EBS 수능특강 독서 051 열전자 방출과 전계 방출 [중]

열전자 방출과 전계 방출

1. [금속]이나 [반도체]의 표면에서 [진공 속]으로 [전자를 방출]하는 기술은 다양한 분야의 핵심 부품에 적용되는 기술이다. 그 방법을 알아보자. 먼저 [열전자 방출]. 금속에 [전압]을 걸어 주면 [전류]가 흐르고 금속에 [저항]이 생기면서 [열]이 발생한다. (줄 가열 현상) 이 [열]이 [에너지]가 되어 [전자]는 금속 표면의 [전위 장벽]을 [넘어] 방출된다. 이때 전자가 전위 장벽을 넘을 수 있게 하는 [전위 장벽 크기만큼의 에너지]를 [일함] 수라고 한다. 결국 일함수는 [전자가 방출]되는 데 필요한 [최소한의 에너지]이다. 물질의 종류에 따라 이 일함수의 [고유한 값]을 가지며 이 [값]이 [작을수록] 열전자의 [방출]은 [쉽] 게 이루어진다.
   
   
2. 다음은 [전계 방출]. 금속 등에 [외분 전위]를 가하면 [터널링 현상]으로 전자가 방출된다. 터널링 현상은 [전위 장벽]보다 [낮은 에너지]에서도 전자가 방출되기에 [상온]에서 [에너지 증가 없이] 전자를 방출하기에 [냉전자]라고 부른다. 앞의 [열전자]가 전자마다 속도가 달라 [에너지 분포]가 [균일]하지 [않]아 [임의의 방향]으로 방출된다. [시간] 또한 [균일] 도가 [떨어진다]. 하지만 [냉전자]는 [에너지 분포]가 [균일]하며 [방출 방향]이 [집중]되는 [장점]을 가진다.
   
   
3. [전계 방출]. 고체 표면에 [강한 전기장](걸어준 전압을 양극과 음극의 거리로 나눈 값)을 걸어주면 [전위 장벽]이 [아래]로 [휘어]지고 [전자]가 진공으로 [방출]된다. [전기장]의 세기가 [커] 지면 [휘어] 지는 정도가 [커] 지고 [장벽의 두께]도 [얇아] 져 [방출] 효과는 더욱 [커] 진다.
   
   
4. [일정 전기장 세기] [이상]에서 [전계 방출] 현상이 [일어난다]. 그런데 그 [일정 세기]보다 [상당히 큰] 전기장을 걸어주면 [방전현상]이 일어나 [스파크]가 형성되어 [불안정]하다. 그래서 [긴 팁]의 형태로 [음극]을 만들어 그 [위]에 물체를 올리면 [실제 걸어 준 전압]에 비해 [팁] 부분의 유효 [전압]이 [커] 지게 되어 [걸어 준 전압]이 [낮아도] [방출]이 일어나게 된다. 길쭉한 [원통 모양 팁]의 [종횡비](원통 높이/직경)가 [크면] [전계 방출]이 [크다.](전장 증대 효과) 이때 [팁 간]의 [거리]는 [가까] 울수록 [전기장의 침투] 효과가 [감소]하게 되어 [전장 증대 효과]가 일어나기 [어렵다.] [팁 간의 거리]는 [팁 높이] [길이]의 [두 배 이상]이어야 [최대 효과]를 얻을 수 있다. 하지[만] [팁 높이보다] [두 배 이상]으로 팁 간 거리가 더 멀어지면 [전장 증대 효과]는 [최대]로 [유지] 되지 [만] [전자 방출]이 점점 [적어] 지고 [방출 전류]의 [양]도 [작아] 지게 된다. 팁 말고도 재료의 [일함수]가 [전계 방출]에 [영향]을 미친다. 앞에서 말했듯이 [일함수]가 [낮]을수록 [전계 방출]은 [쉽게] 유도된다. 이를 위해 [팁의 끝]을 [일함수]가 [낮은] [세슘, 바륨] 같은 물질로 [코팅]하고 [그 물질]로부터 [전계 방출]이 일어나도록 한다.

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