СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА Советский патент 1973 года по МПК H01J1/308 

1

Изобретение относится к эмиссионной электропике и может быть примепено в электронных устройствах, предназначепных для создания электронных потоков, модулированных с частотой переменного электрического поля или в виде импульсов различной формы.

Известны способы получения модулированных пачек электронов, следующих со сверхвысокой частотой (СВЧ) при воздействии па полупроводник сильным электрическим СВЧнолем. Эти способы характеризуются тем, что для получения эмиссии электронов иснользуют разогрев электронов в полупроводниковом катоде при воздействии сильным СВЧ-полем на монокристалл полупроводника, например германия или кремния, эмиттирующую поверхность которого покрывают моноатомными пленками металла, например цезия, с целью уменьотения внешней работы выхода электронов с этой поверхности. Таким образом возникает эффект эмиссии «горячих электронов, причем эмиссия следует пачками согласно закону изменения СВЧ-поля.

Однако при реализации известного способа нолучения пачек электронов необходимо наносить металлическое пленочное покрытие, в случае отсутствия которого эмиссия электронов не возникает. Кроме того, достигается сравнительно малая величина эмиссионного тока (нлотность тока не более ). Величина эмиссионного тока низкая или даже отсутствует, если толщина пленки цезия значительно нревыщает моноатомный слой, так как в этом случае впещняя работа выхода электронов не снижается и они не могут быть эмиттированными в вакуум. Помимо этого, значительно усложняется технология изготовления полупроводниковых катодов.

Целью изобретения является увеличение тока эмиссии электронов.

Для этого поверхность полупроводника покрывают слоем диэлектрика, например слоем окиси того же полупроводника, и помещают в переменное электрическое ноле, напряженность которого уменьшается в объеме катода от его основания к эмиттирующей поверхности, а на границе эмнттирующая поверхность - вакуум создают градиент напряженности электрического поля, имеющий противоположное направление относительно градиента напряженности переменного электрического поля в объеме катода. Время изменения возбуждающего неременного электрического поля выбирают большим времени безынерционной релаксацнн электронов, образующих ток в объеме катода, но мепьщим времени рекомбинации этих электронов, в объеме катода создают граднент концентрации электронов от основания к эмиттпрующей поверхности.

Изображение пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведена диаграмма неременных электрических полей в системе анод - полупровОлТ,никовый катод с металлическим контактом; на фиг. 2 - схема устройства, предпазиаченного для осуществления предложенного способа.

Способ получения электронного потока нояснен фиг. 1.

В катоде-полупроводнике 1 с металлическим контактом 2 имеются две условные зоны 3 и 4, в которых напряженность переменного электрического поля соответствеппо EI и Ez при этом Et по абсолютной величиие и при одинаковых знаках вектора поля (в диаграмме фиг. 1 показано положение, когда поля EI, EZ и ЕЗ положительны, но возможно сочетание полей, когда i и EZ отрицательны а ЕЗ - положительное). При таких соотношениях EI и EZ возникает внутренняя э.д.с., благодаря которой неравновесные электроны, возбужденные сильными переменными электрическими полями 1 и EZ, перемещается от зоны 3 через область 4 к эмиттирующ.ей поверхности катода с тонким слоем пористого диэлектрика 5, например окиси того же полупроводпика, что и катод 1.

В показанном па фиг. 1 нолон ении в объеме полупроводника создают «отрицательный градиент напряженности переменного электdEi .

рического ноля , благодаря которому в

dx

кристалле в областях 3 и 4 и возникает внутренний ток электронов. Из-за градиента напряженности электрического поля подвижность электронов в объеме катода 1 различна в областях 3, 4 и 5, поэтому возможно накопление электронов в области 5. Область. 5 представляет собой тонкий слой (порядка нескольких десятков ангстрем) пористого диэлектрика, например окиси того же полупроводника, что служит устойчивой областью уровней захвата неравновесных электронов, участвующих в эмиссии.

Между поверхностью области 5 и металлическим электродом - анодом 6 приложено электрическое поле 3 (переменное или постоянное), причем , так что в области «эмиттирующая поверхность - вакуум образуют другой «положительный градиент напряженности суммарного электрического поля

-- , способствующий выходу электронов из

области 5 в вакуум, нричем электронный поток оказывается модулированым по плотности согласно закону изменения возбуждающего электрического поля в объеме полупроводникового катода, т. е. по закону i и EZ, и дополнительно модулированный нолем з, если ноле 3 переменное.

С целью увеличения тока эмиссии электронов следует выбирать время изменения переменных электрических нолей i и EZ большим, чем время безынерционной релаксации электронов для данного катода-полупроводника.

чтобы ток в объеме катода был одного знака за время одного полупериода возбуждения неравновесных электронов нолями i и 2, но оно должно быть меньшим времени рекомбинации электронов.

С целью упрощеиия процесса возникновеиия эмиссии электронов в вакуум можно заранее создавать градиент носителей в областях 3 и 4 при отсутствии возбуждающих

перемецпых электрических полей, например, способами, сущность которых заключается в образовании в полупроводнике областей 3 и 4 или 2 и 3 с различными концентрациями электронов и возможной их диффузией в сторону эмигрирующей поверхности 5 при комнатной температуре. Эта разница концентраций электронов, очевидно, увеличится при появлении возбуждающих неременных электрических полей E, EZ, и эмиссия электронов

появится при меньшей напряженности переменного электрического поля, чем в предыдущих случаях.

Предложенный способ получения модулированного по плотности потока электронов

может быть реализован, например, при помощи устройства, схема которого приведена на фиг. 2.

Устройство представляет собой электровакуумный диод, образованный катодом 7 с металлическим держателем 8 и анодом 6. В случае применения СВЧ-поля для возбуждения электронов в катоде, внешний металлический цилиндр 9 вместе с анодом, катодом и держателем образуют отрезок коаксиальной

линии нередачи для волны типа ТЕц, закороченный со стороны анода 6. В этом случае расстояние 10 выбирают равным лэф/4, где Аэф - эффективная длина волны возбуждающего полупроводниковый катод СВЧ-сигнала

с учетом возмущения поля из-за влияния диэлектрической нропицаемости полупроводника катода.

Устройство позволяет провести все исследования, связанные с испытанием холодных

нолупроводниковых катодов различного назначения и с различными техническими характеристиками при паличии возбуждающего СВЧ-поля. Получены результаты, показывающие, что предлагаемым способом можно получить плотности тока эмиссии электронов порядка 10-150 а/см нри абсолютной величине тока порядка 0,4-8 а и выше, при этом напряженность возбуждающего СВЧ-поля в кристалле нолупроводника ие превышала

2,6 KB/CM.

Предмет .изобретения

1. Снособ получения электронного потока путем возбуждения электронов в полупроводниковом катоде с моно- или поликристаллической структурой с помощью переменного электрического ноля, отличающийся тем, что, с целью увеличения тока эмиссии электронов, новерхность полунроводника покрывают елоем диэлектрика, например слоем окиси того же полупроводника, и помещают в переменное электрическое поле, напряженность которого умепьшается в объеме катода от его основания к эмиттирующей поверхности, а на границе эмиттирующая поверхность - вакуум создают градиент напряженности электрического поля, имеющий противоположное паправление относительно градиента напряженности переменного электрического поля в объеме катода.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что время изменени:- возбуждающего переменного электрического поля выбирают большим времени безынерционной релаксации электронов, образующих ток в объеме катода, но меньщим времени рекомбинации этих электронов.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в объеме катода создают градиент концентрации электронов от основания .к эмнттирующей поверхности.