Работа выхода и контактная разность потенциалов в металлах

Э

лектроны проводимости, движущиеся "свободно" по всему объему металла, не могут покинуть его. Металл является для электрона потенциальной ямой глубиной U₀. Для выхода электрона из металла требуется совершить работу выхода A_вых по преодолению сил, связи, удерживающих его в металле. Легче всего выйти электронам, имеющим наибольшую кинетическую энергию, то есть находящимся на уровне Ферми. За работу выхода этих электронов для данного металла принимается та энергия, которую им надо сообщить при Т = 0 К для выхода из металла как из потенциальной ямы: . А_вых составляет - единицы электрон-вольт.

Эта энергия может сообщаться электронам металла разными способами:

- световым облучением (фотоэлектронная эмиссия);

- бомбардировкой быстрыми электронами (вторичная электронная эмиссия);

- сильным внешним электрическим полем (холодная эмиссия) и др.

Р

ассмотрим два металла I и II с разными работами выхода и уровнями Ферми. Приведем характер энергетических зон этих металлов (незаряженных) до и после соприкосновения (приведения в контакт).

а) до контакта б) после контакта

При контакте двух металлов возникает переход электронов из металла с большим значением энергии Ферми, в результате чего первых металл зарядится положительно, а второй - отрицательно. При достижении состояния равновесия уровни Ферми выравниваются. При этом энергетические уровни в металле, зарядившемся положительно, опустятся, а в металле, зарядившемся отрицательно, энергетические уровни поднимутся. Между внутренними точками 1 и 2 контакта двух металлов возникает скачок потенциала , называемый внутренней контактной разностью потенциалов:

.

Между внешними точками 3 и 4 контактирующих металлов возникает внешняя контактная разность потенциалов , причина возникновения которой - в различии численных значений работ выхода контактирующих металлов:.

Суммарная разность потенциалов колеблется для разных металлов от 10^-2 В до 10 В.

В случае разомкнутой цепи, состоящей из нескольких контактирующих металлов, результирующая разность потенциалов зависит только от характеристик двух крайних металлов. Если же цепь замкнута и все спаи (контакты) находятся при одинаковой температуре, то суммарная контактная разность потенциалов равна нулю (закон Вольта). Это следует из приведенных выше соотношений для внутренней и внешней контактной разности потенциалов.

Термоэлектрические явления

Значение энергии Ферми, хотя и незначительно, зависит от температуры. При нагревании уровень Ферми опускается и тем сильнее, чем меньше E_F0. .

Поэтому и величина внутренней контактной разности потенциалов также будет зависеть от температуры. Если в замкнутой цепи из разнородных металлов температура на различных участках неодинакова, то в цепи возникает так называемая термоэлектродвижущая сила (этот эффект называется явлением Зеебека), величина которой зависит от разности температур спаев:

, где  - постоянная термопары.

Термоэдс используется в качестве источника для питания радиоэлектронной аппаратуры; в измерительной технике термопары используются для измерения температуры с высокой точностью.

Контактные явления в полупроводниках.

а) контакт металл – полупроводник.

Для определенности возьмем полупроводник с примесной проводимость n – типа. Изобразим энергетические диаграммы металла и полупроводника n – типа с работой выхода А < A_вых.м.

К

онтактный слой полупроводника объединиться электронами и зарядится положительно, а металл отрицательно – до равновесного выравнивания уровней Ферми. На контакте образуется двойной электрический слой толщиной d, поле которого (контактная разность потенциалов) препятствует дальнейшему переходу электронов. Вследствие малой концентрации электронов в полупроводнике (в сравнение с металлом) толщина контактного слоя в полупроводнике достигает 10^-6 см, что, примерно в 10⁴ раз больше, чем в металле.

Контактный слой полупроводника обеднен основными носителями тока – электронами в зоне проводимости и его электросопротивление значительно больше (; и l - велики). Такой контактный слой называется запирающим.

Действие контактного поля сводится к параллельному искривлению всех энергетических уровней полупроводника в области перехода. В контактном слое дно зоны проводимости поднимается вверх, удаляясь от уровня Ферми. Соответственно происходит и искривление верхнего края валентной зоны, а также донорного уровня.

Если взять случай A_вых.м.< A, то при контакте металла с полупроводником n – типа, электроны и металла переходят в полупроводник, и контактный слой полупроводника обладает повышенной проводимостью и не является запирающим.

Запирающий контактный слой обладает большой односторонней (вентильной) проводимостью. Если направление внешнего и контактного полей противоположны, то основные носители тока втягиваются в контактный слой из объема полупроводника; толщина его и электросопротивление уменьшаются. Это направление включения контакта называется пропускным.

б) контакт электронного и дырочного полупроводников (p – n переход).

Характер энергетических зон полупроводников p – типа и n – типа до и после контакта приведен на рис.

При контакте носители переходят из одного полупроводника в другой до тех пор, пока не выровняются уровни Ферми обоих полупроводников. При этом, как и ранее, происходит искривление энергетических зон в образцах, и в области контакта образуется потенциальный барьер высотой , препятствующий дальнейшему переходу основных носителей через границу раздела. Такой p – n переход обладает свойствами односторонней проводимости; его называют выпрямляющим. Его вольтамперная характеристика представлена на рис.

в

)p – n – p переход. Транзистор.

Схема использования p – n – p переходов в качестве активного элемента электронных схем, называется транзистором, приведена на рис. n – слой делается очень тонким и называется базой. На первый переход – эмиттер – база попадает небольшое (10^-2 В) постоянное напряжение в прямом (пропускном) направлении (полярности), а на второй переход – база – коллектор – постоянное напряжение в единицы вольт в обратном (запорном) направлении.

Под действием батареи из эмиттера в базу устремляется поток дырок, образующих ток эмиттера. Вследствие узости базы, ширина которой имеет порядок 10 мкм, большинство дырок, пришедших из эмиттера в базу, не успевают в ней рекомбинировать. Увлекаясь полем коллектора, они доходят до него, образуя токсилой близкой к току эмиттера. Такая схема включения транзистора обеспечивает усиление по напряжению и по мощности (схема с общей базой).

При изменении напряжения на эмиттерном переходе на , ток через переход изменятся на величину;. Коэффициент K усиления по напряжению:.