СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ Российский патент 1994 года по МПК H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для получения электронных потоков, применяемых в электронных приборах, в частности, для воздействия на поверхность твердого тела.

Известен способ получения полевой электронной эмиссии, заключающийся в приложении к острийному металлическому катоду электрического напряжения и отборе тока эмиссии.

Однако для стабильной работы таких катодов давление остаточных газов не должно превышать примерно 10^-9 мм рт.ст.

Известен способ получения полевой электронной эмиссии, заключающийся в приложении электрического напряжения к острийному катоду из полупроводникового материала, в том числе кремния р-типа проводимости, и отборе тока эмиссии со снятием вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер. Используемые в известном способе катоды могут стабильно работать в более низком вакууме вплоть до величин порядка 10^-5 мм рт.ст.

Однако в известных способах в элементарном акте эмиссии, под которым понимается единичное одновременное испускание того или иного числа электронов, появляется один электрон. При этом именно пролетом одного носителя заряда (электрона) между катодом и анодом определяется пиковое значение регистрируемого импульса тока. Естественно средний ток, который используется при снятии вольтамперной зависимости, определяется числом электронов, испускаемых катодом и достигающих анода за 1 с. Таким образом, недостатком известного способа является малое пиковое значение тока эмиссии.

Целью изобретения является усиление пиковых значений тока эмиссии за счет эмиссии скоррелированных электронов.

Это достигается тем, что в известном способе получения полевой электронной эмиссии с острийного катода, изготовленного из кремния р-типа проводимости, заключающемся в приложении к катоду электрического напряжения и измерении эммиссионного тока и регистрации вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер, в соответствии с изобретением рабочее напряжение U_раб устанавливают в диапазоне U₁ ≅ U_раб ≅ U₂, соответствующем участку вольтамперной зависимости, удовлетворяющем условию
≥ 5·10⁴ , где U₁ и U₂ - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I₁ и I₂ соответственно, В.

Предлагаемый диапазон рабочих напряжений был определен экспериментально на основе измерений вольтамперных характеристик полевой эмиссии ряда острийных катодов из кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением 10-10⁶ Ом˙см и соответствующих спектральных зависимостей.

На фиг. 1 представлена типичная вольтамперная характеристика полевого острийного эмиттера из кремния р-типа проводимости; на фиг.2 и 3 - моноэнергетические кривые.

Характеристика получена в вакууме ≈ 10^-7 мм рт.ст. и имеет немонотонный характер. Исследования показали, что такого рода зависимость присуща полевой эмиссии острийных катодов из кремния р-типа с удельным сопротивлением в диапазоне 10¹-10⁶ Ом˙см при температуре эмиттера в исходном состоянии от 77К (температура жидкого азота) до 300К. Естественно, при одних и тех же значениях напряжения отбираемые с эмиттера токи полевой эмиссии уменьшаются при его охлаждении.

Вольтамперная зависимость имеет несколько характерных участков (фиг.1), При увеличении напряжения U (величина I/U при этом уменьшается) происходит возрастание тока эмиссии (участок 1), что обусловлено полевой эмиссией из вырожденной зоны проводимости. Наличие участка 2 насыщения объясняется истощением поверхностной зоны проводимости, а ток эмиссии определяется потоком электронов из объема эмиттера. Дальнейшее возрастание тока эмиссии при увеличении напряжения определяет наличие на вольтамперной зависимости участка 3 и обусловлено туннельной эмиссией горячих электронов. Сильное увеличение тока на участке 4 (фиг.1) связано с прохождением значительной части электронов над барьером, часть электронов по-прежнему проходит сквозь потенциальный барьер на границе полупроводник-вакуум.

Эксперименты показали, что именно на участке 4, удовлетворяющем условию (lgI₂ - lgI₁)/(I/U₁ - I/U₂) ≥ 5˙10⁴, где I₁ и I₂ - средние токи эмиссии, А; U₁ и U₂ - электрические напряжения, В, обеспечивающие получение токов I₁ и I₂, наряду с одиночными эмиттированными электронами наблюдаются группы из 2 и 3 электронов, т.е. имеет место эмиссия скоррелированных электронов. Такая корреляция, как известно, присуща надбарьерному прохождению электронов. При этом в предлагаемом способе по-прежнему реализуются свойства, присущие чисто полевой эмиссии: точечность источника, высокие плотности тока и т.п.

Способ осуществляют следующим образом.

Для работы выбирают острый полевой эмиттер, выполненный из кремния р-типа. К изготовленному из такого материала эмиттеру, помещенному в электровакуумный прибор, прикладывают электрическое напряжение, изменяют его, начиная с минимальных значений, и измеряют эмиссионный ток. Рабочее напряжение U_раб устанавливают таким образом, что выполняется эмпирическое соотношение (lgI₂ - lgI₁)/(I/U₁ - I/U₂) ≥ 5˙10⁴, где I - средний ток эмиссии, А; U - электрическое напряжение, В. В дальнейшем при неоднократных включениях эмиттера можно не производить измерений тока и напряжения, а устанавливать непосредственно уже определенное и известное для конкретного прибора рабочее напряжение U_раб.

П р и м е р. Острийный катод был выполнен из кремния р-типа с удельным сопротивлением 4˙10³ Ом˙см и помещен в электровакуумный прибор. Прибор позволил исследовать численность элементарных актов полевой эмиссии при помощи известной установки. Для эмиттера, охлажденного до температуры жидкого азота, регистрировали вольтамперную зависимость и по известным значениям напряжений и токов контролировали выполнение эмпирического отношения (lgI₂ - lgI₁)/(I/U₁ - I/U₂) ≥5˙10⁴, где U_1,2 - электрические напряжения, В, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I_1,2, А. При этом каждому новому значению напряжения и тока присваивается индекс 2, а последующему -индекс 1. На одном из очередных этапов получили следующие значения токов и напряжений: U₁ = 1,30˙10⁴ B, I₁ = 10^-8 A, U₂ = 1,75˙10⁴ B, I₂ = 10^-7 A. Тогда (lgI₂ - lgI₁)/U₁ - I/U₂) = =1˙10⁴/(0,77-0,57) = 5˙10⁴, B, т.е. эмпирическое соотношение оказалось выполненным. В связи с этим рабочее напряжение U_раб должно выбираться в диапазоне 1,30˙10⁴ В≅ U_раб ≅1,75˙10⁴ В. В данном случае было выбрано следующее значение рабочего напряжения U_раб = 1,30˙10⁴ В. Средний ток эмиссии составлял при этом 10^-8 А. Анализ энергетического спектра эмиттированного потока электронов показал, что примерно 65% из них пролетают межэлектродный зазор по одному, 20% парами, 15% всех электронов летят группами по три.

Сравнение с энергетическим спектром полевой электронной эмиссии при U_раб<U_кр (для прототипа), как показано на фиг.2 и 3, показывает, что соответственно усиливаются пиковые значения тока.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в увеличении пиковых значений тока полевой эмиссии при определенных режимах его отбора. Поэтому предлагаемый способ может быть использован в электровакуумных устройствах, применяемых в микротехнологии, например, для создания на поверхности анода рисунка, состоящего из элементов нанометровых размеров. Поскольку расстояние эмиттер-анод в таких случаях должно быть достаточно малым, что накладывает известные ограничения на применяемые электрические напряжения, увеличение пиковых значений тока и соответственно энергий эмиттируемых групп электронов позволяет повысить эффективность воздействия на поверхность.

Использование: для получения электронных потоков, применяемых, например, для воздействия на поверхность твердого тела. Сущность изобретения: при приложении электрического напряжения к острийному катоду, изготовленныму из кремния p-типа проводимости регистрируют вольтамперную характеристику эмиттера, и с учетом ее устанавливают рабочее напряжение в диапазоне U₁=U_раб≅ U₂ , соответствующем участку вольтамперной зависимости, для которого выполняется условие (lgI₂-lgI₁)/(I/U₁-1/U₂)5·10⁴ , где U_1,2 - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I_1,2 соответственно. По данным энергетического спектра в общем числе эмиттированных электронов 20% приходится на пары электронов, а 15% летят группами по 3. Эмиссия скоррелированных электронов приводит к усилению пиковых значений тока эмиссии. 3 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ с острийного катода, изготовленного из кремния p-типа проводимости, заключающийся в приложении к нему электрического напряжения, измерении эмиссионного тока и регистрации вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер, отличающаяся тем, что, с целью увеличения пиковых значений тока эмиссии за счет эмиссии скоррелированных электронов, рабочее электрическое напряжение U_раб устанавливают в диапазоне U₁ ≅ U_pаб ≅ U₂ , соответствующем участку вольтамперной зависимости, удовлетворяющему условию
≥ 5·10⁴ ,
где U_1,2 - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I_1,2, А соответственно, В.