Введение

Термически индуцированный поток носителей заряда с поверхности

Термионная эмиссия (также известная как тепловая электронная эмиссия или эффект Эдисона) – это освобождение электронов от электрода за счет его температуры (выделение электронов, обусловленное нагревом). Это происходит потому, что тепловая энергия, получаемая носителем заряда, преодолевает работу выхода материала. Носителями заряда могут быть электроны или ионы, а в старой литературе их иногда называют термионами. После эмиссии заряд, равный по величине и противоположный по знаку суммарному излученному заряду, первоначально остается в излучающей области. Однако, если излучатель подключен к батарее, оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, поступающим от батареи, по мере удаления излучаемых носителей заряда от излучателя, и в конечном итоге излучатель возвращается в состояние, предшествующее эмиссии. Классическим примером термионной эмиссии является эмиссия электронов из горячего катода в вакуум в вакуумной лампе. Горячий катод может представлять собой металлическую нить, нить с металлическим покрытием или отдельную структуру из металла, карбидов или боридов переходных металлов. Этот процесс имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для генерации электроэнергии (например, термионических преобразователей и электродинамических тросов) или охлаждения. Интенсивность потока заряда резко возрастает с увеличением температуры. Термин «термионная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого процесса эмиссии заряда, возбужденного тепловой энергией, даже когда заряд излучается из одной области твердого тела в другую.

История

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 году, слово "электрон" не использовалось при обсуждении экспериментов, которые имели место до этой даты. О явлении впервые сообщил в 1853 году Эдмонд Беккерель. Оно было вновь открыто в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании. Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскалённая докрасна железная сфера с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом рассеивая его в воздухе). Он также обнаружил, что этого не происходит, если сфера имеет положительный заряд. Другими ранними участниками были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), Эуген Гольдштейн (1885) и Юлиус Элстер с Гансом Фридрихом Гайтелем (1882–1889). Эффект был вновь открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, когда он пытался выяснить причину обрыва нитей ламп и неравномерного почернения (наиболее заметного вблизи положительного вывода нити) колб его ламп накаливания. Эдисон построил несколько экспериментальных лампочек с дополнительным проводом, металлической пластиной или фольгой внутри колбы, отделёнными от нити и, следовательно, способными служить электродом. Он подключил гальванометр – прибор для измерения электрического тока (потока заряда) – к выходу дополнительного металлического электрода. Если фольгу помещали на отрицательный электрический потенциал относительно нити, между нитью и фольгой не наблюдалось измеримого тока. При повышении потенциала фольги до положительного относительно нити, при достаточном нагреве нити (от собственного внешнего источника питания) между нитью и фольгой через вакуум мог протекать значительный ток. Теперь мы знаем, что нить излучала электроны, которые притягивались к положительно заряженной фольге, но не к отрицательно заряженной. Этот односторонний ток был назван эффектом Эдисона (хотя этот термин иногда используется для обозначения самого термоэлектронного излучения). Он обнаружил, что ток, испускаемый горячей нитью, быстро возрастает с увеличением напряжения, и 15 ноября 1883 года подал заявку на патент на устройство регулирования напряжения, использующее этот эффект (патент США № 307 031 – первый американский патент на электронное устройство). Он обнаружил, что через устройство проходит достаточный ток для работы телеграфного звонка. Это было продемонстрировано на Международной электрической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Британский учёный Уильям Прис забрал с собой несколько ламп Эдисона. Он представил доклад о них в 1885 году, в котором назвал термоэлектронное излучение "эффектом Эдисона". Британский физик Джон Амброз Флеминг, работавший в британской компании "Wireless Telegraphy", обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для детектирования радиоволн. Флеминг разработал двухэлектродную вакуумную трубку, известную как диод, которую он запатентовал 16 ноября 1904 года. Термоэлектронный диод также может быть сконфигурирован как устройство, преобразующее разницу температур непосредственно в электрическую энергию без движущихся частей (термоэлектрический преобразователь – тип теплового двигателя).

Закон Ричардсона

После того, как в 1897 году Дж. Дж. Томсон идентифицировал электрон, британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термионной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 году «за его работу над термионическим явлением и особенно за открытие закона, названного его именем». Согласно теории зон, в твердом теле имеется один или два электрона на атом, которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Это иногда называют «электронным газом». Их скорости подчиняются статистическому распределению, а не являются равномерными, и иногда у электрона оказывается достаточно энергии, чтобы покинуть металл, не будучи притянутым обратно. Минимальное количество энергии, необходимое для того, чтобы электрон покинул поверхность, называется работой выхода. Работа выхода является характеристикой материала и для большинства металлов составляет порядка нескольких электронвольт. Термионические токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Эта часто желаемая цель может быть достигнута путем нанесения различных оксидных покрытий на нить накала. В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: ток от нагретой нити, казалось, экспоненциально зависел от её температуры, имея математическую форму, аналогичную уравнению Аррениуса. Позже он предложил, чтобы закон эмиссии имел математическую форму

где m и e – масса и заряд электрона соответственно, а h – постоянная Планка. Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто соглашение о том, что из-за волновой природы электронов некоторая доля rav выходящих электронов будет отражаться при достижении поверхности излучателя, что приведет к уменьшению плотности тока эмиссии, и λR будет иметь значение (1 – rav). Таким образом, уравнение термионной эмиссии иногда записывается в виде:

Однако современное теоретическое рассмотрение, выполненное Модиносом, предполагает, что необходимо также учитывать зонную структуру излучающего материала. Это введет второй корректирующий фактор λB в λR, в результате чего Экспериментальные значения для «обобщенного» коэффициента AG обычно имеют порядок величины A0, но существенно различаются для разных излучающих материалов и могут различаться для разных кристаллографических граней одного и того же материала. По крайней мере качественно, эти экспериментальные различия можно объяснить различиями в значении λR. В литературе по этой области существует значительная путаница, поскольку: (1) многие источники не различают AG и A0, а просто используют символ A (а иногда и название «постоянная Ричардсона») без разбора; (2) уравнения с и без корректирующего фактора, обозначенного здесь как λR, имеют одно и то же название; и (3) существует множество названий для этих уравнений, включая «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона–Душмана» и «уравнение Ричардсона–Лауэ–Душмана». В литературе элементарное уравнение иногда приводится в тех случаях, когда более уместно обобщенное уравнение, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа, похожего на «A», всегда должно быть явно определено с точки зрения более фундаментальных величин. Из-за экспоненциальной функции ток быстро возрастает с температурой, когда kT меньше W. (Для практически всех материалов плавление происходит задолго до kT = W.)

Закон термионной эмиссии был недавно пересмотрен для 2D-материалов в различных моделях.

Выброс Шоттки

В устройствах электронного излучения, особенно в электронных пушках, термоионный электронный излучатель смещается отрицательно относительно окружающей среды. Это создает электрическое поле величиной E на поверхности излучателя. Без поля поверхностный барьер, видимый вылетающим электроном уровня Ферми, имеет высоту W, равную локальной работе выхода. Электрическое поле снижает поверхностный барьер на величину ΔW и увеличивает эмиссионный ток. Это известно как эффект Шоттки (названный в честь Уолтера Х. Шоттки) или полеусиленная термоионная эмиссия. Его можно смоделировать простой модификацией уравнения Ричардсона, заменив W на (W − ΔW). Это дает уравнение, где ε0 – электрическая постоянная (также ранее называемая диэлектрической проницаемостью вакуума). Электронная эмиссия, происходящая в поле и температурном режиме, где применимо это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки. Это уравнение относительно точно для напряженности электрического поля ниже примерно 10⁸ В/м. При напряженности электрического поля выше 10⁸ В/м так называемое туннелирование Фоулера-Нордхайма (FN) начинает вносить существенный вклад в эмиссионный ток. В этом режиме комбинированное воздействие полеусиленной термоионной эмиссии и полевой эмиссии может быть смоделировано уравнением Мерфи-Гуда для термопольной (TF) эмиссии. При еще более высоких полях туннелирование FN становится доминирующим механизмом эмиссии электронов, и излучатель работает в так называемом режиме эмиссии электронов холодного поля (CFE). Термоионная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет. Например, возбужденные пары Cs в термоионных преобразователях образуют кластеры вещества Cs Rydberg, что приводит к снижению работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Благодаря долгоживущей природе вещества Ридберга эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно повышает эффективность низкотемпературного преобразователя.

Фотоно-усиленная термионная эмиссия

Фотонный термоэлектронный излучение (PETE) — это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета, который использует как свет, так и тепло солнца для генерации электроэнергии и более чем в два раза повышает эффективность производства солнечной энергии по сравнению с существующими показателями. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает пиковой эффективности при температуре выше 200 °C, в то время как большинство кремниевых солнечных элементов становятся неактивными при достижении 100 °C. Наилучшая работа таких устройств достигается в параболических концентраторах, которые могут нагреваться до 800 °C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в демонстрационном образце, они утверждают, что использование арсенида галлия может увеличить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти втрое превышает эффективность существующих систем и на 12–17 процентов выше, чем у существующих многопереходных солнечных элементов с эффективностью 43 процента.