Работа выхода и контактная разность потенциалов в металлах
Э
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
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 EF0. .
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 < Aвых.м.
К
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 Aвых.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
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:.