Émission Thermoélectronique
Émission Thermoélectronique
Émission Thermoélectronique
Diode vide
Poste de TV
1. Introduction
1.1 Bref historique
On sait depuis 1725 que lair devient conducteur au voisinage dun corps incandescent. En
1901, Richardson1 a montr que ceci est d lmission de corpuscules chargs
ngativement, identifis depuis comme tant des lectrons.
On ralise ainsi des tubes lectroniques ou diodes vide : celles-ci ont t beaucoup utilises
en lectronique, avant leur remplacement par les lments semi-conducteurs. L'effet thermolectronique est encore utilis de nos jours dans les tubes cathodiques des postes de tlvision
et des crans d'ordinateurs, etc ... Une autre application non ngligeable est le canon
lectrons des microscopes lectroniques ( transmission, ou balayage).
Richardson a obtenu en 1928 le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l'mission thermo-ionique.
en anglais : bulk properties
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on parle d'mission thermo-ionique, ou d'effet thermomissif, ou encore d'effet thermolectronique
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figure 1.1 : schma dfinissant le travail d'extraction W0 du mtal ; est l'nergie potentielle
lectronique, F est le niveau de Fermi.
(a)
(b)
Figure 2.1 : schma d'une diode vide (a) et (b)
En labsence daction extrieure, il existe une densit de courant JS(T) d'lectrons sortant
de la cathode (qui ne dpend que de la temprature et de W0) ; du fait de la prsence
d'lectrons l'extrieur du mtal, il existe un champ lectrique dit champ de charge
despace qui tend ramener dans la cathode les lectrons qui en sont sortis. On a donc
galement un courant d'lectrons en sens inverse (-JS(T)), conduisant ainsi un quilibre
dynamique.
Cette relation est dite de Child-Langmuir. P est appele pervance et ne dpend que des
caractristiques de la cathode.
Dans le cas d'lectrodes cylindriques, elle vaut :
8 2e 0 l
P=
(Eq 2.2)
9 me ra 2
o :
e et me sont respectivement la charge et la masse d'un lectron.
Enfin, quand V atteint une valeur critique Vc (essayez de trouver son ordre de grandeur),
tous les lectrons disponibles sont drains vers l'anode : le rgime de saturation est
atteint, et le courant anodique ne dpend plus que de la limite d'mission de la cathode
(qui dpend elle-mme de T et W0). La valeur de la densit de courant est JS(T) (le mme
que prcdemment), et on peut montrer qu'elle vaut :
J S = AT 2e W0 / kT
(Eq 2.4)
Cette relation est dite de Dushman-Richardson.
La constante A vaut
A = 4 me e k2/h3
(Eq 2.5)
Elle devrait tre indpendante de la nature du mtal. Dans la plupart des cas, on trouve
exprimentalement une valeur infrieure quon explique par la rflexion dune fraction des
lectrons la surface du rseau cristallin4. On crit donc gnralement la formule de
Dushman-Richardson sous la forme :
J S = A(1 r )T 2e W0 / kT
(Eq 2.6)
o r reprsente le coefficient de rflexion des lectrons la surface du mtal. Le coefficient r
peut atteindre 77% pour le Nickel.
Dans le cas du Csium, la valeur exprimentale de 160 Acm-2K-2 sexplique par des irrgularits de la surface entranant des effets de
champ
(Eq 2.7)
16 0 z
Un champ lectrique externe E (appliqu entre anode et cathode) superposera l'nergie
potentielle V = -e |E| z celle de la charge miroir, donnant finalement, pour l'nergie
potentielle totale de l'lectron (z) :
e2
eE z
(Eq 2.8)
( z ) = W0
16 0 z
Le travail d'extraction W sera alors abaiss de W (effet Schottky) :
eE
W = W0 W = W0 e
(Eq 2.9)
4 0
Le potentiel au voisinage de la cathode selon une coordonne z normale la surface est
reprsent sur la figure 2.3 avec ou sans champ lectrique appliqu.
Figure 2.3 : Potentiel l'interface entre la cathode et le vide avec ou sans champ lectrique appliqu
C=e
e
4 0 L
(Eq 2.10)
(Eq 2.11)
W(T ,V) = W0 + T C V
(Eq 2.15)
(Eq 2.16)
3 Montage exprimental
Pour tudier l'effet thermolectronique, on utilise une diode vide telle que celle dcrite au
paragraphe 2.2. Sous celle-ci, se trouve un botier lectrique dont le schma est reprsent sur
la figure 3.1. Quelle est l'utilit des rsistances RV1 et RV2 et des autres constituants du
montage ? Ne pas raccorder l'alimentation principale au secteur sans l'accord de
l'enseignant. On limitera la tension collectrice 250 V.
Remarque
La borne +HT de lalimentation haute tension est relie la masse, alors que gnralement on
y relie la borne -HT. Pourquoi ?
La tension de chauffage du filament (donc sa temprature) est varie laide dun rhostat.
Cette mme tension de chauffage (ou plutt une tension qui lui est proportionnelle) est
mesure grce au circuit comprenant l'optocoupleur reprsent sur la figure 3.1.
Penser conserver le numro de la diode utilise ainsi que le numro du pyromtre.
Branchements lectriques :
Il y a plusieurs prcautions particulires prendre sur ce montage :
Le +HT est reli la masse de l'appareillage
Lorsque vous allumez l'alimentation, il est prfrable de mettre le rhostat en position
intermdiaire plutt qu'en position extrme.
Ne pas mettre le rhostat en position de chauffage maximum du filament. Des effets
thermiques dans le rhostat induiraient une oscillation de la tension de chauffage, donc de la
temprature du filament.
Diode
+ HT
HT
F1
F2
V1
V2
I1
I2
I3
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5 Travail bibliographique
Le travail bibliographique effectuer peut porter sur divers aspects. On demandera
ltudiant, en plus dun rsum synthtique du sujet et des expriences mener de traiter et
dapprofondir au-del du prsent polycopi un point particulier. Voici quelques exemples de
points pouvant tre approfondis (liste non exhaustive):
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Par ailleurs, on donne ci-dessous une liste de rfrences facilement accessibles (bibliothque
du Magistre, bibliothque universitaire):
1. Cours de matire condense, M. Hritier et B. Deloche (M1, tronc commun)
2. Kittel, Physique de l'tat solide
3. Ibach et Lth, Solid State Physics, p. 121 et suivantes (excellent livre de physique des
solides, hautement recommand par ailleurs)
4. Encyclopedia Universalis, rubrique Thermo-ionique
5. Ashcroft et Mermin, Solid state physics
6. http://www.engineers.auckland.ac.nz/~tsce001/files/thermoelectronique.pdf
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