전기물성론전기물성론

전기물성론

제2장 금속의 전기적 성질

2.1 금속의 전도현상

2.2 전자방출

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

초전도현상

물질의 저항이 절대온도 0[K] 가까운 극 저온도에서 완전히 0 이 되는 현상 1911년 K. Onnes : 수은이 4.2[K]로 이하가 되면 저항이 0임을 발견 → 초전도 현상

T_c

초전도체 : 현재까지 30종의 금속원소, 1,000여종의 합금에서 발견

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

임계자계 (critical magnetic field) H_c

초전도 상태에 있는 물질에 강한 자계를 가하면 초전도 상태가 파괴되어 상전도 상태로 바뀌게 되는 자계의 세기를 말한다.

여기서, H₀는 T=0[K]에 대한 임계자계로서 물질고유정수이다.

전이온도(transition temperature) T_c (= 임계온도(critica temperature)l : 통상의 전도에서 초전도로 이동하는 온도점.

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

크라이오트론(Cryotron)

A (초전도체 도선)

B(초전도체 코일)

전류

A, B가 초전도가 된 상태에서, B의 전류를 조절해서 A에 가해진 자계를 임계치 이상으로 하면, 초전도체 A는 초전도가 피괴되어

상도전체로 되므로 A에 흐르는 전류는 크게 감소한다.

→ 이 현상을 이용한 것이 자계제어형 스위칭 소자이다.

크라이오트론은 소비전력이 극히 적고 저잡음으로 구조가 간단한 논리소자이다.

전류로 자계발생시킴

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

조셉슨효과(Josephson effect)

조셉슨접합을 통해서 직류전류를 흘려 보낼 때, 한계전류까지는 절연막이 있음에도 불 구하고 초전도체 사이에 전위차(電位差)가 발생하지 않고, 직류전류가 흐른다(직류 조 셉슨효과). 그런데 직류전류가 한계전류를 넘으면, 초전도체 사이에 전위차가 생겨 교 류전류가 흐르게 된다(교류 조셉슨효과).

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르 는 현상을 말한다.

한 쌍의 초전도체 사이에 대단히 얇은 나노미터(10-9m)정도의 절연막을 끼우면 전류가 흐르지 않을 것 같지만, 실제로는 양자역학적인 터널링(tunneling)현상에 의해 전류가 흐 른다. 절연막이 있어도 이 막에 터널을 뚫고 통과하는 것처럼 전자가 통과해 전류가 흐르 는 것이다.

조셉슨효과(Josephson effect)

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

에사키 다이오드

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

초전도 상태에서 B = 0이므로,

즉 χ_m = -1, 완전 반자성이어야 한다.

T>Tc T<Tc

T>Tc 의 경우,

자속은 초전체를 통과한다.

T<Tc 인 초전도상태,

자속은 초전체를 통과하지 못한다.

초전도체 내부는 자석의 자기장을 차단한다.

마이스너 효과 (Meissner Effect)

2.1 금속의 전도현상

2.1.6 초전도현상

도체 위에 간격을 유지한 상태로 자석을 두면 자석에 서 발생되는 자기장이 도체에 도달하고 도체 내부에 자기장이 침투한다. 그런데 어떤 특정온도(임계온도) 이하가 되어 시료에 초전도전이가 일어난 경우(초전도 상태가 된 경우), 보통물질과 달리 자기장을 밖으로 밀 어내는 성질(차폐전류가 발생)이 있어 자석은 초전도 체와의 거리를 그대로 유지하면서 위에 떠 있게 된다.

이때 초전도체 내부의 자속밀도(B)를 측정하면 0이 되 고 이러한 초전도체의 완전반자성을 마이스너효과라 고 한다. 하지만 이때 주위의 온도가 올라가 임계온도 이상이 되면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되고 (이를 퀜치 현상이라고 한다) 자석은 더 이상 떠있지 못하게 된다.

마이스너 효과 (Meissner Effect)

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

전자는 +이온과 Coulomb force로 결합되어있기 때문 에 쉽게 결정 밖으로 튀어나올 수 없다.그러나 자유전 자는 결정 내에서 자유롭게 이동할 수 있다.

금속결정 표면의 전위분포

전자 금속이온

내부 표면

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

원자번호 Z인 원자가 만드는 정전위는,

핵이 만드는 정전위

그림 2.21 (a) 핵이 만드는 정전위

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

단일 원자에 의한 에너지 분포

전자에 대한 퍼텐셜 분포곡선

그림 2.22 Na 원자의 전자에너지분포

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

핵이 만드는 정전위

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

페르미준위(Fermi level)

페르미준위 금속내부

외부 외부

전도대 바닥

φ

2.2 전자방출

2.2.1. 금속의 상형모형과 전자방출

전자가 존재하는 최고 준위인 페르미 준위와 외부와의 전위차가 일함수(Wrok founction)이다.

일함수(Work function)

금속표면에는 전자에 대해서 φ[eV]에 해당하는 전위장벽이 있기 때문에 밖으로 나올 수 없다.

그러나 일함수 φ[eV] 이상의 에너지를 전자가 받으면 전자는 핵의 구속으로부터 벗어 나 밖으로 나올 수 있다.

이때 전자에게 가해지는 에너지는 열에너지, 광에너지, 전자나 이온의 운동에너지 등 이 있다.

일함수 φ[ev]를 [J] 단위로 바꾸면 다음 식과 같다.

1[eV] = 1.602x10^-19 [J]

2.2 전자방출

2.2.2 열전자 방출

열전자방출은 금속 등을 가열할 때 금속 표면으로부터 전자가 방출되는 현상이다.

열전자 방출(Thermionic emission)

2.2 전자방출

2.2.2 열전자 방출

여기서,

열전자 방출에 의한 포화전류밀도

A는 금속 종류에 의해서 정해지는 상수, eφ는 일함수이다.

T가 일정한 경우, 일함수 eφ가 적으면 exp항이 커지기므로 전류 i가 증가한다.

따라서 일함수가 작으면 전자가 쉽게 방출된다는 것을 알 수 있다. (그림 2.24)

금속 W Pt Th-W Cu

일함수[eV] 4.5 6.3 2.6 4.3 (2.28)

2.2 전자방출

2.2.2 열전자 방출

열전자 변환기(Thermionic energy converter)

열방출에 의한 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치

음극

양극

음극 φ

φ

Φ

-φ

2.2 전자방출

2.2.3 열전방출에 관계되는 효과

전자를 끌어내는 방향으로 전계가 가해지면 방출 전자량은 금속온도에 대응하는 열전 자 방출량보다 많아진다.

(1) 쇼트키효과(Schottky sffect)

열전자 방출전류는 온도에 의해 포화치를 갖지만 금속표면에 전게를 가하면 방출 전류는 인가전계에 따라 증가한다.

2.2 전자방출

2.2.3 열전방출에 관계되는 효과

1) 산사효과(Shot effect)

열음극으로부터 튀어나온 전자는 각각 임의의 속도, 임의의 비율로 튀어나오게 되는 효과를 말한다.

이 산사효과는 잡음의 원인으로 작용한다.

(2) 산사효과와 플리커효과

2) 플리커효과(Flicker effect)

음극의 표면상태가 물리적, 화학적으로 서서히 변하기 때문에 열전류가 변하게 되는 효과. 이 효과로 인해 잡음이 발생되며, 주로 1k[Hz]이하인 저주파성분을 갖고 있다.

2.2 전자방출

2.2.4 광전자 방출

광전자방출(Photoelectron emissiom)

빛이 금속표면에 조사되었을 때, 금속으로부터 전자가 방출되는 현상을 광전효과 (Photoelectric effect)라 한다.

φ

빛 내부 외부

2.2 전자방출

2.2.4 광전자 방출

입사광 주파수와 방출전자의 관계

광전자방출에 관한 식은 다음과 같다.

여기서, m은 전자의 질량 h는 플랭크상수 P는 일함수

입사광의 주파수가 f₀ 이하가 되면 광전자의 운동에너지가 0 이되므로 광전자는 방출되지 않는다. 이 주파수 f₀를 한계주파수 (Threshold frequency)라 한다.

이때 입사광양자 에너지 hf₀는 전부 일함수로 소비된다.

(2.29)

2.2 전자방출

2.2.4 광전자 방출

즉,

그러므로 한계주파수는 금속의 일함수에 의해 결정된다.

따라서 빛을 조사해서 광전자를 방출시키려면 그 빛의 주파수 범위 이하에서 한계주파 수를 갖는 금속을 택해야 한다. 즉, 한계파장 이상에서만 광전자방출이 일어나므로 입사 광의 주파수가 재료의 한계주파수보다 높아야 한다.

파장은 주파수의 역수(λ=c/f₀)이므로 한계파장 이하에서는 광전자방출이 일어나지 않게 된다.

표 2.2, 금속재료의 한계파장과 일함수

금속 Cs Kb K Li Ag Pt

한계파장 (x10⁷m)

6.6 5.7 5.5 5.4 2.61 1.96

일함수(eV) 1.9 1.8~2.2 1.8~2.3 2.1~2.9 4.7 6.3

(2.30)

2.2 전자방출

2.2.4 광전자 방출

광전관의 광전면에 주로 사용되는 재료 : Cs

광전관에 의한 광전자방출

ⅰ) 체적광전효과

물질의 내부로 조사된 빛에 의해 전자가 생기는 것 으로 발생전자의 반은 표면으로, 반은 내부로 확산된다.

ⅱ) 표면광전효과

빛이 표면에 닿았을 때 일어나는 효과로, 광전자의 수 는 편광방향에 의해 지배된다.

ⅲ 선택광전효과

금속체가 얇은 막인 경우, 적당한 층 두께에서 빛의 흡 수가 강해져 어떤 범위의 파장 내에서 전자가 쉽게 방출 되는 효과

2.2 전자방출

2.2.4 광전자 방출

광전면에서 방출되는 광전자의 수는 이사광의 강도에 비례하나 입사 광량자 만큼 의 전자가 방출되지 않는다.

광전감도

단색광을 조사하였을 때, 양자효과, 광전감도는 다음 식으로 나타낸다.

양자효과 단색광을 조사하였을 때, 양자효율, 광전감도는 다음 식으로 나타낸다.

그리고 (2.33)

(2.32) (2.31)

2.2 전자방출

2.2.5 2차전자방출

δ는 금속종류와 1차전자에너지에 의해서 결정되며, 1 차 에너지가 증가하면 같이 증가한다. 100~150[eV]에 서 최대값이 된다.

2차 전자 방출비 δ

여기서, I₁은 1차 전자류 I₂는 2차 전자류

금속 δ 산화물

/염화물

δ

Li Ba Cs Ag Pt W

0.55 0.83 0.72 1.47 1.78 1.29~1.43

Al2O3 BaO BeO MgO NaCl CsCl

3~5 5~6 5~10 4~16 6.8 6.5

표 2.3 금속 및 산화물/염화물의 2차전자방출비 (2.34)

2.2 전자방출

2.2.6 전계방출

금속표면에 10¹⁰[V/m]의 강한 전계를 가하게 되면 금속표면에서 전자가 방출된다.

이러한 현상이 전계방출이다.

전계방출 = 냉전자방출

a : 열전자방출

열전자나 광전자가 열이나 광에너지를 받아 전위장벽을 뛰어넘어 밖으로 나오는 현상

c : 전계방출

강한 전계를 인가하면, 전위분포가 얇고 전위 의 벽이 얇게 된다. 이때 전자는 직접 벽을 관 통해서 외부로 나오는 확률이 커진다.

b : Schottky 방출

열전자를 방출하고 있는 상태의 금속에 전계 를 가하면 전자의 방출 효과가 높아지는 현상 으로 전계가 포텐셜 에너지 장벽 Φ를 감소시 키는 효과에 의한 방출

2.2 전자방출

2.2.6 전계방출

전계방출 시의 방출전류밀도 i는

전계방출 = 냉전자방출

여기서, a, b는 금속 종류에 의해 결정되는 정수이다.

전계방출은 전류밀도의 식 (2.35)과 같이 온도에 무관하기 때문에 열전자 방출과는 무관하다는 것을 알 수 있다.

(2.35)

2.2 전자방출

2.2.6 전계방출

전압이 높아짐에 따라 증가되는 전류 식은 다음 식으로 나타낸다.

Schottky효과에 의한 전류

(2.36)