최근 개발되고 있는 마이크로 또는 나노 소자들은 저에너지 소형 냉각 장치를 필요로 하고 있다. 압축기나 열전냉각에 기반을 둔 기존의 냉각 방식은 아직 이런 요구를 충족시키지 못한다. 본 학위논문에서는 새로운 냉각 방식을 찾는 시도로 금속과 n형 반도체에서 전계방출에 의한 에너지 교환을 연구하였다. 전계방출의 냉각효과는 입사전자와 방출전자의 평균에너지 차이로 계산하였다. 평균에너지 계산에서는 표면으로 입사하는 전자의 밀도와 퍼텐셜 장벽에서 ...
최근 개발되고 있는 마이크로 또는 나노 소자들은 저에너지 소형 냉각 장치를 필요로 하고 있다. 압축기나 열전냉각에 기반을 둔 기존의 냉각 방식은 아직 이런 요구를 충족시키지 못한다. 본 학위논문에서는 새로운 냉각 방식을 찾는 시도로 금속과 n형 반도체에서 전계방출에 의한 에너지 교환을 연구하였다. 전계방출의 냉각효과는 입사전자와 방출전자의 평균에너지 차이로 계산하였다. 평균에너지 계산에서는 표면으로 입사하는 전자의 밀도와 퍼텐셜 장벽에서 투과계수의 곱으로 구해지는 전계전자 에너지 분포를 가중치로 사용하였다. 전자의 밀도는 위상공간에서 상태수와 페르미-디락 분포로 계산하고, 투과계수에 대한 해석적 식은 WKB 근사법을 사용하였다. n형 반도체에서 전계전자는 반도체의 전도대에서 방출만 고려하였다. 전자의 대체는 전자의 열적 여기에 의해 생기는 빈 상태와 터널링에 의해 만들어지는 빈 상태를 채우는 과정을 고려하였다. 금속은 일함수가 4.5eV인 Mo에 대하여 계산하였고, n형 반도체는 전자친화도가 4.05eV인 n-Si에 대하여 계산하였다. 금속 Mo의 전계방출 계산에 의하면, 음극이 낮은 온도에서는 가열되고 높은 온도에서는 냉각이 되는 일반적 경향을 확인하였다. 에너지 교환 △ε는 온도 T가 높고 전기장 F가 약할수록 증가하였다. F=0.2V/Å에서 T를 300K에서 1000K까지 증가시키면 △ε는 -0.062eV에서 4.327eV까지 증가하였다. 에너지 교환의 부호가 △ε<0에서 △ε>0으로 변하는 역전 온도는 전기장 F=0.2, 0.3, 0.7eV에 대하여 각각 516, 760, 1730K이었다. n형 반도체 n-Si에 대한 계산 결과에 의하면, 전계전자 평균에너지는 대체전자 평균에너지보다 모든 온도에서 항상 크게 나타났다. △ε은 모든 온도 영역에서 항상 △ε>0이며 이것은 전계방출이 냉각에 기여한다는 것이다. 구체적으로, n=10^19/cm^3이고 F=0.2V/Å일 때 온도 T를 300K에서 1000K까지 증가시키면 △ε는 각각 0.064eV에서 1.262eV까지 증가하였다. 반면 T=1000K에서 F를 0.2V/Å에서 0.7V/Å까지 증가시키면 △ε는 1.262eV에서 0.228eV까지 감소하였다. 그렇지만 전기장이 약하면 전계전자의 수가 감소하기 때문에 전기장이 약할수록 냉각효율이 크다는 것은 아니다. 이와 같은 연구는 n형 반도체에서 전계방출이 소형 전기소자의 새로운 냉각 장치로 이용될 있는 가능성을 보여준다.
최근 개발되고 있는 마이크로 또는 나노 소자들은 저에너지 소형 냉각 장치를 필요로 하고 있다. 압축기나 열전냉각에 기반을 둔 기존의 냉각 방식은 아직 이런 요구를 충족시키지 못한다. 본 학위논문에서는 새로운 냉각 방식을 찾는 시도로 금속과 n형 반도체에서 전계방출에 의한 에너지 교환을 연구하였다. 전계방출의 냉각효과는 입사전자와 방출전자의 평균에너지 차이로 계산하였다. 평균에너지 계산에서는 표면으로 입사하는 전자의 밀도와 퍼텐셜 장벽에서 투과계수의 곱으로 구해지는 전계전자 에너지 분포를 가중치로 사용하였다. 전자의 밀도는 위상공간에서 상태수와 페르미-디락 분포로 계산하고, 투과계수에 대한 해석적 식은 WKB 근사법을 사용하였다. n형 반도체에서 전계전자는 반도체의 전도대에서 방출만 고려하였다. 전자의 대체는 전자의 열적 여기에 의해 생기는 빈 상태와 터널링에 의해 만들어지는 빈 상태를 채우는 과정을 고려하였다. 금속은 일함수가 4.5eV인 Mo에 대하여 계산하였고, n형 반도체는 전자친화도가 4.05eV인 n-Si에 대하여 계산하였다. 금속 Mo의 전계방출 계산에 의하면, 음극이 낮은 온도에서는 가열되고 높은 온도에서는 냉각이 되는 일반적 경향을 확인하였다. 에너지 교환 △ε는 온도 T가 높고 전기장 F가 약할수록 증가하였다. F=0.2V/Å에서 T를 300K에서 1000K까지 증가시키면 △ε는 -0.062eV에서 4.327eV까지 증가하였다. 에너지 교환의 부호가 △ε<0에서 △ε>0으로 변하는 역전 온도는 전기장 F=0.2, 0.3, 0.7eV에 대하여 각각 516, 760, 1730K이었다. n형 반도체 n-Si에 대한 계산 결과에 의하면, 전계전자 평균에너지는 대체전자 평균에너지보다 모든 온도에서 항상 크게 나타났다. △ε은 모든 온도 영역에서 항상 △ε>0이며 이것은 전계방출이 냉각에 기여한다는 것이다. 구체적으로, n=10^19/cm^3이고 F=0.2V/Å일 때 온도 T를 300K에서 1000K까지 증가시키면 △ε는 각각 0.064eV에서 1.262eV까지 증가하였다. 반면 T=1000K에서 F를 0.2V/Å에서 0.7V/Å까지 증가시키면 △ε는 1.262eV에서 0.228eV까지 감소하였다. 그렇지만 전기장이 약하면 전계전자의 수가 감소하기 때문에 전기장이 약할수록 냉각효율이 크다는 것은 아니다. 이와 같은 연구는 n형 반도체에서 전계방출이 소형 전기소자의 새로운 냉각 장치로 이용될 있는 가능성을 보여준다.
The low energy and small size cooling system is needed for recent micro- or nano-devices. This need is not yet satisfied by the conventional compressor- and thermoelectric-based refrigeration. In order to find a novel mechanism for cooling, this study is focused on describing the energy exchange of ...
The low energy and small size cooling system is needed for recent micro- or nano-devices. This need is not yet satisfied by the conventional compressor- and thermoelectric-based refrigeration. In order to find a novel mechanism for cooling, this study is focused on describing the energy exchange of field emission in metal and n-type semiconductor. The energy exchange in field emission is evaluated by obtaining the analytic form of the energy exchange which is given by the difference between the average energies of incoming and outgoing electrons. Field electron energy distribution is used as the weighting factor in calculation of the average energy. The analytic form for the transmission coefficient is obtained using WKB approximation. It is first found that field emission from a metallic cathode contributes to heating at low temperatures and to cooling at high temperatures. The obtained energy exchange △ε for Mo increases from-0.062 to 4.327 eV at F=0.2V/Å as change from to . Inversion temperature at which energy exchange changes from negative to positive is found 516,760 ,1730K at F=0.2, 0.3, 0.7V/Å for Mo. For the n-Si semiconductor,△ε of field emission electrons is found to be always larger than replacement electrons for all T. This implies that field emission from the n-type semiconductor contributes to cooling only. If change from to , increases from to at and . If changes from 300 to 1000K, △ε increases from 0.2 to 0.7V/Å , then △ε decteases from 1.262 to 0.228 eV at T=1000K. The current work implies some possibility that field emission from n-type semiconductor shall lead to the fabrication of a new cooler for small electronic devices.
The low energy and small size cooling system is needed for recent micro- or nano-devices. This need is not yet satisfied by the conventional compressor- and thermoelectric-based refrigeration. In order to find a novel mechanism for cooling, this study is focused on describing the energy exchange of field emission in metal and n-type semiconductor. The energy exchange in field emission is evaluated by obtaining the analytic form of the energy exchange which is given by the difference between the average energies of incoming and outgoing electrons. Field electron energy distribution is used as the weighting factor in calculation of the average energy. The analytic form for the transmission coefficient is obtained using WKB approximation. It is first found that field emission from a metallic cathode contributes to heating at low temperatures and to cooling at high temperatures. The obtained energy exchange △ε for Mo increases from-0.062 to 4.327 eV at F=0.2V/Å as change from to . Inversion temperature at which energy exchange changes from negative to positive is found 516,760 ,1730K at F=0.2, 0.3, 0.7V/Å for Mo. For the n-Si semiconductor,△ε of field emission electrons is found to be always larger than replacement electrons for all T. This implies that field emission from the n-type semiconductor contributes to cooling only. If change from to , increases from to at and . If changes from 300 to 1000K, △ε increases from 0.2 to 0.7V/Å , then △ε decteases from 1.262 to 0.228 eV at T=1000K. The current work implies some possibility that field emission from n-type semiconductor shall lead to the fabrication of a new cooler for small electronic devices.
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