1one
Изобретение относитс к эмиссионной электронике и микроэлектронике и может быть использовано в электронных приборах в качестве ненакаливаемых катодов .This invention relates to emission electronics and microelectronics and can be used in electronic devices as non-hot cathodes.
В ненакаливаемых катодах дл получени эмиссии электронов широко используютс сильные электрические пол ,In non-combustible cathodes, strong electric fields are widely used to produce electron emission.
Известны ненакаливаемые катоды на основе структур металл-полупроводник, использующие сильные электрические пол , возникающие на границе раздела полупроводник-металл и эмитирующие гор чие электроны в вакуум. Разогрев электронов в таких структурах происходит в области контактного барьера при пр мом или обратном смещении в. зависимости от типа полупроводника. .Non-glowing cathodes based on metal-semiconductor structures are known, using strong electric fields that occur at the interface between semiconductor and metal and emit hot electrons into vacuum. The heating of electrons in such structures occurs in the region of the contact barrier at forward or reverse bias. depending on the type of semiconductor. .
Наиболее известный и хорошо изученный катод образуетс в тех случа х, когда контакт создаетс на границе тонкой пленки металла с широкозонным полупроводником Vi -типа, а смешение образовавшегос диода Шоттки в пр мом 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 дл получени эффективной эмиссии электронов в вакуум требуетс снижение работы выхода металлической пленки путем адсорб10 ции на ее поверхности атомов щелочных металлов. Однако снижение работы выхода за счет адсорбции щелочи сопр жено с р дом технологических трудностей, а именно необходимостью поддержани в 5 приборе высокого вакуума, низких температур дл предотвращени испарени ато мов щелочи с эмитирующей поверхности, и, кроме того, должна быть предусмотрена возможность восстановлени испар ю20 щегос щелочного покрыти . Вышепри- веденные требовани существенно усложн ют конструкцию прибора, используюшего ненакаливаемый катод этого типа l3j4an6anee близким к предлагаемому й . л етс катод, содержащий два металличе ких электрода и сегнетопопупроводниковы эмиттер, пол рна ось которого ориентирована по нормали к плоскости металлическиX электродов. Металлические элек троды служат дл управлени величиной электронного сродства с помошью электрического пол , создаваемого между ба зовым электродом, на котором размещен сегнетополупроводник, и электродом на эмитирующей поверхности и привод щего к изменению величины сегнетоэлектрического изгиба зон вблизи эмитирую- щей поверхности. Эиектронное сродство может быть понижено вплоть До отрицательных значений путем на1| глени пленка толщиной до. 1ОО А 2. Однако указанный катод обладает р дом существенных, недостатков, снижаюшнх его эффективность. Во-первых, высокое внутреннее сопротивление активног сло (до Id OMCM) ограничивает ток, а применение тонких (толщиной до 1ОО А сегнетоэлектрических гиенок невозможно вследствие существовани критических толщин, ниже которых сегнетоэлектричес кий изгиб зон уже не наблюдаетс . Вовторых , эффективность катода-прототипа ограничиваетс высоким потенциальным барьером на границе базовый электрод-сег нетоэлектрик, преп тствующим инжекции электронов в активный слой при благопри тном дл эмиссии сегнетоэлектричес ком изгибе зон. Цель изобретени - повышение эффективности ненакаливаемыхкатодов на ос . нове сегнетоэлектриков. Поставле1ша цель достигаетс тем, что в ненакапиваёмом катоде, содержа- . щем два металлических электрода и сегнетополупроводниковый эмиттер, пол рна 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 лити , вырезанную перпендикул рно пол рной оси и имеющую ниакукЬ работу выхода, иачос тс , например вакуумным напыле шем , два металлических контакта 2. Контакты соедин ютс 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, об занное своим существованием спонтанной пол ризации и направленное к поверхности перпендикул рно направлению их движени . Под действием этого пол у электронов по вл етс составл юща скорости в направлеI . НИИ, перпендикул рном поверхности, поэтому часть электронов, получивща в направлении к поверхности энергию, достаточную дл преодолени потенциального барьера, выходит в вакуум; при этом вс площадь поверхности, заключенна между металлическими контактами, равномерно эмитирует электроны. Предлагаемый ненакаливаемый катод реализован на двух сегнетоэлектриках ниобате и танталате лити . Максимальна эффективность эмиссии на этих катодах на два-три пор дка превышает эффективность прототипа. В монокристаллах сегнегоэлектриков, вследствие спонтанной пол ризации, вблизи поверхностей, перпендикул рных пол рной оси, существует изгиб зон, за счет которого выход электронов увеличиваетс или уменьщаетс в зависимости от ориентации вектора пол ризации 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 значени , что облегчает эмиссию электронов в вакуум, кроме того электррнное сродство может быть понижено также путем напылени сло Cs-O. В области сегнетоэлектрического изгиба зон напр женность электрического пол достигает В/м. Ускоренные этим полем электроны могут приобрести энергию, достаточную дл выхо.да в вакуум через потенциальный барьер на границе, В равновесных услови х концентраци электронов даже в восстановленном сегнетоэлектрике мала ( м ),что заметно ограничивает эффективность эмиссии . Повысить эффективность эмиссии можно, увеличив концентрацию электронов в приповерхностной области, например , пропуска электрический ток вдоль эмитирующей поверхности. С этой целью на поверхность сегнетоэлектрика, вырезанную перпендикул рно пол рной оси иThe most well-known and well-studied cathode is formed when contact is created at the boundary of a thin metal film with a wide-gap Vi-type semiconductor, and mixing the Schottky diode formed in the direct direction leads to the heating of electrons in the contact area upon transition from a semiconductor to a metal film . The direction of the current through the Schottky barrier and the current of electron emission in vacuum coincide, but a high potential barrier exists at the metal – vacuum interface and in order to obtain effective electron emission into vacuum, a decrease in the work function of the metal film by adsorption of alkali metal atoms on its surface is required. However, the reduction of the work function due to alkali adsorption is associated with a number of technological difficulties, namely, the need to maintain a high vacuum in the 5th instrument, low temperatures to prevent the alkali atoms from evaporating from the emitting surface, and, in addition, it should be possible to recover the evaporation of 20 quick alkaline coating. The above requirements significantly complicate the design of an instrument using an incandescent cathode of this type l3j4an6anee close to that proposed. The cathode contains two metal electrodes and a ferroelectric semiconductor emitter, the polar axis of which is oriented normally to the plane of the metal electrodes. Metallic electrodes are used to control the magnitude of the electron affinity using an electric field created between the base electrode on which the ferroelectric conductor is located and the electrode on the emitting surface and leading to a change in the magnitude of the ferroelectric bend of the zones near the emitting surface. Electron affinity can be reduced down to negative values by 1 | Gleny film thickness to. 1OO A 2. However, this cathode has a number of significant, disadvantages, reducing its effectiveness. First, the high internal resistance of the active layer (up to Id OMCM) limits the current, and the use of thin (up to 1OO thick ferroelectric hyenas is impossible due to the existence of critical thicknesses below which the ferroelectric bending of zones is no longer observed. Secondly, the efficiency of the prototype cathode is limited a high potential barrier at the boundary of the base electrode – segnetoelectric, which prevents the injection of electrons into the active layer with ferroelectric bending of zones, which is favorable for emission, Objective of the invention and - improving the efficiency of non-combustible cathodes based on ferroelectrics. the surface of a ferroelectric semiconductor emitter. The drawing shows a diagram of the proposed cathode. The proposed cathode is used as follows. A ferroelectric plate 1, such as lithium niobate or lithium tantalate, cut perpendicular to the polar axis and having a nykuk output work function, such as vacuum evaporation, two metal contacts 2. The contacts are connected to the source of current 3 and between them along the emitting surface begins flow current. When an electric current flows along the surface, the current carriers (electrons) fall into the electric field caused by their existence of spontaneous polarization and directed to the surface perpendicular to the direction of their movement. Under the action of this field, a velocity component appears in the direction of the electrons. A scientific research institute, perpendicular to the surface, therefore a part of the electrons, receiving energy sufficiently in the direction of the surface to overcome the potential barrier, goes into vacuum; at the same time, the entire surface area, enclosed between the metal contacts, emit electrons uniformly. The proposed non-hot cathode is implemented on two ferroelectrics niobate and lithium tantalate. The maximum emission efficiency at these cathodes is two to three orders of magnitude higher than that of the prototype. In single crystals of ferroelectrics, due to spontaneous polarization, near surfaces perpendicular to the polar axis, there is bending of zones, due to which the electron yield increases or decreases depending on the orientation of the polarization vector relative to this surface. Bending zones can be greater and Reach half the width of the forbidden zone. The ferroelectric bending of the zones leads to a decrease in the effective electron affinity, which can take zero and even negative values, which facilitates the emission of electrons into a vacuum, and the electron affinity can also be reduced by sputtering the Cs-O layer. In the region of the ferroelectric bending of zones, the electric field intensity reaches V / m. The electrons accelerated by this field can acquire enough energy to enter the vacuum through the potential barrier at the boundary. Under equilibrium conditions, the concentration of electrons even in the reduced ferroelectric is small (m), which significantly limits the emission efficiency. Emission efficiency can be increased by increasing the electron concentration in the near-surface region, for example, by passing an electrical current along the emitting surface. To this end, a ferroelectric surface cut perpendicular to the polar axis and