РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 8, с. 788-793
УДК 537.8
ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ ЭМИССИИ МНОГООСТРИЙНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ МАТРИЦ
ИЗ СТЕКЛОУГЛЕРОДА © 2014 г. В. И. Шестеркин
Открытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Алмаз", Российская Федерация, 410033 Саратов, ул. Панфилова, 1 E-mail: almaz@overta.ru Поступила в редакцию 19.03.2014 г.
На основе экспериментальных вольт-амперных характеристик многоострийных автоэмиссионных матриц из стеклоуглерода исследована зависимость эффективной площади эмиссии от напряженности электрического поля и величины межэлектродного зазора диода. Показано, что с уменьшением величины зазора эффективная площадь эмиссии возрастает и стремится к геометрической площади эмиссионных центров. Исследовано изменение эффективной плотности тока эмиссионных центров от их площади эмиссии.
DOI: 10.7868/S0033849414080208
ВВЕДЕНИЕ
Расчет автоэмиссионного тока с единичного микроострия, а тем более с матрицы микроострий, при использовании уравнения Фаулера-Нордгей-ма является сложной задачей. Это связано с приближенным характером уравнения. Оно получено в приближении, которое не учитывает конечных геометрических размеров эмитирующей поверхности, повышение энергии автоэлектронов относительно уровня Ферми за счет термического разогрева, а также реальную форму поверхности эмиттера, которая не является одномерной [1]. Реальная геометрия эмитирующей поверхности многоострийного катода из стеклоуглерода представляет собой многоуровневую систему из матрицы микроострий и неупорядоченно расположенных острий наноразмерного уровня на их вершинах [2, 3]. Автоэмиссионный ток локализован на единичных наноэмиттерах, имеющих максимальный коэффициент усиления электрического поля К. Вследствие этого эффективная площадь эмиссии 5зф многоострийного автоэмиссионного катода значительно меньше суммарной геометрической площади микроострий. Кроме того, она не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от напряженности поля на их вершинах и от величины межэлектродного зазора диодного промежутка [4, 5].
Разработчикам электронных приборов с автоэмиссионными катодами хотелось бы иметь достаточно простое соотношение, связывающее ток катода с приложенным на вытягивающий электрод напряжением, аналогичное закону "трех
вторых для плоского диода с термоэмиссионным катодом. Для этого необходимо знать эффективную плотность тока /эф на поверхности автоэмиссионного катода и его эффективную площадь эмиссии 5зф. Несмотря на то что эмиссия термоэлектронов, так же как и автоэлектронов, дискретно распределена по отдельным эмиссионным центрам на поверхности термоэмиссионного катода, указанные выше параметры определяются однозначно. Указанный факт обусловлен тем, что термоэмиссионный катод, как правило, работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом вблизи поверхности катода. В этом случае вопрос об эффективной площади эмиссии не возникает, она в точности равна геометрической площади поверхности термоэмиссионного катода. Вблизи поверхности автоэмиссионного катода, работающего в режиме устойчивой автоэмиссии, облако пространственного заряда отсутствует. Значение эффективной площади эмиссии автоэмиссионного катода на несколько порядков меньше геометрической площади, занятой микроостриями [6].
Численный расчет эффективной площади эмиссии затруднен вследствие того, что наноост-рия расположены хаотическим образом и имеют разные аспектные соотношения. По этим же соображениям достаточно сложно численно рассчитать напряженность электрического поля Е0 на вершинах эмиссионных центров, число которых заранее не известно.
Экспериментально можно получить усредненные по поверхности катода значения коэффици-
ента усиления электрического поля К по углу наклона вольт-амперных характеристик (ВАХ) в координатах Фаулера-Нордгейма и вычислить также усредненные по матрице микроострий значения ¿Эф для разных величин межэлектродного зазора Следует отметить, что полученные из эксперимента значения параметров К, ¿эф и /Эф для единичных эмиттеров могут существенно отличаться от усредненных значений по матрице.
Актуальность задачи исследования эффективной площади эмиссии в зависимости от напряженности электрического поля и величины межэлектродного зазора заключается в том, что она однозначно определяет значение истинной или эффективной плотности тока на эмиссионных центрах /эф. Ее значение позволяет определить, насколько близко или далеко от зоны неустойчивости находится режим работы автоэмиссионного катода, за которым наступает режим автотермо-эмиссии и далее взрывной эмиссии. В работе [7] приведено значение пороговой для автоэлектронной эмиссии плотности тока ~5 х 107 А/см2, выше которого происходит процесс лавинообразного нарастания автоэмиссионного тока, заканчивающегося расплавлением эмиттера. Остается не ясным вопрос о том, является ли приведенное выше значение пороговой плотности тока характерным и для микроострий с различной геометрией и из других материалов? В данном случае нас интересует значение /эф для эмиттеров из стеклоуглерода.
Цель данной работы является — исследование эффективной площади эмиссии многоострийной катодной матрицы из стеклоуглерода СУ-2000 на основе экспериментальных ВАХ диода с плоскими электродами, ее зависимости от напряженности поля и величины межэлектродного зазора, а также оценка эффективной площади эмиссии микроострий в режиме устойчивой автоэмиссии.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Эффективная площадь эмиссии определяется из уравнения Фаулера-Нордгейма путем умножения его левой и правой частей на коэффициент ¿эф, имеющий размерность площади. При этом в левой части уравнения появляется ток катода, величина которого измеряется экспериментально. Уравнение для ¿эф имеет вид
I к ехр
' ВФ3/2
^эф — '
й к
Ки „
КЦа
йк-а
(1)
где 1к — ток катода, Ла — напряжение анода, ф — работа выхода электрона, А и В — медленно меняющиеся параметры [1].
Входящие в соотношение (1) величины либо известны, либо определяются экспериментально. По экспериментально измеренным ВАХ исследуются зависимости ¿эф от напряженности электрического поля на эмиссионных центрах, а также от величины зазора диодного промежутка. На основе полученных значений ¿эф вычисляется плотность тока /эф для катодной матрицы и отдельного микроострия.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведены измерения ВАХ трех образцов автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода СУ-2000 в макетах диодов с подвижным анодом, изготовленным также из стеклоуглерода. Измерения проведены в импульсном режиме работы источника напряжения при длительности импульса т = = 80 мкс и скважности О = 620 в условиях непрерывной откачки при давлении остаточных газов не хуже 2 х 10-7 мм рт. ст. Катоды макетов диодов представляли собой диски диаметром 3 мм и высотой 2 мм. На торце одного из дисков методом тонкопленочной технологии и термохимического травления [8] сформирована матрица микроострий в форме усеченного конуса высотой ~12 мкм, диаметром основания ~14 мкм и диаметром вершины конуса ~1.6 мкм (рис. 1). Плотность упаковки микроострий составляла 2.5 х 105 см-2.
Катоды во втором и третьем макетах диодов не имели периодической структуры микроострий. Во втором макете поверхность катодного диска была подвергнута термохимическому травлению сплошной пленкой никеля, а в третьем — электрохимической полировке до 11-го класса чистоты поверхности.
ВАХ диодов измерены при различных зазорах А^к-а. По углу наклона ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма определены коэффициенты усиления электрического поля К для наноэмиттеров при различных зазорах ^к—а (рис. 2). Для трех типов катодов характерна одинаковая зависимость К от ^к—а. Для катодов без микроострий кривые коэффициента усиления К достигают максимума при зазорах ^к—а ~ 10 мкм, в то время как для катода с матрицей микроострий — при ^к—а > 3Ь, где Ь — период матрицы микроострий. По полученным значениям К определены значения напряженности электрического поля на эмиссионных центрах Е0 = К иа/йк-а. На рис. 3 приведены ВАХ диода с матрицей микроострий при различных зазорах dк—а.
При использовании соотношения (1), где все неизвестные параметры теперь определены, рассчитаны значения ¿эф для трех типов катодов (рис. 4а, 4б). Абсолютные значения ¿эф для трех
автоэмиссионных катодов на несколько порядков меньше площади катодного диска (,вд = 7.07 х х 10-2 см2). Так, для катода с матрицей микроострий, величина ,эф составляет примерно 1.4 х 10-7% от 5ВД, а для катодов с полированной поверхностью и после термохимического травления — соответственно 1.4 х 10-5% и ~0.14% от ,кд. Для катода с матрицей микроострий максимальное значение ,эф составляет ~3 х 10-5% от суммарной площади вершин всех микроострий на катодном диске. Малое значение ,эф свидетельствует о том, что в эмиссии принимают участие лишь отдельные наноэмиттеры с максимальным коэффициентом усиления.
K
250
200
150
100
50
20
40
60
80 йк
Рис. 2. Изменение коэффициента усиления поля в зависимости от величины зазора в диоде; кривая 1 — катод с полированной поверхностью, кривая 2 — катод с текстурированной поверхностью, кривая 3 — катод с матрицей микроострий.
Для трех типов катодов наблюдается единая закономерность: величина ,эф возрастает при уменьшении зазора диодного промежутка (рис. 5). Ее наибольшее изменение зафиксировано для катода с текстурированной термохимическим способом поверхностью без микроострий (примерно пять порядков величины). Для катода с матрицей микроострий при уменьшении величины зазора й^к_а от 100 мкм до 4 мкм величина ,эф возрастает примерно на 1.5 порядка.
Указанную зависимость можно объяснить тем, что при dк_а > 3L эффективная площадь эмиссии стремится к своему максимальному значению. Напряженность электрического поля на эмиссионных центрах практически не изменяется так же как и их число. Автоэлектронная эмиссия происходит с наноэмиттеров, которые имеют наиболее высокие значения коэффициентов усиления. Их значения стремятся к некоторой максимальной
4, мА
50 40 30 20 10
d^a = 4 мкм ,
100
10
11
E0 х 10-7
, В/см
Рис.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.