Bài thuyết trình Điện tử học phát xạ: Phát xạ nhiệt điện tử

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

110
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài thuyết trình Điện tử học phát xạ: Phát xạ nhiệt điện tử bao gồm những nội dung về cơ chế phát xạ nhiệt điện tử của kim loại; PT phát xạ nhiệt điện tử của kim loại; sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử; ảnh hưởng của điện trường lên phát xạ nhiệt điện tử của kim loại và một số nội dung khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài thuyết trình Điện tử học phát xạ: Phát xạ nhiệt điện tử

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG MÔN : ĐIỆN TỬ HỌC PHÁT XẠ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ HVTH : Phạm Văn Thịnh
I. GIỚI THIỆU: • Phát xạ nhiệt điện tử là gì? Là sự phát xạ của điện tử từ kim loại hay vật thể đƣợc đốt nóng. • Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi Frederick Guthrie. Khi ông đang nghiên cứu các vật thể mang điện tích , ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện tích. Ông cũng tìm thấy hiện tượng tương tự đối với các quả cầu mang điện tích âm. • Hiện tƣợng phát xạ nhiệt điện tử đƣợc dùng làm cathode (Thƣờng là W tinh khiết) phát điện tử trong một số dụng cụ điện tử.Loại cathode hiệu dụng hơn là cathode màng mỏng, bán dẫn, cathode oxide 2
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • 1. CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 2. PT PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ • 4. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 5. CATHODE MÀNG MỎNG - PHƢƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT
1. CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Kim loại không bị đốt nóng  kim loại không phát xạ điện tử  có lực cản tác động lên điện tử khi bay ra khỏi kim loại. • Lực ảnh điện: 2 e F2 2 (1) 4x − x x + x >> hằng số mạng C Hình : Sự thành lập lực ảnh điện ở bề mặt kim loại 4
F Fc Khi điện tử bay ra khỏi lớp e2 biên kim loại, nó bị kéo lại bởi 1 lực ảnh điện này (xảy ra cả ở 4a 2 0oK)  Trên biên kim loại thành lập 2 lớp điện: 2 - Lớp biên của mạng. - Lớp điện tử. e2 • Schottky: – 1 tụ điện phẳng có 4x 2 khoảng cách a – Cƣờng độ trƣờng từ 0 0 c a x đến a không đổi Hình : Sơ đồ biến đổi lực tác động lên điện • Langmuir: tử ở bề mặt kim loại. – Dựa vào lý thuyết kim 1 – Theo Schottky loại cổ điển: bên trong kim loại lực F=0 … 2 – Theo Langmuir 5
• Schottky: e2 – Lực trong khoảng 2 lớp điện: F1 2 (2) 4a – Công thoát toàn phần của điện tử: e2 e2 e2 e2 e2 W0 Fdx 2 dx 2 dx (3) 0 0 4a a 4x 4a 2 4a 2 2a • Langmuir: – Lực t/d lên điện tử ở giữa 2 lớp điện: F1 = Fc – k(x – c)2 (4) Thỏa: x = 0 thì F1=0 2 x = a thì F1 e 4a 2 – Công điện tử cần thiết để vƣợt qua 2 lớp điện cũng là: e2  Công thoát toàn phần của điện tử: 4a 2 a 2 e2 e2 W0 Fdx Fc kx c dx 2 dx (5) 0 0 a 4x 2a 6
• Mặc dù W0 của 2 giả thiết trên bằng nhau nhƣng dạng hàng rào thế năng khác nhau. • W0 đƣợc tính bằng phƣơng pháp nhiễu xạ trên mạng tinh thể. • Ở 0oK, ε
2. PHƢƠNG TRÌNH PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Số điện tử đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s là: d (vx,vy,vz) = vxdn(vx,vy,vz) (6) 2 mặt kim loại. với vx: thành phần vận tốc có hƣớng vuông góc với bề mv x • Điều kiện điện tử thoát ra khỏi kim loại: W0 (7) 2 • Từ phân bố thống kê Fermi Dirac của điện tử theo năng lƣợng, ta suy ra phân bố của điện tử theo vận tốc: 2m3 dv x dv y dv z dn v x , v y , v z 3 W ε (8) h e kT 1 • từ (6)  2m3 dv x dv y dv z dν v x , v y , v z 3 vx W ε (9) h e kT 1 8
• Theo CHLT phải có hệ số truyền qua D: – D=f(W) khó tính tích phân –D dễ tính tích phân hơn, ta đƣợc số điện tử thoát ra khỏi kim loại: 2m3 dv dv dv x y z νe D 3 vx W ε (10) h v1 - kT • Mật độ dòng phát xạ: e 1 2m3 dv x dv y dv z j eν e De 3 vx W ε (11) h v1 - kT e 1 Wx ε 4 me kT •  j D 3 kT ln 1 e dWx (12) h W0 • Hay j De dN(Wx ) (13) W0 • dN(Wx): số điện tử có năng lƣợng trong khoảng (Wx, Wx+dWx) từ trong kim loại đi đến 1 đơn vị diện tích bề mặt của nó trong 1s. 9
W0 ε Wx ε W0 ε • Theo các tính toán: 20 và Wx ≥ W0 nên: kT kT kT e e 1 Wx ε Wx ε • Tính gần đúng: ln 1 e kT e kT ... (14) 2 Wx •  4 mek 2 0 j D 3 T e kT A0 D T 2e kT (15) h Đây là PT PXNĐT đối với kim loại của Richardson – A 4π m e k 2 (A.m-2độ-2) là hằng số 0 h3 – A A0 D Khác nhau đối với các kim loại khác nhau. 10
• Nhƣng công thức trên có sự sai lệch so với thực tế vì Φ0 phụ thuộc vào nhiệt độ T: – Mức năng lƣợng ε biến đổi theo nhiệt độ. – Do biến đổi hằng số mạng tinh thể nên W0 biến đổi. • Khai triển chuỗi Taylor cho hàm số Φ0(T): d 0 0( T ) 0 (Τ 0 ) (Τ Τ 0 ) (16) dΤ Τ 0 • Thế vào (15) ta đƣợc: α 0 (T0 ) αT0 2 k kT j A 0 DT e .e (17) α • Đặt: A1 A 0 De k ψ = Φ0(T0) – αT0 ψ •  j A1T 2e kT (18) 11
3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ: W ε • Vì W ≥ W0 nên e kT 1 • Từ những kết quả của phần trƣớc ta đƣa ra đƣợc số điện tử đi đến trên 1 đơn vị bề mặt kim loại trong 1s là: m v 2x v 2y v 2z 2kT dυ v x dn Cv x e dv x dv y dv z (19) Với 2m3 kTε C 3 e h •  Số điện tử đó thoát ra khỏi kim loại: m v 2x v 2y v 2z kT d ' Cv x De dv x dv y dv z (20) 12
• Gọi ux, uy, uz là các thành phần của điện tử sau khi ra khỏi kim loại. • Ta có: uy = vy; uz = vz; mu 2x mv 2x W0  uxdux = vxdvx 2 2 W0 m u 2x u 2y u 2z •  dυ u , u , u CDu x e kT e 2kT du x du y du z (21) x y z • Hàm phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử phát xạ: m u 2x u 2y u 2z kT dn u x , u y , u z LDe du x du y du z (22) W0 L Ce kT D Wepx 13
4. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Thí nghiệm: dòng phát xạ nhiệt điện tử j tăng khi tăng điện trƣờng ở bề mặt catod. • Công của điện tử để chống lại lực cản F2: A0 F2 (x)dx (23) b b: khoảng cách nào đó bên trong kim loại mà ở đó F 2=0 • Khi có điện trƣờng ngoài E theo hƣớng gia tốc điện tử  điện tử bị kéo ra khỏi bề mặt với 1 lực: F’ = qE = eE. 14
•  Lực cản tác động lên điện tử F(x) ngoài kim loại là: F(x) = F2(x) – eE (24)  x < xk : F(x)>0: cản điện tử  x = xk F2(x)  x > xk : F(x)
• Công chống lại lực cản là: xk xk A F(x)dx F2 ( x)dx F2 ( x)dx eEdx b b xk 0 e2 A0 eEx k (25) 4x k 1 e • Ta có thể xác định: xk 2 E A A 0 e eE (26) • Vậy khi có điện trƣờng ngoài: – Công của điện tử chống lại lực cản giảm 1 lƣợng: ΔA A0 A e eE (27) – Công thoát hiệu dụng: E 0 ΔA 0 e eE (28) 16
E •  Mật độ dòng jE là: jE 2 A 0 DT e kT (29) e eE kT Hay jE j0e (30) jE e eE jE E • Từ (30): ln (31) hay log 1,906 (32) j0 kT j0 T • Nếu điện trƣờng E không bị ảnh hƣởng bởi điện tích không gian => E đồng nhất và E = αVb – α: hằng số phụ thuộc vào hình dáng và kích thƣớc của diode – Vb: hiệu thế giữa anode và catode của diode • Từ (32) => jE Vb log 1,906 α (33) j0 T 17
jE log T1 j0 T2 > T1 Khi E > Ek , lý thuyết trên không T3 > T2 trùng với thực nghiệm. Nếu Ek ≈ 3.106 V.cm-1: quá lớn => xuất hiện phát xạ mới: phát xạ tự động Vb 18
5. CATHODE MÀNG MỎNG - PHƢƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT • Từ công thức dòng phát xạ nhiệt điện tử j ta thấy chỉ cần 1 biến đổi nhỏ công thoát hiệu dụng ϕ0 có thể làm biến đổi dòng j rất lớn. • Ví dụ phủ một màng mỏng Cs, Ba, hay Th lên cathode W, thì khả năng phát xạ điện tử sẽ tăng -> Hiện tƣợng giảm công thoát của cathode màng mỏng đã đƣợc Langmuir giải thích: Vật chất đƣợc hấp phụ nằm trên bề mặt cathode dƣới dạng ion dƣơng hay một lớp nguyên tử bị phân cực dipole. Hai lớp điện gần kề bề mặt cathode, đƣợc thành lập bởi dipole điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trƣờng gia tốc điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trƣờng gia tốc, điện trƣờng này sẽ giảm hàng rào thế năng ở bề mặt kim loại 19
Lực tác động lên điện tử trong lớp điện: 2 E 4 F eE 4 nm e nm mật độ nguyên tử phân cực; σ :mật độ điện tích bề mặt Làm giảm công thoát một lƣợng: 0 Fd 4 n m ep d: Độ rộng của hai lớp điện p = ed: moment lƣỡng cực (dipole) điện Vậy để chuyển điện tử từ nguyên tử vào kim loại thì công thoát hiệu dụng của kim loại phải lớn hơn năng lƣợng ion hoá của nguyên tử cần phủ: 0 eVi