[현대물리학실험]열전자 방출 (Tube Diode)

실험 목적

1. Edison effect (에디슨 효과) - 열전자 방출 을 확인한다

2. Schottky effect(쇼트키 효과) 를 확인한다

 

실험 이론 및 원리

1. Edison effect

가열된 금속이나 금속산화물 반도체 표면에서 전자가 방출되는 현상.

열에 의해 에너지를 얻은 전자가 진동에너지에 의해 전자를 속박하는 정전기력을 이겨내고

분리되어 금속 표면에서 튀어나오게 된다.

 

2. Schottky effect

열전자 방출에서 양극(+극)전위를 높이면 전류가 완전히 포화되지 않고 조금씩 증가하는현상.

전자가 방출되는 금속 주변에 강한 자기장이 있으면 전자에 인력이 작용하므로 더 쉽게 전자가 방출될 수 있기 때문이다. 따라서 전류는 증가하게 되고 이는

I∝U3/2  :Schottky-Langmuir law

로 설명이 된다.

다시 말해 방출전류는 양극(+극) 가열전압의 함수로서 나타낼 수 있다. 음극의 온도는 가열전압에 의존하므로 전류 또한 음극의 온도에 의존한다고 말 할 수 있다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

① Demonstration Tube를 수평하게 고정시킨다. 그리고 핀과 핀 사이 거리가 가장 먼 부분 을 아래쪽으로 돌린다.

② 조심스럽게 핀을 튜브 스탠드에 멈출 때 까지 넣는다.

③ 양의 가열전압 UF를 얻기 위해 소켓 F1을 튜브 스탠드의 음극에, 소켓 F2를 양극에 4.5~7.5V의 출력으로 연결한다.

④ 튜브 스탠드의 소켓 C를 음극에 연결하고 양전극판을 양극에 0~500V의 출력으로 연결 한다. 그래서 UA라는 양의 전압을 얻을 수 있다.

⑤ 가열전압과 극판전압을 (음전압, 0, 양전압)변화시켜가며 방출전류를 측정한다.

⑥ 가열전압을 3.5V로 고정시키고 극판전압을 30V씩 증가시켜가며 방출전류를 측정한다.

⑦ 가열전압을 4.5V로 고정시키고 극판전압을 30V씩 증가시켜가며 방출전류를 측정한다.

 

실험 결과

1. Thermionic emission ( Uf : Heating Voltage, Ia : Anode current, Ua : Anode voltage )

	Uf	Ua	Ia
unheated cathode	0V	320V	0.06㎂
	0V	-320V	-0.06㎂
heated cathode, without anode voltage	-4.1V	0V	36.56㎂
	+4.1V	0V	0.75㎂
heated cathode, with anode voltage	4.0V	320V	84㎂
	4.0V	-320V	0.07㎂

 

2. Diode Characteristic (Ua : Anode voltage, Ia : Anode current )

Ua	Ia (Uf=3.5V)	Ia (Uf=4.5V)
0V	0.06㎂	0.12㎂
30V	16.93㎂	228.12㎂
60V	18.12㎂	296.28㎂
90V	18.62㎂	306.7㎂
120V	18.95㎂	312.92㎂
150V	19.18㎂	317.10㎂
180V	19.54㎂	319.82㎂
210V	18.81㎂	322.51㎂
240V	17.75㎂	324.7㎂
270V	23.81㎂	327.55㎂
300V	24.13㎂	307.3㎂

 

 

토의 사항

1. 실험 고찰

Uf : Heating Voltage (가열전압), If : Heating current

Ua : Anode voltage (극판전압), Ia : Anode current (방출전류)

 

다이오드는 두 개의 전극 즉, 가열된 음극과 양극으로 이루어진다. 음극에 전류가 흐르면 가열되어 열전자 방출(에디슨 효과)로 인해 전자가 방출된다. 음극에서 가열에 의해 금속표면을 이탈한 전자는 (-)전하를 띠므로 반대편 극판전압이 (+)극 일 경우, 그 사이에서 전기력에 의해 이동하게 되고 이에 의해 방출전류가 흐르게 된다.

2. Thermionic emission

① unheated cathode(가열전압 = 0V, 극판전압 = ±320V)

열전자방출(에디슨효과)는 가열된 금속에서만 일어나는 현상이다. 가열전압이 0이므로 가열되지 않아 전자는 방출되지 않고 따라서 방출전류도 0이 되어야 한다. 실험에서는 방출전류가 ±0.06 A로 측정되었다.

 

② heated cathode, without anode voltage(가열전압 = ±4.1V, 극판전압 = 0V)

음극이 가열되므로 열전자 방출이 이루어진다. 극판전압이 0이므로 방출된 전자에 전기력과 척력은 작용하지 않는다. 방출된 전자의 흐름이 방출전류로 나타나는데 가열전압이 +4.1V일 때와 -4.1V일 때 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 전자는 (-)전하를 띠는데 전자가 방출되는 금속판이 (-)극 일 경우 극판과 전자 사이에서 작용하는 척력의 영향이 있지 않을까 추측 해 본다.

 

③ heated cathode, with anode voltage(가열전압 = 4.0V, 극판전압 = ±320V)

음극이 가열되므로 열전자 방출이 이루어진다. 극판전압이 +320V일 경우와 -320V일 경우 방출전류의 차이가 크게 나타났다. 이는 방출된 전자는 (-)전하를 띠므로 반대편 극판전압이 (+)극일 경우 전기적 인력에 의해 (+)극으로 끌리게 되지만, 극판전압이 (-)극일 경우에는 척력이 작용하여 전자가 반대편 극판에 도달하기 어려워지기 때문이다.

 

3. Diode Characteristic

금속을 가열했을 때 음극으로부터 방출되는 열전자는 전기적 인력으로 양극(+극)으로 끌리며, 양극(+극)의 전압이 충분히 높으면 모두 플레이트에 도달한다. 즉 양극전류가 포화하여 일정 온도인 음극에서는 일정한 값이 된다.

극판전압 (+극 전위)를 높이면 실험결과 전류가 완전히 포화되지 않고 조금씩 증가하는 경향이 그래프로 나타난다. 이는 쇼트키 현상으로 실험에서 확인 해 볼 수 있었다.

극판전압 (+극 전위)가 높아지면 금속 주변에 점점 더 강한 자기장이 형성되고 전자에 작용하는 인력이 점점 더 커지므로 전자가 더 쉽게 방출될 수 있기 때문이다.

전자를 방출시키는데 필요한 에너지를 보통 일함수라 하는데, 이같이 음극 부근에 강한 자기장이 존재하면, 인력의 작용으로 겉보기엔 일함수가 낮아진 것처럼 보인다. 이것이 방출전류의 증가로 나타나게 되는 것이다.

 

참고 문헌

1. 현대물리학, BEISER, 교보문고