Физика /
←предыдущая следующая→
1 2
1. Структурная схема устройства эмиттера, изготовление заготовки и микронеровностей.
SiO2 Герметизирующие
Mo слои
Al2O3
Mo анодная пленка
Al2O3 диэлектрик
Mo управляющая пленка
Mo катодная пленка
Рис. 1. Микротриод с автоэлектронным катодом
Тонкопленочный катод с авто-эмиссией представляет собой сэндвич проводник-изолятор-проводник. Верхний проводник является сеточной пленкой с отверстиями диаметром 1 – 3 мкм., сквозь которое протравлена полость в изоляторе до нижнего проводника (подложки). На подложке находится металлический конус (эмиттер), и его вершина располагается в отверстии сеточной пленки. Размеры это конструкции очень малы и составляют единицы микрон. Это позволяет “убить двух зайцев” сразу: обеспечить высокие напряженности поля при небольших приложенных напряжениях (20 – 400 В.) и существенно снизить требование к давлению, поскольку даже для сравнительно плохого вакуума расстояние между электродами оказываются меньше длины свободного пробега.
Микронеровности на катодной пленки используют в качестве микроавтокатодов. Микронеровности формировались двумя методами. Оба способа использовали одну и туже исходную заготовку. На поверхность верхней молибденовой пленки многослойной структуры произвольно раскладывались полистироловые шарики диаметром 1 мкм. После этого сверху напылялся слой окиси алюминия, который покрывал всю поверхность, за исключением занятой шариками. После удаления шариков поверхность молибденовой пленки протравливалась в смеси серной и азотной кислот, так что в местах, свободных от окиси алюминия, образовались отверстия, достигающие промежуточного слоя оксида алюминия. Диаметр этих отверстий примерно 1 мкм. Затем с помощью вытравливания в ортофосфорной кислоте в слое окиси алюминия образовались полости. Одновременно при этом удаляется слой окиси алюминия, напыленый сверху. Затем подложка подвергалась термообработкой в вакууме при температуре 1000 градусов Цельсии. Для изготовления заготовки использовалась технология фотолитографии с электронной засветкой резиста. В этом случае получалась упорядоченная система полостей с расстоянием между центрами двух отверстий 2,5 мкм. Было показано, что нависающая над полостью верхняя молибденовая пленка еще заостряется и может служить автоэлектронным эмиттером.
Первый способ образования неровностей на катодной полости состоит в напылении на нее слоя алюминия толщиной 200 А с последующей термической обработкой. Было показано, что в результате такого процесса на поверхности катодной пленки образуются микровыступы, которые могут использоваться как микроэлектронные автокатоды.
Сущность второго способа состоит в напылении молибдена в затягивающиеся, в результате косого напыления окиси алюминия, отверстий полости. На поверхность молибденовой пленки, вращающейся с постоянной скоростью. Пленка оксида алюминия удаляется в ортофосфорной кислоте. В результате получается:
Рис. 4. Схематическое изображение автоэмиссионного катода
2. Энергетическая диаграмма рассматриваемого тонкопленочного катода.
Рис. 5. Энергетическая диаграмма
3. Механизм эмиссии заряженных частиц из эмиттера.
Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля, достаточно высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия обнаружена в 1897 г. Вудом. В 1929 г. Милликен и Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j автоэлектронной эмиссии от1/Е вида (А и В константы). В 1928–29 г. Фаулер и Нордхейм дали теоретическое объяснение автоэлектронной эмиссии на основе туннельного эффекта. Термин автоэлектронная эмиссия отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных другим видам электронной эмиссии.
При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем. В результате увеличивается число электронов, просачивающихся в единицу времени сквозь барьер, увеличивается прозрачность барьера D и плотность тока автоэлектронной эмиссии. Теоретический расчет плотности тока j приводит к формуле , где n – концентрация электронов в проводнике с , e – заряд электрона, E – напряженность электрического поля у поверхности эмиттера. Автоэлектронная эмиссия из металлов в вакууме изучена наиболее плотно. В этом случае j следует закону Фаулера – Нордхейма:
, где , Ф=е - работа выхода. t и табулированные функции аргумента , получим:
Эта формула получена в следующих предположениях: электроны подчиняются статистики Ферми – Дирака, в неметалле на электрон действуют только силы зеркального изображения. Характерными свойствами эмиссии из металла является высокие предельные плотности тока j и экспоненциальная зависимость j от Е. Автоэлектронная эмиссия слабо зависит от Т. При повышении Т и снижении Е автоэлектронная эмиссия переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем (эффект Шоттки).
4. Физический смысл параметров, характеризующих данное
эмитирующее устройство.
Коэффициент усиления это отношение емкости сетка-катод и емкости анод-катод к = s. Внутреннее сопротивление – это отношение малого изменения анодного напряжения к вызванному изменению анодного тока. Крутизна s – отношение изменения анодного тока к вызывающему его изменению сеточного напряжения.
Ia – анодный ток, Ua – анодное напряжение, k – зависит от геометрических размеров, следовательно постоянна. Коэффициент усилия легко рассчитать по номограмме Джервиса.
- работа выхода – энергия необходимая для вырывания с уровня Ферми одного электрона за предел эмиттера. Работа выхода зависит от материала эмиттера.
Прозрачность барьера D – отношение количества электронов прошедших барьер к количеству электронов упавших на барьер.
Радиус катода , расстояние анод-катод R, j – плотность тока.
5. Расчет электрофизических параметров автоэмиссионного катода.
Оптимальное рабочее напряжение составляет около 50 В. При этом минимальное напряжение равно 20 В, а max 100 В. При токе в 100 мкА плотность тока имеет порядок 10^4 А/см^2 max 10^8 А/см^2.
Выберем параметры катода: работа выхода из молибдена , радиус закругления катода . Напряженность поля может варьироваться в промежутках 10^9÷10^6 B/cm. Так как конструкция рассматриваемого автоэмиссионного катода выдерживает напряжения со степенью не больше , то поместим катод в поле с напряженностью Е=6*10^7 B/cm. Формула напряженности данной системы , тогда . Найдем плотность автоэмиссионного тока по формуле . Для практических расчетов удобно использовать формулу:
, где
Снижение высоты потенциального барьера .
6. Зависимости характеризующие работу эмиттера.
- функция Нордгейма. Уменьшение работы выхода эмиттера при наличии электрического поля получило название Шоттовского снижения. Аргументом функции является величина , представляющая собой отношение уменьшения работы выхода за счет эффекта Шоттки к работе выхода электрона с данной энергией Ех. При ,
7. Области применения и перспективы дальнейшего применения
катода данного вида.
Микроэлектронные элементы с автоэлектронной эмиссией составили новый класс активных элементов, которые, будучи изготовлены полностью из тугоплавких металлов с использованием технологии изготовления тонких пленок, обладают уникальным сочетание необходимых свойств: малым размером, большей механической прочностью, низкой чувствительностью к изменениям температуры и различным излучениям, высокой степенью стабильности и надежности.
К настоящему времени разработаны пленочные ненакаливаемые катоды на основе автоэлектронной эмиссии из металлов, однако здесь еще предстоит преодолеть ряд конструктивных и технологических трудностей.
Уже сейчас можно ставить вопрос о создании некоторых классов электронных приборов, например на основе катодов из пленок SnO2. Это такие электронные приборы, для функционирования которых несущественна величина шума, также разброс эмитированных электронов
←предыдущая следующая→
1 2