RU2629013C2 - Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления - Google Patents
Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2629013C2 RU2629013C2 RU2015126750A RU2015126750A RU2629013C2 RU 2629013 C2 RU2629013 C2 RU 2629013C2 RU 2015126750 A RU2015126750 A RU 2015126750A RU 2015126750 A RU2015126750 A RU 2015126750A RU 2629013 C2 RU2629013 C2 RU 2629013C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- auto
- vacuum
- anode
- nanosi
- metal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам вакуумной СВЧ-электроники и может быть использовано в устройствах коммутации тока, в смесителях и в других приборах и устройствах силового сектора СВЧ-электроники. Автоэмиссионный СВЧ-диод содержит вакуумно-плотный корпус из металлокерамики, источник электронов, анод с винтовым окончанием, штенгель и электрические контакты. Вместо входного окна располагают вакуумно-плотно соединенную с корпусом металлическую заглушку, автокатод выполняют на основе гетероструктуры подложка Si-nanoSi-C-MoC либо подложка Si-nanoSi-C-графен и располагают на внутренней стороне заглушки, вытягивающий электроны электрод выполняют из металл-углеродной либо графеновой пленки и располагают между автокатодом и анодом. Технический результат - повышение однородности автоэмиссии для автокатодов большой площади. 1 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам вакуумной СВЧ-электроники и может быть использовано в устройствах коммутации тока, в смесителях и в других приборах и устройствах силового сектора СВЧ-электроники. Известны твердотельные p-n и p-n гетеропереходные СВЧ-диоды, работа которых основана на биполярной либо монополярной инжекции носителей тока. При использовании для их изготовления широкозонных материалов, таких как арсенид галлия либо нитрид галлия и твердые растворы на их основе, эти диоды работоспособны в широком диапазоне температур (до 250°С и 350°С соответственно) и радиационных воздействий (вплоть до 107 рад), эффективны при применении в области сверхвысоких частот вплоть до 30-40 ГГц. Однако в области частот, больших 50 ГГц, эффективность твердотельных диодов резко падает, что связано с подбарьерными паразитными утечками по емкостному каналу. В области частот, больших 50 ГГц, тем более при частотах субтерагерцового и терагерцового диапазонов, вне конкуренции находятся вакуумные эмиссионные СВЧ-диоды. Катодами таких диодов, как правило, являются термокатоды, что резко снижает мобильность таких приборов и устройств на их основе [1].
Существуют вакуумные эмиссионные приборы с диодными характеристиками, но с катодом, принцип действия которого основан на автоэлектронной эмиссии [2]. Это подбарьерный механизм транспорта тока, ему свойственны уникальное быстродействие (характерные времена ~1 пс), слабая зависимость от температуры, монохроматичность энергии пучка электронов. При этом по ряду причин возможность реализовать большие величины плотности токов свойственна острийным катодам. Однако попытки заменить в вакуумных сильноточных диодах термокатоды на автоэмиссионные острийные катоды, особенно в силовом секторе СВЧ-электроники, сталкиваются с серьезными техническими проблемами. Одной из таких проблем является отсутствие острийных автокатодов, у которых большим плотностям токов соответствовали бы и большие полные анодные токи, а также незначительный рабочий ресурс. Максимальные величины полного тока составляют сегодня значения ~10-100 мА, при плотностях тока ~20 А/см2. Причина тому - значительная дисперсия аспектных отношений (как правило, высот) микроострий массива острийных автокатодов и недостаточно высокий предел текучести традиционных полупроводниковых и металлических материалов. Поэтому в процессе автоэмиссии при фиксированных напряжениях участвует, как правило, сравнительно небольшое количество микроострий (~1000-3000 штук из сотен и сотен тысяч). Попытки подключить к автоэмиссии другие острия массива автокатода простым увеличением напряжения приводят к разрушению уже автоэмиттирующих острий и включению в процесс автоэмиссии другой, столь же немногочисленной группы микроострий [3]. В [4] был предложены твердотельные автоэмиссионные диоды, острийные автокатоды которых выполнены на основе гетероструктур Si-nanoSi-алмаз-МоС и Si-nanoSi-алмаз-графен. В указанной конструкции, независимо от высоты того либо иного микроострия массива, напряженности электрического поля вблизи каждого из микроострий будут одинаковыми, так как они определяться не высотой микроострия, а постоянной толщиной алмазного слоя, расположенного между проводящим металлом и микроостриями nanoSi. Кроме того, использование алмазного слоя обладающего высокой теплопроводностью, позволяет снять тепловую нагрузку с автоэмиттирующих микроострий. Экспериментальные исследования показали, что в такой структуре полные автоэмиссионные токи с элемента площадью в 2,5×10-3 см2 составляют ~120 мА, а достигнутая плотность тока ~45-50 А/см2.
Такой подход должен быть потенциально эффективен и в вакуумном варианте автоэмиссионного СВЧ-диода. Отличие заключается лишь в том, что проводящий слой, расположенный поверх поликристаллической алмазной пленки, покрывающей массив из полупроводниковых либо алмазных микроострий, должен быть туннельно-прозрачным, для того чтобы автоэмиттированные микроостриями электроны могли пройти сквозь них к положительно смещенному аноду СВЧ-диода. В такой гетероструктуре поверх алмазного слоя может быть расположен, например, проводящий туннельно-прозрачный слой нанометровой толщины, выполненный из металл-углеродной [5, 6] либо из графеновой пленки. Исследования графеновой пленки показали, что при энергиях электронов более 100 эВ, коэффициент прозрачности графеновой пленки достигает ~90%.
Таким образом, для реализации автокатодов для СВЧ-систем большой мощности (~ в несколько киловатт) потребуются автокатоды большой плотности и с высокой степенью однородности параметров автоэмиссии с поверхности катода. При этом востребованными являются автокатоды большой площади и актуальны способы их изготовлений.
Наиболее близким - прототипом - к заявляемому изобретению по конструкции и по способу изготовления является электронно-оптический преобразователь 2+ поколения (типы ЭПМ70-Г и ЭОП 2 [7]). Конструкция ЭОП 2+ поколения включает вакуумно-плотный корпус и последовательно расположенные входное окно для оптического излучения с нанесенным на его внутреннюю плоскость фотокатодом, электроды ускоряющего промежутка, микроканальная пластина, катодолюминесцентный экран, нанесенный на волоконно-оптическую пластину, являющуюся одновременно и выходным окном корпуса ЭОП, а также геттер и электрические контакты. При изготовлении ЭОП осуществляют сборку перечисленных элементов в металлокерамическом корпусе, затем обезгаживают собранные элементы и внутреннюю поверхность корпуса, подвергая их в течение ~20 часов процедуре «тренировки», заключающейся в циклах нагрева и охлаждений в условиях высокого вакуума (~10-9 мм рт.ст.) при предельных освещенностях фотокатода, предельных значениях тока фотокатода, МКП и люминесцентного экрана; по окончании - активируют геттер. Тренировка производится при номинальных значениях напряжений на электродах.
Задачей изобретения является автоэмиссионный диод большой площади с высокой однородностью автоэмиссии с поверхности автокатода, позволяющий существенно увеличить полный эмиссионный ток при высокой мобильности устройства.
Для реализации этого предлагается конструкция, содержащая вакуумно-плотный корпус из металлокерамики, источник электронов, анод и электрические контакты, отличающаяся тем, что вместо входного окна располагают входную металлическую заглушку, соединенную с корпусом штенгелем из бескислородной меди, вместо фотокатода располагают автокатод, между автокатодом и анодом расположен вытягивающий электроны электрод, а затем анод, который выполнен из металла и имеет винтовое окончание для крепления конструкции к радиатору.
Способ изготовления автоэмиссионного СВЧ-диода, включающий сборку элементов диода в корпус и дегазацию корпуса, отличается тем, что проводится «тренировка» при предельных амплитудах импульсов питающих напряжений при температуре, превышающей температуру второй критической точки выделения паров воды в условиях термического обезгаживания, затем производится активация геттера и затем холодная герметизация.
При этом перед проведением «тренировки» через штенгель производят откачку атмосферного газа из изделия в процессе его обезгаживания, после чего производится холодная герметизация посредством «откуса» медного штенгеля. Сам же процесс «тренировки» проводится в процессе обезгаживания автоэмиссионного СВЧ-диода, выполняется по аналогии с циклами отжига ЭОП 2+ поколений типа ЭПМ70-Г и ЭОП 2 и поколения типа ЭП-10 и, с целью обеспечения долговечности изделия, проводится при предельных амплитудах импульсов питающих напряжений и при температуре, превышающей температуру второй критической точки выделения паров воды при термическом обезгаживании. По окончании тренировки производится активация геттера и только потом холодная герметизация («откус» штенгеля).
На Фиг. 1 представлена заявляемая конструкция вакуумного СВЧ-диода. Он состоит из вакуумно-плотного корпуса 1, последовательно расположенных острийного автокатода 2, вытягивающего электроны электрода 3, анода 4, имеющего винтовое окончание для крепления, геттера 5, входной металлической заглушки 6 и штенгеля 7.
Корпус 1 может быть выполнен из металлокерамики; острийный автокатод 2 - выполнен на основе нанокристаллических алмазных пленок [2] либо на основе упомянутых выше гетероструктур Si-nanoSi-C-MoC или Si-nanoSi-C-графен. Вытягивающий электроны электрод 3 выполнен из металл-углеродной либо графеновой пленки, анод 4 - из металла (например, ковар), а штенгель 7 - из бескислородной меди.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом (Фиг. 1). Между вытягивающим элктродом 3 и поверхностью автокатода 2 создается разность потенциалов, (например, минус на автокатоде), достаточная для реализации автоэмиссии (среднее поле в промежутке 1-10 В/мкм). Электрический потенциал на аноде 4 должен превышать величину электрического потенциала на электроде 3, вытягивающем электроны из автокатода. Геттер 5 необходим для финальной «очистки» объема корпуса и расположенных в корпусе 1 элементов от остаточной атмосферы, которая выполняется после завершения процессов циклических откачек атмосферы и дегазации активных элементов и внутренней поверхности корпуса. Ожидание положительного результата от использования предложенной конструкции обусловлено следующими факторами. Исследование автокатода на основе гетероструктур Si-nanoSi-C-MoC (толщина слоя металл-углеродной пленки, МоС, не превышала 10 нм) показало высокую степень однородности автоэмисссии уже на ранней стадии ее развития (~350 мА с площади 3,5 см2). А изучение автоэмиссии пары nanoSi-алмаз, с использованием гетероструктуры Si-nanoSi-C-металл [4] показало, что с каждой мезаструктуры площадью - 2,5×10-3 см2 можно снять полный ток ~120 мА, при плотности тока с каждой мезаструктуры - 45-50 А/см2.
Предложенный подход, по сравнению с существующими, позволяет нивелировать отрицательное воздействие дисперсии высот микроострий на снимаемые токи с поверхности автокатодов. Это позволяет одновременно поставить в автоэмиссионные условия доминирующее количество микроострий и существенно повысить эффективность острийного автокатода. Наши экспериментальные исследования в твердотельном варианте автоэмиссионного СВЧ-диода показали, что указанный подход позволяет повысить величину полного тока снимаемого с поверхности автокатода на три порядка (в 1000 раз).
Использованная информация
1. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника, М.: Наука, 1966, с. 117.
2. K. Subramanian, et al. Vanderbilt University. Final Report Backgated Diamond Field Tip Array Cathodes for 220 GHr TWT Under Contract W911NF-08-C-0052, December 29, 2009.
3. Tatsumi, A. Veda, Y. Seki, et al. Fabrication of Highly Uniform Diamond Electron Emitter Devices, SEI Technical Review, N64, April 2007, 15-20.
4. V.A. Bespalov, E.A. Il'ichev*, A.E. Kuleshov, D.M. Migunov, R.M. Nabiev, G.N. Petrukhin, G.S. Rychkov, O.A. Sakharov, and Yu. V. Shcherbinin. // Technical Physics, 2014, Vol. 59, No. 10, pp. 1531-1535.
5. L.P. Sidorov, V.K. Dmitriev, V.N. Inkin. // Patent to be publicher in Russian, 2000103496, 25-02-2000.
6. V.K. Dmitriev, V.N. Inkin, E.A. Ilʺichev, and others // Diamond and related materials, 10, p. 1007-1010, 2001.
7. Куклев С.В., Соколов Д.С., Зайдель И.Н. Электронно-оптические преобразователи. М. НИИ ЭПР, 2004, 188 с. - Прототип.
Claims (1)
- Автоэмиссионный СВЧ-диод, содержащий вакуумно-плотный корпус из металлокерамики, источник электронов, анод с винтовым окончанием, штенгель и электрические контакты, отличающийся тем, что вместо входного окна располагают вакуумно-плотно соединенную с корпусом металлическую заглушку, автокатод выполняют на основе гетероструктуры подложка Si-nanoSi-C-MoC либо подложка Si-nanoSi-C-графен и располагают на внутренней стороне заглушки, вытягивающий электроны электрод выполняют из металл-углеродной либо графеновой пленки и располагают между автокатодом и анодом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015126750A RU2629013C2 (ru) | 2015-07-06 | 2015-07-06 | Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015126750A RU2629013C2 (ru) | 2015-07-06 | 2015-07-06 | Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015126750A RU2015126750A (ru) | 2017-01-12 |
RU2629013C2 true RU2629013C2 (ru) | 2017-08-24 |
Family
ID=58449225
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015126750A RU2629013C2 (ru) | 2015-07-06 | 2015-07-06 | Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2629013C2 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5442193A (en) * | 1994-02-22 | 1995-08-15 | Motorola | Microelectronic field emission device with breakdown inhibiting insulated gate electrode |
RU2046439C1 (ru) * | 1993-03-10 | 1995-10-20 | Государственное научно-производственное предприятие "Исток" | Микроэлектронный свч-триод |
RU2089001C1 (ru) * | 1996-02-29 | 1997-08-27 | Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" | Источник электронов и способ его изготовления |
EP2711968A2 (en) * | 2005-03-31 | 2014-03-26 | Hamamatsu Photonics K. K. | Photomultiplier |
-
2015
- 2015-07-06 RU RU2015126750A patent/RU2629013C2/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2046439C1 (ru) * | 1993-03-10 | 1995-10-20 | Государственное научно-производственное предприятие "Исток" | Микроэлектронный свч-триод |
US5442193A (en) * | 1994-02-22 | 1995-08-15 | Motorola | Microelectronic field emission device with breakdown inhibiting insulated gate electrode |
RU2089001C1 (ru) * | 1996-02-29 | 1997-08-27 | Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" | Источник электронов и способ его изготовления |
EP2711968A2 (en) * | 2005-03-31 | 2014-03-26 | Hamamatsu Photonics K. K. | Photomultiplier |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Электронные компоненты, N 5, 2005, с.117-121. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015126750A (ru) | 2017-01-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yuan et al. | A gridded high-compression-ratio carbon nanotube cold cathode electron gun | |
US9224570B2 (en) | Vacuum encapsulated, high temperature diamond amplified cathode capsule and method for making same | |
CN103632911A (zh) | 离子源器件和方法 | |
Li et al. | Beam test of a novel CNT cathode-based electron gun assembled in a TWT | |
CN102420088B (zh) | 一种背栅极式可栅控冷阴极x射线管 | |
Rocha et al. | Evaluating the performance of a carbon-epoxy capillary cathode and carbon fiber cathode in a sealed-tube vircator under UHV conditions | |
Shesterkin | Operating emission characteristics of various types of field-emission cathodes | |
Ulisse et al. | Study of the influence of transverse velocity on the design of cold cathode-based electron guns for terahertz devices | |
RU2629013C2 (ru) | Автоэмиссионный сверхвысокочастотный диод и способ его изготовления | |
CN104078293B (zh) | 一种场发射电子源及其制备方法 | |
Kang et al. | Nanodiamond lateral VFEM technology for harsh environments | |
Subramanian et al. | Field emission devices for advanced electronics comprised of lateral nanodiamond or carbon nanotube emitters | |
Ulisse et al. | Electrostatic beam focusing of carbon nanotubes electron source | |
Wang et al. | Systematic study of hydrogenation in a diamond amplifier | |
CN104599926B (zh) | 负电子亲和势冷阴极x射线管 | |
Cheng et al. | A compact X-ray generator using a nanostructured field emission cathode and a microstructured transmission anode | |
Kalibjian | A phototube using a semiconductor diode as the multiplier element | |
Bespalov et al. | Development and investigation of a field emission medium for autocathodes of mobile power microwave devices | |
CN109860002B (zh) | 一种太赫兹真空三极管及其制造方法 | |
CN113990724A (zh) | 一种全二维真空管及制备方法 | |
Li et al. | A Cascade Electron Source Based on Series Horizontal Tunneling Junctions | |
US9305734B2 (en) | Semiconductor device for electron emission in a vacuum | |
Rughoobur et al. | Arrays of Si field emitter individually regulated by Si nanowires high breakdown voltages and enhanced performance | |
Sawa et al. | Development of a UHV-compatible Low-energy Electron Gun using the Photoelectric Effect | |
US6856080B2 (en) | Carbonized resin coated anode |