Зростання електронного струму насичення з твердого тіла під дією зовнішнього електричного поля внаслідок зменшення роботи виходу електрона з твердого тіла
Ефект полягає в зростанні електричного струму насичення з твердого тіла (катода) під дією зовнішнього прискорюючого електричного поля внаслідок зменшення роботи виходу електрона з твердого тіла.
Шотткі ефект проявляється в зростанні струму термоелектронної емісії в режимі насичення, в зменшенні енергії поверхневої іонізації і в зсуві порога фотоелектронній емісії в сторону більших довжин хвиль.
Шотткі ефект виникає в електричних полях Е. чималих для розсмоктування просторового заряду у поверхні емітера (Е
10 - 100 В · см -1), і істотний для полів Е
10 6 У · см -1. після чого починає переважати просочування електронів крізь потенційний бар'єр, що утворюється на кордоні тіла (автоелектронна емісія). Для пояснення Шотткі ефекту достатньо розглянути сили, що діють на електрон поблизу поверхні металу, починаючи з відстаней х> а (а - міжатомних відстань), коли можна відволіктися від атомної структури поверхні.
Через більшу електропровідності металу його поверхню еквіпотенційної, силові лінії електричного поля перпендикулярні їй. Тому електрон із зарядом - е. Знаходиться на відстані х від поверхні, взаємодіє з нею так, як якщо б він індукував в металі на глибині - х своє "електричне зображення", тобто заряд + е.
Сила їх тяжіння:
F = e 2/16 p · e 0 · x 2,
де e 0 - електрична постійна.
Енергія електрона в поле цієї сили:
Ф н = - e 2/16 p · e 0 · x. (1)
Зовнішнє електричне поле Е зменшує цю енергію на величину ЕЕх. Хід потенційної енергії електрона поблизу поверхні набуває вигляду:
Ф = (- e 2/16 p · e 0 · x - ЕЕх), (2)
і потенційний поріг на кордоні металу перетворюється в потенційний бар'єр з вершиною при
x = x м = (e / 16 p · e 0 · E) 1/2.
При Е Ј 5 · 10 6 У · см -1 x м и 8А (а
Хід потенційної енергії електрона поблизу кордону метал-вакуум при відсутності зовнішнього поля
D Ф - зменшення потенційного бар'єру під дією поля;
х - відстань до поверхні металу;
e F - енергія Фермі металу (штрихуванням показані заповнені електронні стану в металі);
Ф 0 - робота виходу металу при відсутності зовнішнього поля;
х м - відстань від вершини потенційного бар'єру до поверхні металу при наявності зовнішнього поля.
Зменшення роботи виходу за рахунок дії електричного поля одно:
D Ф = e (e · E / 4 p · e 0) 1/2.
В результаті Шотткі ефекту термоелектронний ток j в режимі насичення зростає за законом:
j = j 0 · exp (e 3 · E / 4 p · e 0 · k 2 · T 2) 1/2,
а частотний поріг фотоемісії w 0 зсувається на величину D (w 0) = D Ф.
У разі, коли емітуються поверхня неоднорідна і на ній є "плями" з різною роботою виходячи, над її поверхнею виникає електричне поле плям. Це поле гальмує електрони, що вилітають з ділянок катода з меншою, ніж у сусідніх, роботою виходу. Зовнішнє електричне поле складається з полем плям і, зростаючи, усуває гальмівну дію останнього. Внаслідок цього емісійний струм з неоднорідного емітера зростає при збільшенні Е швидше, ніж у випадку однорідного емітера (аномальний Шотткі ефект).
Вплив електричного поля на емісію електронів з напівпровідників більш складно. Електричне поле проникає в них на велику глибину (від сотень до десятків тисяч атомних шарів). Тому заряд, індукований емітованими електроном, розташований не на поверхні, а в шарі товщиною порядку дебаєвсьного радіусу екранування r е.
Для х> r е застосовна формула (1), але лише для полів у багато разів менших, ніж у металів (Е Ј 10 2 - 10 4 В · см -1). Крім того, поле, проникаючи в напівпровідник, викликає в ньому перерозподіл зарядів, що призводить до додаткового зменшення роботи виходу. Зазвичай, проте, на поверхні напівпровідника є електронні поверхневі стану. При достатній їх щільності (
10 13 см -2) знаходяться в них електрони екранують зовнішнє поле.
В цьому випадку, якщо заповнення і спустошення поверхневих станів під дією поля вилітає електрона відбувається досить швидко, то Шотткі ефект такий же, як і в металах. Шотткі ефект розглядається і при протіканні струму через контакт метал-напівпровідник. Ефект реалізується у вигляді так званого Шотткі бар'єру, потенційного бар'єру, що утворюється в Пріконтактние шарі напівпровідника, що межує з металом.
Шотткі ефект використовується для дослідження електронних властивостей поверхонь твердих тіл.