Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 3

Один из способов "испортить" металл - это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 100 A (10 нм), электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Реально катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются "островковые", т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Изменением условий напыления (скорости напыления, количества напыленного вещества, температуры подложки, энергии напыляемых атомов, доли ионов) можно управлять размером как островков, так и зазоров. Для облегчения выхода электронов из катода последний часто покрывается весьма тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO₂, BaO. При этом в SnO₂ и BaO играет роль не только "островковость" пленки, но и собственные свойства оксида (низкое отношение электронного сродства к энергии ударной ионизации).

Лучшие полученные параметры таковы - токоотбор 1 А/см² в течение длительного времени и 10 А/см² - кратковременно. При этом эффективность - отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку - может приближаться к 100%.

Эмиссия из p-n переходов

При подаче на полупроводник с p-n переходом обратного напряжения в нем образуется область с большим электрическим полем. При наличии дрейфового тока неосновных носителей они ускоряются этим полем, "разогреваются", и становится возможной их эмиссия. Эти носители - электроны, генерируемые в p-области, а для увеличения эмиссии поверхность такого катода (как и островковых пленок) покрывают монослоем Cs₂O или BaO. При этом электроны могут эмитироваться как через слой полупроводника (т.е. в направлении полученной от поля скорости), так и поперек, после рассеивания. В катодах с эмиссией из p-n переходов достигнуты высокие плотности тока - до 100 А/см², но пока при очень низкой эффективности - 10^-3, максимум - 10^-2. Таким образом, ток через переход превышает эмитируемый в 100-1000 раз, что для практического применения неприемлемо.

Катоды со структурой металл - диэлектрик - металл (МДМ)

Такой катод состоит из металлической подложки, нанесенной на нее тонкой диэлектрической пленки и металлической пленки поверх нее. Напряжение прикладывается между подложкой и металлической пленкой. Если диэлектрическая пленка достаточно тонка, чтобы электроны могли туннелировать через нее (10 - 100 нм), а металлическая пленка достаточно тонка, чтобы туннелировавшие и ускоренные полем электроны могли пройти и сквозь нее (3 - 30 нм), то они могут выйти в вакуум. Таким образом, механизм работы катода напоминает механизм работы островковой пленки, но роль островков играют подложка и металлическая пленка, а вакуумного зазора между островками - диэлектрическая пленка. Верхняя металлическая пленка для увеличения эмиссии обычно покрывается монослоями Cs или BaO. В качестве диэлектрика используются обычно оксиды или нитриды, материал верхнего электрода - чаще всего Al (алюминий) или Au. Достигнуты значения плотности тока до 1 А/см² при низкой эффективности - 0,01, или большая эффективность - 0,1, но при меньшей плотности тока.

Ситуация по катодам с эмиссией горячих электронов в целом такова. Всем этим катодам свойственны недостатки - широкий спектр энергий эмитированных электронов, часто - высокие шумы, нестабильная работа. Параметры большинства систем пока не достигли уровня, при котором они заинтересуют разработчиков приборов, но в дальнейшем это вполне возможно.

Катоды с отрицательным электронным сродством

На границе твердого тела и вакуума существует потенциальный барьер. Для электронов в зоне проводимости полупроводника высота этого барьера определяется величиной электронного сродства - разностью энергий между дном зоны проводимости и вакуумом. При нанесении на поверхность полупроводника моноатомных слоев электроположительных атомов или молекул с большим дипольным моментом происходит понижение работы выхода (расстояние от уровня Ферми до уровня вакуума), а следовательно, и электронного сродства. Обычно наносят Cs, BaO, Cs₂O и др., при этом в некоторых случаях электронное сродство может стать отрицательным. Это означает, что электрон в зоне проводимости полупроводника может свободно выйти ("вывалиться") в вакуум, если он окажется в зоне проводимости и на расстоянии от поверхности, меньшем диффузионной длины.

Например, если переброс электрона в зону проводимости обусловлен освещением полупроводника и этот электрон продиффундировал к поверхности и эмитировал, то мы имеем фотокатод с отрицательным электронным сродством. Если освещение полупроводника производится фотодиодом, выполненном "в одном устройстве" с использующим фотовозбуждение катодом с отрицательным электронным сродством, то мы получаем катод с отрицательным электронным сродством, имеющий внутри себя два преобразователя - тока в свет и обратно.

Имеются другие возможности использования катода с отрицательным электронным сродством. Пусть катод содержит полупроводник с p-n переходом с тонкой p-областью, которая граничит с вакуумом, и поверхность p-области обработана так, чтобы достигалось отрицательное электронное сродство. Тогда при подаче прямого смещения на p-n переход в p-область инжектируются электроны, которые, преодолев p-область, могут выйти в вакуум. Катоды этих двух типов реализованы, и получены плотности тока, близкие к представляющим интерес - порядка 1 А/см². Но по этим катодам существуют лишь одиночные работы, и перспективы их применения неясны. Основное применение катоды с отрицательным электронным сродством получили как катоды со вторичной электронной эмиссией и как фотокатоды.

АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Автоэлектронная эмиссия (также - полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) - испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера, не путем прохода над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, суженный и сниженный электрическим полем.

Зависимость автоэмиссии от поля и работы выхода весьма сильна, что иллюстрируется таблицей, в которой приведены некоторые значения плотности автоэлектронного тока в А/см² в зависимости от поля в В/см и работы выхода в эВ.

                Работа выхода, эВ    2,0                   4,5                  6,3

Поле, В/см

 ---------------------------------------------------------------------------------------

 10⁷                                                                  10³                           2х10^-17                             -

 2х10⁷                                                     2,5х10⁷                       5х10^-4                            10^-13

 5х10⁷                                                            -                     4х10⁶                              2х10²

 10⁸                                                                  -                                 6х10⁸                             5х10⁶

 2х10⁸                                                             -                                    -                                   2х10⁹

 ----------------------------------------------------------------------------------------

Величины, которые реально не могут быть получены или не могут быть измерены, опущены.

Автоэмиссия зависит также, хотя и слабо, от температуры. Так, в области "технически интересных" плотностей тока (более 10⁶ А/см² на поверхности эмиттера) при работах выхода в области 5-6 эВ автоэлектронный ток увеличивается на 10% при увеличении температуры от 0К до 700-900К. Разумеется, при увеличении температуры до значений, при которых становится существенной термоэмиссия, мы получаем смесь двух видов эмиссии, которую, естественно, называют термоавтоэмиссией. Катоды могут работать в этой области параметров, но основные преимущества автоэмиссии (отсутствие накала) и термоэмиссии (малые напряжения) в этом случае отсутствуют.

Энергетический спектр автоэлектронов из металла узок, полуширина распределения по полным энергиям при темпрературе 0 К составляет величину порядка 0,1-0,2 эВ, при 300 К 0,2-0,3 эВ. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через "температуру инверсии", соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям (в эксперименте на этот эффект накладывается джоулев разогрев). Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Все это влияет на положение энергетических зон, концентрацию носителей заряда и их энергетический спектр.

Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. Заметим, что таким же разогревом ограничена плотность тока, отбираемого с полупроводниковых термокатодов, но величины сопротивления - и, следовательно, предельные токи - различаются на много порядков. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10⁷ А/см² (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10⁹ А/см² в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом "режиме взрывной эмиссии" (см. ниже).