Вихід електронів із металу

В нормальних умовах (при температурі 0 К) електрони в провідниках мають енергію, близьку до W_F, і недостатню для їх виходу з металу в навколишній простір. При кімнатній температурі (для 300К) появляються електрони, які мають енергію більшу за W_F, але лише їх невелика кількість може вийти з металу. Виходу електронів перешкоджають поверхневі сили, що створюють потенціальний бар’єр.

Одна із складових потенціального бар’єру виникає внаслідок створення подвійного електронного шару біля поверхні металу. Це пояснюється наступним чином. Та невелика кількість електронів, які виходять за межі металу, втрачають більшу частину енергії і накопичуються на поверхні металу. Між цими електронами і позитивними іонами, що знаходяться всередині металу біля його поверхні, створюється електричне поле, яке направлене від провідника до шару електронів (рис. 7). Для подвійного електронного шару на електрони, що хочуть покинути границі металу, діє сила, яка являється гальмівною, так як цим електронам приходиться летіти вздовж електричних силових ліній і віддавати свою енергію полю.

Рис. 7 Подвійний електронний шар на поверхні металу

Друга складова потенціального бар’єру зумовлена дією сили дзеркального відображення, що виникає при виході електронів із металу. Пояснюється це тим, що метал, який залишила частина електронів, заряджається позитивно і, значить між ним і електронами, що вилетіли виникає електричне поле. Це поле буде для них гальмівним, при цьому на електрони буде діяти сила притягання F зі сторони іонів металу.

Таким чином, для відриву електрона від поверхні металу, йому слід надати до власної енергії W_F (енергії Фермі, яку він має при 0 К) деяку додаткову енергію W₀. Тоді повна енергія електрона при виході із металу складатиме:

W_a = W_F + W₀ (8)

Мінімальна додаткові енергія W₀, яка витрачається електронами при виході із металу, називається роботою виходу. Її прийнято визначати як добуток заряду електрона е на пройдену різницю потенціалів j₀ у вольтах і виражати в електрон – вольтах (або просто в вольтах)

е j₀= W₀= W_a - W_F , (9)

де j₀= W₀ / е – являється потенціалом виходу.

На рис.8 приведена діаграма зміни енергії, необхідної для переміщення електрона вздовж осі Х, нормальної до поверхні металу.

Рис.8. Енергетична діаграма Рис.9. Енергетична діаграма виходу

для границі метал - вакуум електронів із напівпровідника

В кристалічній структурі металів електрони переміщуються вільно, а тому енергія на їх переміщення рівна нулеві (ділянка до точки а). Поблизу поверхні металу починається вплив неоднорідності і для проходження електрону необхідно йому надати додаткову енергію (ділянка ав). Ділянка всd характеризує витрати енергії на подолання поверхневих сил. На віддалі ³ 3d (де d –мінімальна віддаль) вплив кристалічної гратки металу відсутній, а тому немає витрат енергії і електрон знову переміщується вільно.

Значення роботи виходу електронів для деяких металів, що використовуються в електронних приладах, наведено в табл. 1.

Табл. 1

Вихід електронів можливий також із напівпровідників і діелектриків. При цьому робота витрачається не тільки на подолання гальмівних електричних сил, але і на збудження електронів, що переходять із валентної зони в зону провідності. Енергетична діаграма виходу електронів із напівпровідників приведена на рис. 10.

Повна робота виходу електронів напівпровідників

еj = еj_і + еj₀ , (10)

де еj_і – робота, що витрачається на перевід електронів із валентної зони в зону провідності;

еj₀– робота виходу, необхідна для виходу електронів провідності за межі напівпровідника.

Поиск по сайту: