книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

2. Для структур с различной толщиной изолирующего

о

слоя (75 ... 175 А) отдельные характеристики сквозного тока практически совпадают, если по оси абсцисс брать не величину напряжения, а величину электрического поля.

3. Зависимость сквозного тока от напряжения на «сэндвиче» в координатах Фаулера — Нордгейма дает прямые линии. Наклон этих прямых определяет высоту барьеров 1,5 и 2,5 эВ для систем А1 — А120 3 и А120 3—Аи соответственно.

4. Э миссия в вакуум составляет обычно малую часть сквозного тока. Эффективность эмиссии у~Ю _3.

В работе |38] изучалась эмиссия катодов для систем А1 — А120 3 — Аи и А1 — АЬ,Оз — Pt. Для катодов на осно­ ве первой структуры получен максимальный эмиссион­ ный ток 40 мкА с площади 1 мм2. Напряжение на «сэнд­ виче» при этом составляло 5 В. Катод с верхней пленкой Pt оказался значительно менее эффективным: макси­ мальный ток эмиссии с той же площади составлял 2 ...

... 3 мкА. Напряжение на «сэндвиче» было равно 6 В. В этой работе установлено, что при приложении к «сэнд­

Из появившихся в последнее время работ следует от­ метить работы [27, 39, 22, 44, 45]. Эмиссионные свойства структур, описанных в этих работах, сведены в табл. 3.2.

До настоящего времени наибольшие плотности эмис­ сионного тока в вакууме получены на системе Be — ВеО —■Аи [47]. В стационарном режиме /э= 1 А/см2 при токе около 0,5 мА. Общая величина туннельного тока, входящего в верхнюю металлическую пленку, составляла

100 мА. При толщине верхней пленки золота 150 ...

о

...200 А получено значение ■у = 5-10_3. В [47] не приво­ дятся данные о стабильности работы системы.

Представляют интерес попытки создать монокристаллический или текстурированный слой изолятора: А120 3, BN, ТЮ 2 [17]. По представлениям автора [17], можно воспроизводимо получать при помощи химического осаждения из паровой фазы текстурированные пленки нитрида бора. Ожидается, что в такой диэлектрической пленке удается снизить рассеяние энергии электронов. Достоинством пленок BN1 является также их тугоплав­ кость и большая ширина запрещенной зоны. Эмиесиоц-

90

Т а б л и ц а 3 . 2

Э м и с с и о н н ы е с в о й с т в а н е к о т о р ы х п л е н о ч н ы х к а т о д о в т и п а „ с э н д в и ч 11

плотностью около 1 мА/см2 при у=10"3 в течение не­ скольких дней. В течение нескольких часов плотность тока этого катода была —50 мА/см2 при у= 2-10-2.

Катоды этого типа испытывались в импульсном ре­ жиме (длительность импульса 1 мкс) и в режиме подачи на слой переменного напряжения частотой 60 Гц. В по­ следнем случае эмиссия наблюдалась только тогда, когда верхняя пленка золота имела положительный по­ тенциал.

Вработе [39] исследована структура А1 — А120 3 — Me.

Вкачестве металла верхней пленки использованы А1,

Au, Cr, Ti. Слой окиси алюминия во всех «сэндвичах»

получался термическим окислением и толщина его была

о

порядка 60 А.

Эмиссионная способность структур с верхней пленкой из Аи была ниже, чем структур с пленкой из А1, Сг и.ТТ Предлагается гипотеза [39] об образовании на границе со слоем диэлектрика промежуточного окисного соединения металла верхней пленки, которое способствует образова­ нию гетероперехода. Наличие гетероперехода облегчает процесс туннелирования.

К этой гипотезе обращаются и авторы работы [27] для объяснения увеличения эмиссионной способности катодов

пленки применяется А1. Золото согласно работе [39] не образует промежуточного окисного соединения.

В работе [22] проведена оценка пористости золотой и алюминиевой пленок методом облучения электронами низких энергий. При этом электронные токи /о в верхней и /и в нижней пленках измерялись в зависимости от энер­ гии инжектированных электронов. Ток луча поддержи­ вался постоянным в области энергий до 30 эВ. Следо­ вательно, отношение р= /и//луч с достаточной степенью точности пропорционально /и. Оно зависит от напряже­ ния между нижней и верхней пленками. На рис. 3.12 представлены результаты, полученные для верхних пле­ нок из Аи и А1.

92

Видно, что величина |5 много меньше для А 1 , чем для А и (пленки приблизительно одинаковой толщины). При этом данные были получены как при повышении, так и при понижении энергии луча в пределах 30 эВ. Гистерезис всегда наблюдается при ис­

ипрохождение электронов увеличивается.

Сувеличением приложенного к структуре напряже­ ния эффективность эмиссии повышается. В работе [48] дается аналитическое выражение для эффективности эмиссии

где U — приложенное напряжение; Ам— толщина пленки верхнего электрода; Ао — длина свободного пробега элек­ тронов в верхней пленке; %— электронное сродство ди­ электрика; Ад — толщина пленки диэлектрика; А,д— дли­ на свободного пробега электрона в диэлектрике; е — за­ ряд электрона.

Экспериментальные зависимости эффективности като­ да от напряжения приведены на рис. 3.10, 3.11.

93

В работе {32] получены значения эффективности эмис­ сии для различных толщин пленок А!20з в системе А1 —

3-10-6, т. е. с ростом толщины диэлектрика у уменьшает­ ся. Это утверждение справедливо для систем с тонкими пленками диэлектрика, когда основным механизмом токопрохождения в системе является туннелирование. Интересные результаты получены в работе [39]. Для

системы А1— А120 3— Me с толщиной пленки'А120 3, рав-

о

ной 60 А, при верхней золотой пленке эффективность эмиссии была порядка 10_3, и при верхней пленке алю­ миния, хрома или титана равна [2 ... 6) • 10~2. Авторы этой работы объясняют полученный результат образовани­ ем гетероперехода на границе А120 3— верхний электрод.

Одним из основных путей повышения эффективности эмиттеров является снижение работы выхода верхней ме­ таллической пленки. Так, при нанесении мономолекулярной пленки бария на верхнюю золотую пленку структуры А1 — А120 3— Аи достигнуто увеличение у на 2 ... 3 по­ рядка ([32]. Максимальная эффективность эмиссии при этом составляла около 10"2.

В работе [34], посвященной исследованию туннельных катодов А1 — А120 3 — Pt при напылении цезия на верх­ нюю металлическую пленку эмиссия возрастала на 5 по­ рядков. При этом отмечено, что при напылении цезия катод становится фоточувствительным при комнатной температуре. Хотя наклон туннельных вольт-амперных характеристик остается постоянным, туннельный ток при том же напряжении увеличивается. Ток эмиссии наблю­ дается только при положительном потенциале на верхней металлической пленке.

Напыление пленки бария на систему А1— А120 3 — Аи [32] привело к значительному увеличению у до 10-2 при плотности тока эмиссии, равной 5 мА/см2. В более позд­ них работах, посвященных изучению эмиссионных свойств туннельных эмиттеров, сообщается о более уме­ ренном влиянии пленок, снижающих работу выхода. Характерной в этом отношении является работа [17]. Мономолекулярная пленка бария напылялась на струк­ туру А1 — А120 з — Аи, вызывая снижение работы выхода до 2,5 эВ. Изменение эмиссионного тока — десятикрат­ ное.

94

При напылении цезия на поверхность этой же систе­ мы приводятся данные только по эффективности эмис­ сии— она становится равной 8% вместо 10-1 ...Ю -2 %.

Распределение эмиссии по эмиттирующей поверхности во многом зависит от структуры верхней пленки. Этот вопрос для катодов типа «сэндвич» рассматривается в нескольких работах. Так, в '[22] проводилось изучение распределения эмиссии по поверхности катода путем на­

щая поверхность светилась равномерно, лишь на краях алюминиевой пленки наблюдались более яркие пятна. Для структуры А1 — А120 з — Аи характерно равномерное свечение без выделения краев. Это трудно объяснить, если считать золотую пленку однородной. Если же счи­ тать, что золотая пленка не сплошная, а состоит из одно­ родно распределенных агломератов или имеет много ма­ леньких отверстий, расположенных с одинаковой плотностью, тогда условия, близкие к краевым, создают­ ся равномерно по всей поверхности эмиттера. Предполо­ жение о пористости золотой пленки было подтверждено

вэтой работе экспериментально.

Вработе [43] также исследовалось распределение

эмиссии по поверхности. Для наблюдения эмиссионной картины электроны отбирались на стеклянный анод, по­ крытый люминофором. Можно сделать вывод о том, что электроны эмиттируются из нескольких малых областей, которые можно идентифицировать с отверстиями в плен­ ке. Исследование катодов после эксплуатации всегда показывало наличие отверстий в верхней пленке.

Распределению эмиссии по поверхности катода цели­ ком посвящена работа [44]. Исследования были проведе­ ны на структуре А1 — А120 3 — Аи. Эмиттирующая поверх­ ность катода составляла пятно диаметром 0,08 см. Флюктуация эмиссионного тока туннельного катода исследовались наблюдением изображения поверхности катода на экране эмиссионного электронного микроскопа. Типичная эмиссионная картина, полученная при уско­ ряющем напряжении 7 кВ и увеличении в 20 раз, пред­ ставлена на рис. 3.13. Каждое светлое пятно соответству­ ет отдельному эмиттирующему центру, а его яркость пропорциональна плотности тока. Фотографии показы­ вают, что катоды эмиттируют неоднородно, имеется мно­ го дискретных малых эмиссионных центров, распределен-

95

Ге как функция толщины золотой пленки для различных напряжений на структуре МДМ-типа. В этих экспери­ ментах коллектор был расположен параллельно катод­ ной поверхности, так что измерялось распределение по энергиям электронов, перпендикулярных эмиттирующей поверхности. Плотность туннельного тока составляла 2 ... 20 А/см2 в импульсном режиме.

Как и следовало ожидать, электронная температура увеличивается с увеличением напряжения на структуре, что приводит к расширению спектра энергий эмиттируемых электронов. Наблюдаемое заметное уменьшение

4<>мА

может быть объяснено, если предположить, что длина свободного пробега горячих электронов в золотой пленке много меньше для электронов с высокой энергией, чем для электронов с низкой энергией.

В работе [46] температура Те определялась методом задерживающего потенциала для системы А1—А120з—Ag. Обнаружено, что для напряжений на структуре больше 5 В электронная температура пропорциональна прило­ женному к «сэндвичу» напряжению. Величина Те не за­ висит от толщины слоя верхнего металлического элек­ трода (Ag), но зависит от толщины слоя А120з-

Работа [49] специально посвящена изучению распре­ деления электронов, эмиттируемых из структур МДМструктуры по нормальным компонентам энергии. Иссле­ дования проводились на катодах с диэлектриками А120 3, NaAlFe, КВт, NaCl. Верхней металлической пленкой во

отстоящих друг от друга на расстоянии от долей до не­ скольких электрон-вольт. Полуширина максимумов име­ ет такой же порядок. При низких эмиссионных токах (/«10~10 А) максимум энергетического распределения эмиттированных электронов расположен на 3,5 эВ выше уровня Ферми для алюминия. С увеличением / э энерге­ тические спектры смещаются в область более низких энергий.

МДМ-структуры с толстой пленкой диэлектрика и МПДМ -структуры. Экспериментальные данные по иссле­ дованию эмиссионных свойств тонкопленочных туннель­ ных катодов, проанализированные выше, показывают, насколько они далеки от предсказываемых теорией.

Одной из причин такого несоответствия является то, что по условиям работы катода тонкие диэлектрические пленки работают в предпробойном режиме, когда особую важность приобретает совершенство пленок, не всегда достигаемое на практике.

В работе [43] предлагается два пути увеличения эф­ фективности туннельных катодов: использовать верхний электрод такой конструкции, которая обеспечивает боль­ шое отношение периметра пленки к ее площади. Эта идея осуществлена в работе [40] путем изготовления верхней пленки в виде сетки; использовать толстую ди­ электрическую пленку для того, чтобы катод работал при достаточно высоком напряжении. Наличие высокого напряжения на структуре приводит к увеличению со­ ставляющей скорости электронов, перпендикулярной

кэмиттирующей поверхности.

Вработе [43] экспериментально проверен второй путь — применение толстых слоев диэлектрика. Иссле­ дована система А1—SiO--Au. Толщина SiO достигала

98

£ , .

2000 А. Установлено, что эффективность эмиссии увели­

чивается на 2 порядка по сравнению с той же системой,

о

но при тонкой пленке диэлектрика (около 200 А ). Систе­ му с толстой пленкой диэлектрика уже нельзя рассмат­ ривать как туннельную, так как механизм токопрохождения через «сэндвич» будет носить более сложный ха­ рактер.

Вработе [52] обсуждалось влияние ионных дефектов

вдиэлектрической пленке на величину туннельного тока

врежиме сильных полей. При положительном потенциа­ ле на верхней металлической пленке и достаточно высо­ кой концентрации положительных ионов у отрицательного

видно из рис. 3.16, наличие «ионного слоя» увеличивает эмиссию на 1 ... 2 порядка.

Для дальнейшего повышения эффективности и тока эмиссии катода типа «сэндвич» в работе [53] была испы­ тана система на основе моноокиси кремния с промежу­ точным слоем сульфида цинка (электронный полупро­ водник) между нижней металлической пленкой и слоем

моноокиси. Общая толщина пленок ZnS—SiO достигала

о

порядка 2000 А. Для этой системы плотность тока эмис­