5. Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение внешней и внутренней контактным разностям потенциалов.

2. Каков механизм образования контактной разности потенциала в p-n-переходе?

3. Что понимается под барьерной ёмкостью p-n-перехода? Какова её природа?

4. Объясните метод измерения контактной разности потенциалов, предложенный в данной работе.

5. Назовите причины, вызывающие ошибки при измерении контактной разности потенциалов.

6. Литература

1. Савельев И.В. Курс физики М.:Наука, 1998-99 г. В 5 томах

2. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела: электронное учебное пособие, Тюмень, ТюмГНГУ, 2009

Лабораторная работа № 7-5 изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электронов из металла

Цель работы. Исследование явления термоэлектронной эмиссии в зависимости от температуры катода и определения работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона.

Содержание работы.

1. Экспериментально получить зависимость анодного тока от напряжения между анодом и катодом при различных температурах катода для вакуумного диода.

2. Определить токи насыщения при различных температурах катода из полученных кривых зависимости анодного тока от анодного напряжения.

3. Вычислить работу выхода электронов из вольфрама.

1. Постановка экспериментальной задачи

1.1. Металл как потенциальная яма

Электроны проводимости в металле совершают хаотическое тепловое движение, но вылететь за поверхность металла могут лишь наиболее быстрые электроны, обладающие достаточной кинетической энергией. Это объясняется тем, что металл для электронов представляет “потенциальную яму”, которую они не могут свободно покинуть. Для выхода из нее электронам требуется преодолеть некоторый потенциальный “барьер”. Наличие этого “барьера” объясняется следующим образом. Положительные ионы, образующие решетку металла, создают внутри металла электрическое поле с положительным потенциалом, периодически меняющимся при перемещении вдоль прямой, проходящие через узлы решетки (рис.1). В грубом приближении этим изменением можно пренебречь и считать потенциал во всех точках металла одинаковым и равным V₀ (рис.2а). Свободный электрон, находящийся в таком поле, обладает отрицательной потенциальной энергией E_p = - q V_0, где q - заряд электрона.

На рис.2б показано изменение потенциальной энергии электрона при работе из вакуума в металл: в вакууме E_p = 0, в металле E_p = -q V₀. Это изменение хотя и носит характер скачка, но происходит не мгновенно, а на протяжении отрезка Х. Из рис.2 видно, что металл является для электрона потенциальной “ямой”.

Выход электрона из металла, как из потенциальной “ямы”, требует затраты работы по преодолению сил, удерживающих его в металле. Эту работу называют работой выхода электронов. Так как изменение потенциальной энергии электронов при выходе из металла происходит лишь на отрезке Х непосредственно у поверхности металла, то и действие сил препятствующих выходу, сосредоточенно только на этом отрезке. Внутри металла и вне этого отрезка потенциальная энергия электрона постоянна, и эти силы равны нулю. (Т.к. и если E_p = const, то dE_p = 0 и E = 0)

Рис.1 Изменение потенциала в металле вдоль линейной цепочки положительных ионов	Рис.2. Металл как потенциальная яма для электрона (V – потенциал; EP –потенциальная энергия)