Лекция 6 (Лекции по вакуумной и плазменной электронике), страница 3

Объяснив механизм, они ввели характеристику для туннельногоэффекта, которая сейчас называется коэффициент прозрачности D потенциальногобарьера – отношения количества упавших на поверхность со стороны металла электроновк количеству прошедших сквозь барьер.2hl2 m (U  E ) dx,Deh – постоянная Планка,m – масса электрона,E – энергия электрона, падающего на поверхность,U – высота потенциального барьера.Т.е.

вероятность прохождения электрона сквозь барьер сильно зависит от шириныбарьера и от превышения барьера над энергией электрона (U–E) или, в конечном счёте, отвысоты барьера, определяемой работой выхода.где0Зная прозрачность барьера и количество упавших электронов, котороерассчитывается из теории физики твёрдого тела, можно подсчитать и количествоэлектронов, т.е. эмиссионный ток.2B 3 / 2F,J  AF eJ – плотность тока;φ – работа выхода;F – напряжённость поля;A и B – функции, зависящие от геометрии системы и работы выхода.Теория правильно доказала экспоненциальную зависимость эмиссионного тока отнапряжённости (рис. 6.6).гдеРис. 6.6.

Типовые вольтамперные характеристики автоэмиссииЗависимость тока эмиссии от напряжённости поля часто строят в координатахФаулера-Нордгейма ln(J/F) и 1/F – в этом случае получаются прямые линии.Расчёты показывают, что предельная плотность тока при прозрачности барьера,равной 1, равна 4,3∙109∙ЕF2, т.е. для металлов с энергией Ферми порядка 5 эВ предельнаяплотность тока равна 1,1·1011 А/см2.Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режимеавтоэмиссии, ограничены разогревом эмиттера протекающим через него током иразрушением эмиттера электрическим полем. Заметим, что таким же разогревомограничена плотность тока, отбираемого с полупроводниковых термокатодов, новеличины сопротивления – и, следовательно, предельные токи – различаются на многопорядков.

В режиме автоэмиссии получают токи порядка 107 А/см2 (на поверхностиэмиттера) в стационарном и 109 А/см2 в импульсном режимах. При попытке встационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режимепри попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом"режиме взрывной эмиссии".Энергетический спектр автоэлектронов из металла узок (что также доказала теорияФаулера-Нордгейма), полуширина распределения по полным энергиям при температуре 0К составляет величину порядка 0,1-0,2 эВ, при 300 К 0,2-0,3 эВ.

Отбор тока при низкихтемператуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергиюв среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяетсяохлаждением - эффект меняет знак, проходя через "температуру инверсии",соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределениювышедших электронов по полным энергиям (в эксперименте на этот эффектнакладывается джоулев разогрев). Особенности автоэлектронной эмиссии изполупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшейконцентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Все это влияет наположение энергетических зон, концентрацию носителей заряда и их энергетическийспектр.Автоэмиссия слабо зависит от температуры, например, при плотностях токаэмиссии 106 у материалов с работой выхода 5-6 эВ при увеличении температуры токвозрастает на 10%.В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы илисоединения с металлическим типом проводимости - как ввиду низкого сопротивления, таки ввиду высокой прочности.

Однако в некоторых случаях возможно использование иполупроводников. Для них предельная эмиссия меньше, ток в некоторых случаях зависитот температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмитированныхэлектронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.Автоэлектронная эмиссия зависит от двух основных параметров автоэлектронногокатода:1. Работа выхода.2. Напряжённость электрического поля на поверхности автоэлектронного катода.Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода приводит к нестабильностиработы автокатодов.

На величину работы выхода влияют следующие параметры:1. Процессы, происходящие во время эмиссии в высоком вакууме (диффузия,миграция, перестройка поверхности).Диффузия слабо влияет на работу, поскольку материал для автокатода как правилооднородный (вольфрам, углерод).Миграция – изменение локального состава поверхности, особенно сильнопроявляет своё влияние при автокатоде неоднородного состава (например, LaB6),Перестройка поверхности – явление смены кристаллографических плоскостейповерхности в сильных электрических полях. Этим эффектом часто пользуются дляуправления формой эмиттера.Процессы миграции и перестройки поверхности сильно взаимосвязаны.2.

Недостаточная степень вакуума.Это влияние выражается в сорбировании остаточных газов на поверхностиавтокатода, что увеличивает работу выхода. Причём вольфрам очень хорошосорбирует газы. Для уменьшения этого процесса используют небольшой подогревэмиттера. Степень же вакуума у приборов с автокатодами на два-три порядка выше(10-7 – 10-8), чем у приборов с термокатодами (10-4 – 10-5 Па).Напряжённость электрического поля на поверхности автоэлектронного катода, всвою очередь, зависит от среднего поля в приборе, т.е. от отношения напряжения квеличине зазора между катодом и анодом, и от формы эмиттера.

Для увеличениянапряжённости на поверхности эмиттеру придают заострённую форму – острия, кромки,нити, лезвия (рис. 6.7), и, как правило, используют пакеты таких форм. Поэтому частовстречается такое понятие, как многоострийные автоэмиссионные катоды.

Это связано стем, что ток с одного острия, несмотря на огромную плотность, очень мал. Число острийпри этом должно достигать десятков тысяч.Рис. 6.7. Типовые формы автоэмиттеров:а) острийный (вершина острия апроксимируется полусферой, катод в целом –параболоидом вращения)б) коаксиальный (цилиндрически симметричный)в) лезвийный (поперечное сечение у торца – приближенно парабола)г) плёночный (эмиссия идёт с торца плёнки толщиной < 1 мкм)Отдельный и сложный вопрос – это формирование остриёв (или любого другогорельефа). Существует несколько методов:1.

Электрохимическое или электронное травление.2. Физический излом плёнки, фольги или многократное вытягивание резка пучканитей.3. Выращивание остриёв из газовой фазы, содержащей атомы нужного вещества (какправило, углерод).4. Напыление через маску.Естественно, что острия должны сохраняться для нормальной стабильной работыкатода. Но, как было уже сказано выше, этому мешает перестройка поверхности, котораяс повышением температуры увеличивает своё влияние. Но при этом имеется особенность:если нагрев идёт без присутствия поля, поверхность сглаживается, а в поле сильнойнапряжённости – наоборот – заостряется.

Это используется для управления формойостриёв и для поддержания стабильности работы эмиттера в целом.Ещё одна большая проблема – непараллельность пучка электронов в связи с тем,что эмиссия происходит с острия, а не с плоскости, как в термокатодах. Это связано с тем,что область высоких напряжений, где электроны приобретают наибольшую энергию,лежит в зоне острия. В результате электрон получает вектор скорости, далеко не всегдасовпадающий с вектором напряжённости поля в приборе. Электронный пучокрасширяется, а поскольку используют многоострийную или многолезвийную систему, тообщий поток электронов вообще получается пересекающимся. Из-за этогоавтоэмиссионный катод нельзя просто взять и поставить вместо термоэмиссионного ваналогичный прибор.

Необходимо прибегать к различным технологическим приёмам длясужения и выпрямления пучка (создание эмиссионного рельефа избирательной сорбцией– сорбированием циркония на вольфраме или огранкой – созданием разныхкристаллографических граней, которые по-разному эмитируют), что приводит к инымконструкциям приборов. Основные достоинства автоэмиссионных катодов: Высокая плотность тока Безынерционность Малые размеры Отсутствие цепи накала Малый разброс по энергиям в пучкеЭти качества делают автоэмиссионные катоды перспективными для электронноймикроскопии, электронно-лучевой технологии, ярких источников света и плоскихдисплеев, а также для рентгеновских трубок и СВЧ–приборов сверхбольших частот.