Контактные явления. Контактная разность потенциалов.
Контактные явления — это физические процессы, возникающие на границе соприкосновения двух различных твёрдых тел (металлов, полупроводников, или их сочетаний) и приводящие к формированию двойного электрического слоя и контактной разности потенциалов.
1. Механизм Возникновения
Контактные явления объясняются различием в работе выхода электронов у контактирующих материалов.
Работа выхода (
)
— это минимальная энергия, необходимая
электрону для преодоления потенциального
барьера и выхода из объёма материала.
Неравенство работ выхода: Пусть два проводника и имеют разную работу выхода:
.Разные уровни Ферми: До контакта уровень Ферми (
— энергетический уровень, который
электроны занимают при
и который в равновесии одинаков для
всех частей системы) у материала
находится выше, чем у материала
.Переход электронов (Диффузия): При контакте электроны из материала (где они связаны слабее,
меньше) начинают диффундировать в
материал
(где они связаны сильнее,
больше) до тех пор, пока их уровни Ферми
не сравняются (
).Двойной электрический слой:
Материал , потеряв электроны, приобретает положительный заряд.
Материал , получив избыток электронов, приобретает отрицательный заряд. Этот пространственно разделённый заряд, сосредоточенный у границы раздела, называется двойным электрическим слоем.
Равновесие: Двойной слой создаёт контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переносу заряда. В равновесном состоянии, установившемся после перехода, движение электронов в обе стороны уравновешивается.
2. Контактная Разность
Потенциалов (
)
Контактная разность
потенциалов (
)
— это разность электрических потенциалов,
возникающая между объёмами двух
контактирующих материалов в состоянии
термодинамического равновесия.
Она численно равна отношению разности работ выхода к заряду электрона:
,
если
.является внутренней разностью потенциалов.
3. Замкнутая Цепь (Закон Вольта)
Если создать замкнутую цепь, состоящую из нескольких различных проводников, контакты которых находятся при одинаковой температуре ( ), то суммарная контактная разность потенциалов во всей цепи будет равна нулю.
Пусть цепь состоит из
проводников 1, 2, 3... и контакты 1-2, 2-3, 3-1:
Вывод: Измерить контактную разность потенциалов (и следовательно, разницу работ выхода) с помощью вольтметра в цепи, где все контакты имеют одинаковую температуру, невозможно, так как вольтметр сам является третьим проводником, и общая ЭДС цепи всегда будет равна нулю. Это объясняет, почему для возникновения измеримой ЭДС необходима разница температур (эффект Зеебека).
Контакт металл-полупроводник. Запирающий слой. Вентильная проводимость.
Контакт между металлом и полупроводником (M-П контакт) обладает уникальными электрическими свойствами, которые зависят от направления приложенного напряжения, что называется вентильной проводимостью. Эти свойства обусловлены формированием запирающего слоя на границе раздела.
1. Образование Контакта и Запирающий Слой
Подобно контакту двух металлов, формирование M-П контакта определяется разностью работ выхода ( ) между металлом и полупроводником (П).
Пусть рассмотрим случай
контакта металла с полупроводником
-типа,
где
.