Phát xạ điện tử - Lí thuyết phát xạ nhiệt điện tử

PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬPHẠM THANH TÂM...  Lực ảnh điện của Schottky: Phương trình phát xạ nhiệt điện tử của kim loại.. Định luật Richardson  Sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử p

PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ

PHẠM THANH TÂM

• Dịch tiếng anh chuyên nghành trực tuyến:

http://www.mientayvn.com/dich_tieng_anh_chu yen_nghanh.html

• Học liệu mở:

http://www.mientayvn.com/OCW/MIT/Vat_li.ht ml

 Lực ảnh điện của Schottky:

 Phương trình phát xạ nhiệt điện tử của kim loại Định luật Richardson

 Sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử phát xạ

 Ảnh hưởng của trường đối với dòng phát xạ

 Ảnh hưởng điện tích không gian với dòng phát xạ

NỘI DUNG TRÌNH BÀY:

 GIỚI THIỆU

 LÝ THUYẾT

Năm 1873: Frederick Guthrie (Anh): khi đang làm việc với các quả cầu điện tích ông phát hiện ra rằng: Quả cầu sắt mang điện tích âm khi nung nóng sẽ mất điện tích của chúng (bằng cách nào đó chúng đã bay vào không gian)

1 GIỚI THIỆU

Hiệu ứng trên đã được phát hiện lại vào ngày 13-02-1880 bởi Thomas Edison trong khi đang cố tìm lý giải nguyên nhân làm cho giá đỡ của sợi dây tóc bóng đèn lại lai bị cháy đen

+ Ông cho lá kim loại tích điện âm hơn sợi dây  không có dòng do phát xạ của lá kim loại rất thấp

+ Tiến hành ngược lại  xuất hiện dòng điện từ sợi dây đến lá kim loại

+ Ông thấy rằng dòng càng tăng khi tăng điện thế

Hiệu ứng Edison

1911: nhà vật lý người anh Owen Willans Richardson đã giải thích được hiện tượng trên và nhận giải Nobel vào năm 1928

 Hằng số Richardson

2 thông số quan trọng trong việc phát xạ nhiệt của cathode là:+ Năng lượng làm việc W ( thấp nhất có thể)

+ Nhiệt độ cathode

Ta (4.1eV, 2680K), W(4.5eV, 2860K)

Cesium (2eV, 320K), BaO có tính chất tốt hơn (1eV; 1000K) dùng để phủ lên bề mặt

2 LÝ THUYẾT

 Lực ảnh điện của Schottky (mirror-image force):

+ Kim loại chứa khoảng 1023 điện tử /cm3

+ Schottky thấy rằng có một lực tại bề mặt ngăn cản e bay ra khỏi kim loại

2

24

e F

+ Schottky giả thiết 2 lớp điện đó như

một tụ điện phẳng có khoảng cách a

+ Khi đó, cường độ trường có thể

xem như là không đổi trong

khoảng cách từ 0 đến a

2

24

 e

F

a

2 2

4

e a

a

F

2 2

4

e x

+ Công của điện tử cần để thoát

khỏi điện tử

+ Phân bố Fermi-Dirac

 Phương trình phát xạ nhiệt điện tử của kim loại

Định luật Richardson

 Xác suất lấp đầy của điện tử trong trạng thái có

mức năng lượng W, với ε F là năng lượng mức Fermi

( )

1 ( )

1

F

W kT

2( , , ,)

2 2 2

3 3

2

2( , , ,)

dv dv dv m

h

e

2 2 2

3 3

2

2( )

dv dv m

2

x x

W kT

kT

e m

kT

e m

e m

Đây chính là số điện tử có năng lượng từ Wx đến Wx+dWx từ trong kim loại đi đến

một đơn vị diện tích bề mặt trên một giây theo hướng x vuông góc với bề mặt

2 2 2

3 3

2

2( )

dv dv m

h

e

2 3

4 4

 Sự phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử phát xạ

Mục đích: xác định vận tốc của chùm điện tử sau khi phát xạ phân bố như thế nào

+ Phân bố Fermi-Dirac ( )

1 ( )

1

F

W kT

2 ( , , ,)

Và số điện tử thoát ra khỏi kim loại bằng:

 x y z

F x

2 '( , , ,)

 Ảnh hưởng của trường đối với dòng phát xạ

Độ dốc của đường thẳng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ

Do vậy, nếu muốn dòng phát xạ nhiệt tăng ta có thể không cần nung nóng cathode quá cao mà chỉ cần tăng điện thế Vb lên Điều này rất có lợi cho

các cathode không chịu được nhiệt độ cao

 Ảnh hưởng điện tích không gian với dòng phát xạ

Điện tích không gian sẽ cảm ứng những điệnt tích dương với mật độ như nhau tại 2 điện cực

m x

ε0(x) là hàm liên tục nên sẽ bằng 0 tại vị trí x) là hàm liên tục nên sẽ bằng 0 tại vị trí

Khi đtrường ngoài εB ≠ 0:

+ + + + + + + + +

m x

B



Nếu đtrường ngoài là gia tốc điện tử thì

trường tổng hợp ε(x) là hàm liên tục nên sẽ bằng 0 tại vị trí 0) vẫn có thể âm,

dương hoặc bằng 0

+ + + + + + + + +

s B

j j khi V

0

( )x



V B d

(0) 0

Trường hợp tương ứng với một giá trị V*B phân biệt VB

thành 2 miền rõ rệt

1 2

4 ( ) ( )

j r

V r

e V r m

2 2

2

2

V e

j

m d

Dạng của đường đặc trưng volt-Ampe của diod phẳng khi V B V B*

Khi j = js thì V B V B*

* 1

Độ dốc của đường đặc trưng V-A đối

với js cho trước sẽ giảm khi d tăng

Hay với js cho trước thì V*B tăng khi d

tăng

KẾT LUẬN:

+ Lực ảnh điện schottky: để phát xạ, điện tử phải thực hiện một công A ≥

W0

+ phương trinh Richardson: dòng phát xạ tỉ lệ thuận với bình phương nhiệt

độ cung cấp cho cathode

0 2

+ Dưới tác động của điện trường thi công cần thiết để điện tử phát xạ giảm