Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы


Н.В. ЕГОРОВ, Е.П. ШЕШИН





                АВТОЭЛЕКТРОННАЯ
                ЭМИССИЯ




  ПРИНЦИПЫ И ПРИБОРЫ










л

                                          Издательский Дом
                                          ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

    Н.В. Егоров, Е.П. Шешин
       Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы: Учебнник-монография / Н.В. Егоров, Е.П. Шешин— Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 704 с.
       ISBN 978-5-91559-027-3

       Учебник-монография по актуальному направлению на стыке «классической» вакуумной электроники и нанотехнологий. Наряду с теоретическими моделями особенно подробно даны сведения об экспериментальной технике для исследований, технологиях изготовления эмиттеров и различных конструкциях автокатодов. Подробно изложены результаты исследований и применения новых наноматериалов и углеродных нанотрубок для создания автокатодов и электронных пушек на их основе. Рассмотрены применения автокатодов в новых источниках света и плоских дисплеях, СВЧ приборах и рентгеновских трубках.
       Для студентов старших курсов и преподавателей, инженеров-разработчиков в различных областях прикладной физики и электроники.





















ISBN 978-5-91559-027-3

    © 2011, Н.В. Егоров, Е.П. Шешин
    © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

          ОГЛАВЛЕНИЕ










    Предисловие......................................................7
    Введение.........................................................9
    Глава 1
    ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ............................................. 11

        1.1. Введение............................................. 11
        1.2. Теория АЭЭ из металлов Фаулера—Нордгейма (ФН).........24
        1.3. Классическая теория АЭЭ из полупроводников Моргулиса—Стреттона....................................... 34
        1.4. Элементы теории микроскопа-проектора Мюллера..........42
        1.5. Недостатки классических теорий АЭЭ и границы их применимости........................................... 53
        Литература................................................ 60
    Глава 2
    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДИКА...........................63

        2.1. Автоэлектронные микроскопы............................63
           2.1.1. Конструкция автоэлектронных микроскопов ........ 68
           2.1.2. Специальные конструкции ........................ 73
        2.2. Анализаторы полных энергий автоэлектронов............ 80
        2.3. Универсальные конструкции автоэлектронных микроскопов.94
        2.4. Электронные системы..................................104
        2.5. Технология изготовления эмиттеров....................106
        2.6. Некоторые методические примеры использования автоэлектронных микроскопов...............................................140
        Литература............................................... 151
    Глава 3
     СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ...................................... 161

        3.1. Введение............................................ 161

—1 Оглавление

        3.2. Теория термоавтоэлектронной эмиссии (ТАЭЭ) из металлов..173
        3.3. Автоэлектронная спектроскопия. Энергетическое распределение автоэлектронов и термоавтоэлектронов, эмитированных
           из металла.................................................185
        3.4. Феноменологические теории автоэлектронной эмиссии из полупроводников ........................................ 191
        3.5. Теоретические аспекты явлений и процессов на поверхности при автоэлектронной эмиссии.................................208
        Литература....................................................220
    Глава 4
    МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОКАТОДОВ.................227

        4.1. Моделирование потенциального барьера и прозрачности потенциального барьера по экспериментальным данным..........227
        4.2. Расчет теоретических характеристик металлического автокатода для модельной конфигурации его вершины......................241
        4.3. Моделирование структуры поверхности металлического автокатода...................................................248
        4.4. Моделирование распределения работы выхода по поверхности автокатода...................................................257
        4.5. Теоретические исследования физических процессов, влияющих на предельные плотности тока АЭЭ............................266
        Литература....................................................283
    Глава 5
    АВТОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ............................................288

        5.1. Основные проблемы автоэлектронных катодов................288
        5.2. Острийные и многоострийные автокатоды ...................295
        5.3. Лезвийные и проволочные автокатоды.......................315
        5.4. Пленочные автокатоды.....................................323
        5.5. Автоэлектронные катоды из нитевидных кристаллов..........333
        5.6. Автоэмиссионные наноструктуры на основе нанопористого анодного оксида алюминия....................................345
        5.7. Другие типы автокатодов..................................354
        Литература....................................................363
    Глава 6
    АВТОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ..................377

        6.1. Углеродные волокна.......................................377
           6.1.1. Полиакрилонитрильные углеродные волокна.............377
           6.1.2. Углеродные нановолокна .............................389
        6.2. Углеродные нанотрубки....................................392
           6.2.1. Особенности структуры и автоэмиссии.................392
           6.2.2. Некоторые способы выращивания углеродных нанотрубок.399

Оглавление —I 5

    6.3. Неориентированные структуры..................................406
    6.4. Углеродные фольги............................................411
    6.5. Плоские автокатоды больших размеров..........................422
        6.5.1. Электрофорез...........................................422
        6.5.2. Метод трафаретной печати...............................428
        6.5.3. Конструкционные металлы ...............................433
    6.6. Улучшение эмиссионных свойств................................434
        6.6.1. Формовкаавтокатодов....................................434
        6.6.2. Предварительная обработка..............................436
        6.6.3. Покрытия и легирование.................................439
    6.7. Особенности измерения и анализа вольт-амперных характеристик углеродных материалов...........................................443
        6.7.1. Способы измерения вольт-амперных характеристик и их особенности  443
        6.7.2. Методика проведения долговременных автоэмиссионных испытаний и анализа экспериментальных данных...........................451
        6.7.3. Оценка равномерности эмиссии с поверхности автокатода .457
        6.7.4. Разработанный алгоритм сбора и предварительной обработки экспериментальных данных...........................460
    Литература........................................................464

Глава 7
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК НА ОСНОВЕ АВТОКАТОДОВ........................476

    7.1. Введение.....................................................476
    7.2. Общая задача расчета оптимальной структуры электронных пушек на основе одноострийных и многоострийных автокатодов (модельАлмазова—Егорова [25], [27], [39], [40], [41])...........483
    7.3. Математическое моделирование модельных триодных электронно-оптических систем....................................499
    7.4. Расчет распределения электрического поля в системах формирования и управления на основе автоэлектронного катода и системы фокусирующих диафрагм с малыми радиусами отверстий..............509
    7.5. Расчет оптимальных характеристик в системах формирования и управления на основе автокатода и системы фокусирующих диафрагм........................................................514
    7.6. Расчет электронных траекторий в системе с автокатодом........529
    Литература........................................................544

Глава 8
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ АВТОКАТОДОВ............................548

    8.1. Источники света..............................................548
        8.1.1. Принцип действия ......................................548
        8.1.2. Пальчиковые катодолюминесцентные лампы.................554
        8.1.3. Плоские катодолюминесцентные источники света...........562
        8.1.4. Цилиндрические катодолюминесцентные источники света....570
        8.1.5. Сферические катодолюминесцентные источники света.......574

\f Оглавление

             8.1.6. Основные направления использования катодолюминесцентных источников света..............................................574
         8.2. Плоские дисплейные экраны....................................582
             8.2.1. Дисплейные экраны с острийными автокатодами............584
             8.2.2. Диодные дисплейные экраны..............................588
             8.2.3. Триодные дисплейные экраны.............................594
             8.2.4. Многоэлектродные дисплейные экраны ....................602
             8.2.5. Дисплейные экраны латеральной конструкции..............604
             8.2.6. Экраны с обратным расположением управляющего электрода.606
             8.2.7. Дисплеи с тонкопленочными автокатодами.................609
         8.3. Приборы СВЧ..................................................614
             8.3.1. Автоэмиссионные микротриоды и усилители................618
             8.3.2. Магнетроны.............................................621
             8.3.3. Лампы бегущей волны....................................625
             8.3.4. Отражательные клистроны................................627
         8.4. Рентгеновские трубки.........................................628
         8.5. Электронные пушки............................................634
             8.5.1. Общие принципы.........................................634
             8.5.2. Методы локализации автоэмиссии.........................636
             8.5.3. Маломощные электронные пушки...........................640
             8.5.4. Мощные электронные пушки...............................651
         8.6. Другие типы приборов.........................................654
             8.6.1. Нагреватели............................................654
             8.6.2. Сенсоры................................................660
             8.6.3. Элементы памяти........................................662
             8.6.4. Источники ионов........................................665
             8.6.5. Полноцветные проекторы ................................667
         Литература........................................................670

Заключение (перспективы развития).....................................686
         1. Развитие традиционных технологий...............................687
         2.  Новые материалы...............................................691
         3. Нанотехнология.................................................693
         4.  Обработка автокатодов.........................................696
         5. Увеличение равномерности потока электронов.....................698
         6.  Фокусировка электронного пучка................................702
         Литература........................................................702

ПРЕДИСЛОВИЕ










               С момента выхода монографии М.И. Елинсона и Г.Ф. Васильева «Автоэлектронная эмиссия» прошло уже более 50 лет. За эти годы во всем мире и у нас в стране опубликовано огромное количество работ, проведены сотни конференций по всем направлениям автоэмиссионной электроники. Тем не менее до сих пор не выпущено ни одной работы по обобщению таких материалов.
       Эта книга посвящена некоторому обобщению теоретических, экспериментальных и приборных тенденции современной автоэлектронной эмиссии, что может помочь в создании новых приборов на основе наноструктурированных материалов.
       Поскольку само явление автоэлектронной эмиссии не требует затрат энергии, то есть возможность создания высокоэффективных энергосберегающих приборов и технологий.
       Книга условно разделена на три составные направления: теоретические модели и формулы для расчета элементов электронных пушек; экспериментальная техника и технология, а также основы практического использования автокатодов в электронных приборах. Особое внимание уделено рассмотрению особенностей автоэлектронной эмиссии из углеродных наноструктурированных материалов и приборов на их основе, так как по мнению авторов, эти материалы являются наиболее перспективными для приборов с автокатодами.
       Приведены перспективные направления развития приборов с автоэлектронными катодами.
       При написании книги авторы не ставили своей целью осветить полностью все работы в данных областях или хотя бы большую часть. Основу книги составляют теоретические, методические и экспериментальные результаты, полученные авторами и коллективами, ими возглавляемыми на кафедре вакуумной электроники Московского физико-технического института и на кафедре моделирования электро

—1 Предисловие

    механических и компьютерных систем Санкт-Петербургского государственного университета.
       В процессе этих работ были предложены многие оригинальные модели, методики и приборы. Некоторая часть этих результатов приведена в этой книге.
       Авторы выражают глубокую благодарность исследователям, результаты работ которых были использованы в книге, а также своим коллегам и ученикам, многолетнее сотрудничество с которыми, проведение совместных исследований и обсуждение их результатов стали основными мотивами написания данной книги. Особо благодарны авторы Елене Викторовне Бойко и Андрею Геннадьевичу Карпову, чья неоценимая помощь в оформлении книги способствовала успешному завершению работы над ней, а также Андрею Сергеевичу Батурину за помощь в организации выпуска этой книги.
       Главы 1, 3, 4, 7 написаны Н.В. Егоровым.
       Введение, главы 2, 5, 6, 8 и заключение написаны Е.П. Шешиным.

          ВВЕДЕНИЕ










               Среди актуальных задач современной электроники важное место отводится созданию стабильных автоэмиссионных катодов, способных длительное время работать в условиях высокого технического вакуума (10⁻⁶—10⁻⁷ мм рт. ст.). Преимущества автоэлектронных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны. К их числу относятся: отсутствие накала; высокая плотность тока автоэмиссии; устойчивость к колебаниям температуры; малая чувствительность к внешней радиации; безынерционность; экспоненциально высокая крутизна вольт-амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования автокатодов в различных электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, плоские дисплейные экраны и т. д.
       Основная трудность в создании стабильных автоэлектронных катодов состоит в том, что автоэлектронная эмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. Работа автоэлектронного катода в электронном приборе сопровождается различными процессами, происходящими на его поверхности, основные из них: ионная бомбардировка, пондеромо-торные нагрузки,дсорбция и десорбция молекул остаточных газов; поверхностная миграция и т. д. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации автокатода перечисленные процессы, порознь или в некоторой совокупности, приводят к ряду эффектов, изменяющих режим их работы: катодное распыление материала, изменение формы эмитирующей поверхности, изменение количества и расположения микровыступов, изменение работы выхода электронов, разогрев катода, механические напряжения.
       Автоэлектронная эмиссия является наиболее экономичным видом эмиссии свободных электронов, а это дает возможность созда

¹⁰ -V

Введение

    ния новых поколений эффективных электронных приборов с новыми потребительскими свойствами.
       Для лучшего понимания явления и процессов, возникающих при автоэлектронной эмиссии, книга разделена на теоретическую и экспериментальные части.
       В теоретических главах рассмотрены особенности автоэлектронной эмиссии на основе современных физических и математических моделей и понятий.
       Экспериментальные главы посвящены экспериментальным методикам и технике автоэмиссионных экспериментов, а также вопросам практического применения автокатодов. Этот раздел включает в себя рассмотрение особенностей изготовления автокатодов различных типов и приборов на их основе.
       Особое внимание уделено перспективам развития автоэмисси-онной электроники.
       Для удобства пользования книгой список литературы прилагается отдельно к каждой главе.
       В этой книге предпринята попытка обобщения накопленного за многие годы опыта развития автоэлектронной эмиссии, что, по мнению авторов, должно дать новый импульс к развитию автокатодов и приборов на их основе в нашей стране.
       Авторы прекрасно понимают, что любой из разделов этой книги может быть доведен до размеров целой монографии.
       Но тем не менее для развития современной электроники XXI в. нам представляется необходимым обобщение накопленного за многие годы материала и издание этого труда, который будет стимулировать развитие автоэмиссионной электроники в России.

ГЛАВА

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

1

1.1. ВВЕДЕНИЕ

          Естественными эмиттерами заряженных частиц (электронов, ионов) являются структуры из них состоящие (твердые тела, жидкости, газы, плазма). Легко оценить предельные плотности электронного тока из металла. Так как в нормальных условиях на поверхность металла поступает поток «тепловых» электронов плотностью
j = еп ₀ V,
где е = 1,6 • 10⁻¹⁹ Кл — заряд электрона; п₀ = 10²²—10²³ см⁻³ — концентрация электронов; V — скорость, которая для электронов, имеющих энергию, равную энергии Ферми (Е₀), равна 10⁸см/с), то принципиально возможное значение плотности такого тока колоссально j = 10¹² А/см². Однако только небольшая доля электронов эмитируется из металла. Это связано с тем, что возникающие при прохождении электрона через поверхность силы торможения значительны, для классических металлов работа выхода равна 2—6 эВ, и электронов, имеющих энергию, превышающую работу выхода в металле в нормальных условиях, ничтожно мало. Стандартный способ увеличения числа эмитирующих из твердого тела электронов состоит в придании электронам проводимости дополнительной энергии, необходимой для совершения работы выхода.
   Такая дополнительная энергия передается с помощью того или иного внешнего воздействия: за счет электромагнитного излучения (фотоэлектронная эмиссия — ФЭЭ), за счет воздействия частицами с высокими энергиями (вторичная электронная эмиссия — ВЭЭ) и т. д. Наиболее широко используется в настоящее время термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ), т. е. испускание электронов нагретыми те

¹² -V

Глава 1. Основные принципы

лами. Существует также вид эмиссии электронов, не требующий затраты дополнительной энергии и названный поэтому автоэлектронной эмиссией (АЭЭ)¹ * *. АЭЭ возникает при приложении к поверхности твердого тела очень сильного электрического поля (напряженностью Е ~ 10⁷ В/см), в результате чего поверхностный потенциальный порог превращается в потенциальный барьер, который понижается и, что более существенно, сужается настолько, что электроны оказываются способными туннельно (без потери энергии) уходить из твердого тела сквозь этот барьер.
   АЭЭ не имела теоретического объяснения вплоть до открытия квантово-механического туннельного эффекта (см., например, [1], [2]). Вскоре после этого (в 1928—1929 гг.) Фаулером и Нордгеймом с полным пониманием сути явления была построена первая теория АЭЭ из металлов [3], [4]. Последующее развитие теории АЭЭ из металлов шло по пути уточнения исходных моделей и совершенствования вычислительного аппарата.
   Относительно ситуации, касающейся создания теории АЭЭ из полупроводников, по-видимому, нужно констатировать, что к настоящему времени сколько-нибудь полной, логически замкнутой, математически и физически непротиворечивой теории, адекватно объясняющей экспериментальные факты, не существует [5] — [7]. Это же относится и к теории АЭЭ из углеродных структур [8].
   Для понимания явления автоэлектронной эмиссии, также, впрочем, как термоэлектронной и иных видов электронной эмиссии, — важно иметь ясное представление о некоторых свойствах системы электронов в твердых кристаллических телах, являющихся электронными эмиттерами. Такими свойствами являются, в частности, характер энергетического спектра электронов (зонная структура кристалла), определяемый квантово-механическими законами, и характер распределения электронов по энергиям в разрешенных зонах, определяемый статистическими законами. Эти вопросы весьма обстоятельно рассмотрены в литературе, в том числе в ряде превосходных монографий и учебников (см., например, [1, 5, 6, 16, 38—40]), и поэтому мы в настоящей книге на этих вопросах подробно останавливаться не будем.

    ¹ Вместо термина «автоэлектронная эмиссия» (АЭЭ) употребляют также тер-

мины «полевая электронная эмиссия» (ПЭЭ), «холодная эмиссия», «электроста-

тическая эмиссия».

1.1. Введение

Л

13

   Основное же внимание уделим рассмотрению и анализу явлений на межфазной границе металл (полупроводник) — вакуум, металл (полупроводник) — диэлектрик, определяющих как само явление АЭЭ, так и процессы его сопровождающие и ему сопутствующие.
   Расчет основной для любого вида эмиссии зависимости плотности эмиссионного тока от интенсивности вызывающего эмиссию воздействия (температуры, освещения, напряженности электрического поля и т. д.) может быть реализован, если удается вычислить интеграл


               + оо 4-ос 4-ос
          j = е J dpy J dpz j f (pₓ, py,, pz)S>(pₓ, E)pₓm~l *dpₓ, ⁽1.1⁾
               — oo —oo  —oo

где e — заряд электрона; / — функция распределения электронов в металле по компонентам импульса (рх, ру, р_); ® (рх, Е) — коэффициент прозрачности (прозрачность) потенциального барьера при наличии внешнего электрического поля у поверхности металла для электронов, падающих на металл с импульсами рх по нормали к его поверхности, совпадающей с осью х; Е — напряженность электрического поля. Если ® зависит только от рх, то интегрирование (1.1) по рх и р_ сводит рассматриваемую задачу к одномерной и при переходе от переменнойрх к Вх дает

                          4-оо
                    j - |е| J 3 (^ ,Е, Ф) п (^)d%х,               (1.2)
                          о
где п(Вх)dВх — поток электронов с энергиями в интервале dВх около Вх изнутри катода; Ф — работа выхода, определяемая, как известно, энергией, затрачиваемой на удаление электрона из твердого тела (или жидкости) в вакуум.
    Величина п(Вх) вычисляется из распределения Ферми—Дирака и определяется соотношением


                   ,    4л-ткТ , ₁

                  п (Е > =-z— In 1 + exp

                           й³


Е кТ

	

•

где й — постоянная Планка.
    Поскольку п(В) задается, то задача расчета основной эмиссионной зависимости для случая АЭЭ — j = f (Е) с помощью интеграла (1.2) может быть решена, если известна (определена) величина ® (Вх, Е).

¹⁴

Глава 1. Основные принципы

    Как мы уже отмечали, электроны удерживаются внутри твердого тела (металла, полупроводника) электрическими силами и сами по себе не могут выйти за его пределы. Эта ситуация формализуется введением для границы раздела твердое тело—вакуум понятия потенциального порога (барьера).
    Потенциальный барьер можно определить как область пространства, в которой потенциальная энергия частицы (в нашем случае электрона) принимает значение большее, чем ее полная энергия. Математически потенциальный барьер представляется в виде функциональной зависимости величины потенциальной энергии частицы (электрона) от ее (его) координаты. Графически потенциальный барьер может быть представлен в форме некоторой произвольной потенциальной кривой, допустим такой, как показано на рис. 1.1.







Рис. 1.1. Произвольный потенциальный барьер

   Область, в которой энергия U отлична от нуля, конечна и простирается от х = а до х = b, и носит название потенциального барьера (^ < U).
   Для классической механики [9] характерно, что частица не может проникнуть в область потенциального барьера без совершения над ней внешним источником некоторой работы против сил потенциального поля. Наоборот, в квантовой механике может иметь место характерное явление проникновения частицы через потенциальный барьер даже тогда, когда никакой дополнительной энергии частица не получает (туннельный эффект). В классической статистической физике источником энергии для преодоления потенциального барьера часто является тепловой обмен энергией между частицами (подобно тому, как это имеет место, например, при термоэлектронной эмиссии). Если на «вершине» потенциального барьера, ^ = Uпах, полная энергия рассматриваемой частицы ^ составляет лишь незначительную часть полной энергии всей замкнутой системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, то вероятность прохождения через потенциальный барьер пропорциональна больцмановско-