Термоэлектронная эмиссия

Как известно, чтобы перевести электрон из твердого тела в вакуум, необходимо затратить некоторую энергию. На рис приведена энергетическая диаграмма металла, на которой уровень с нулевой энергией – уровень вакуума Е_ВАК. Он является отсчетным, поскольку электрон на этом уровне не взаимодействует с металлом.

Распределение электронов в металле определяется энергией Ферми Е_FM.. Для чтобы перевести электрон из твердого тела в вакуум необходима энергия Е_ВАК – Е_FM., Эту энергию называют термоэлектронной работой выхода металла и обозначают Ф_М. . Ясно, что покинуть металл могут лишь те электроны, которые имеют энергию ³Ф_М. Очевидно, чем выше температура металла, тем больше электронов смогут получить энергию, достаточную для перехода в вакуум.

Явление выхода из твердого тела электронов в силу их теплового возбуждения называют термоэлектронной эмиссией.

Плотности тока термоэлектронной эмиссии определяется выражением:

j_ТЭ = T² = АТ² , (6.14)

где А– постоянная Ричардсона, одинаковая для всех металлов. Величину Ф_М можно определить экспериментально, измерив ток термоэлектронной эмиссии при разных температурах.

В полупроводнике выход электрона в вакуум характеризуется энергией электронного сродства c_П – энергией, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перешел со дна зоны проводимости в вакуум.. Для любого полупроводника величина c_П в отличие от работы выхода Ф_П =Е_ВАК – Е_FП не зависит от степени легирования примесью.

Ток термоэлектронной эмиссии у полупроводника определяется тем же соотношением (6.14), что и для металла с учетом замены Ф_М на Ф_П. Поскольку в полупроводнике положение уровня Ферми Е_FП зависит от температуры, природы и концентрации примеси, то и термоэлектронная работа выхода также будет определяться этими параметрами. Как у металлов, так и у полупроводников Ф составляет несколько электрон-вольт.