Работа выхода

Контактные явления. Термоэлектрические явления.

Лекция 8.

При сближении атомов и образовании из них кристалла потенциальные барьеры для электронов, отделяющие соседние атомы, понижаются и сужаются. Потенциальный же барьер у поверхности кристалла (у внешней его границы) отстается практически столь же высоким, как и у изолированных атомов (смотрите рис.2.1).

Рис.2.1.

Поэтому электроны в кристалле находятся как бы в потенциальной яме, выход из которой требует затраты энергии по преодолению силы, действующей на них со стороны кристалла.

Электрон, вышедший из металла и находящийся у его поверхности на расстоянии порядка нескольких постоянных решетки, индуцирует в металле заряд + e. Этот наведенный заряд (электрическое изображение) и вышедший электрон притягиваются с кулоновской силой, называемой силой электрического изображения. На расстоянии от поверхности кристалла порядка или меньше межатомного довольно трудно определить силы, удерживающие электрон в кристалле. Но для большинства практически важных задач достаточно знать полную высоту барьера c и высоту барьера Ф. На рис.2.2 показан выход из металла (а) и из полупроводника (б); c₁ - работа выхода из глубины валентной зоны.

а б

Рис.2.2.

Изменение энергии c происходит на очень малой длине (порядка нескольких межатомных расстояний), поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Высоту барьера, отсчитанную от дна зоны проводимости Е_с, называют внешней работой выхода c или электронным сродством:

(2.1)

Высота барьера, отсчитанная от уровня Ферми Е_F, называется термодинамической работой выхода

(2.2)

Остановимся подробнее на выражении (2.1). Для металлов уровень Ферми совпадает с максимальной энергией электронов проводимости (рис.2.2а) при температуре Т = 0 К. Поэтому Ф в металлах совпадает с работой выхода, необходимой для удаления электрона с максимальной энергией из металла в вакуум. Для полупроводника или диэлектрика (рис.2.2б) термодинамическая работа выхода Ф не соответствует работе выхода какого-либо реального электрона, если уровень Ферми лежит в запрещенной зоне и не совпадает ни с каким уровнем примеси. Однако определение (2.1) распространяется и на полупроводники.

Работа выхода может очень сильно зависеть от самых ничтожных загрязнений поверхности. Подобрав надлежащим образом покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя оксида щелочноземельного металла (Ca, Sr, Ba) снижает работу выхода с 4,5 до 1,5...2 эВ.

Дата добавления: 2014-01-11