다. VM양극의 세 가지 최소 전압 값에 대해 산술 평균값을 계산합니다. VM.

7. 얻은 값을 사용 VM, ln의 의존성을 플롯합니다. 나는 ln( V a+|VM|). 이 그래프 각도의 탄젠트로부터 의존도를 결정합니다. 나는(V a + VM). 1.5에 가까워야 합니다.

8. 작업에 대한 보고서를 준비합니다.

보고 요구사항

5. 작업에 대한 결론.

통제 질문

1. 열이온 방출 현상을 무엇이라고 합니까? 전자의 일함수를 정의합니다. 열역학적 일함수와 외부 일함수의 차이점은 무엇입니까?

2. 고체-진공 경계에서 전위 장벽이 나타나는 이유를 설명하십시오.

3. 금속의 에너지 다이어그램과 전자 에너지 분포 곡선을 바탕으로 금속에서 전자의 열 방출을 설명하십시오.

4. 열이온 전류는 어떤 조건에서 관찰됩니까? 열이온 전류를 어떻게 관찰할 수 있나요? 열 다이오드 전류는 적용된 전기장에 어떻게 의존합니까?

5. 법을 명시하라 리처드슨-데시먼

6. 열 다이오드의 전류-전압 특성에 대한 음의 부피 전하의 영향에 대한 정성적인 그림을 설명하십시오. Langmuir의 "3초" 법칙을 공식화합니다.

7. 공간 전하에 의해 제한된 전류에서 음극과 양극 사이 공간의 전위, 전기장 강도 및 전자 밀도의 분포는 무엇입니까?

8. 공간 전하와 초기 전자 속도를 고려할 때 양극과 음극 사이의 전압에 대한 열 방출 전류의 의존성은 무엇입니까? 이러한 의존성을 결정하는 매개변수의 의미를 설명하십시오.

9. 열이온 방출을 연구하기 위한 실험 장치의 설계를 설명하십시오. 회로의 개별 요소의 목적을 설명하십시오.

10. "3초"의 법칙에서 지수를 실험적으로 결정하는 방법을 설명하십시오.

9. 실험실 작업 2번. 낮은 방출 전류 밀도에서의 열이온 방출 연구

작업 목적: 낮은 음극 가열 전류에서 열 다이오드의 전류-전압 특성을 연구합니다. 음극과 양극 사이의 접촉 전위차, 음극 온도의 실험 결과를 결정합니다.

낮은 열전류 밀도에서 볼트암페어이 특성은 음극과 양극 사이의 접촉 전위차 계수에 해당하는 변곡점을 갖는 특징적인 외관을 갖습니다(그림 10). 음극 온도는 다음과 같이 결정될 수 있습니다. 열전류 밀도로부터 낮은 전류 밀도에서 열이온 방출의 전류-전압 특성을 설명하는 방정식(12)을 살펴보겠습니다. 제이그 가치를 최대한으로 나(제이=나/에스, 어디 에스– 열전류의 단면적). 그러면 우리는 얻는다

어디 이다– 포화 전류.

(35)의 로그를 취하면,

.(36)

식 (36)이 변곡점 왼쪽 영역의 전류-전압 특성을 설명하는 정도까지, 음극 온도를 결정하려면 양극 전류가 있는 이 영역의 두 지점을 취해야 합니다. 나는 1, 나는 2및 양극 전압 유 1, 유 2각기. 그러면 식 (36)에 따르면,

여기에서 우리는 음극 온도에 대한 작업 공식을 얻습니다.

.(37)

작업 순서

실험실 작업을 수행하려면 다음을 수행해야 합니다.

1. 실험 설정 작동에 필요한 장비 작동에 대한 설명과 절차를 숙지하세요. 그림에 따라 회로를 조립한다. 18. 엔지니어나 교사가 조립된 회로의 정확성을 확인한 후에만 설치를 네트워크에 연결할 수 있습니다.

2. 음극 필라멘트 전류 전원 공급 장치를 켜고 필요한 필라멘트 전류를 설정합니다. 전류를 설정한 후 필라멘트 전류와 음극 온도가 안정될 때까지 약 5분 정도 기다려야 합니다.

3. 양극 회로에 정전압원을 연결하고 양극의 전압을 변화시키면서 전류-전압 특성을 하나씩 측정한다. 볼트암페어 0.05~0.2V마다 0~5V 범위의 특성을 취합니다.

4. 측정 결과를 ln 좌표 그래프로 표현 나는(V a), 어디 나는– 양극 전류, V a– 양극 전압. 이 연구에서 접촉 전위차는 그래픽으로 결정되므로 결정의 정확성을 보장하기 위해 수평 축을 따른 눈금을 선택해야 합니다. V K.R.P 0.1V 이상이었습니다.

5. 전류-전압 특성의 변곡점을 이용하여 양극과 음극 사이의 접촉 전위차를 결정합니다.

6. 변곡점 왼쪽에 있는 전류-전압 특성의 경사진 선형 부분에서 세 쌍의 점에 대한 음극 온도를 결정합니다. 음극 온도는 공식(37)을 사용하여 계산해야 합니다. 이 데이터로부터 평균 온도를 계산하십시오.

7. 작업에 대한 보고서를 준비합니다.

보고 요구사항

보고서는 표준 A4 용지에 작성되며 다음 사항을 포함해야 합니다.

1. 이론에 대한 기본 정보.

2. 실험 설정 다이어그램과 간략한 설명.

3. 측정 및 계산 결과.

4. 얻은 실험 결과 분석.

5. 작업에 대한 결론.

통제 질문

1. 전자 방출의 유형을 나열하십시오. 각 유형의 전자 방출에서 전자 방출의 원인은 무엇입니까?

2. 열이온 방출 현상을 설명하라. 고체에서 전자의 일함수를 정의합니다. 고체-진공 경계에 전위 장벽이 존재한다는 것을 어떻게 설명할 수 있습니까?

3. 금속의 에너지 다이어그램과 전자 에너지 분포 곡선을 바탕으로 금속에서 전자의 열 방출을 설명하십시오.

4. 법을 명시하라 리처드슨-데시먼. 이 법칙에 포함된 양의 물리적 의미를 설명하십시오.

5. 낮은 방출 전류 밀도에서 열이온 음극의 전류-전압 특성의 특징은 무엇입니까? 음극과 양극 사이의 접촉 전위차는 어떤 영향을 줍니까?

6. 쇼트키 효과란 무엇입니까? 이 효과는 어떻게 설명됩니까?

7. 전기장의 영향으로 전자의 전위 장벽이 감소하는 것을 설명하십시오.

8. 이 실험실에서는 음극 온도를 어떻게 결정합니까?

9. 이 연구에서 접촉 전위차를 결정하는 방법을 설명하십시오.

10. 실험실 설정의 개별 요소에 대한 다이어그램과 목적을 설명하십시오.