Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

Работа [49] специально посвящена изучению распре­ деления электронов, эмиттируемых из структур МДМструктуры по нормальным компонентам энергии. Иссле­ дования проводились на катодах с диэлектриками А120 3, NaAlFe, КВт, NaCl. Верхней металлической пленкой во

отстоящих друг от друга на расстоянии от долей до не­ скольких электрон-вольт. Полуширина максимумов име­ ет такой же порядок. При низких эмиссионных токах (/«10~10 А) максимум энергетического распределения эмиттированных электронов расположен на 3,5 эВ выше уровня Ферми для алюминия. С увеличением / э энерге­ тические спектры смещаются в область более низких энергий.

МДМ-структуры с толстой пленкой диэлектрика и МПДМ -структуры. Экспериментальные данные по иссле­ дованию эмиссионных свойств тонкопленочных туннель­ ных катодов, проанализированные выше, показывают, насколько они далеки от предсказываемых теорией.

Одной из причин такого несоответствия является то, что по условиям работы катода тонкие диэлектрические пленки работают в предпробойном режиме, когда особую важность приобретает совершенство пленок, не всегда достигаемое на практике.

В работе [43] предлагается два пути увеличения эф­ фективности туннельных катодов: использовать верхний электрод такой конструкции, которая обеспечивает боль­ шое отношение периметра пленки к ее площади. Эта идея осуществлена в работе [40] путем изготовления верхней пленки в виде сетки; использовать толстую ди­ электрическую пленку для того, чтобы катод работал при достаточно высоком напряжении. Наличие высокого напряжения на структуре приводит к увеличению со­ ставляющей скорости электронов, перпендикулярной

кэмиттирующей поверхности.

Вработе [43] экспериментально проверен второй путь — применение толстых слоев диэлектрика. Иссле­ дована система А1—SiO--Au. Толщина SiO достигала

98

£ , .

2000 А. Установлено, что эффективность эмиссии увели­

чивается на 2 порядка по сравнению с той же системой,

о

но при тонкой пленке диэлектрика (около 200 А ). Систе­ му с толстой пленкой диэлектрика уже нельзя рассмат­ ривать как туннельную, так как механизм токопрохождения через «сэндвич» будет носить более сложный ха­ рактер.

Вработе [52] обсуждалось влияние ионных дефектов

вдиэлектрической пленке на величину туннельного тока

врежиме сильных полей. При положительном потенциа­ ле на верхней металлической пленке и достаточно высо­ кой концентрации положительных ионов у отрицательного

видно из рис. 3.16, наличие «ионного слоя» увеличивает эмиссию на 1 ... 2 порядка.

Для дальнейшего повышения эффективности и тока эмиссии катода типа «сэндвич» в работе [53] была испы­ тана система на основе моноокиси кремния с промежу­ точным слоем сульфида цинка (электронный полупро­ водник) между нижней металлической пленкой и слоем

моноокиси. Общая толщина пленок ZnS—SiO достигала

о

порядка 2000 А. Для этой системы плотность тока эмис­

сии составляла около 3-10 3 А/см2 при эффективности эмиссии, равной 10%. На рис. 3.17 представлена зави­ симость y = f(U).

Вольт-амперные характеристики сквозного тока в ко­ ординатах lg I = f ( У U) представляют две прямые ли­ нии с разными наклонами (рис, 3.18). Изменение накло­ на прямой при повышении напряжения соответствует

А1—ZnS—SiO—Al.

появлению и резкому возрастанию тока эмиссии, т. е. при увеличении напряжения на структуре увеличивается в основном количество электронов с более высокой энер­ гией. Полученные эмиссионные параметры, а также дан­ ные по распределению потенциала в слое полупровод­ ник— диэлектрик, свидетельствуют о том, что в системе образуется гетеропереход, который оказывает положи­ тельное влияние на свойства системы, дополняя те пре­ имущества, которые дает любая толстопленочная струк­ тура типа «сэндвич».

3.5. Заключение

Рассмотрим, каковы параметры катода МДМ-типа при использовании идеальной туннельной модели. В тер­ мин «идеальная модель» вкладываются следующие пред-

100

ставления: диэлектрическая пленка монокрйсталлическая, без дефектов, толщиной примерно равной длине свободного пробега электрона в данном диэлектрике; верхняя пленка металла имеет толщину не более длины свободного пробега горячего электрона в данном ме­ талле.

В этом случае можно учитывать лишь два реальных фактора, сказывающихся на эмиссионных свойствах МДМ-структуры, а именно рассеяние в верхней пленке металла и рассеяние на границе диэлектрик — верхний металл.

При работе выхода верхней металлической пленки, рав­ ной около 5эВ, и напряжении на «сэндвиче», равном 10 В, можно получить у^Ю ^3, экономичность около 0,1 мА/Вт и плотность тока эмиссии уэ~ 1 ... 10 мА/см2.

Рассмотренные выше экспериментальные работы, по­ священные созданию катодов на основе МДМ-структур, свидетельствуют о том, что реальные катоды в большин­ стве случаев еще далеки от идеальных. Основной при­ чиной, по-видимому, является несовершенство структуры пленок диэлектрика. Следовательно, в совершенствова­ нии технологии изготовления катодов заложена возмож­ ность значительного улучшения эмиссионных параметров. В то же время следует еще раз подчеркнуть, что в не­ которых работах получены параметры, близкие к рас­ четным, а по эффективности более высокие по сравнению с теоретическими [53]. Имеются в виду работы, относя­ щиеся к МДМ-структурам с толстыми пленками диэлек­ трика или к МПДМ-структурам. Это направление получе­ ния катодов типа «сэндвич» представляется перспектив­ ным. Разумеется, увеличение толщины диэлектрического слоя приводит к увеличению напряжения, которое при­ кладывается к «сэндвичу», и это безусловно накладыва­ ет ограничение на возможные области применения ка­ тодов.

Интересный вариант туннельного катода описан в [54]. Катод представляет собой туннельную систему, состоящую из двух слоев полупроводникового материа­ ла, разделенных пленкой диэлектрика. Один из слоев полупроводника (верхний) представляет собой соедине­ ние, у которого разность энергий между дном зоны про­ водимости и уровнем вакуума меньше ширины запре­ щенной зоны. Для выбранного полупроводника ширина запрещенной зоны должна быть порядка 2... 4 эВ (на-

1 0 1

пример, антимония цезия Cs2Sb). Второй слой полупро­ водника— кремний п-типа. В качестве материала изо­ лятора выбрана двуокись кремния. При приложении на­ пряжения к «сэндвичу» электроны из полупроводника n-типа (Si) проходят через слой изолятора в слой Cs2Sb- р-типа. Для увеличения электропроводности слоя р-типа и обеспечения теплоотвода, на этот слой наносится сетка из хорошо проводящего металла.

Водном из патентов [55] предложено использовать для туннельных катодов в качестве верхнего электрода двойную металлическую пленку. На диэлектрик напы­ ляется металл с высокой работой выхода и на него слой металла с малой работой выхода, устойчивый к воздей­ ствию остаточных газов.

Вцитированных выше работах содержится очень ма­ ло данных по стабильности и долговечности катодов на основе «сэндвичевых» структур. По-видимому, эти пара­

метры пока являются низкими.

Имеются сообщения о попытке применения катодов типа «сэндвич» в реальных приборах [40]. В работе [40] сообщается о разработке электронно-лучевой трубки с катодом МДМтипа. Испытана система А1—А120 3—Pt. Характеристики этой системы обсуждались нами ранее. Здесь же целесообразно упомянуть, что такие трубки ра­ ботали стабильно в течение двух месяцев.

Г л а в а 4

Ненакаливаемые катоды на основе структур полупроводник — металл

4.1.Введение

Сточки зрения эмиссии электронов в вакуум струк­ туры полупроводник — металл интересны по двум причи­ нам. Во-первых, при использовании тонкой пленки ме­ талла, контактирующей с полупроводником, при прямом смещении контакта можно получить в металлической

пленке горячие электроны с энергией, примерно равной высоте контактного барьера. При этом электрическое поле в приконтактной области полупроводника в отличие от систем, описанных в гл. 3, не только не возрастает, но и уменьшается. Очевидно, что при уменьшении рабо-

102

ты выхода металлической пленки до величины, меньшей контактного барьера, можно надеяться получить эмис­ сию электронов в вакуум. Идеи о возможности реализа­ ции такого катода высказывались в нашей стране (ИРЭ АН СССР) и в США (Хефнер, Гепперт). Этому типу катода посвящены § 4.3—4.5 и частично § 4.6. Во-вто­ рых, на основе структур полупроводник — металл воз­ можно создание эмиссионных систем, подобных описан­ ным в гл. 2. При этом вместо обратно смещенных р-п переходов можно использовать обратно смещенные ди­ оды Шоттки. Эти системы описаны в § 4.6.

4.2. Идеальная модель катода на основе структур полупроводник — металл с прямым смещением

Известно, что при контакте металла с полупроводником в при­ поверхностном слое полупроводника обычно образуется потенциаль­ ный барьер, определяемый величиной и знаком контактной разности потенциалов металл — полупроводник (барьер Шоттки).

Под контактом обычно понимается такое сближение металла с поверхностью полупроводника, при котором расстояние между их поверхностными атомами одного порядка с междуатомными расстоя­ ниями в полупроводнике (менее I0-7 см). Для поверхностей значи­ тельных размеров (не имеющих форму острий) такой контакт не может быть осуществлен механическим прижатием, поскольку по­ верхности металла и полупроводника не могут быть атомно гладки­ ми. Практически в большинстве случаев он осуществляется напыле­ нием пленки металла на полупроводник в вакууме, а также некоторыми другими способами — химическим, электрохимическим осаждением и др.

Рассмотрим подробнее контакт полупроводника «-типа с метал­ лом, имеющим работу выхода электронов, большую, чем электронное сродство и работа выхода полупроводника.

103