АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 2001 года по МПК H01J1/304 H01J19/24 

Изобретение относится к эмиссионной электронике и может быть использовано в вакуумной микроэлектронике для создания плоских панельных дисплеев, генераторов и усилителей электромагнитных колебаний.

Известен матричный автоэмиссионный катод (МАЭК), состоящий из множества регулярно размещенных на подложке эмиттирующих острий, кончики которых расположены в отверстиях параллельной подложке тонкой металлической пластины, выполняющей роль сетки, анод находится за сеткой (триодная система, [1] ).

Если выбран материал, из которого изготовлены острия, то такой катод позволяет увеличить ток эмиссии путем увеличения электрического поля на кончиках острий при ограниченных напряжениях на сетке и аноде за счет уменьшения толщины кончиков острий и диаметра отверстий сетки, предел чему ставят возможности технологии и теплоотдачи от острий. Известны также катоды с расположением эмиттирующих острий на неоднородной подложке с использованием или без использования управляющей сетки [4, 5].

Наиболее близким к предлагаемому является автоэмиссионный катод, состоящий из размещенных на подложке острий, поверхность которых обладает естественной шероховатостью [2]. Электрическое поле на остриях создается приложенным к аноду напряжением в электронном приборе без сетки (диод). Для увеличения поля на остриях и тока эмиссии здесь также необходимо уменьшать толщину кончиков острий при постоянном напряжении либо увеличивать напряжение.

Задачей изобретения является создание автоэмиссионного катода с решеткой эмиттирующих острий и электронного прибора, включающего такой катод.

Техническим результатом является увеличение электрического поля на остриях катода и соответственно тока эмиссии с них при заданных напряжениях на аноде или других электродах прибора, в состав которого входит катод, расстоянии между анодом или другими электродами и остриями, размере кончиков острий и выбранном материале острий, либо снижение напряжения на аноде электронного прибора при прочих фиксированных указанных параметрах.

Указанный результат достигается тем, что эмиттирующие острия располагаются на поверхности с многоступенчатой структурой, которая состоит из расположенных на гладкой поверхности регулярной системы подобных выступов (1-я ступень), на вершине каждого из которых расположена регулярная система более мелких подобных выступов (2-я ступень), на каждом из которых в свою очередь расположена регулярная система еще более мелких подобных выступов (3-я ступень), и наконец, на выступах некоторой предпоследней (N-1-й) ступени расположены эмиттирующие острия (выступы последней N-й ступени), которые могут изготовляться или образовываться естественной шероховатостью поверхности. Общее количество ступеней N зависит от технологических возможностей и определяет усиление электрического поля на остриях.

Такая структура поверхности может быть получена путем нанесения выступов последующей n-й ступени на выступы предыдущей (n-1)-й ступени, либо путем прорезания канавок или щелей в выступах предыдущей (n-1)-й ступени, в результате чего образуются выступы следующей n-й ступени, как бы утопленные в предыдущую ступень.

Если выступы разных ступеней геометрически подобны, то такая поверхность называется фрактальной поверхностью при бесконечном числе ступеней или предфрактальной при конечном числе ступеней [3]. В общем случае конфигурация выступов на разных ступенях может быть разной. Тогда это квазифрактальная поверхность. Во всех случаях предлагаемый автоэмиссионный катод будем называть фрактальным автоэмиссионным катодом (ФАЭК).

На каждой ступени существует свой коэффициент усиления поля K_п, а полный коэффициент усиления поля K на эмиттирующих остриях по отношению к полю плоского конденсатора ширины d является их произведением
K = K₁K₂...K_N, (1)
и может быть существенно больше, чем в обычной одноступенчатой структуре. Если выступы всех ступеней геометрически подобны друг другу с одинаковым коэффициентом подобия между соседними ступенями, то
K₁ = K₂ = ... = K_N и K = K^N. (2)
На чертеже приведен общий вид ФАЭК с тремя ступенями.

Чтобы найти закон усиления электрического поля (1), для простоты рассуждений удобно за высоту выступов первой ступени принять h₁ и считать, что выступы последующих ступеней не надстраиваются над выступами предыдущих ступеней, а образуются при вырезании все более мелких канавок или щелей глубиной h₁, h₂, h₃, ... Пусть сначала h₁ = h₂ = ... = 0. Тогда катод является плоскостью, расположенной на расстоянии d от анода, однородное электрическое поле между катодом и анодом имеет величину E₀ = U/d, где U - напряжение на аноде.

В одноступенчатой структуре h₁ ≠ 0, h₂ = h₃ = ... = 0, при этом поле концентрируется на выступах первой ступени. Выступы могут быть прямоугольными, как изображено на чертеже, или иметь форму трапеции, усеченного конуса и др. Для простоты будем считать, что в любом случае вершина выступа имеет плоскую часть шириной l₁ для первой ступени. Тогда вблизи вершины на расстояниях d₁ < l₁ электрическое поле E₁ будет приблизительно однородным, перпендикулярным поверхности вершины, а его величину можно записать в виде
E₁ = K₁E₀,
где K₁ - коэффициент усиления электрического поля на 1-й ступени, определяемый формой и размерами выступов, шагом их расположения L₁. Грубо можно считать, что
или
для двумерных и трехмерных выступов соответственно, где коэффициенты
χ(1

Перейдем теперь к двухступенчатой структуре, h₁ ≠ 0, h₂ ≠ 0, h₃ = h₄ = . . . = 0 и допустим, что на вершине одного выступа 1-й ступени размещены выступы 2-й ступени. Тогда на расстоянии d₁~l₁ от вершины поле E₁ останется приблизительно однородным, а ближе к вершине силовые линии поля E₁ концентрируются на выступах второй ступени, где образуется усиленное поле второй ступени
E₂ = K₂E₁,
коэффициент усиления которого K₂ определяется формой, размерами и шагом расположения выступов второй ступени.

Продолжая те же рассуждения для 3-й и последующих ступеней, получим соотношение (1).

Таким образом, используя многоступенчатую структуру поверхности автоэмиссионного катода, можно добиться значительного увеличения коэффициента усиления электрического поля - до сотен в двухступенчатых и тысяч в трехступенчатых структурах. Это позволяет увеличить ток при заданных напряжениях, размерах и материале эмиттирующих острий или соответственно уменьшать напряжение на аноде электронного прибора при прочих фиксированных параметрах.

Источники информации
1. Spindt C. A. , Holland C.E., Rosengreen A., Brodie I. Field-emitter arrays for vacuum microelectronics //IEEE Trans. on ED 1991 (October) vol. ED-38 N 10. P. 2355-2363.

2. Григорьев Ю.А. Матричные углеродные автоэмиссионные катоды - экспериментальные результаты и перспективы применения в приборах СВЧ //Лекции по СВЧ электронике и радиофизике, 10-я зимняя школа-семинар. Кн. 1, (II). Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 1996. С. 143-156.

3. Федер Е. Фракталы. //М., Мир, 1991.

4. US 5019003 A (MOTOROLA, INC), 28.05.91, H 01 J 9/02.

5. EP 0709870 A1 (AT & T CORP), 01.05.96, H 01 J 9/02.

Прибор и катод предназначены для использования в эмиссионной электронике, в вакуумной микроэлектронике для создания плоских панельных дисплеев, генераторов и усилителей электромагнитных колебаний. В фрактальном автоэмиссионном катоде (ФАЭК) эмиттирующие острия располагаются на многоступенчатой (квазифрактальной) поверхности, позволяющей увеличить электрическое поле на кончиках острий и соответственно ток эмиссии. Изобретение обеспечивает повышение тока автоэмиссионного катода с эмиттирующими остриями либо уменьшение рабочих напряжений электронного прибора, в котором используется такой катод. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автоэмиссионный катод, содержащий расположенные на поверхности эмиттирующие острия, отличающийся тем, что эмиттирующие острия располагаются на поверхности с многоступенчатой структурой, которая состоит из находящейся на гладкой поверхности основания регулярной системы подобных выступов, на вершине каждого из которых находится регулярная система более мелких подобных выступов следующей ступени и, наконец, на вершинах регулярной системы подобных выступов предпоследней ступени расположены эмиттирующие острия, образующие последнюю ступень, а количество ступеней не менее трех. 2. Электронный прибор, содержащий автоэмиосионный катод и анод, отличающийся тем, что автоэмиссионный катод выполнен по п.1, а расстояние между анодом и вершинами эмиттирующих острий катода не меньше поперечного размера вершин выступов первой ступени многоступенчатой поверхности автоэмиссионного катода.