In der Halbleiterphysik ist die Arbeitsfunktion die minimale Energie (gewöhnlich gemessen in Elektronvolt) musste ein Elektron von einem Festkörper bis einen Punkt sofort außerhalb der festen Oberfläche entfernen (oder Energie musste ein Elektron vom Niveau von Fermi ins Vakuum bewegen). Hier "sofort" bedeutet, dass die Endelektronposition von der Oberfläche auf der Atomskala, aber noch in der Nähe vom Festkörper auf der makroskopischen Skala weit ist. Die Arbeitsfunktion ist ein charakteristisches Eigentum für jede feste Phase einer Substanz mit einem Leitungsband (entweder leer oder teilweise gefüllt). Für ein Metall ist das Niveau von Fermi innerhalb des Leitungsbandes, anzeigend, dass das Band teilweise gefüllt wird. Für einen Isolator liegt das Niveau von Fermi innerhalb der Band-Lücke, ein leeres Leitungsband anzeigend; in diesem Fall ist die minimale Energie, ein Elektron zu entfernen, über die Summe der Hälfte der Band-Lücke und der Elektronsympathie.

Fotoelektrische Arbeitsfunktion

Die Arbeitsfunktion ist die minimale Energie, die einem Elektron gegeben werden muss, um sie von der Oberfläche einer besonderen Substanz zu befreien. In der fotoelektrischen Wirkung wird Elektronerregung durch die Absorption eines Fotons erreicht. Wenn die Energie des Fotons größer ist als die Arbeitsfunktion der Substanz, kommt fotoelektrische Emission vor, und das Elektron wird von der Oberfläche befreit. Überfoton-Energie läuft auf ein befreites Elektron mit der kinetischen Nichtnullenergie hinaus. Die fotoelektrische Arbeitsfunktion ist:

:

wo die Konstante von Planck ist und die minimale (schwellen)-Frequenz des Fotons ist, das erforderlich ist, fotoelektrische Emission zu erzeugen.

Thermionische Arbeitsfunktion

Die Arbeitsfunktion ist auch in der Theorie der thermionischen Emission wichtig. Hier gewinnt das Elektron seine Energie von der Hitze aber nicht den Fotonen. Gemäß der Gleichung von Richardson-Dushman

die ausgestrahlte aktuelle Elektrondichte, J (A/m), ist mit der absoluten Temperatur T durch die Gleichung verbunden:

:

wo W die Arbeitsfunktion des Metalls ist, ist k der Boltzmann unveränderlich und die Proportionalität, die unveränderlicher A, bekannt als die Konstante von Richardson, durch gegeben wird

:

wo M und-e die Masse und Anklage eines Elektrons sind, und h die Konstante von Planck ist.

Thermionische Emissionselektronen, die dem erhitzten negativ beladenen Glühfaden (heiße Kathode) entfliehen - sind in der Operation von Vakuumtuben wichtig.

Wolfram, die allgemeine Wahl für Vakuumtube-Glühfäden, hat eine Arbeitsfunktion von etwa 4.5 eV. verschiedenen

Oxydüberzüge können das wesentlich reduzieren.

Freies Elektrongasmodell

Hier wird hinsichtlich des Bodens des Potenzials definiert, so, und die Arbeitsfunktion W ist

die Energie, die erforderlich ist, das Elektron im Fermi Niveau zu vertreiben.]]

Im freien Elektron modellieren die Wertigkeitselektronen wandern frei (Nullkraft) innerhalb des Metalls, aber finden

ein Begrenzen-Potenzial-Schritt an der Grenze des Metalls. Im Boden-Staat des Systems, setzt fest

mit der Energie weniger als das Fermi Niveau werden besetzt, und Staaten über dem Fermi Niveau werden nicht besetzt. Die Energie

erforderlich, um ein Elektron im Fermi Niveau zu befreien, ist die Arbeitsfunktion. Wenn, als im Diagramm-Recht, wir definieren

die Fermi Energie vom Boden so, die Ergebnisse haben in der Seite von Wiki Fermi Energie gemeldet

sind

anwendbar. Jedoch gewöhnlich wird in der Fermi Energie zur Energienull Verweise angebracht: das des niedrigsten Energieelektrons

frei vom Metall. In diesem Fall würde die Fermi Energie einen negativen Wert haben (d. h. das Fermi Niveau liegt

unter denjenigen von entkommenen Elektronen) (aber sieh unten).

Arbeitsfunktionstendenzen

Die thermionische Arbeitsfunktion hängt von der Orientierung des Kristalls ab und wird dazu neigen, für Metalle mit einem offenen Gitter kleiner, für Metalle größer zu sein, in denen die Atome nah gepackt sind. Die Reihe ist ungefähr 1.5-6 eV. Es ist auf dichten Kristallgesichtern etwas höher als offene.

Arbeitsfunktion und Oberflächenwirkung

Die Arbeitsfunktion W eines Metalls ist nah mit seiner Energie von Fermi verbunden (hat definiert

hinsichtlich der niedrigsten Energie freie Partikel: Die Null im obengenannten Diagramm) noch sind die zwei Mengen nicht genau dasselbe. Das ist wegen der Oberflächenwirkung eines wirklichen Festkörpers: Ein wirklicher Festkörper wird mit Elektronen und Ionen ziemlich begrenzt erweitert, die wiederholt jede primitive Zelle über alle Gitter-Seiten von Bravais füllen. Keiner kann derjenige, einfach eine Reihe von Gitter-Seiten von Bravais innerhalb des geometrischen Gebiets V einbeziehen, den der Festkörper besetzt und dann füllen Sie unverzerrten Anklage-Verteilungsschlüssel in alle primitiven Zellen dessen. Tatsächlich wird der Anklage-Vertrieb in jenen Zellen in der Nähe von der Oberfläche bedeutsam davon in einer Zelle eines idealen unendlichen Festkörpers verdreht, auf einen wirksamen Oberflächendipolvertrieb, oder, manchmal sowohl ein Oberflächendipolvertrieb als auch ein Flächenladungsvertrieb hinauslaufend.

Es kann bewiesen werden, dass, wenn wir Arbeitsfunktion definieren, weil die minimale Energie ein Elektron zu einem Punkt sofort aus dem Festkörper entfernen musste, kann die Wirkung des Flächenladungsvertriebs vernachlässigt werden, nur den Oberflächendipolvertrieb verlassend. Lassen Sie den potenziellen Energieunterschied über die Oberfläche wegen des wirksamen Oberflächendipols sein. Und lassen Sie, die Energie von Fermi zu sein, die für den begrenzten Festkörper berechnet ist, ohne Oberflächenverzerrungswirkung zu denken, wenn sie die Tagung nimmt, dass das Potenzial daran Null ist. Dann ist die richtige Formel für die Arbeitsfunktion:

W = - E_F +W_S \;

</Mathematik>

Wo negativ ist, was bedeutet, dass Elektronen im Festkörper gebunden werden.

Anwendungen

In der Elektronik ist die Arbeitsfunktion für das Design des Metallhalbleiter-Verbindungspunkts in Dioden von Schottky und für das Design von Vakuumtuben wichtig. Der Arbeitsfunktionsunterschied zwischen Metall und Silikon in einem MOS Kondensator ist mit der flach-bändigen Stromspannung verbunden (d. h. die Stromspannung, die Nullnettoanklage im zu Grunde liegenden Halbleiter veranlasst), und die gleichwertige Oxydanklage pro Einheitsgebiet an der Oxydsilikonschnittstelle durch

.

Maß

Viele Techniken sind gestützt auf verschiedenen physischen Effekten entwickelt worden, die elektronische Arbeitsfunktion einer Probe zu messen. Man kann zwischen zwei Gruppen von experimentellen Methoden für Arbeitsfunktionsmaße unterscheiden: absolut und relativ.

Methoden der ersten Gruppe verwenden Elektronemission von der Probe, die durch die Foton-Absorption (Photoemission), durch die hohe Temperatur (thermionische Emission), wegen eines elektrischen Feldes (Feldelektronemission), oder das Verwenden des Elektrontunnelbaues veranlasst ist.

Alle Verhältnismethoden machen vom Kontakt-Potenzial-Unterschied zwischen der Probe und einer Bezugselektrode Gebrauch. Experimentell wird entweder ein Anode-Strom einer Diode verwendet oder der Versetzungsstrom zwischen der Probe, und Verweisung, die durch eine künstliche Änderung in der Kapazität zwischen den zwei geschaffen ist, wird (die Methode von Kelvin Probe, das Untersuchungskraft-Mikroskop von Kelvin) gemessen.

Auf der Photoemission basierte Methoden

Photoelektronemissionsspektroskopie (PES) ist der allgemeine Begriff für spektroskopische auf der fotoelektrischen Außenwirkung gestützte Techniken. Im Fall von Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) wird die Oberfläche einer festen Probe mit dem ultravioletten (UV) Licht bestrahlt, und die kinetische Energie der ausgestrahlten Elektronen wird analysiert. Da UV Licht elektromagnetische Radiation mit einer Energie tiefer ist als 100 eV, ist es im Stande, hauptsächlich Wertigkeitselektronen herauszuziehen. Wegen Beschränkungen der Flucht-Tiefe von Elektronen in Festkörpern ist USV wirkliche empfindliche Oberfläche, wie die Informationstiefe im Rahmen 2 - 20 Monoschichten (1-10 nm) ist. Das resultierende Spektrum widerspiegelt die elektronische Struktur der gebenden Beispielauskunft über die Dichte von Staaten, den Beruf von Staaten und die Arbeitsfunktion.

Auf der thermionischen Emission basierte Methoden

Die Verzögern-Diode-Methode ist eine der einfachsten und ältesten Methode, Arbeitsfunktionen zu messen. Es basiert auf der thermionischen Emission von Elektronen von einem Emitter. Die aktuelle Dichte der durch die Probe gesammelten Elektronen hängt von der Arbeitsfunktion der Probe ab und wird durch die Gleichung von Richardson-Dushman gegeben, wo, der unveränderliche Richardson, eine spezifische materielle Konstante ist. Die aktuelle Dichte nimmt schnell mit der Temperatur zu und nimmt exponential mit der Arbeitsfunktion ab. Änderungen der Arbeitsfunktion können durch die Verwendung eines Verzögern-Potenzials zwischen der Probe und dem Elektronemitter leicht bestimmt werden; wird durch in der obengenannten Gleichung ersetzt. Der Unterschied im am unveränderlichen Strom gemessenen Verzögern-Potenzial ist zur Arbeitsfunktionsänderung gleichwertig, annehmend, dass die Arbeitsfunktion und die Temperatur des Emitters unveränderlich sind.

Man kann die Gleichung von Richardson-Dushman direkt verwenden, um die Arbeitsfunktion durch die Temperaturschwankung der Probe ebenso zu bestimmen. Umordnen der Gleichungserträge. Die erzeugte Linie durch das Plotten dagegen wird einen Hang des Erlaubens haben, die Arbeitsfunktion der Probe zu bestimmen.

Elektronarbeitsfunktionen von Elementen

Einheiten: EV-Elektronvolt

Verweisung: CRC Handbuch auf der Chemie- und Physik-Version 2008, p. 12-114.

Zeichen: Arbeitsfunktion kann sich für kristallene auf der Orientierung gestützte Elemente ändern. Zum Beispiel Ag:4.26, Ag (100):4.64, Ag (110):4.52, Ag (111):4.74. Reihen für typische Oberflächen werden im Tisch unten gezeigt.

Siehe auch

• Elektronsympathie

Weiterführende Literatur

Für eine schnelle Verweisung auf Werte der Arbeitsfunktion der Elemente:

Außenverbindungen

• Arbeitsfunktion von polymeren Isolatoren (Tabelle 2.1)
• Arbeitsfunktion von lackiertem und Diamantkohlenstoff
• Arbeitsfunktionen von allgemeinen Metallen
• Arbeitsfunktionen von verschiedenen Metallen für die fotoelektrische Wirkung

*Some der auf diesen Seiten verzeichneten Arbeitsfunktionen stimmen nicht zu! *