2.8. Контактные явления
Рассмотрим процессы, происходящие при сближении и контакте двух металлических проводников, энергетические схемы которых показаны на рис. 2.3, а. В изолированном состоянии электронный газ в этих проводниках характеризуется химическими потенциалами (уровнями Ферми) Э1 и Э2 и работами выхода X1 и X 2. В контакте между проводниками возможен обмен электронами. Из рис. 2.3, а видно, что в зоне проводимости проводника 2 заняты все состояния вплоть до уровня Ферми Э2. Против этих состояний располагаются занятые уровни зоны проводимости проводника 1. Поэтому при абсолютном нуле электроны из проводника 2 не могут перейти в проводник 1. При температуре, отличной от 0 К, электроны проводника 2, термически возбуждённые на уровни, расположенные выше Э1, могут переходить в проводник 1, но число таких электронов при обычных температурах невелико и поток n21 будет слабым.
Иная картина складывается для проводника 1. В нём зона проводимости также укомплектована до уровня Ферми Э1, но вследствие меньшей работы выхода (X 1 < X 2) против занятых состояний этого проводника, располагающихся выше уровня Ферми Э2, размещаются свободные уровни зоны проводимости проводника 2. Поэтому при наличии контакта (даже при абсолютном нуле) электроны с занятых уровней проводника 1 будут переходить на свободные уровни проводника 2, образуя поток n12, на первых порах значительно превосходящий поток n21.
Теперь рассмотрим, как происходит установление равновесия между проводниками.
Проводник 1, теряя электроны, заряжается положительно; проводник 2, приобретая избыточные электроны, заряжается отрицательно. Возникновение этих зарядов вызывает смещение друг относительно друга энергетических уровней проводников 1 и 2. В проводнике 1, заряженном положительно, все уровни опускаются вниз, а в проводнике 2, заряженном отрицательно, все уровни поднимаются вверх относительно своих положений в незаряженном состоянии этих проводников (рис. 2.3, б). Это легко понять из следующих простых рассуждений. Для перевода электрона, например, с нулевого уровня 01 металла 1 на нулевой уровень 02 металла 2, находящегося под отрицательным потенциалом –V, относительно металла 1 необходимо совершить работу, численно равную qV. Эта работа переходит в потенциальную энергию электрона. Поэтому потенциальная энергия электрона, находящегося на нулевом уровне отрицательно заряженного проводника, будет на ∆U = qV больше потенциальной энергии электрона,
Рис. 2.3. Возникновение контактной разности потенциалов
Между двумя металлами
расположенного на нулевом уровне положительно заряженного проводника. А это и означает, что нулевой уровень проводника 2 располагается на ∆U = qV выше нулевого уровня положительно заряженного проводника.
Подобное смещение претерпевают все энергетические уровни проводников 1 и 2, в том числе и уровни Ферми ЭF1 и ЭF2. Как только непрерывно понижающийся уровень Ферми проводника 1 (ЭF1) и непрерывно повышающийся уровень Ферми проводника 2 (ЭF2) оказываются на одной высоте, причина, вызывавшая преимущественное перетекание электронов из проводника 1 в проводник 2, исчезает, так как против заполненных уровней проводника 1 располагаются теперь заполненные с той же степенью заселённости уровни проводника 2. Между проводниками устанавливается равновесие,
которому отвечает равновесная разность потенциалов между ними, равная
Её называют контактной разностью потенциалов, определяемой разностью работ выхода электронов из контактирующих проводников. По абсолютному значению VК колеблется от десятых долей до единиц вольт. Из рисунка 2.3, б следует, что контактная разность потенциалов создаёт для электронов, переходящих в проводник с большей работой выхода, потенциальный барьер высотой qVК.