ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭМИТТЕР Советский патент 1973 года по МПК H01J1/30 

1

Изобретение относится к эмиссионной катодной электронике и микроэлектронике и может быть иснользовано в электронных нриборах с фото- и вторичной электронной эмиссией, а также в качестве иенакаливаемых катодов в различных электронных и микроэлектронных устройствах.

Известны электронные эмиттеры с отрицательным сродством и эмиттеры горячих электронов, основанные на ипжекции неравновесных носителей из контакта металл-полунроводник (диэлектрик) в тонкую металлическую пленку. Отрицательное сродство обычно создают за счет большого приноверхностного изгиба зон в дырочном полупроводнике (в сторону обогащения электронами) и обработки поверхности полупроводника агентами (Cs Cs20 и пр.), сильно понижающими электронное сродство. Аналогичная обработка применяется также и при изготовлении эмиттеров горячих электронов с целью новышения коэффициента их прохождения через тонкий слой металла.

Однако в случае известных эмиттеров не удается эффективно управлять величиной электронного сродства в нроцессе работы эмиттера.

Целью изобретения является управление величиной электронного сродства в процессе работы эмиттера.

Для этого в качестве материала активного слоя иснользован сегнетоэлектрик, полярная ось которого ориентирована преимущественно по нормали к плоскости металлических электродов.

В сегнетоэлектронике, находящемся при температурах, мепьшнх температуры Кюри (Тс), в направлепии, параллельном полярной оси, существует поверхностный изгиб зон, зависящий от те.мпературы и электрического поля. Он обусловлен избыточными поверхностными носителями заряда (свободными или локализованными), экранирующими спонтанную поляризацию сегнетоэлектрика. Поскольку эта

поляризация зависит от температуры и электрического поля, изменение температуры и поля позволяет контролировать поверхностную плотность заряда и, следовательно, приповерхностный изгиб зон.

Изобретение пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведена картина распределения зарядов в сегнетоэлектрике; на фиг. 2 - приведена схема электронного эмиттера с тремя состояниями поляризации; на фиг. 3 - схемы

устройств, в которых может быть реализована поляризаця эмиттера. На фиг. 1 С - полярная ось кристалла, Р, - вектор спонтанной ноляризации и внутреннего электрического поля, ЕС - дно зоны проводимости, ES -

вершина валентной зоны, ,i - уровень Ферми,

Т - температура. Случаи а и б иллюстрируют отсутствие и наличие электрического равновесия соответственно.

Величина спонтанной поляризации для различных сегнетоэлектриков лежит в диапазоне 2-10 -3-10 к/см, что отвечает плотности поверхностныхзарядов«.,6-10 -

-2-Ю см . Следовательно, при полном экранировании спонтанной поляризации посителями заряда в монодомениом сегнетоэлектрике плотиость избыточных поверхностных зарядов должна лежать в указанных пределах.

Оценка соответствующего изгиба зон ср согласно формуле

ЕЛо

где е - заряд электрона, е - диэлектрическая нроницаемость, По - концептрация свободных носителей в сегнетоэлектрике,

показывает (для типичных «сегнетоэлектрических значений и Яо), что ф в данных условиях может даже превыплать ширину запрещенной зоны сегпетоэлектрика (т. е. несколько электронвольт).

При обработке поверхности сегнетоэлектрика (например Cs или Cs2O), понижающей поверхностный потенциальный барьер, возникает возможность эффективного регулирования электронного сродства х в широких пределах за счет изменения величины сегнетоэлектрической поляризации под действием измепепий температуры, внешнего электрического поля или ииых факторов.

Возможность регулирования сродства можно иснользовать для реализации электронного эмиттера с двумя устойчивыми состояниями эмиссионным и антиэмиссионным, т. е. для реализации запоминающей эмиссионной структуры.

Область сегнетоэлектрического кристалла (фиг. 2) со сниженным электронным сродством для трех различных состояний поляризации обуславливается, например, различными значениями поляризующего поля, прикладывающегося к сегнетоэлектрику параллельно С-сси.

В состоянии 1 вектор снонтанной поляризации направлен слева-направо, а внешнее поле равно пулю. При этом реализуется случай максимальной (или близкой к ней) эмиссионной эффективности ().

Б состоянии 2 внешнее ноле несколько уменьшило спонтанную поляризацию, электронное сродство , эмиссионная эффективность нонизилась.

Состояние 3 соответствует случаю, когда кристалл полностью переполяризован внешним полем. Вектор поляризации паправлен справа-налево, электронное сродство у., эмиссионная эффективность минимальна. «Аптиэмиссионное состояние 3 будет сохраняться до подачи поля, превышающего коэрцитивное, иавстречу новому нанравлению поляризации. При этом, в зависимости от величипы этого

поля вновь могут устаповиться состояния 2 или 1.

Возможпо три способа электрической поляризации эмиттера (фиг. 3). Устройства, в которых может быть реализована поляризация эмиттера, содержат базовый .металлический контакт 4, сегнетоэлектрический кристалл 5, тонкий (несколько сот ангстрем) металлический, например золотой, электрод 6, вспомогательный контакт 7, внешний поляризующий электрод 8 (могущий также служить анодом). Устройства работают от источника питания с напряжением V.

В первом случае (фиг. 3 в) электрическое

поле подают на образец между электродами 4 и 7 за счет проводимости эмиттерующей грани кристалла А-А, индуцированной обработкой агентами, понижающими работу выхода (Cs) или слабым поверхностным легировапнем.

Для облегчения условий поляризации или переполяризации на грань А-А можно также цанести мелкоструктурную металлическую сетку.

Во втором случае (фиг. 3 г) контакт обеспечивают на поверхности эмиттера А-А при помощи электрода б, прозрачного для эмиттируемых горячих электронов. В третьем случае (фиг. 3 д) переноляризаПИЯ при поверхностной области эмиттера происходит при проникновении внешнего поля, например в режиме автоэлектронпой эмиссии. Все три устройства могут запоминать эмиссионное состояние.

Устройство, схема которого приведена на фиг. 3 г, является новым типом эмиттера горячих электронов, имеющим ряд преимуществ по сравнению с известными эмиттерами. Эти преимущества связаны с возможностями регулирования BiiicoTbi контактного барьера на границе металл-сегнетоэлектрик за счет изменения сегнетоэлектрической ноляризации, нолуче1п-1я высоких контактных барьеров, создания запоминающих эмиссиопных устройств.

Эмиттер может быть использован также в качестве эмнттерной части-твердотельных и пленочных активных элементов с топкой металлической базой, работа которых основана на явлениях ирохождения горячих электронов

сквозь нлепки металлов.

Предмет изобретения

Электронный эмиттер, содержащий базовый металлический электрод, расположенный па

нем активный слой, верхний металлический электрод, полностью или частично покрывающий поверхиость активного слоя, и средство, ионижающее электронное сродство рабочей поверхности, отличающийся тем, что, с целью

управления величиной электронного сродства в процессе работы эмиттера, в качестве материала активного слоя использован сегнетоэлектрик, поляриая ось которого ориентирована преимущественно по нормали к плоскости

металлических электродов.

Т,-7,/Т,

2 с