열전자 방출

열전자 방출은 전극의 온도(열로 공급되는 에너지 방출)에 의해 전극에서 전자가 방출되는 것입니다.이는 전하 캐리어에 공급되는 열에너지가 물질의 작업 기능을 초과하기 때문에 발생합니다.전하 캐리어는 전자 또는 이온일 수 있으며, 이전 문헌에서는 서미온이라고 부르기도 합니다.방출 후 방출된 총 전하와 크기가 같고 부호가 반대인 전하가 처음에는 방출 영역에 남는다.그러나 이미터가 배터리에 연결되어 있는 경우, 이미터로부터 방출된 전하 캐리어가 멀어짐에 따라 배터리에서 공급되는 전하에 의해 남겨진 전하가 중화되며, 마지막으로 이미터는 방출 전과 같은 상태가 됩니다.

열전자 방출의 고전적인 예는 진공관에서 뜨거운 음극에서 진공으로 전자가 들어가는 것입니다(열전자 방출 또는 에디슨 효과라고도 함).열음극은 금속 필라멘트, 코팅된 금속 필라멘트 또는 전이 금속의 금속, 탄화물 또는 붕화물의 별도 구조일 수 있습니다.금속에서 발생하는 진공 방출은 1,000K(730°C; 1,340°F) 이상의 온도에서만 현저해지는 경향이 있습니다.

이 프로세스는 다양한 전자 장치의 작동에 매우 중요하며, 전기 발전(열전자 변환기 및 전자 동적 테더 등) 또는 냉각에 사용할 수 있습니다.온도가 상승함에 따라 전하 흐름의 크기가 급격히 증가합니다.

'열전자 방출'이라는 용어는 현재 한 고체 영역에서 다른 고체 영역으로 전하가 방출되는 경우에도 열로 들뜬 전하 방출 과정을 지칭하는 데 사용됩니다.

역사

1897년 J. J. Thomson의 연구 때까지 전자는 별도의 물리 입자로 식별되지 않았기 때문에, "전자"라는 단어는 이 날짜 이전에 일어난 실험을 논할 때 사용되지 않았다.

이 현상은 Edmond Becquerel에 ^[1][2]의해 1853년에 처음 보고되었다.그것은 1873년 영국에서 Frederick ^[3]Guthrie에 의해 재발견되었다.대전된 물체에 대한 작업을 하는 동안, 거스리는 음전하를 띤 붉게 달궈진 철구가 (어떻게 해서든 그것을 공기로 방출함으로써) 전하를 잃게 된다는 것을 발견했습니다.그는 또한 구체가 양전하를 ^[4]띠면 이런 일이 일어나지 않는다는 것을 알아냈다.다른 초기 기여자들로는 요한 빌헬름 히토프 (1869–1883),^[5] 외젠 골드슈타인 (1885),^[6] 줄리어스 엘스터와 한스 프리드리히 가이텔 (1882–1889)^[7]이 있었다.

그 효과는 1880년 2월 13일 토마스 에디슨에 의해 다시 발견되었는데, 그는 백열등에서 전구의 필라멘트가 끊어지고 전구가 불규칙하게 검어지는 이유를 발견하려고 노력 중이었다.

에디슨은 필라멘트와 분리되어 전극 역할을 할 수 있는 여분의 전선, 금속판 또는 호일을 전구 안에 가진 여러 개의 실험용 전구들을 만들었다.그는 여분의 금속 전극의 출력에 전류(전하의 흐름)를 측정하는 데 사용되는 장치인 아연도계를 연결했다.필라멘트를 기준으로 포일을 음전위에 둔 경우 필라멘트와 포일 사이에 측정 가능한 전류가 존재하지 않습니다.필라멘트에 상대적인 양의 전위까지 포일이 올라갔을 때 필라멘트가 (자체 외부 전원에 의해) 충분히 가열되면 필라멘트 사이에 상당한 전류가 존재할 수 있다.

필라멘트가 전자를 방출하고 있다는 것을 알 수 있습니다.전자는 양전하를 띠지만 음전하를 띠지 않습니다.이 단방향 전류는 에디슨 효과라고 불렸습니다(가끔 이 용어는 열전자 방출 자체를 가리키는 데 사용되기도 합니다).그는 핫필라멘트에서 방출되는 전류가 전압 증가에 따라 급격히 증가한다는 것을 발견하고 1883년 11월 15일 이 효과를 이용한 전압조절장치 특허를 출원했다(미국 특허 307,031,^[8] 미국 최초의 전자기기 특허).그는 전신 경보 발생기를 작동시키기에 충분한 전류가 장치에 흐른다는 것을 발견했다.이것은 1884년 9월 필라델피아에서 열린 국제 전기 박람회에 전시되었다.영국의 과학자 윌리엄 프리스는 에디슨 효과 전구 몇 개를 가지고 돌아왔다.그는 1885년에 열전자 방출을 "에디슨 효과"^[9][10]라고 지칭한 논문을 발표했다.영국의 "Wireless Telegraphy" 회사에서 일하는 영국의 물리학자 존 암브로즈 플레밍은 에디슨 효과가 전파를 감지하는데 사용될 수 있다는 것을 발견했다.플레밍은 다이오드로 알려진 2원소 진공관을 개발하였고,^[11] 1904년 11월 16일 특허를 취득하였다.

서미온 다이오드는 또한 열 차이를 움직이는 부품(열 엔진의 일종인 서미온 변환기) 없이 직접 전력으로 변환하는 장치로 구성할 수 있습니다.

리처드슨의 법칙

1897년 J. J. 톰슨이 전자를 발견한 후, 영국의 물리학자 오웬 윌런스 리처드슨은 후에 그가 "열전자 방출"이라고 부르는 주제에 대한 연구를 시작했다.그는 1928년 "열전자 현상에 대한 연구, 특히 그의 이름을 딴 법칙의 발견"으로 노벨 물리학상을 받았다.

밴드 이론에 따르면, 고체에는 원자에서 원자까지 자유롭게 이동할 수 있는 원자당 하나 또는 두 개의 전자가 있습니다.이것은 때때로 통칭하여 "전자의 바다"라고 불립니다.이들의 속도는 균일하기보다는 통계적 분포를 따르며, 때때로 전자는 다시 당겨지지 않고 금속을 빠져나갈 수 있는 충분한 속도를 가질 수 있습니다.전자가 표면을 떠나는 데 필요한 최소 에너지의 양을 일함수라고 한다.작업 기능은 재료의 특성이며 대부분의 금속은 몇 개의 전자볼트 정도 됩니다.작업기능을 저하시킴으로써 열전자 전류를 증가시킬 수 있다.이 목표는 와이어에 다양한 산화물 코팅을 적용함으로써 달성할 수 있습니다.

1901년에 리차드슨은 그의 실험 결과를 발표했다: 가열된 전선의 전류는 아레니우스 ^[12]방정식과 유사한 수학적 형태를 가진 전선의 온도에 기하급수적으로 의존하는 것처럼 보였다.나중에, 그는 배출 법칙이 수학적인^{[13][failed verification]} 형태를 가져야 한다고 제안했다.

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

여기서 J는 방출 전류 밀도, T는 금속의 온도, W는 금속의 작업 함수, k는 볼츠만 상수, A는_G 다음에 논의되는 매개변수이다.

1911년부터 1930년까지 금속에서 전자의 거동에 대한 물리적 이해가 증가함에 따라 리처드슨, 사울 두쉬만, 랄프 H. 파울러, 아놀드 소머펠트 및 로타 볼프강 노드하임에 의해 A에 대한 다양한_G 이론적 표현들이 제시되었다.60여 년이 지난 지금까지도 A의_G 정확한 표현에 대해 관심이 있는 이론가들 사이에서는 합의가 이루어지지 않고 있지만 A는 반드시 그 형태로 기재되어야 한다는_G 데 동의하고 있다.

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

여기서 θ는_R 일반적으로 0.5차인 물질 특이적 보정 계수이며₀ A는 다음과 같이 주어진^[13] 보편 상수이다.

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

여기서 m과${\displaystyle {-q}_{}}$ e$({$는 전자의 질량과 전하이며, h는 플랑크의 상수이다.

사실 1930년경에는 전자의 파동 같은 성질 때문에 방출 전자의 일부 비율_av r이 이미터 표면에 도달했을 때 반사되어 방출 전류 밀도가 낮아지고 θ는_R 값(1-r_av)을 갖는다는 합의가 있었다.따라서, 사람들은 가끔 그 형태로 쓰여진 열전자 방출 방정식을 본다.

$display style$$$$A_{0}T^{2}\mathrm {e}^{-W \over$ kT$\}\}.$

그러나 Modinos에 의한 현대 이론적인 처리에서는 방출 물질의 밴드 구조도 고려해야 한다고 가정한다.그러면 두 번째 보정 계수 λ가_B ,에_R 도입되어 ${\displaystyle {A\mathrm{}}_{}}$ G ${\displaystyle {=}_{}}$ ${\displaystyle {\lambda }_{}}$B (${\displaystyle 1}$ - ${\displaystyle {\mathrm{r}}_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$)${\displaystyle {A\mathrm{}}_{}}$0 { $displaystyle$A _ { \ $mathrm${ $G$} = \ $displayda$ _ { \ $mathrm${ $B$} } ( 1 - r _ { \ $mathrm${$a }$ )가 됩니다.$A_{0$ "일반화된" 계수_G A의 실험값은 일반적으로 A의 크기₀ 순서이지만 방출 물질마다 유의한 차이가 있으며 동일한 물질의 결정면마다 차이가 있을 수 있다.적어도 질적으로 이러한 실험적인 차이는 θ의_R 값의 차이로 설명될 수 있다.

상당한 혼란 이 지역의 문학에 다음 문제 때문에(1) 많은 근원 AG과 A0사이에서 일어나지만, 단지 한(그리고 때때로 이름"리처드슨 상수")무차별적으로 기호를 사용합니다.;와 이름이 존재하는 다양한(3)은 둘 다 주어진 같은 이름, 교정 요인 여기 λR에 의해 표시된 없이(2)방정식을 구분하지 않느다 존재한다.항의라도r "리처드슨 방정식", "리처드슨-더쉬만 방정식", "리처드슨-라우-더쉬만 방정식"을 포함한 이러한 방정식.문헌에서, 기본 방정식은 때때로 일반화 방정식이 더 적절한 상황에서 제시되며, 그것 자체가 혼란을 야기할 수 있다.오해를 피하기 위해, "A-like" 기호의 의미는 항상 관련된 보다 근본적인 수량의 관점에서 명확하게 정의되어야 한다.

지수 함수 때문에 kT가 W보다 작을 때 전류는 온도에 따라 빠르게 증가합니다(기본적으로 모든 물질에서 용융은 kT = W보다 훨씬 전에 발생합니다).

열전자 방출법은 최근 다양한 모델의 ^[14][15][16]2D 재료에 대해 개정되었다.

쇼트키 방출

이 기사는 숏키 효과와 모순되는 것으로 보인다. 링크된 토크 페이지에서 토론을 참조하십시오. (2013년 3월) (이 템플릿메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

전자방출장치, 특히 전자총에서 열전자방출체는 주변환경에 대해 음의 방향으로 치우치게 된다.이것에 의해, 이미터 표면에 매그니튜드 E의 전계가 생성됩니다.자기장이 없으면 탈출하는 페르미 준위 전자가 보는 표면 장벽은 국소적인 작업 기능과 동일한 높이 W를 가진다.전계는 표면 장벽을 δW만큼 낮추고 방출 전류를 증가시킵니다.이는 숏키 효과(Walter H. Shottky의 이름을 따서 명명됨) 또는 전계 강화 열전자 방출로 알려져 있습니다.W를 (W - δW)로 대체하여 리처드슨 방정식을 간단히 수정하여 모델링할 수 있습니다.이것은 다음과 같은 방정식을^[17][18] 제공한다.

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

$({displaystyle \Delta W=sqrt {q_{e}}^{3}E \over 4\pi \ilon _{0}}})$

여기서 δ는₀ 전기 상수(이전에는 진공 유전율이라고도 함)입니다.

이 수정된 방정식이 적용되는 전계 및 온도 영역에서 발생하는 전자 방출은 종종 쇼트키 방출이라고 불립니다.이 방정식은 약 10V⁸⁻¹ m 미만의 전계 강도에 대해 비교적 정확합니다.10 V m 이상의 전계⁸⁻¹ 강도의 경우, 이른바 Fowler-Nordheim(FN) 터널링이 상당한 방출 전류를 기여하기 시작합니다.이 상태에서 전계 강화 열전자 방출과 전계 방출의 결합 효과는 열전계 ^[19]방출에 대한 Murphy-Good 방정식으로 모델링할 수 있습니다.심지어 더 높은 필드에서는 FN 터널링이 지배적인 전자 방출 메커니즘이 되고, 이미터는 소위 "냉장 전자 방출(CFE)" 상태로 작동한다.

열전자 방출은 ^[20]빛과 같은 다른 형태의 들뜸과의 상호작용에 의해서도 강화될 수 있다.예를 들어, 열전자 변환기의 들뜬 Cs-vapour는 Cs-Rydberg 물질의 클러스터를 형성하며, 이는 수집기 방출 작업 기능을 1.5eV에서 1.0~0.7eV로 감소시킨다.Rydberg 물질의 수명이 길기 때문에 이 낮은 작업 함수는 낮은 상태로 유지되며, 이는 기본적으로 저온 변환기의 효율을 ^[21]높입니다.

광자 증강 열전자 방출

광자 강화 열전자 방출(PETE)은 스탠포드 대학의 과학자들이 개발한 공정으로 태양빛과 열을 모두 이용해 전기를 생산하고 태양광 생산 효율을 현재보다 2배 이상 높인다.공정을 위해 개발된 장치는 200°C 이상의 피크 효율에 도달하지만, 대부분의 실리콘 태양 전지는 100°C에 도달하면 비활성화됩니다.이러한 장치는 최대 800°C의 온도에 도달하는 포물선 모양의 접시 수집기에서 가장 잘 작동합니다.비록 연구팀은 개념 증명 장치에 질화 갈륨 반도체를 사용했지만, 비화 갈륨을 사용하면 장치의 효율성을 기존 ^[22][23]시스템의 거의 세 배인 55-60%로 높일 수 있고, 기존의 43% 다접합 태양 ^[24][25]전지보다 12-17% 더 높일 수 있다고 주장한다.

「 」를 참조해 주세요.

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레퍼런스

외부 링크

• 진공관이 열전자 방출에 관한 섹션과 방정식, john-a-harper.com에서 어떻게 작동하는가.
• 열전자 현상과 그것들을 지배하는 법칙, 오웬 리처드슨의 열전학 노벨 강연.nobelprize.org 를 참조해 주세요.1929년 12월 12일 (PDF)
• 학부 연구실(csbsju.edu)의 열전자 방출 방정식 도출.