Польовий емітер

Польовий емітер, що містить підложку з металу або вузькозонного напівпровідника, розташований на підложці катод, що складається з внутрішнього вістря, виконаного з металу або вузькозонного напівпровідника і покриття із широкозонного напівпровідника або діелектрика, металевий затвірний електрод, який відрізняється тим, що затвірний електрод розташовано на поверхні катоду. (19) (21) 2000063164 (22) 02.06.2000 (24) 15.05.2001 (33) UA (46) 15.05.2001, Бюл. № 4, 2001 р. (72) Миронов Дмитро Вікторович, Чайка Василь Євгенович, Жовнір Микола Федорович (73) Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" 38140 вістрям розподіляється у високоомному прошарку, що дозволяє суттєво підвищити напруженість електричного поля біля поверхні внутрішнього вістря. Це дає можливість знизити робочі напруги до 20...50 В на аноді і 10...20 В на затвірному електроді, збільшити максимально припустимий струм з одного вістря внаслідок використання покриття як радіатора, збільшити термін служби приладу при зберіганні стабільності струму емісії внаслідок суттєвого зниження або відсутності іонного бомбардування, а також покращити керованість приладу. На фіг. 1 показана конструкція польового емітера, на фіг. 2 - матрична тріодна структура, у якій використовується запропонований прилад. Прилад містить підложку 1, виготовлену з металу або вузькозонного напівпровідника (наприклад, кремнію), на поверхні якої розташовано катод, що складається з внутрішнього вістря 2, виготовленого з металу або вузькозонного напівпровідника (наприклад, кремнію) і зовнішнього покриття 3, товщина котрого уздовж осі структури сумірна із довжиною вільного пробігу електрона в матеріалі покриття. Як матеріал зовнішнього покриття може бути використано діелектрик або широкозонний напівпровідник, наприклад діамант або діамантоподібний вуглець. На поверхні катода розташовано металевий затвірний електрод 4, що має отвір для виходу електронів 5. Матрична тріодна структура (фіг. 2) складається з діелектричної підложки 6, розташованої на підложці множини польових емітерів, що емітують електрони 1, і металевого анода 8, відділеного від емітера розпірками 9 із діелектрика, наприклад, оксиду кремнію. Польовий емітер працює таким чином. На підложку 1 подається нульовий потенціал. На затвірний електрод 4 подається позитивний потенціал, також позитивний потенціал подається на анод 8, причому потенціал анода більше від потенціалу затвірного електроду, щоб обумовлена анодним потенціалом прискорююча зовнішня складова електричного поля проникала в покриття. Потенціал затвірного електроду вибирається таким чином, щоб падіння напруги у високоомному прошарку перевищувало термодинамічну роботу виходу матеріалу покриття. Внаслідок високої напруженості електричного поля біля поверхні внутрішнього вістря 2 має місце тунелювання електронів із зони провідності внутрішнього вістря 2 у зону провідності покриття 3, причому, процес тунелювання аналогічний автоелектронній емісії і щільність тунельного струму може бути розрахована за формулою Фаулера-Нордгейма: падку роль поверхні, що емітує електрони, відіграє межа поділу між матеріалом внутрішнього вістря і матеріалом зовнішнього покриття; q=1 і t2=1,1 параметри, пов'язані зі структурою катода і його матеріалу; jb - висота потенційного бар'єру між внутрішнім вістрям і зовнішнім покриттям. Очевидно, що найбільша щільність струму тунелювання має місце на вершині внутрішнього вістря внаслідок того, що на вершині внутрішнього вістря напруженість електричного поля максимальна. Далі тунельовані електрони під дією електричного поля, що прискорює, рухаються в напрямку отвору 5, де здійснюється надбар'єрна емісія електронів за межі структури, що емітує. При цьому коефіцієнт емісії досягає 90-95%. Були зроблені попередні розрахунки тріодної структури для одного вістря. Розрахунки проводилися для тріодної структури, у якій як матеріал для підложки використовувався n++-Si, а як покриття i-DLC (e=4, DЕ=2 еВ), у такий спосіб висота потенційного бар'єру склала 1 еВ. Геометричні параметри структури вибиралися такими: радіус внутрішнього вістря складав 5 нм, товщина зовнішнього покриття на осі структури 45 нм, товщина затворного електрода 10 нм, діаметр затворного отвору 0,2 мкм, відстань катод-анод 1 мкм, відстань під ложка - анод 2 мкм. Із зроблених розрахунків випливає, що навіть при відносно низьких напругах порядку 15 В на затвірному електроді і 20 В на аноді, струм з одного вістря досягає величини близько 30 нА при коефіцієнті емісії понад 90%, що при щільності розміщення емітерів близько 2,5х107 см -1 відповідає щільності струму близько 0,75 А/см 2, що цілком достатньо для плоских дисплеїв на основі таких приладів. Для виготовлення підложки і внутрішнього вістря катода найбільш придатним матеріалом є кремній (Si) n-типу. Проте можна використовувати інший напівпровідник IV групи, такий як германій (Ge) або складний напівпровідник групи Аm-B v, наприклад арсенід галію (GaAs) або якийсь інший вузькозонний напівпровідник. Для виготовлення зовнішнього покриття катодного вістря доцільніше за все використовувати власний діамантоподібний вуглець (i-DLC), отриманий методом хімічного осадження з газової фази (CVD). Також для цієї мети можна використовувати інші широкозонні напівпровідники і діелектрики, такі як природний діамант, фулерени (С2n) і такі карбіди металів, як АІ4С3 , В4С, СаС2, Cr3C2 , NbC, SiC, ТаС, ТіС, VC, W 2C, WC, ZrC та інші. Для виготовлення затворного електрода можна використовувати такі метали, які широко застосовуються в мікроелектроніці, як АІ, Pt, Au, W, Ru, Ir, а також інші метали. Діелектричну підложку 7 можна виготовити зі скла або ситалу, а також із якогось керамічного матеріалу, наприклад АІ2O 3, Si3N4 або BN. 3 2 2 q × jb E 7 exp( -6,83 × 10 ) E t 2 jb де j - щільність струму тунелювання через потенційний бар'єр між внутрішнім вістрям і зовнішнім покриттям; Е - напруженість електричного поля біля поверхні, що емітує електрони, у даному виj = 1 54 × 10 , -6 2 38140 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3