Термоэлектронная эмиссия - Thermionic emission

Крупный план нить в ртуть низкого давления газоразрядная лампа показывает белое термоэмиссионное смешанное покрытие на центральной части змеевика. Обычно изготавливается из смеси барий, стронций и кальций оксидов, покрытие брызнул при обычном использовании, что часто приводит к выходу лампы из строя.

Одна из лампочек, с которой Эдисон обнаружил термоэлектронную эмиссию. Он состоит из вакуумной стеклянной лампочки, содержащей углерод нить (форма шпильки), с дополнительной металлической пластиной, прикрепленной к проводам, выходящим из основания. Электроны выпущенные нитью накала притягивались к пластине, когда на ней было положительное напряжение.

Термоэлектронная эмиссия это освобождение электроны из электрод в силу своего температура (высвобождение энергии, поставляемой высокая температура ). Это происходит потому, что тепловая энергия дано носитель заряда преодолевает рабочая функция материала. Носителями заряда могут быть электроны или ионы, а в более ранней литературе иногда упоминаются как термионы. 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 эмиттируемые носители заряда удаляются от эмиттера, и, наконец, эмиттер будет в том же состоянии, что и до эмиссии.

Классический пример термоэлектронной эмиссии - это электроны из горячий катод в вакуум (также известен как тепловая электронная эмиссия или Эффект Эдисона) в вакуумная труба. 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 если заряд испускается из одной твердое состояние регион в другой. Этот процесс имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для производство электроэнергии (Такие как термоэмиссионные преобразователи и электродинамические тросы ) или охлаждение. Величина потока заряда резко увеличивается с повышением температуры.

История

Эффект Эдисона в диодной лампе. Диодная трубка подключается в двух конфигурациях; в одном есть поток электронов, а в другом - нет. Обратите внимание, что стрелки представляют электронный ток, а не обычный ток.

Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсон в 1897 году слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, проводившихся до этой даты.

Об этом явлении впервые сообщил в 1853 г. Эдмон Беккерель.^[1][2] Он был открыт заново в 1873 году. Фредерик Гатри в Британии.^[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] Включены другие ранние участники Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883),^[5] Юджин Гольдштейн (1885),^[6] и Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гайтель (1882–1889).^[7]

Эффект был снова открыт заново Томас Эдисон 13 февраля 1880 г., когда он пытался выяснить причину обрыва нити лампы и неравномерного почернения (самое темное около положительного вывода нити накала) ламп в его лампы накаливания.

Эдисон построил несколько экспериментальных лампочек с дополнительным проводом, металлической пластиной или фольгой внутри лампы, которая была отделена от нити накала и, таким образом, могла служить электродом. Он подключил гальванометр, устройство, используемое для измерения тока (расхода заряда) на выходе дополнительного металлического электрода. Если фольга была помещена под отрицательный потенциал относительно нити накала, не было измеряемого тока между нитью и фольгой. Когда фольга была поднята до положительного потенциала относительно нити, мог возникнуть значительный ток между нитью через вакуум к фольге, если нить была нагрета в достаточной степени (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 получил название Эффект 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 15 ноября 1883 г. подал заявку на патент на устройство регулирования напряжения, использующее этот эффект (патент США 307031, стр.^[8] первый патент США на электронное устройство). Он обнаружил, что через устройство проходит достаточный ток для работы телеграфного эхолота. Это было выставлено на Международная электрическая выставка в Филадельфии в сентябре 1884 г. Уильям Прис Британский ученый 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, работая в британской компании «Беспроводная телеграфия», обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн. Флеминг продолжил разработку двухэлементной вакуумная труба известный как диод, который он запатентовал 16 ноября 1904 года.^[11]

Термоэмиссионный диод также может быть сконфигурирован как устройство, которое преобразует разницу тепла в электрическую энергию напрямую, без движущихся частей (a термоэлектронный преобразователь, тип Тепловой двигатель ).

Закон Ричардсона

После идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году британский физик Оуэн Уилланс Ричардсон начал работу над темой, которую позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Он получил Нобелевская премия по физике в 1928 г. «за работу над термоэлектронным явлением и особенно за открытие закона, названного его именем».

Из ленточная теория, на каждый атом в твердом теле, 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 у электрона будет достаточно скорости, чтобы выйти из металла, не будучи втянутым обратно. Минимальное количество энергии, необходимое электрону для того, чтобы покинуть поверхность, называется рабочая функция. 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 г. Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: ток от нагретой проволоки, казалось, экспоненциально зависит от температуры проволоки с математической формой, подобной Уравнение Аррениуса.^[12] Позже он предложил, чтобы закон излучения имел математическую форму^[13]

${\displaystyle J=A_{\mathrm {G} }T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}}$

куда J это выброс плотность тока, Т температура металла, W это рабочая функция металла, k это Постоянная Больцмана, и А_грамм - параметр, обсуждаемый далее.

В период с 1911 по 1930 год, когда физическое понимание поведения электронов в металлах возросло, были предложены различные теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) для А_граммРичардсона, Саул Душман, Ральф Х. Фаулер, Арнольд Зоммерфельд и Лотар Вольфганг Нордхайм. Спустя более 60 лет среди заинтересованных теоретиков до сих пор нет единого мнения относительно точного выражения А_грамм, но есть согласие, что А_грамм должен быть записан в форме

${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\;\lambda _{\mathrm {R} }A_{0}}$

куда λ_р - поправочный коэффициент для конкретного материала, который обычно составляет порядка 0,5, и А₀ - универсальная постоянная, задаваемая формулой^[13]

${\displaystyle A_{0}={4\pi mk^{2}q_{e} \over h^{3}}=1.20173\times 10^{6}\,\mathrm {A\,m^{-2}\,K^{-2}} }$

куда м и ${\displaystyle -q_{e}}$ масса и обвинять электрона и час является Постоянная Планка.

Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто согласие, что из-за волновой природы электронов некоторая доля р_{средний} исходящих электронов будет отражаться, когда они достигнут поверхности эмиттера, поэтому плотность тока эмиссии будет уменьшена, и λ_р будет иметь значение (1-р_{средний}). Таким образом, иногда можно встретить уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде

${\displaystyle J=(1-r_{\mathrm {av} })\lambda _{B}A_{0}T^{2}\mathrm {e} ^{-W \over kT}}$.

Однако современная теоретическая трактовка Модиноса предполагает, что ленточная структура излучающего материала также следует принимать во внимание. Это внесет второй поправочный коэффициент λ_B в λ_р, давая ${\displaystyle A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}}$. Экспериментальные значения «обобщенного» коэффициента А_грамм обычно порядка величины А₀, но значительно различаются между разными излучающими материалами и могут отличаться между разными кристаллографические грани из того же материала. По крайней мере качественно эти экспериментальные различия можно объяснить различиями в величине λ_р.

В литературе в этой области существует значительная путаница, потому что: (1) во многих источниках не проводится различие между А_грамм и А₀, но просто используйте символ А (а иногда и название «постоянная Ричардсона») без разбора; (2) уравнения с поправочным коэффициентом и без него, обозначенные здесь как λ_р оба 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 обстоятельствах, когда обобщенное уравнение было бы более подходящим, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа «А-подобного» всегда следует явно определять в терминах задействованных более фундаментальных величин.

Из-за экспоненциальной функции ток быстро растет с температурой, когда kT меньше чем W. (Практически для каждого материала плавление происходит задолго до kT = W.)

Эмиссия Шоттки

Основная статья: Эффект Шоттки

Источник электронов с эмиттером Шоттки Электронный микроскоп

В устройствах электронной эмиссии, особенно электронные пушки, термоэлектронный эмиттер электронов будет иметь отрицательное смещение относительно окружающей среды. Это создает электрическое поле величиной F на поверхности эмиттера. В отсутствие поля поверхностный барьер, видимый убегающим с уровня Ферми электроном, имеет высоту W равняется локальной работе выхода. Электрическое поле понижает поверхностный барьер на величину ΔW, и увеличивает ток эмиссии. Это известно как Эффект Шоттки (назван в честь Уолтер Х. Шоттки ) или термоэлектронной эмиссии с усилением поля. Его можно смоделировать с помощью простой модификации уравнения Ричардсона, заменив W от (W - ΔW). Это дает уравнение^[14][15]

${\displaystyle J(F,T,W)=A_{\mathrm {G} }T^{2}e^{-(W-\Delta W) \over kT}}$

${\displaystyle \Delta W={\sqrt {{q_{e}}^{3}F \over 4\pi \epsilon _{0}}},}$

куда ε₀ - электрическая постоянная (также ранее называемая диэлектрическая проницаемость вакуума ).

Электронная эмиссия, которая имеет место в полевом и температурном режиме, где применяется это модифицированное уравнение, часто называется Эмиссия Шоттки. Это уравнение относительно точно для напряженности электрического поля менее 10⁸ В м⁻¹. Для напряженности электрического поля выше 10⁸ В м⁻¹, так называемый Туннель Фаулера-Нордхайма (FN) начинает вносить значительный эмиссионный ток. В этом режиме комбинированные эффекты усиленной термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии могут быть смоделированы уравнением Мерфи-Гуда для термополевой (T-F) эмиссии.^[16] В еще более высоких полях туннелирование FN становится доминирующим механизмом эмиссии электронов, и эмиттер работает в так называемом «холодная полевая электронная эмиссия (CFE)» режим.

Термоэлектронная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет.^[17] Например, возбужденные пары Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs-Ридберг дело что приводит к уменьшению излучающей работы выхода коллектора с 1,5 до 1,0–0,7 эВ. Благодаря долгоживущему характеру Дело Ридберга эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя.^[18]

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия

Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия (ПЭТЭ) - это процесс, разработанный учеными из Стэндфордский Университет который использует свет и тепло солнца для производства 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 выше 200 ° C, в то время как большая часть кремния солнечные батареи становятся инертными после достижения 100 ° C. Такие устройства лучше всего работают в параболическая тарелка коллекторы, достигающие температуры до 800 ° C. Хотя команда использовала нитрид галлия полупроводник в своем экспериментальном устройстве, он утверждает, что использование арсенид галлия может повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти втрое больше, чем у существующих систем,^[19][20] и на 12–17 процентов больше, чем существующие 43-процентные многопереходные солнечные элементы.^[21][22]

Рекомендации

1. Пакстон, Уильям. «ТЕРМИОННЫЕ ЭЛЕКТРОЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕН, ВКЛЮЧЕННЫХ АЗОТОМ» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 23.11.2016. Получено 2016-11-22.
2. «Термоэмиссионный преобразователь энергии». Энциклопедия Британника. В архиве из оригинала от 23.11.2016. Получено 2016-11-22.
3. Видеть:
   • 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. Дои:10.1080/14786447308640935. В архиве из оригинала от 13.01.2018.
   • Гатри, Фредерик (13 февраля 1873 г.). «О новом соотношении тепла и электричества». Труды Лондонского королевского общества. 21 (139–147): 168–169. Дои:10.1098 / rspl.1872.0037. В архиве с оригинала от 13 января 2018 г.
4. Ричардсон, О. В. (2003). Термионная эмиссия горячих тел. Wexford College Press. п. 196. ISBN  978-1-929148-10-3. В архиве из оригинала 31.12.2013.
5. Видеть:
   • Хитторф, В. (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. Дои:10.1002 / andp.18692120102.
   • Хитторф, В. (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. Дои:10.1002 / andp.18692120203.
   • Хитторф, В. (1874). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie (на немецком). Джубалбанд (юбилейный том): 430–445. В архиве из оригинала от 13.01.2018.
   • Хитторф, В. (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. Дои:10.1002 / andp.18792430804.
   • Хитторф, В. (1883). "Ueber die Electricitätsleitung der Gase" [Об электропроводности газов]. Annalen der Physik und Chemie. 3-я серия (на немецком языке). 20 (12): 705–755. Дои:10.1002 / andp.18832561214.
   • Хитторф, В. (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:1884АнП ... 257 ... 90Н. Дои:10.1002 / andp.18842570105.
6. Э. Гольдштейн (1885) "Ueber electrische Leitung in Vacuum" В архиве 2018-01-13 в Wayback Machine (Об электропроводности в вакууме) Annalen der Physik und Chemie, 3-я серия, 24 : 79-92.
7. Видеть:
   • 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 производстве 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 электрификации 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 производстве электроэнергии при контакте разреженного газа с электрически нагреваемыми проводами) Annalen der Physik und Chemie, 3-я серия, 37 : 315-329.
8. США 307031, Эдисон, Томас А., «Электрический индикатор», опубликованный 15 ноября 1883 г., выпущенный 21 октября 1884 г. 
9. Прис, Уильям Генри (1885). «Об своеобразном поведении ламп накаливания при повышении накала». Труды Лондонского королевского общества. 38 (235–238): 219–230. Дои:10.1098 / rspl.1884.0093. В архиве из оригинала от 26.06.2014. Прис вводит термин «эффект Эдисона» на странице 229.
10. Джозефсон, М. (1959). Эдисон. Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-033046-7.
11. Видеть:
    • 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 допускает прохождение электрического тока только в одном направлении и, следовательно, представляет собой электрический клапан ».
    • ГБ 190424850, Флеминг, Джон Эмброуз "Усовершенствования приборов для обнаружения и измерения переменного электрического тока", опубликовано 15 августа 1905 г., выпущено 21 сентября 1905 г. 
    • США 803684, Флеминг, Джон Эмброуз, "Прибор для преобразования переменного электрического тока в постоянный ток", опубликовано 29 апреля 1905 г., выпущено 7 ноября 1905 г. 
12. О. В. Ричардсон (1901) «Об отрицательном излучении горячей платины». Философский Кембриджского философского общества, 11 : 286-295.
13. Кроуэлл, К. Р. (1965). «Постоянная Ричардсона для термоэлектронной эмиссии в диодах с барьером Шоттки». Твердотельная электроника. 8 (4): 395–399. Bibcode:1965ССЭле ... 8..395С. Дои:10.1016/0038-1101(65)90116-4.
14. Кизироглу, М. Э .; Li, X .; Жуков, А. А .; Де Гроот, П. А. Дж .; Де Гроот, К. Х. (2008). «Термоэлектронная автоэлектронная эмиссия на электроосажденных барьерах Шоттки Ni-Si» (PDF). Твердотельная электроника. 52 (7): 1032–1038. Bibcode:2008ССЭле..52.1032K. Дои:10.1016 / j.sse.2008.03.002.
15. Орлофф, Дж. (2008). «Эмиссия Шоттки». Справочник по оптике заряженных частиц (2-е изд.). CRC Press. С. 5–6. ISBN  978-1-4200-4554-3. В архиве из оригинала 17.01.2017.
16. Мерфи, E. L .; Хорошо, Г. Х. (1956). «Термионная эмиссия, полевая эмиссия и переходная область». Физический обзор. 102 (6): 1464–1473. Bibcode:1956ПхРв..102.1464М. Дои:10.1103 / PhysRev.102.1464.
17. МальШуков, А.Г .; Чао, К. А. (2001). «Опто-термоэлектронное охлаждение в полупроводниковых гетероструктурах». Письма с физическими проверками. 86 (24): 5570–5573. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.5570М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.5570. PMID  11415303.
18. 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:1992СурСк.269..695С. Дои:10.1016/0039-6028(92)91335-9.
19. Бержерон, Л. (2 августа 2010 г.). «Новый процесс преобразования солнечной энергии, открытый инженерами Стэнфорда, может изменить производство солнечной энергии». Стэнфордский отчет. В архиве из оригинала 11 апреля 2011 г.. Получено 2010-08-04.
20. Schwede, J. W .; и другие. (2010). «Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия для солнечных концентраторов». Материалы Природы. 9 (9): 762–767. Bibcode:2010НатМа ... 9..762С. Дои:10.1038 / nmat2814. PMID  20676086.
21. Грин, М. А .; Emery, K .; Hishikawa, Y .; Варта, В. (2011). «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 37)». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 19 (1): 84. Дои:10.1002 / пункт.1088.
22. Анг, Йи Син; Анг, Л. К. (2016). "Текущее-температурное масштабирование для интерфейса Шоттки с непараболической дисперсией энергии". Применена физическая проверка. 6 (3): 034013. arXiv:1609.00460. Bibcode:2016ПхРвП ... 6c4013A. Дои:10.1103 / PhysRevApplied.6.034013. S2CID  119221695.

внешняя ссылка

• Как на самом деле работают вакуумные лампы с разделом по 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.