Ненакаливаемый катод Советский патент 1983 года по МПК H01J1/308 

1

Изобретение относится к эмиссионной электронике и микроэлектронике и может быть использовано в электронных приборах в качестве ненакаливаемых катодов.

В ненакаливаемых катодах для получения эмиссии электронов широко используются сильные электрические поля,

Известны ненакаливаемые катоды на основе структур металл-полупроводник, использующие сильные электрические поля, возникающие на границе раздела полупроводник-металл и эмитирующие горячие электроны в вакуум. Разогрев электронов в таких структурах происходит в области контактного барьера при прямом или обратном смещении в. зависимости от типа полупроводника. .

Наиболее известный и хорошо изученный катод образуется в тех случаях, когда контакт создается на границе тонкой пленки металла с широкозонным полупроводником Vi -типа, а смешение образовавшегося диода Шоттки в прямом направлеНИИ приводит к разогреву электронов в области контакта при переходе из полупроводника в металлическую пленку. Направление тока через барьер Шоттки ,и тока эмиссии электронов в вакуум совпадают, но на границе металл-вакуум существует высокий потенциальный барьер и для получения эффективной эмиссии электронов в вакуум требуется снижение работы выхода металлической пленки путем адсорб10ции на ее поверхности атомов щелочных металлов. Однако снижение работы выхода за счет адсорбции щелочи сопряжено с рядом технологических трудностей, а именно необходимостью поддержания в 5 приборе высокого вакуума, низких температур для предотвращения испарения ато мов щелочи с эмитирующей поверхности, и, кроме того, должна быть предусмотрена возможность восстановления испаряю20щегося щелочного покрытия. Вышепри- веденные требования существенно усложняют конструкцию прибора, используюшего ненакаливаемый катод этого типа l3j4an6anee близким к предлагаемому й . ляется катод, содержащий два металличе ких электрода и сегнетопопупроводниковы эмиттер, полярная ось которого ориентирована по нормали к плоскости металлическиX электродов. Металлические элек троды служат для управления величиной электронного сродства с помошью электрического поля, создаваемого между ба зовым электродом, на котором размещен сегнетополупроводник, и электродом на эмитирующей поверхности и приводящего к изменению величины сегнетоэлектрического изгиба зон вблизи эмитирую- щей поверхности. Эиектронное сродство может быть понижено вплоть До отрицательных значений путем на1| гления пленка толщиной до. 1ОО А 2. Однако указанный катод обладает рядом существенных, недостатков, снижаюшнх его эффективность. Во-первых, высокое внутреннее сопротивление активног слоя (до Id OMCM) ограничивает ток, а применение тонких (толщиной до 1ОО А сегнетоэлектрических гиенок невозможно вследствие существования критических толщин, ниже которых сегнетоэлектричес кий изгиб зон уже не наблюдается. Вовторых, эффективность катода-прототипа ограничивается высоким потенциальным барьером на границе базовый электрод-сег нетоэлектрик, препятствующим инжекции электронов в активный слой при благоприятном для эмиссии сегнетоэлектричес ком изгибе зон. Цель изобретения - повышение эффективности ненакаливаемыхкатодов на ос. нове сегнетоэлектриков. Поставле1шая цель достигается тем, что в ненакапиваёмом катоде, содержа- . щем два металлических электрода и сегнетополупроводниковый эмиттер, полярная ось которого ориентирована по нормали к плоскости металлических электродов, оба металлических электрода расположены на эмитирующей поверхности сегнетополупро водникового эмиттера. На чертеже приведена схема предлагаемого катода. Предлагаемый катод используют следующим образом. На пластину сегнетоэлектрика 1, например ниобата или танталата лития, вырезанную перпендикулярно полярной оси и имеющую ниакукЬ работу выхода, иачосятся, например вакуумным напыле шем, два металлических контакта 2. Контакты соединяются с источником 3 тока и между ними вдоль эмитирующей поверхности начинает течь ток. При протекании электрического тока вдоль поверхности, носители тока (электроны) попадают в электрическое поле, обязанное своим существованием спонтанной поляризации и направленное к поверхности перпендикулярно направлению их движения. Под действием этого поля у электронов появляется составляющая скорости в направлеI . НИИ, перпендикулярном поверхности, поэтому часть электронов, получивщая в направлении к поверхности энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, выходит в вакуум; при этом вся площадь поверхности, заключенная между металлическими контактами, равномерно эмитирует электроны. Предлагаемый ненакаливаемый катод реализован на двух сегнетоэлектриках ниобате и танталате лития. Максимальная эффективность эмиссии на этих катодах на два-три порядка превышает эффективность прототипа. В монокристаллах сегнегоэлектриков, вследствие спонтанной поляризации, вблизи поверхностей, перпендикулярных полярной оси, существует изгиб зон, за счет которого выход электронов увеличивается или уменьщается в зависимости от ориентации вектора поляризации относительно этой поверхности. Изгиб зон может быть больщим и Достигать половины щирины запрещенной зоны. Сегнетоэлектрический изгиб зон приводит к понижению эффективного электронного сродства, которое может принимать нулевь е и даже отрицательные значения, что облегчает эмиссию электронов в вакуум, кроме того электррнное сродство может быть понижено также путем напыления слоя Cs-O. В области сегнетоэлектрического изгиба зон напряженность электрического поля достигает В/м. Ускоренные этим полем электроны могут приобрести энергию, достаточную для выхо.да в вакуум через потенциальный барьер на границе, В равновесных условиях концентрация электронов даже в восстановленном сегнетоэлектрике мала ( м ),что заметно ограничивает эффективность эмиссии. Повысить эффективность эмиссии можно, увеличив концентрацию электронов в приповерхностной области, например, пропуская электрический ток вдоль эмитирующей поверхности. С этой целью на поверхность сегнетоэлектрика, вырезанную перпендикулярно полярной оси и