利用者:加藤勝憲/「エジソン効果」を充実させるための翻訳。

低圧水銀ガス放電ランプのフィラメントのクローズアップで、コイルの中央部分に白い熱電子放出ミックス・コーティングが見られる。一般的にバリウム、ストロンチウム、カルシウムの酸化物の混合物でできており、通常の使用でコーティングは微細粒子が放出・除去され、最終的にランプの故障につながる。

One of the bulbs with which Edison discovered thermionic emission. It consists of an evacuated glass light bulb containing a carbon filament (hairpin shape), with an additional metal plate attached to wires emerging from the base. Electrons released by the filament were attracted to the plate when it had a positive voltage.

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「エジソン効果」に熱電子放出に関する情報が少なかったので、mergeするつもりでこの翻訳を始めたが、逆に、この記事を「熱電子放出」として立項し「エジソン効果」を包摂するのがよさそうである。

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熱電子放出とは、電極の温度によって電極から電子が放出されることである (熱によって供給されるエネルギーが放出される)。これは、電荷キャリアに与えられた熱エネルギーが材料の仕事関数を上回るために発生する。電荷担体は電子またはイオンであり、古い文献では熱電子と呼ばれることがある。放出後、放出された総電荷と大きさが等しく、符号が反対の電荷が最初に放出領域に残される。しかし、エミッターがバッテリーに接続されている場合、放出された電荷キャリアがエミッターから遠ざかるにつれて、残された電荷はバッテリーによって供給される電荷によって中和され、最終的にエミッターは放出前と同じ状態になる。

熱電子放出の古典的な例は、真空管内の熱陰極から真空への電子の放出である。熱陰極は、金属フィラメント、コーティングされた金属フィラメント、または金属、遷移金属の炭化物またはホウ化物からなる別個の構造とすることができる。金属からの真空放出は、1,000 K（730 °C）を超える温度でのみ顕著になる傾向がある。

このプロセスは、さまざまな電子デバイスの動作において非常に重要であり、発電（熱電子変換器や電気力学的テザーなど）または冷却に使用できる。電荷の流れの大きさは、温度の上昇とともに劇的に増加する。

「熱電子放出」という用語は、電荷が 1 つの固体領域から別の固体領域に放出される場合でも、熱的に励起された電荷放出プロセスを指すためにも使用されるようになった。

歴史

The Edison effect in a diode tube. A diode tube is connected in two configurations; one has a flow of electrons and the other does not. (The arrows represent electron current, not conventional current.)

電子は 1897年のJ.J. トムソンの研究まで独立した物理的粒子として識別されなかったため、この日付以前に行われた実験について議論する際に「電子」という言葉は使用されなかった。

この現象は、1853年にアレクサンドル・エドモン・ベクレルによって最初に報告された。 1873年にイギリスでフレデリック・ガスリーによって再発見された。ガスリーは、帯電した物体の研究を行っているときに、負の電荷を持つ真っ赤な鉄球が (どういうわけか空気中に放電することによって) 電荷を失うことを発見した。彼はまた、球が正の電荷を持っている場合、これが起こらないことを発見した。その他の初期の貢献者には、ヨハン ヴィルヘルム ヒトトルフ(1869–1883)、オイゲン ゴールドスタイン(1885) 、およびユリウス エルスターとハンス フリードリッヒ ガイテル(1882–1889) が含まれる。

この効果は、1880年2月13 日にトーる・エジソンによって再び再発見された。彼は、白熱灯の電球のランプ フィラメントの破損と不均一な黒化 (フィラメントのプラス端子の近くが最も暗い) の理由を発見しようとしていたときである。

エジソンは、電球の内部に追加のワイヤー、金属板、またはホイルを備えた実験的なランプ電球をいくつか作成した。これらはフィラメントから分離されているため、電極として機能できる。彼は、電流 (電荷の流れ) を測定するために使用される装置である検流計を、余分な金属電極の出力に接続した。箔がフィラメントに対して負の電位に置かれた場合、フィラメントと箔の間に測定可能な電流はありませんでした。フォイルがフィラメントに対して正の電位に上げられたとき、フィラメントが十分に加熱されていれば（それ自体の外部電源によって）、真空を介してフィラメントとフォイルの間にかなりの電流が流れる可能性がある。

フィラメントが電子を放出していたことがわかりた。電子は正に帯電した箔に引き寄せられたが、負に帯電した箔には引き付けられませんでした。この一方向電流は、エジソン効果と呼ばれていた (ただし、この用語は、熱電子放出自体を指すために使用されることもある)。彼は、熱フィラメントによって放出される電流が電圧の増加とともに急速に増加することを発見し、1883年11月15 日にこの効果を利用した電圧調整装置の特許を出願した (米国特許 307,031、電子機器に関する最初の米国特許)。デバイス）。彼は、電信音響器を操作するのに十分な電流がデバイスを通過することを発見した。これは 1884年9月にフィラデルフィアで開催された国際電気博覧会に出品された。英国の科学者であるウィリアム・プリースは、エジソン効果の電球をいくつか持ち帰りった。彼は 1885年にそれらに関する論文を発表し、そこで熱電子放出を「エジソン効果」と呼んだ。イギリスの「無線電信」会社で働いていたイギリスの物理学者ジョン・アンブローズ・フレミングは、エジソン効果を電波の検出に利用できることを発見した。フレミングは、1904年11月16 日に特許を取得したダイオードとして知られる 2 要素の真空管を開発し続けた。

熱電子ダイオードは、部品を動かすことなく熱差を直接電力に変換するデバイスとして構成することもできる (熱電子変換器、熱機関の一種)。

リチャードソンの法則

JJ トムソンが 1897年に電子を発見した後、英国の物理学者オーウェン ウィランス リチャードソンは、後に「熱電子放出」と呼ばれるトピックに取り組み始めた。彼は、1928年に「熱電子現象に関する研究と、特に彼にちなんで名付けられた法則の発見に対して」ノーベル物理学賞を受賞した。

バンド理論から、原子から原子へ自由に移動できる固体内の原子ごとに 1 つまたは 2 つの電子がある。これを総称して「電子の海」と呼ぶことがある。それらの速度は、均一ではなく、統計的な分布に従いる。電子は、引き戻されることなく金属を出るのに十分な速度を持つ場合がある。電子が表面を離れるのに必要なエネルギーの最小量は、仕事関数と呼ばれる。仕事関数は材料の特性であり、ほとんどの金属では数電子ボルトのオーダーである。熱電子電流は、仕事関数を減少させることによって増加させることができる。このしばしば望まれる目標は、ワイヤにさまざまな酸化物コーティングを適用することで達成できる。

1901年、リチャードソンは彼の実験結果を発表した。加熱されたワイヤからの電流は、アレニウスの式に似た数学的形式で、ワイヤの温度に指数関数的に依存するように見えた。 後に、彼は放出法則が数学的形式を持つべきであると提案した。

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

ここで、 Jは放出電流密度、 Tは金属の温度、 Wは金属の仕事関数、 kはボルツマン定数、 _AGは次に説明するパラメータである。

1911年から 1930年にかけて、金属中の電子の挙動に関する物理的理解が_深まるにつれて、リチャードソン、ソール ダッシュマン、ラルフ H. ファウラー、アーノルド ゾンマーフェルド、およびローター・ヴォルフガング・ノルトハイム。 60年以上経った今でも、関心のある理論家の間でA _Gの正確な表現についてのコンセンサスは得られていないが、 A _Gを

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

ここで、 λ _Rは材料固有の補正係数で、通常は 0.5 のオーダーであり、 A ₀はで与えられる普遍的な定数である。

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

ここで、 mと$-q_{e}$はそれぞれ電子の質量と電荷であり、 hはプランク定数である。

実際、1930年頃までに、電子の波のような性質のために、放出電子の一部r _avがエミッタ表面に到達する際に反射され、放出電流密度が減少し、 λ _Rの値は (1- r _av ) になる。したがって、次の形式で記述された熱電子放出方程式が時々見られる。

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

ただし、Modinos による最新の理論的処理では、発光材料のバンド構造も考慮に入れる必要があると想定している。これにより、2 番目の補正係数λ _Bがλ _Rに導入され、次のようになる。 $A_{\mathrm {G} }=\lambda _{\mathrm {B} }(1-r_{\mathrm {av} })A_{0}$ . 「一般化された」係数Ａ _Ｇの実験値は、一般にＡ _０の大きさのオーダであるが、異なる発光材料間で大きく異なり、同じ材料の異なる結晶面間で異なる可能性がある。少なくとも質的には、これらの実験上の違いは、 λ _Rの値の違いによるものとして説明できる。

(1) 多くの情報源はA _GとA ₀を区別せず、無差別に記号A (そして時には「リチャードソン定数」という名前) を使用する。 (2) ここでλ _Rで示される補正係数を含む式と含まない式には、両方とも同じ名前が付けられる。 (3) これらの方程式には、「リチャードソン方程式」、「Dushman 方程式」、「Richardson-Dushman 方程式」、「Richardson-Laue-Dushman 方程式」など、さまざまな名前が存在する。文献では、一般化された方程式がより適切な状況で初等方程式が与えられることがあり、これ自体が混乱を引き起こす可能性がある。誤解を避けるために、「A のような」記号の意味は、関係するより基本的な量に関して常に明示的に定義する必要がある。

kTがWより小さい場合、電流は温度とともに指数関数的に急速に増加する（本質的にすべての材料について、融解はkT = Wのかなり前に発生する）。

最近、さまざまなモデルの 2D 材料の熱電子放出則が改訂された。

ショットキー放出

→詳細は「Schottky effect」を参照

Schottky-emitter electron source of an electron microscope

電子放出デバイス、特に電子銃では、熱電子放出器は周囲に対して負にバイアスさる。これにより、エミッタ表面に大きさEの電界が発生する。電界がなければ、逃げるフェルミ準位電子によって見られる表面障壁は、局所仕事関数に等しい高さWを持ちる。電場は、量Δ Wだけ表面障壁を低下させ、放出電流を増加させる。これは、ショットキー効果( Walter H. Schottkyにちなんで名付けられた) または電界増強熱イオン放出として知られている。 Wを ( W − Δ W )。これにより、式 が得られる。

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

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

ここで、 ε ₀は電気定数 (以前は真空誘電率とも呼ばれていた) である。

この修正された方程式が適用される電界と温度の体制で起こる電子放出は、ショットキー放出と呼ばれることがよくある。この式は、電界強度が約 10 ⁸ V 未満の場合に比較的正確である。 ｍ ^−１ ． 10 ⁸ Vを超える電界強度の場合 ｍ ^−１ 、いわゆるファウラー・ノルドハイム（ＦＮ）トンネリングが顕著な放出電流に寄与し始める。この体制では、電界増強熱イオンと電界放出の複合効果は、熱電界 (TF) 放出のマーフィー・グッド方程式によってモデル化できる。 さらに高い電界では、FN トンネリングが支配的な電子放出メカニズムになり、エミッターはいわゆる「冷電界電子放出 (CFE)」領域で動作する。

熱電子放出は、光などの他の形態の励起との相互作用によっても強化できる。 たとえば、熱電子変換器で励起された Cs 蒸気は、Cs-リュードベリ物質のクラスターを形成し、コレクター放出仕事関数を 1.5 eV から 1.0 ～ 0.7 eV に減少させる。リュードベリ物質の長寿命の性質により、この低い仕事関数は低いままであり、本質的に低温コンバーターの効率を高める。

ここで、ε0 は電気定数（以前は真空誘電率とも呼ばれた）である。 この修正方程式が適用される電界と温度の領域で起こる電子放出は、しばしばショットキー放出（エジソン効果#ショットキーエミッション）と呼ばれる。この方程式は、電界強度が約108 V m-1より低い場合には比較的正確である。108 V m-1より高い電界強度では、いわゆる電界放出（FN）トンネリングが重要な発光電流に寄与し始める。この領域では、電界増強熱電子放出と電界放出の複合効果は、熱電界（T-F）放出のマーフィー-グッド方程式によってモデル化することができる。さらに高電界では、FNトンネリングが支配的な電子放出機構となり、エミッタはいわゆる「冷電界電子放出（CFE）」領域で動作する。

Electron emission that takes place in the field-and-temperature-regime where this modified equation applies is often called Schottky emission. This equation is relatively accurate for electric field strengths lower than about 10⁸ V  m⁻¹. For electric field strengths higher than 10⁸ V m⁻¹, so-called Fowler-Nordheim (FN) tunneling begins to contribute significant emission current. In this regime, the combined effects of field-enhanced thermionic and field emission can be modeled by the Murphy-Good equation for thermo-field (T-F) emission. At even higher fields, FN tunneling becomes the dominant electron emission mechanism, and the emitter operates in the so-called "cold field electron emission (CFE)" regime.

光子増強熱電子放出

光子増強熱電子放出 (PETE) は、スタンフォード大学の科学者によって開発されたプロセスであり、太陽の光と熱の両方を利用して発電し、太陽光発電の効率を現在のレベルの 2 倍以上に高める。プロセス用に開発されたデバイスは、200 を超えるピーク効率に達する °C、ほとんどのシリコン太陽電池は 100 に達すると不活性になる ℃。このような装置は、800 までの温度に達するパラボラ ディッシュコレクターで最もよく機能する。 ℃。チームは概念実証デバイスで窒化ガリウム半導体を使用したが、ガリウム砒素を使用すると、デバイスの効率を既存のシステムのほぼ 3 倍の 55 ～ 60 パーセントに高めることができると主張している および既存の 43% 多接合太陽電池より12 ～17% 多い。

参照

• スペース電荷

外部リンク

• 真空管が実際にどのように熱電子放出のセクションで機能するか、方程式を使用して、john-a-harper.com.
• Thermionic Phenomena and the Laws that Govern Them 、熱電子工学に関するオーウェン・リチャードソンのノーベル講演。 nobelprize.org. 1929年12月12 日。 (PDF)
• 学部の研究室 csbsju.edu からの熱イオン放出方程式の導出。

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