Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

бающих электроны из валентной зоны и частично экрани­ рующих образец от проникновения поля. При этом автофотоэлектроннып ток может содержать составляю­ щую эмиссии из поверхностных состояний. Подобное построение в целом представляется несколько искусст­ венным, так как имеет своим следствием большую чув­ ствительность автофотоэлектронной эмиссии к любому изменению свойств эмиттирующей поверхности (в част­ ности, спектра энергий поверхностных состояний или их плотности). Вместе с тем из опытов следует, что фото­ чувствительность, как правило, появляется в области на­ сыщения тока, а последнее устойчиво наблюдается прак­ тически на всех образцах p-типа и высокоомных образ­ цах электронных полупроводников и слабо зависит от чистоты поверхности. Поверхностные состояния, разуме­ ется, могут играть и играют важную роль в автоэмиссии полупроводников, особенно в кинетических явлениях и в теории фоточувствительной эмиссии, и их учет в доста­ точно полной и строгой теории необходим. Авторы работ [93] и ранее [71] впервые обратили на эту сторону проб­ лемы особое внимание.

Однако нам представляется, что основные закономер­ ности теории термо-и фоточувствительной эмиссии опре­ деляются главным образом свойствами объемной обед­ ненной области.

Влияние экранирующего поверхностного заряда на эмиссию легко учесть и в рамках модели, развиваемой в [89], незначительной модификацией уравнений (6.54) — (6.55) и граничных условий к ним. Эквивалентность по­ лучающихся при этом результатов может свидетельство­ вать о принципиальной общности принятых в [89] и в [93] схем описания.

Г л а в а 7

Ненакаливаемые катоды на основе автоэлектронной эмиссии

7.1. Введение

Автоэмиссионные катоды (АЭК) удобно классифици­ ровать по режиму работы (стационарный, импульсный, режим СВЧ), по отбираемой мощности, по материалу катода (металл, полупроводник, металлоподобное соеди-

207

мение). Классификационные признаки, однако, нельзя считать независимыми: например, в режиме СВЧ выгод­ но использовать большие мощности, АЭК из полупровод­ ников, напротив, применяются при малых мощностях.

АЭК из металлов исследованы шире и глубже, чем из иных материалов. С другой стороны, АЭК, изготовленные из металлоподобных соединений и в особенности полу­ проводников, отличаются от АЭК из других материалов как по физическим свойствам, так и по технологии и практическим применениям. Поэтому неметаллические АЭК будут рассмотрены отдельно.

Среди различных режимов эксплуатации АЭК резко выделяется импульсный режим с отбором высоких плот­ ностей тока (108А/см2 и более) и с получением возможно больших токов. Независимо от природы материала АЭК, практически для этих целей материал должен быть всег­ да хорошим проводником, и этот случай следует также рассмотреть особо.

7.2. Источники стационарного эмиссионного тока на основе проводников

Физические особенности АЭЭ проводников. Для про­ водников (металлов и металлоподобных соединений) в общих чертах справедлива теория Фаулера — Нордгейма [1] (см. гл. 6), приводящая к экспоненциальной зави­ симости плотности тока / от напряженности электричес­ кого поля £ и от работы выхода ср:

То обстоятельство, что эмиттируемые электроны исхо­ дят из энергетической области вблизи уровня Ферми, т. е. из области с крайне высокой концентрацией элек-

208

Тронов в проводниках, обусловливает такое важное свой­ ство АЭЭ, как высокие /. Для стационарной АЭЭ явля­ ются характерными /~ 103 ... 105 А/см2, причем эти зна­ чения не считаются слишком большими, предельно в стационарном режиме при обеспечении мер по сохранению стабильности возможен длительный отбор / = 107 А/см2 (а в импульсном режиме достигнуты /> 109 А/см2). Это свойство АЭЭ обусловило два направления использова­ ния АЭК: при необходимости не слишком мощных по току, но высококонцентрированцых электронных пучков и при необходимости максимально возможных по вели­ чине токов.

Ток АЭЭ сильно (сильнее, чем термоэлектронный ток) зависит от работы выхода ф. Это позволяет в широких пределах управлять свойствами АЭК при его выборе и

пример, с адсорбцией или миграцией каких-либо приме­ сей, влияющих на ф. Требование сверхвысокого вакуума для удовлетворительной работы АЭК вызвано в значи­ тельной мере необходимостью поддержания постоянства работы выхода его поверхности. Ток АЭЭ имеет резкую экспоненциальную зависимость от напряженности элек­ трического поля Е. Отсюда следует возможность актив­ ного управления эмиссией изменением напряжения U. Вольт-амперная характеристика АЭЭ нелинейна и может быть весьма крутой (она тем круче, чем ниже /), что предопределяет соответствующие применения АЭК для создания нелинейных приборов. Зависимость I от Е используется при конструировании АЭК. Но необходи­ мость высоких Д^ПО7 В/см (см. § 6.2) налагает жесткие требования на типичную конфигурацию АЭКЭто всегда поверхности с высокой кривизной: острия, лезвия, высту­ пы и т. п., необходимые для увеличения а в (7.2), чтобы получить сильное поле ценой допустимых, не слишком высоких U. Экспоненциальная зависимость тока АЭЭ от Е — вторая существенная причина нестабильности АЭК, особенно в плохом вакууме или же при наличии подвиж­ ных адсорбированных пленок.

Пучок электронов, вышедших из АЭК, отличается вы­ сокой степенью моноэнергетичности. Распределению по полным энергиям при ср = 4,4 эВ и Т — 8О К соответствует полуширина 0,15 эВ (это соответствует, например, kT при 1200 К). С понижением ф и Т пик распределения

эЛек1фонов АЭЭ еще более обостряется. Высокая «монсн хроматичность» автоэлектронов оказывается ценным ка­ чеством в ряде применений АЭК, особенно тех, где тре­ буется высокая точность фокусировки или формирования электронных сгустков. Наконец, АЭК не требует подо­ грева и является поэтому безынерционным.

Особенности конструирования и технологии металли­ ческих АЭК. В принципе любые достаточно тонкие вы­ ступы, у поверхности которых при имеющихся напряже­ ниях возникают поля порядка 107 В/см, могут служить источниками АЭЭ. Соответственно любые способы созда­ ния тонких выступов могут быть положены в основу технологии изготовления АЭК [2]. Имеется несколько спо­ собов конструирования АЭК, из которых можно выделить два принципиально различных: 1) разработка техноло­ гических приемов, приводящих к построению АЭК с за­ данными геометрическими параметрами, на заданное на­ пряжение и ток; 2) построение поверхности с множест­ вом различных выступов, бугорков и т. п., с последующей тренировкой, в результате которой наиболее тонкие вы­ ступы гибнут и затупляются и эмиттирует какая-то часть неровностей «оптимального» размера. Первый путь, обычно более дорогостоящий, приводит, однако, к созда­ нию АЭК, пригодных для любых применений АЭЭ с наи­ более строгими требованиями к эмиттеру. Второй путь, обеспечивающий, как правило, относительно простую технологию, позволяет конструировать АЭК с ограничен­ ным кругом применений, когда требования к стабильно­ сти, воспроизводимости, уровню низкочастотных шумов в значительной степени снижены.

Наиболее типичной и хорошо освоенной формой АЭК является острие, приготовленное заточкой металлической проволоки или стержня. Такой автоэмиттер рассчитан на не слишком большие токи. Если без существенного уве­ личения напряжения желают получить заметно большие токи АЭЭ, идут по пути увеличения эффективной поверх­ ности АЭК. Для этого либо заменяют одноострийный эмиттер многоострийным, содержащим большое число

типы АЭК связаны с получением больших токов, их кон­ струирование, а также возникающие при этом специфи­ ческие трудности (например, достижение максимальной эффективности, т. е. одновременной работы острий)

210

Рис. 7.1. Номограмма, связывающая ток автоэлектронной эмиссии и анодное напряжение автоэмиссионного одпоострийного диода с ра­

212