Способ получения термоэлектронной эмиссии Советский патент 1983 года по МПК H01J1/14 

Изобретение относится к эмиссионной электронике и может быть использовано при создании эффективных полу проводниковых термокатодов для электронных приборов различных типов. Известны способы получения термоэ € ктронной эмиссии, когда, с целью повышения эффективности катодов, осу ществляется отработка оптимальных режимов активирования, внесение специальных присадок непосредственно в эмиссионное покрытие и др 1. Однако известные способы не приводят Бо многих случаях к достаточ.ной эффективности катода, которая удовлетворяла бы требованиям со стороны современных электронных приборов. На.иболее близким к предлагаемому является способ получения термоэлект ронной Э1 1иссии с катода с полупровод никовым эмиссионным покрытием, заклю чающийся в приложении внешнего напря жения к катоду и его нагреве в рабоч режиме. Рабочие темературы катодовлежат, в зависимости от типа катода, в области 800-1500 0, а плотности тока термоэлектронной эмиссии обеспечиваемые такими катодами, составляют по порядку величины нескол ко А/см в непрерывном режиме и сот ни А/см - в импульсном. Если же необходим сррк службы катода порядка десятков и более тысяч часов, отбираемый с катодов ток в непрерыв ном режиме существенно ниже 23. Данный способ получения термоэлектронной эмиссии не обеспечивает достаточно высокой эффективности эмиссии. Ток эмиссии катода оказывается в ряде случаев недостаточным для его практического применения, особенно в тех случаях, когда предъ являются требования к повышению мощ ности и одновременно к увеличению службы электронного прибора. Цель изобретения - повышение эмиссионной способности катода за счет снижения контактного барьера металл керна - эмиссионное покрытие - Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения термоэлектронной эмиссии с катода с полупроводниковым эмиссионным покрытием на керне путем приложения внешнего напряжения и нагрева катода, производят непрерывное облучение. катода светом в его рабочем ре%1ме. Облучение катода производят со СТ9РОНЫ эмиссионного покрытия, при этом энергия квантов света должна удовлетворять соотношению hn)j свето 9 где Ц - высота контактного бартера -металл керна - эмиссионное покрытие} света энергия кван ов облучающего света EQ - ширина запрещенной зоны материала эмиссионного покрытия. Облучение катода производят со стооны керна толщина которого не должа превышать глубину выхода электроов из металла керна, при этом энергг гия квантов света должна удовлетвоять соотношению с.вта Непрерывная подсветка катода в его рабочем режиме от источника свеа обеспечивает создание условий, блегчающих прохождение электронами контактного барьера между металлическим керном ( или зернами губки из еталлов, присадками из порошков тугоплавких металлов в металлокерамике) и эмиссионным покрытием. Причем этот эффект может быть достигнут путем подсветки катода как со стороны эмиссионного покрытия, так и со -сто- . ноны полупрозрачного керна. На фиг. 1 и 2 представлены возможные конструкции катодной системы, в которых реализуется подсветка со стороны керна и со стороны покрытия соответственно. Схема содержит анод 1, эмиссионное покрытие 2, керн 3, полупрозрачный (.фиг. 1) и массивный (фиг. 2), подогреватель 4, источник 5 подсветки. достигаемая при обычном активировании оксидного катода малая работа выхода (Ч 1,3 - 1,4 эВ у оксидного катода (Ва, Sr, Са)0 при Т 600-700 К эаГрудняет получение безбарьерного контакта к эмиссионному покрытию, так как работы выхода металла керна Ф (Ni, Мо и др.) лежит, как правило, в пределах 4-5 эВ. Термоэмйссионная способность катода будет определяться не работой выхода покрытия , а высотой контактного барьера между полупроводниковым покрытием и керном. Следовательно для увеличения токоотбора с катода необходимо уменьшить высоту контактного барьера Ф. Эффективное понижение высоты барьера может быть достигнуто путем подсветки катода от постороннего источника света. При осуществлении подсветки со стороны полупроводникового эмиссионного покрытия (например, через отверстие в аноде должно быть наложено определенное ограничение на энергию квантов облучающего катод света, а именно где - энергия кванта облучающего света; Е - ширина запрещенной зоны . . материала эмиссионного покрытия; ф - высота контактного барь ера металл - эмиссионно покрытие. Для света с энергией квантов (hi) меньших ширины запрещенной зоны полу проводникового эмиссионного материал . (E(j-), слой эмиссионного покрытия будет -прозрачным. По данным разных авторов Eg. для полупроводникового эмиссионного материала ле,жит в интер вале 4-6 эВ. Таким образом, при hl) 4 эВ свет, пройдя без потери энерги через полупроводниковый эмиссионный слой, вызовет фотоэ 1иссию из керна в нанесенный на него эмиссионный сло (или из метсШлического порошка в кон тактирующие с ним керна эмиссионного материала в металлокера 1ическом варианте катода), для чего возбужденны электронам надо будет при этом преодолеть контактный барьер металл эмиссионное покрытие высотой, равной Ф- f , где Ф - работа выхода металла керна и f-электронное средствополупроводникового эмиссионного материала. В случае установки источника подсветки со стороны керна последний выполнен полупрозрачным с толщиной d не превышающей глубину выхода электр нов из металла, , где сГ- коэффициент поглощения металла.При этом оптимальная энергия кванта облучающег света hi должна быть такой,чтобы элек. .троны могли преодолеть высоту контактн го барьера металл - эмиссионное покрыт где h i - энергия кванта облучаю щего света Ч - высота контактного барь ера металл-эмиссионное покрытие. Итак на основании сфор У1улированных выше условий определяются тре-. бования к спектральному диапазону облучающего катод света в. рабочем режиме, которые должны обеспечить фотоэмиссию из керна в эмиссионное .покрытие катода, что приведет к значительному повышению эффективности по сравнению с известными термоэлектронными катодами. Для оценки оптимальных параметров источника облучения (длины волны облучающего света), обеспечивающих фотоэмиссию из металлического керна в эмиссионное покрытие катода, рассмотрим оксидный катод с никелевым керном, на который нанесено полупроводниковое эмиссионное покрытие, представляющее собой смешанный тройной оксид (Ba-Sr-Ca)O. Работа выхода металла, керна Ф 4,5 эВ, а электронное средство эмиссионного материала эВ. Таким образом. величина контактного барьера между никелевым керном и эмиссионным покрыИИ ем Ф составляетV 3, 5 эВ. При осуществлении подсветки со стороны эмиссионного покрытия свет вызовет фотоэмиссию из керна в покрытие, пройдя без поглощения слой эмиссионного материала, при этом энергия квантов (hl).l) облучающего света должна быть меньше 4-6 эВ ( ширины запрещенной зоны эмиссионного материала, но J больше 3,5 эВ {высоты контактного барьера металл - эмиссионное покрытие), т.е. длина волны облучающего света должна быть, следовательно, больше, чем Д, 0,3-0,2 мкм. Такой энергии кванта достаточно для того, чтобы вызвать фотоэмиссию из керна в оксид .и повысить, тем самым, эмиссионную способность катода. При осуществлении подсветки со стороны керна оптимальная энергия кванта света (hl)2) должна быть равной по порядку величины высоте контактного барьера металл - эмиссионное покрытие, т.е. для никелерого керна и эмиссионноз о покрытия (Ба, Sr, СаЗО, hl)i3,5 эВ и, соответственно, длина волны Д.. не должна быть более 0,35 мкм..В этом случае возбужденнные электроны металла свободно преодолевают барьер. Если исходить из уравнения Ричардсона (J , где А - уйиверсальная эмиссионная постоянная/ Т - температура катода, f - работы выхода, к - постоянная Больцмана/ g. - заряд электрона), то ток термоэлектронной эмиссии из-за уменьшения работы выхода катода отл-3,5 .эВ (высота контактного барьера до 1,4 эВ (работа выхода эмиссионного покрытия должен увеличиваться при той же температуре на несколько порядков величины при полном снятии контактного барьера. Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность термоэлектронHoro катода, т.е. отношение тока эмиссии к рабочей температуре, что приведет к увеличению ресурса его работы и, тем самым, к увеличению срока службы электронного (ионного) прибора на его основе. Ток термоэлектронной эмиссиипри полном снятии контактного барьера должен увеличи- ваться-, например, для оксидного катода от 1 мА/см- до нескольких сот мА/см -. Таким образом, предлагаемый способ получения термоэлектронной эмиссии может быть реализован в широком классе электронных систем, что придаст им существенные техникоэкономические преимущества.

1риг.2

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ с катода с полупроводниковым эмиссионным покрытием на керне путем приложения внешнего ;напряжения и нагрева: катода, отличающийся тем, что, с целью повышения эмиссионной способности катода за счет снижения контактного барьера металл керна - эмиссионное покрытие, производят непрерывное облучение катода светом в его рабочем режиме. . 2.Способ поп. 1, отлича- ю щ и и с я тем, что облучение катода производят со стороны эмиссионно.го покрытия, при этом энергия квантов света должна удовлетворять соот.ношёнию Ч Ь1 света « высота контактного барьера металл керна - эмиссионное покрытие} tiVcBera - энергия квантов облучающего света Eq- . ширина запрещенной зоны материала эмиссионного покрытия. ; 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение като-g да производят со стороны керна, тол(Л ,щина которого не должна превышать ,глубину выхода электронов, из металла с керйа, при этом энергия квантов свете должна удовлетворять соотношению с8ета . о DO 4 О UD :о