Контактные явления на границе металл-металл

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Институт электронных и информационных систем

 

Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»

 

                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: ” Контактные явления на границе металл-металл”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Руководитель 

                                                                  __________

“____” __________2014 г.

 

                                                                Студент группы 

_________

                                                                            “____” ________2014 г.

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………….……….….3

 

1.Энергетическая диаграмма электронов в металле…………………4

2.Контакт двух разнородных металлов……………………………….5

3.Возникновение внутренней контактной разности потенциалов…. 6

 

4.Возникновение внешней контактной разности потенциалов……...7

Список литературы……………………………………………………..8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов (рис. 1).      

Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работ выхода электронов из металлов. Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела. Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный.

Рис. 1      

Это явление наблюдалось итальянским физиком Александро Вольта (1745 – 1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта.      

1. На контакте двух разных металлов возникает разность потенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев.      

2. Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре.

 

 

 

 

1.Энергетическая диаграмма электронов в металле.

 
Электроны проводимости в металле рассматриваются как вырожденный идеальный газ–Ферми, находящийся в потенциальном поле, вид которого можно аппроксимировать потенциальной «ямой» с плоским дном. За нулевую энергию выбирается энергия покоящегося свободного электрона вне металла. Соответственно, вне заряженного проводника потенциал электрического поля равен нулю  , внутри металла  , а глубина потенциальной «ямы» равна  , где   – заряд электрона. Таким образом, потенциальная энергия электрона внутри металла отрицательная. На рисунке  2. энергетические уровни электронов Ферми – газа обозначены тонкими горизонтальными линиями, начинающимися при   и заполняющие интервал энергий от дна потенциальной ямы до уровня Ферми  .

 

Рисунок 2. – Энергетическая диаграмма электронов в металле

 
Работа, которую нужно совершить, чтобы вырвать электрон из металла, называется работой выхода  . Работа выхода имеет величину порядка нескольких эВ, зависит от рода металла и состояния его поверхности. В квантовой теории твердого тела работа выхода отсчитывается от верхнего занятого электронами уровня Ферми:   (см. рисунок 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Контакт двух разнородных металлов.

 
 
Рисунок 3. – Энергетические диаграммы электронов двух разнородных металлов до соединения

 
Рассмотрим два разнородных металла, отличающихся работами выхода   и   и уровнями Ферми   и  . Пусть для определенности   и в металле (1) заполнены более высокие энергетические уровни, чем в металле (2). Вначале металлы разведены на расстояние во много раз превышающее период кристаллической решетки (рисунок 3).

Если металлы привести в соприкосновение (создать контакт между ними), то электроны проводимости могут переходить из одного проводника в другой в месте контакта. Работа выхода уменьшается с увеличением энергии Ферми. Для понимания явлений в переходе металл – металл необходимо принять во внимание, что энергия Ферми зависит от концентрации свободных электронов в зоне проводимости – чем больше концентрация электронов, тем больше энергия Ферми. Это означает, что при образовании перехода на границе «металл – металл» концентрация свободных электронов по разные стороны границы различна – она больше со стороны металла (1) с большей энергией Ферми. Изменение концентрации электронов от   до   происходит в некоторой области   вблизи границы раздела между металлами, которая называется переходным слоем (рисунок 4). Изменение потенциала электрического поля на переходе показано на рисунке 5. 
В процессе образования перехода энергии Ферми в металлах на границе изменяются. Металл с большей энергией Ферми заряжается положительно, и, следовательно, работа выхода из этого металла увеличивается.

 
Рисунок 4. –  Образование зарядов по разные стороны границы перехода. 
Изменение концентрации свободных электронов в области  перехода

 

 
 
Рисунок 5. – Изменение потенциала электрического поля в области перехода.

 

3.Возникновение внутренней контактной разности потенциалов.

 
В состоянии равновесия энергии Ферми в обоих металлах становятся равными. Это утверждение является очевидным. Электрические потенциалы по разные стороны перехода различны, а в переходе возникает электрическое поле. Уравнивание энергий Ферми является важнейшим фактором, определяющим характер процессов в переходе (рисунок 6). 
Разность потенциалов  контактирующих металлов называется внутренней контактной разностью потенциалов, она определяется с достаточно большой точностью соотношением:  
.  
Можно выразить контактную разность потенциалов через концентрацию электронов в зоне проводимости первого и второго металлических проводников: 
. 
Изменение потенциала от   до   происходит внутри очень тонкого контактного слоя толщиной  .

 
 
Рисунок 6. – Возникновение контактной разности потенциалов на переходе.

 

4.Возникновение внешней контактной разности потенциалов.

 
Потенциалы   и   электрических полей вблизи поверхностей контактирующих металлов не одинаковы. Это связано с тем, что приграничная область металла 1 заряжается положительно, и одновременно с этим происходит относительное смещение энергетических уровней электронов в контактирующих металлах: в металле 1 все уровни смещаются вниз, а в металле 2, приграничная область которого имеет отрицательный заряд, все уровни смещаются вверх. Таким образом, возникает внешняя контактная разность потенциалов, обусловленная разностью работ выхода электронов из металлов 1 и 2 (рисунок 6.): 
.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

     1. А.Ю.Бер,Ф.Е.Минскер  Сборка полупроводниковых приборов  и интегральных микросхем 1986-279с.

 

2. http://physics.sibsutis.ru
3. http://ens.tpu.ru/