Робота виходу

Валентні електрони у твердому тілі або досить тісно зв'язані зі своїми атомами як у напівпровідниках і діелектриках, або, утворюючи електронний газ (метали), вільно переміщаються між вузлами кристалічної решітки. Ці електрони, при нормальних умовах, не залишають фізичних меж твердого тіла.

Виходу електронів із твердого тіла перешкоджають електричні сили взаємодії електрона з твердим тілом. Енергія Фермі Е_ф (енергія електронів при 0 ° К, що залежить, в першому наближенні, тільки від концентрації електронів) недостатня для подолання цих сил. Приймемо за нульовий рівень енергію електрона у вакуумі, нескінченно вилученого від поверхні твердого тіла, що і визначає висоту потенційного бар’єра. Енергетичні стани електронів у твердому тілі повинні знаходитись нижче цього рівня (мал. 1.1). Різниця повної енергії потенційного бар’єра Е₀ та енергії Фермі Е_Ф в металі, називається роботою виходу електрона.

Рисунок 1.1 - Енергетичний бар'єр на границі твердого тіла (металу) і вакууму.

Фізична природа сил, що перешкоджають виходу електрона з металу і визначають величину роботи виходу електрона, досить складна. На електрон що вийшов з металу діють поле об’ємного заряду, створене електронами, що вже вилетіли, некомпенсованих позитивних зарядів на поверхні тіла, а також сили взаємодії між електронами, що вийшли, і наведеними у тілі позитивними електричними зарядами.

Обчислення роботи виходу для металу з урахуванням цих сил приводить до наступного результату

. (1.1)

Звідси видно, що робота виходу для металів зменшується зі збільшенням міжатомної відстані. Величина роботи виходу виміряється декількома електрон-вольтами. Значення роботи виходу для основних речовин, що використовуються для створення катодів приведені в таб.1.

Таблиця 1

У випадку емісії електронів з поверхні напівпровідників необхідно враховувати те, що рівень Фермі в них знаходиться не в зоні провідності як у металів, а посередині забороненої зони. Тому повна робота виходу напівпровідника складається з суми різниці величини потенційного бар’єру та енергії Фермі і на півширини забороненої зони.

Вплив активованого шару.Робота виходу може значно змінитися, якщо на поверхню емітера з металу або напівпровідника (керну), нанести тонкий шар іншої речовини, що називається активованим шаром.

Атоми адсорбованої на поверхні речовини можуть відбирати або віддавати електрони керну. Внаслідок цього на поверхні розташовується шар іонів, які разом з їх дзеркальним відображенням у керні створюють шар диполів. На поверхні емітерів наносяться шари речовин які є електропозитивними щодо основного металу. Такі речовини називаються активаторами.

Величина зменшення роботи виходу залежить не тільки від фізичних властивостей керна та активатора, а також і від товщини адсорбованого шару. Найбільша величина виходить при нанесенні одноатомного шару. Так, наприклад, для вольфраму, активованого барієм, еВ, а при активуванні вольфраму торієм еВ.

При виході з металу або напівпровідника електрон повинен виконати роботу за рахунок отриманої їм додаткової енергії . Ця додаткова енергія може бути тепловою (при нагріванні твердого тіла), випромінювальною (при його опроміненні, наприклад, світловим потоком), енергією зовнішнього електричного поля та ін.

Залежно від виду наданої тілу додаткової енергії розрізняють термоелектронну, фотоелектронну, вторинну електронну і електростатичну електронну емісію та екзоелектронну емісію. Число електронів, що залишають тіло, їхня швидкість у вакуумі залежать від кількості отриманої ним енергії, а також від фізичних властивостей самого емітера.