Термоэлектронная эмиссия - это высвобождение электронов из электрода за счет его температуры (высвобождение энергии, получаемой за счет тепла ). Это происходит потому, что тепловая энергия, передаваемая носителю заряда, преодолевает работу выхода материала. Носителями заряда могут быть электроны или ионы , и в более ранней литературе их иногда называют термоионами.. После излучения заряд, равный по величине и противоположный по знаку общему испускаемому заряду, первоначально остается в излучающей области. Но если эмиттер подключен к батарее, оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, подаваемым батареей, когда излучаемые носители заряда удаляются от эмиттера, и, наконец, эмиттер будет в том же состоянии, что и до эмиссии.
Классический пример термоэлектронной эмиссии - это электроны с горячего катода в вакуум (также известный как термоэлектронная эмиссия или эффект Эдисона ) в вакуумной лампе . Горячий катод может представлять собой металлическую нить накала, металлическую нить с покрытием или отдельную структуру из металла или карбидов или боридов переходных металлов. Эмиссия вакуума из металлов имеет тенденцию становиться значительной только при температурах выше 1000 К (730 ° C; 1340 ° F).
Термин «термоэлектронная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого процесса эмиссии заряда с тепловым возбуждением, даже когда заряд излучается из одной твердотельной области в другую. Этот процесс имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для выработки электроэнергии (например, термоэмиссионных преобразователей и электродинамических тросов ) или охлаждения. Величина потока заряда резко возрастает с повышением температуры.
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, проводившихся до этой даты.
Об этом явлении впервые сообщил в 1853 году Эдмон Беккерель . [1] [2] Он был повторно открыт в 1873 году Фредериком Гатри в Великобритании. [3] Работая с заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленный железный шар с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом разряжая его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходило бы, если бы сфера имела положительный заряд. [4] Среди других ранних участников были Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), [5] Евгений Гольдштейн (1885), [6] и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гайтель (1882–1889). [7]
Эффект был вновь открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, когда он пытался обнаружить причину обрыва нити лампы и неравномерного почернения (самое темное около положительного вывода нити) ламп накаливания .
Эдисон построил несколько экспериментальных лампочек с дополнительным проводом, металлической пластиной или фольгой внутри колбы, которая была отделена от нити накала и, таким образом, могла служить электродом. Он подключил гальванометр , устройство, используемое для измерения тока (расхода заряда), к выходу дополнительного металлического электрода. Если фольга была помещена под отрицательный потенциал относительно нити накала, не было измеримого тока между нитью и фольгой. Когда фольга была поднята до положительного потенциала относительно нити, мог возникнуть значительный ток между нитью через вакуум и фольгу, если нить накала была достаточно нагрета (от собственного внешнего источника питания).
Теперь мы знаем, что нить накала испускала 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 самой термоэлектронной эмиссии). Он обнаружил, что ток, излучаемый горячей нитью накала, быстро увеличивается с увеличением напряжения, и подал заявку на патент на устройство регулирования напряжения, использующее эффект 15 ноября 1883 г. (патент США 307031, [8] первый патент США на электронное устройство). устройство). Он обнаружил, что через устройство проходит достаточный ток для работы телеграфного эхолота. Это было выставлено на Международной электротехнической выставке в Филадельфии в сентябре 1884 года. Британский ученый Уильям Прис взял с собой несколько лампочек с эффектом Эдисона. Он представил статью о них в 1885 году, в которой назвал термоэлектронную эмиссию «эффектом Эдисона». [9] [10] Британский физик Джон Амброуз Флеминг , работавший в британской компании «Беспроводная телеграфия», обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлементной вакуумной лампы, известной как диод , которую он запатентовал 16 ноября 1904 г. [11]
Термоэмиссионный диод также может быть сконфигурирован как устройство, которое преобразует тепловую разницу в электрическую энергию напрямую, без движущихся частей ( термоэлектронный преобразователь , тип теплового двигателя ).
Закон Ричардсона
После идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 г. «за работу над термоэмиссионным явлением и особенно за открытие закона, названного его именем».
Из зонной теории , есть один или два электрона в атоме в виде твердого вещества , которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Иногда это вместе называют «морем электронов». Их скорости следуют статистическому распределению, а не являются однородными, и иногда электрон будет иметь достаточную скорость, чтобы покинуть металл, не будучи втянутым обратно. Минимальное количество энергии, необходимое электрону для того, чтобы покинуть поверхность, называется работой выхода . Работа выхода характерна для материала и для большинства металлов составляет порядка нескольких электронвольт . Термоэмиссионные токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Этой часто желаемой цели можно достичь путем нанесения на проволоку различных оксидных покрытий.
В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: казалось, что ток нагретой проволоки экспоненциально зависит от температуры проволоки с математической формой, подобной уравнению Аррениуса . [12] Позже он предложил, чтобы закон излучения имел математическую форму [13]
где J - плотность тока эмиссии , T - температура металла, W - работа выхода металла, k - постоянная Больцмана , а A G - параметр, обсуждаемый далее.
В период с 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах возросло, различные теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) были предложены для A G Ричардсоном, Саулом Душманом , Ральфом Х. Фаулером , Арнольдом Зоммерфельдом и Лотар Вольфганг Нордхайм . Спустя более 60 лет среди заинтересованных теоретиков до сих пор нет единого мнения относительно точного выражения A G , но есть согласие, что A G следует записывать в форме
где λ R - поправочный коэффициент для конкретного материала, который обычно составляет порядка 0,5, а A 0 - универсальная постоянная, определяемая по формуле [13]
где m и- масса и заряд электрона, соответственно, а h - постоянная Планка .
Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто согласие о том, что из-за волнообразной природы электронов некоторая доля r av выходящих электронов будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность тока эмиссии будет уменьшена, и λ R будет иметь значение (1- r ср ). Таким образом, иногда можно встретить уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде
- .
Однако современная теоретическая трактовка Модиноса предполагает, что необходимо также учитывать зонную структуру излучающего материала. Это внесет второй поправочный коэффициент λ B в λ R , что даст. Экспериментальные значения для «обобщенного» коэффициента A G обычно имеют порядок величины A 0 , но существенно различаются между разными излучающими материалами и могут отличаться между разными кристаллографическими гранями одного и того же материала. По крайней мере , качественно, эти экспериментальные различия можно объяснить , как из - за различия в значении Л R .
В литературе в этой области существует значительная путаница, потому что: (1) многие источники не различают A G и A 0 , а просто без разбора используют символ A (а иногда и название «константа Ричардсона»); (2) уравнения с поправочным коэффициентом и без него, обозначенные здесь λ R, имеют одно и то же имя; и (3) существует множество названий этих уравнений, включая «уравнение Ричардсона», «уравнение Душмана», «уравнение Ричардсона – Душмана» и «уравнение Ричардсона – Лауэ – Душмана». В литературе элементарное уравнение иногда приводится в случаях, когда обобщенное уравнение было бы более подходящим, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа «А-подобного» всегда должно быть явно определено в терминах задействованных более фундаментальных величин.
Из - за экспоненциальной функции, быстро ток увеличивается с ростом температуры , когда кТ меньше , чем W . (Практически для каждого материала плавление происходит задолго до того, как kT = W. )
Закон термоэлектронной эмиссии был недавно пересмотрен для 2D-материалов в различных моделях [14] , [15] , [16] .
Эмиссия Шоттки
В устройствах электронной эмиссии, особенно в электронных пушках , термоэлектронный эмиттер электронов будет иметь отрицательное смещение относительно окружающей среды. Это создает электрическое поле величиной F на поверхности эмиттера. Без поля поверхностный барьер, видимый выходящим электроном уровня Ферми, имеет высоту W, равную локальной работе выхода. Электрическое поле снижает поверхностный барьер на величину Δ W и увеличивает ток эмиссии. Это известно как эффект Шоттки (названный в честь Уолтера Х. Шоттки ) или термоэлектронная эмиссия с усилением поля. Его можно смоделировать простой модификацией уравнения Ричардсона, заменив W на ( W - Δ W ). Это дает уравнение [17] [18]
где ε 0 - электрическая постоянная (также ранее называемая диэлектрической проницаемостью вакуума ).
Электронная эмиссия, которая имеет место в полевом и температурном режиме, к которому применяется это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки . Это уравнение относительно точно для напряженности электрического поля ниже примерно 10 8 В м -1 . Для напряженности электрического поля выше 10 8 В м -1 , так называемое туннелирование Фаулера-Нордхейма (FN) начинает вносить значительный ток эмиссии. В этом режиме комбинированные эффекты усиленной полем термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии могут быть смоделированы уравнением Мерфи-Гуда для термополевой (TF) эмиссии. [19] В еще более высоких полях туннелирование FN становится доминирующим механизмом электронной эмиссии, и эмиттер работает в так называемом режиме «холодной полевой электронной эмиссии (CFE)» .
Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет. [20] Например, возбужденные пары Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества, что приводит к уменьшению работы выхода коллектора излучающей с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя. [21]
Термоэлектронная эмиссия, усиленная фотонами
Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия (ПЭТЭ) - это процесс, разработанный учеными из Стэнфордского университета, который использует свет и тепло солнца для выработки электроэнергии и увеличивает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с нынешними уровнями. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает максимальной эффективности при температуре выше 200 ° C, в то время как большинство кремниевых солнечных элементов становятся инертными после достижения 100 ° C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарельчатых коллекторах, температура которых достигает 800 ° C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в своем экспериментальном устройстве, она утверждает, что использование арсенида галлия может повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти в три раза выше, чем у существующих систем [22] [23] и На 12–17 процентов больше, чем у существующих 43-процентных многопереходных солнечных элементов. [24] [25]
Рекомендации
- ^ Пакстон, Уильям. «ТЕРМИОННЫЕ ЭЛЕКТРОЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕН, ВКЛЮЧЕННЫХ АЗОТОМ» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 23 ноября 2016 года . Проверено 22 ноября 2016 .
- ^ «Термоэмиссионный преобразователь энергии» . Британская энциклопедия . Архивировано 23 ноября 2016 года . Проверено 22 ноября 2016 .
- ^ См .:
- Гатри, Фредерик (октябрь 1873 г.). «О соотношении тепла и статического электричества» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 4-й. 46 (306): 257–266. DOI : 10.1080 / 14786447308640935 . Архивировано 13 января 2018 года.
- Гатри, Фредерик (13 февраля 1873 г.). «О новом соотношении тепла и электричества» . Труды Лондонского королевского общества . 21 (139–147): 168–169. DOI : 10,1098 / rspl.1872.0037 . Архивировано 13 января 2018 года.
- ^ Ричардсон, О.В. (2003). Термионная эмиссия горячих тел . Wexford College Press . п. 196. ISBN. 978-1-929148-10-3. Архивировано 31 декабря 2013 года.
- ^ См .:
- Hittorf, W. (1869). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 136 (1): 1–31. Bibcode : 1869AnP ... 212 .... 1H . DOI : 10.1002 / andp.18692120102 .
- Hittorf, W. (1869). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 136 (2): 197–234. Bibcode : 1869AnP ... 212..197H . DOI : 10.1002 / andp.18692120203 .
- Hittorf, W. (1874). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке). Джубалбанд (юбилейный том): 430–445. Архивировано 13 января 2018 года.
- Hittorf, W. (1879). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie . 3-я серия (на немецком языке). 7 (8): 553–631. Bibcode : 1879AnP ... 243..553H . DOI : 10.1002 / andp.18792430804 .
- Hittorf, W. (1883). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie . 3-я серия (на немецком языке). 20 (12): 705–755. DOI : 10.1002 / andp.18832561214 .
- Hittorf, W. (1884). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie . 3-я серия (на немецком языке). 21 (1): 90–139. Bibcode : 1884AnP ... 257 ... 90H . DOI : 10.1002 / andp.18842570105 .
- ^ Э. Гольдштейн (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" Архивировано 13 января 2018 г. в Wayback Machine (Об электрической проводимости в вакууме) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 24 : 79-92.
- ^ См .:
- Эльстер и Гейтель (1882) «Ueber die Electricität der Flamme» (Об электричестве пламени), Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 16 : 193-222.
- Эльстер и Гейтель (1883) «Ueber Electricitätserregung beim Contact von Gasen und glühenden Körpern» (О генерации электричества при контакте газов и раскаленных тел), Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 19 : 588-624.
- Эльстер и Гейтель (1885) «Ueber die unipolare Leitung erhitzter Gase» (Об униполярной проводимости нагретых газов) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 26 : 1-9.
- Эльстер и Гейтель (1887) "Ueber die Electrisirung der Gase durch glühende Körper" (Об электризации газов раскаленными телами) Annalen der Physik und Chemie , 3-я серия, 31 : 109-127.
- Эльстер и Гейтель (1889) "Ueber die Electricitätserregung beim Contact verdünnter Gase mit galvanisch glühenden Drähten" (О генерации электричества при контакте разреженного газа с электрически нагретыми проводами) Annalen der Physik und Chemie , 3rd series, 37 : 315-329.
- ^ США 307031 , Эдисон, Томас А. , "Электрический индикатор", опубликованном 15 ноября 1883, выпущенный 21 октября 1884
- ^ Прис, Уильям Генри (1885). «Об особом поведении ламп накаливания при повышении накаливания» . Труды Лондонского королевского общества . 38 (235–238): 219–230. DOI : 10,1098 / rspl.1884.0093 . Архивировано 26 июня 2014 года. Прис вводит термин «эффект Эдисона» на странице 229.
- ^ Джозефсон, М. (1959). Эдисон . Макгроу-Хилл . ISBN 978-0-07-033046-7.
- ^ См .:
- Предварительная спецификация термоэмиссионного клапана была представлена 16 ноября 1904 года. В этом документе Флеминг ввел британский термин «клапан» для обозначения того, что в Северной Америке называется «вакуумная трубка»: «Средства, которые я использую для этой цели, состоят в следующем: включение в цепь переменного тока устройства, которое позволяет прохождение электрического тока только в одном направлении и, следовательно, представляет собой электрический клапан ».
- GB 190424850 , Флеминг, Джон Амброуз , «Усовершенствования инструментов для обнаружения и измерения переменного электрического тока», опубликовано 15 августа 1905 г., выпущено 21 сентября 1905 г.
- US 803684 , Флеминг, Джон Амброуз , «Прибор для преобразования переменного электрического тока в постоянный ток», опубликован 29 апреля 1905 г., выпущен 7 ноября 1905 г.
- ^ О.У. Ричардсон (1901) «Об отрицательном излучении горячей платины», Philosophical of the Cambridge Philosophical Society , 11 : 286-295.
- ^ а б Кроуэлл, CR (1965). «Постоянная Ричардсона для термоэлектронной эмиссии в диодах с барьером Шоттки». Твердотельная электроника . 8 (4): 395–399. Bibcode : 1965SSEle ... 8..395C . DOI : 10.1016 / 0038-1101 (65) 90116-4 .
- ^ SJ Liang и LK Ang (январь 2015 г.). «Термоэмиссия электронов из графена и термоэлектронный преобразователь энергии» . Phys. Rev. Appl. 3 : 014002.
- ^ YS Ang, HY Yang и LK Ang (август 2018 г.). «Универсальное масштабирование в наноразмерных латеральных гетероструктурах Шоттки» . Phys. Rev. Lett. 121 : 056802.
- ^ YS Ang, Xueyi Chen, Chuan Tan и LK Ang (июль 2019 г.). «Обобщенная термоэлектронная инжекция высоких энергий на границе графена» . Phys. Rev. Appl. 12 : 014057.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Кизироглов, МЭ; Li, X .; Жуков, АА; Де Гроот, Пенсильвания; Де Гроот, Швейцария (2008). «Термоэлектронная автоэлектронная эмиссия на электроосажденных барьерах Шоттки Ni-Si» (PDF) . Твердотельная электроника . 52 (7): 1032–1038. Bibcode : 2008SSEle..52.1032K . DOI : 10.1016 / j.sse.2008.03.002 .
- ^ Орлофф, Дж. (2008). «Эмиссия Шоттки» . Справочник по оптике заряженных частиц (2-е изд.). CRC Press . С. 5–6. ISBN 978-1-4200-4554-3. Архивировано 17 января 2017 года.
- ^ Мерфи, ЭЛ; Хорошо, Г. Х. (1956). «Термионная эмиссия, полевая эмиссия и переходная область». Физический обзор . 102 (6): 1464–1473. Bibcode : 1956PhRv..102.1464M . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1464 .
- ^ МальШуков, АГ; Чао, КА (2001). «Опто-термоэлектронное охлаждение в полупроводниковых гетероструктурах». Письма с физическим обзором . 86 (24): 5570–5573. Bibcode : 2001PhRvL..86.5570M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.5570 . PMID 11415303 .
- ^ Svensson, R .; Холмлид, Л. (1992). «Поверхности с очень низкой работой выхода из конденсированных возбужденных состояний: ридберовское вещество цезия». Наука о поверхности . 269/270: 695–699. Bibcode : 1992SurSc.269..695S . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (92) 91335-9 .
- ^ Бержерон, Л. (2 августа 2010 г.). «Новый процесс преобразования солнечной энергии, открытый инженерами Стэнфорда, может изменить производство солнечной энергии» . Стэнфордский отчет . Архивировано 11 апреля 2011 года . Проверено 4 августа 2010 .
- ^ Schwede, JW; и другие. (2010). "Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия для солнечных концентраторов". Материалы природы . 9 (9): 762–767. Bibcode : 2010NatMa ... 9..762S . DOI : 10.1038 / nmat2814 . PMID 20676086 .
- ^ Грин, Массачусетс; Emery, K .; Hishikawa, Y .; Варта, В. (2011). «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 37)». Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 19 (1): 84. DOI : 10.1002 / pip.1088 .
- ^ Анг, Йи Син; Анг, LK (2016). "Текущее-температурное масштабирование для интерфейса Шоттки с непараболической дисперсией энергии". Применена физическая проверка . 6 (3): 034013. arXiv : 1609.00460 . Bibcode : 2016PhRvP ... 6c4013A . DOI : 10.1103 / PhysRevApplied.6.034013 . S2CID 119221695 .
Внешние ссылки
- Как на самом деле работают электронные лампы, с разделом, посвященным термоэлектронной эмиссии, с уравнениями , john-a-harper.com.
- Нобелевская лекция Оуэна Ричардсона по термоэлектронике , nobel.se, 12 декабря 1929 г. (PDF)
- Вывод уравнений термоэлектронной эмиссии из студенческой лаборатории , csbsju.edu.