TIỂU LUẬN PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ GVHD : GS TS. Lê Văn Hiếu HVTH : Phạm Văn Thịnh MÔN : ĐIỆN TỬ HỌC PHÁT XẠ 2 I. GIỚI THIỆU: • Phát xạ nhiệt điện tử là gì? Là sự phát xạ của điện tử từ kim loại hay vật thể đƣợc đốt nóng. • Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi Frederick Guthrie. Khi ông đang nghiên cứu các vật thể mang điện tích , ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện tích. Ông cũng tìm thấy hiện tượng tương tự đối với các quả cầu mang điện tích âm. • Hiện tƣợng phát xạ nhiệt điện tử đƣợc dùng làm cathode (Thƣờng là W tinh khiết) phát điện tử trong một số dụng cụ điện tử.Loại cathode hiệu dụng hơn là cathode màng mỏng, bán dẫn, cathode oxide II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • 1. CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 2. PT PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ • 4. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 5. CATHODE MÀNG MỎNG - PHƢƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT 4 1. CƠ CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Kim loại không bị đốt nóng  kim loại không phát xạ điện tử  có lực cản tác động lên điện tử khi bay ra khỏi kim loại. • Lực ảnh điện: x >> hằng số mạng C + − x x Hình : Sự thành lập lực ảnh điện ở bề mặt kim loại (1) 4x e F 2 2 2  5 Khi điện tử bay ra khỏi lớp biên kim loại, nó bị kéo lại bởi lực ảnh điện này (xảy ra cả ở 0 o K)  Trên biên kim loại thành lập 2 lớp điện: - Lớp biên của mạng. - Lớp điện tử. • Schottky: – 1 tụ điện phẳng có khoảng cách a – Cƣờng độ trƣờng từ 0 đến a không đổi • Langmuir: – Dựa vào lý thuyết kim loại cổ điển: bên trong kim loại lực F=0 … 0 x c a F F c 1 2 2 2 4a e 2 2 4x e Hình : Sơ đồ biến đổi lực tác động lên điện tử ở bề mặt kim loại. 1 – Theo Schottky 2 – Theo Langmuir 6 (3) 2a e 4a e 4a e dx 4x e dx 4a e FdxW 2 2 2 2 2 a 2 2 0 2 2 0 0    • Schottky: – Lực trong khoảng 2 lớp điện: – Công thoát toàn phần của điện tử: • Langmuir: – Lực t/d lên điện tử ở giữa 2 lớp điện: F 1 = F c – k(x – c) 2 (4) Thỏa: x = 0 thì F 1 =0 x = a thì – Công điện tử cần thiết để vƣợt qua 2 lớp điện cũng là:  Công thoát toàn phần của điện tử:     (5) 2a e dx 4x e dx cxkFFdxW 2 a 2 2 a 0 2 c 0 0    (2) 4a e F 2 2 1  2 2 1 4a e F  2 2 4a e 7 • Mặc dù W 0 của 2 giả thiết trên bằng nhau nhƣng dạng hàng rào thế năng khác nhau. • W 0 đƣợc tính bằng phƣơng pháp nhiễu xạ trên mạng tinh thể. • Ở 0 o K, ε << W 0  Để phát xạ đƣợc cần cung cấp 1 năng lƣợng bổ sung: Φ 0 = W 0 – ε ; Φ 0 : công thoát hiệu dụng của điện tử. 2 1 0 a x W 1 W 2 W 0 T = 0 o K T < 0 o K dW dn W Hình 3.4: Hàng rào thế năng trên bề mặt kim loại 1 – Theo Schottky 2 – Theo Langmuir 8 2. PHƢƠNG TRÌNH PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Số điện tử đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s là: d(v x ,v y ,v z ) = v x dn(v x ,v y ,v z ) (6) với v x : thành phần vận tốc có hƣớng vuông góc với bề mặt kim loại. • Điều kiện điện tử thoát ra khỏi kim loại: • Từ phân bố thống kê Fermi Dirac của điện tử theo năng lƣợng, ta suy ra phân bố của điện tử theo vận tốc: • từ (6)  (7) W 2 mv 0 2 x    (8) 1e dvdvdv h 2m v,v,vdn kT εW zyx 3 3 zyx      (9) 1e dvdvdv v h 2m v,v,vdν kT εW zyx x 3 3 zyx    9 • Theo CHLT phải có hệ số truyền qua D: – D=f(W) khó tính tích phân – dễ tính tích phân hơn, ta đƣợc số điện tử thoát ra khỏi kim loại: • Mật độ dòng phát xạ: •  • Hay • dN(W x ): số điện tử có năng lƣợng trong khoảng (W x , W x +dW x ) từ trong kim loại đi đến 1 đơn vị diện tích bề mặt của nó trong 1s. D (10) 1e dvdvdv v h 2m Dν 1 v - kT εW zyx x 3 3 e         (11) 1e dvdvdv v h 2m eDeνj 1 v - kT εW zyx x 3 3 e         (12) dWe1lnkT h e m 4 Dj x W kT εW 3 0 x              (13) )dN(WeDj 0 W x    10 • Theo các tính toán: và W x ≥ W 0 nên: • Tính gần đúng: •  Đây là PT PXNĐT đối với kim loại của Richardson – (A.m -2 độ -2 ) là hằng số – Khác nhau đối với các kim loại khác nhau. 20 kT εW 0   1ee kT εW kT εW 0 x    (14) ee1ln kT εW kT εW xx               (15) h mek4 Dj 0 2 0 2 3 2 kTkT W eTDAeT x       3 2 0 h k e m 4π A  DAA 0  [...]... x du y du z (21) • Hàm phân bố theo vận tốc của nhiệt điện tử phát xạ: dn u x , u y , u z   LDe L  Ce  W0 kT   m u 2 u 2 u 2 x y z kT  du x du y du z (22) D  Wepx 13 4 ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Thí nghiệm: dòng phát xạ nhiệt điện tử j tăng khi tăng điện trƣờng ở bề mặt catod • Công của điện tử để chống lại lực cản F2:  A 0   F2 (x)dx (23) b... nghiệm Nếu Ek ≈ 3.106 V.cm-1: quá lớn => xuất hiện phát xạ mới: phát xạ tự động Vb 18 5 CATHODE MÀNG MỎNG - PHƢƠNG PHÁP LÀM GIẢM CÔNG THOÁT • Từ công thức dòng phát xạ nhiệt điện tử j ta thấy chỉ cần 1 biến đổi nhỏ công thoát hiệu dụng ϕ0 có thể làm biến đổi dòng j rất lớn • Ví dụ phủ một màng mỏng Cs, Ba, hay Th lên cathode W, thì khả năng phát xạ điện tử sẽ tăng -> Hiện tƣợng giảm công thoát của cathode... dƣơng hay một lớp nguyên tử bị phân cực dipole Hai lớp điện gần kề bề mặt cathode, đƣợc thành lập bởi dipole điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trƣờng gia tốc điện hay bởi lớp ion sẽ gây nên điện trƣờng gia tốc, điện trƣờng này sẽ giảm hàng rào thế năng 19 ở bề mặt kim loại Lực tác động lên điện tử trong lớp điện: E  4 F  eE  4nm e 2 nm mật độ nguyên tử phân cực; σ :mật độ điện tích bề mặt Làm... (23) b b: khoảng cách nào đó bên trong kim loại mà ở đó F2=0 • Khi có điện trƣờng ngoài E theo hƣớng gia tốc điện tử  điện tử bị kéo ra khỏi bề mặt với 1 lực: F’ = qE = eE 14 •  Lực cản tác động lên điện tử ngoài kim loại là: F(x) = F2(x) – eE (24)  x < xk : F(x)>0: cản điện tử  x = xk F2(x)  x > xk : F(x) . DỤNG PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ GVHD : GS TS. Lê Văn Hiếu HVTH : Phạm Văn Thịnh MÔN : ĐIỆN TỬ HỌC PHÁT XẠ 2 I. GIỚI THIỆU: • Phát xạ nhiệt điện tử là gì? Là sự phát xạ của điện tử từ. CHẾ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 2. PT PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI • 3. SỰ PHÂN BỐ THEO VẬN TỐC CỦA NHIỆT ĐIỆN TỬ • 4. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ. 4. ẢNH HƢỞNG CỦA ĐIỆN TRƢỜNG LÊN PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ CỦA KIM LOẠI: • Thí nghiệm: dòng phát xạ nhiệt điện tử j tăng khi tăng điện trƣờng ở bề mặt catod. • Công của điện tử để chống lại lực