В предыдущих разделах мы рассмотрели свободную эмиссию электронов из катода, когда внешнего поля между анодом и катодом не было задано. Но если внешнюю цепь анод–катод замкнуть проводником, то в пространстве анод–катод внутри диода создастся некоторая разность потенциалов, природа которой — контактная разность потенциалов — непосредственно связана с величиной работы выхода электронов из металлов и током эмиссии.

Суть этого явления заключается в следующем. Рассмотрим проводники из различных металлов, например, вольфрама (катод 1) и никеля (анод 2), с работами выхода 4,55 и 4,5 эВ соответственно (рис. 5). На рис. 5, а потенциальные ямы металлов изображены относительно нулевого уровня потенциала А. Нас будет интересовать вопрос: что произойдет при соединении проводников, показанном на рис. 5, б? Оказывается, как и в случае обычного молекулярного газа, когда при соединении двух сосудов с различной плотностью газа последняя будет выравниваться за счет процессов диффузии, в случае электронного газа тоже происходит «выравнивание» плотностей электронов. Выравнивание происходит до тех пор, пока уровни энергии Ферми обоих металлов не станут равными, т. е. пока не установится единый химический потенциал электронного газа в системе из двух металлов. При этом часть электронов из металла с меньшей работой выхода перетечет в другой металл, и первый зарядится положительно относительно другого. Разность уровней Ферми определит так называемую внутреннюю контактную разность потенциалов $$ U'_{C}=-\frac{\varphi_{f_1}-\varphi_{f_2}}{e} $$ (между концами 1 – 2), а разность работ выхода — внешнюю (между концами 1' – 2') $$ U_{C}=-\frac{\varphi_{a_1}-\varphi_{a_2}}{e}. $$

Можно показать, что величина внешней контактной разности потенциалов (или просто контактной разницы потенциалов) $U_{C}$ не изменяется, если в промежуток между концами 1 и 2 вставить любые другие металлы. Величина $U_{C}$ определится только разностью работ выхода металлов, «открытых» в промежуток между ними (концов 1' – 2'). Поэтому при замыкании внешней электрической цепи анод – катод диода величина внешней контактной разности потенциалов оказывается приложенной к промежутку катод–анод внутри диода и создает в нем напряженность поля, влияющую на движение термоэлектронов.

Назад к теме Модель потенциальной ямы (модель Шоттки) или далее Режимы работы диода