Оптимизация Многоострийных Полевых Эмиттеров С Двуслойными Защитными Покрытиями

Abstract

(Поступило в Редакцию 22 июня2016 г.)Проведены расчеты, необходимые для оптимизации упорядоченных многоострийных кремниевых полевых эмиттеров с двуслойными защитными металл-фуллереновыми покрытиями, предназначенных для использо-вания в высоковольтных электронных приборах, работающих в техническом вакууме. Расчеты выполнены с использованием программы COMSOL. Определено влияние на эмиссионные характеристики эмиттеров морфологии их поверхности, в том числе высоты острий и радиуса их вершины, а также расстояния между остриями. Показано, что эмиттеры площадью 0.2 cm 2 , работающие в условиях частичной взаимной экранировки, могут обеспечить при достаточно больших напряжениях токи порядка нескольких сотен миллиампер. DOI: 10.21883/JTF.2017.06.44519.1949 Введение Холодные полевые эмиттеры привлекательны для ис-пользования в вакуумной электронике прежде всего по-тому, что не требуют накала и практически безынерци-онны. Наиболее простые по конструкции одноострийные полевые эмиттеры традиционно и успешно используют-ся при создании, например, электронных микроскопов и сенсоров, где необходимы, как правило, токи с эмиттера не более 10 −7 −10 −5 A. В последние годы делаются попытки освоить не со-всем обычную область применения полевых эмиттеров, использовать их при создании некоторых типов высо-ковольтных, но миниатюрных электронных приборов, таких, например, как СВЧ усилители и генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (см., например, [1,2]), а также портативных источников рент-геновского излучения (например, [3,4]). В указанных приложениях полевые эмиттеры должны обеспечивать одновременно не только высокие плотности тока эмис-сии (порядка или более 100−150 mA/cm 2 ), но и большие полные токи (свыше нескольких десятков миллиампер), причем в условиях технического вакуума [5,6].Применению полевых эмиттеров в высоковольтных приборах в условиях технического вакуума препятствует невысокая их долговечность. Основные причины выхода из строя полевых эмиттеров в высоковольтных устрой-ствах -распыление их поверхности под действием бомбардировки ионами остаточного газа, а также их разрушение из-за перегрева эмитирующих электроны структур при отборе больших токов и/или под действием пондеромоторных сил. Кардинально уменьшить влияние на работу эмиттеров тепловых эффектов и действия пондеромоторных сил можно, используя распределенн-ные многоострийные катоды, при эксплуатации которых с каждого острия отбираются достаточно малые токи ≤ 3−5 µA [6]. Однако и в этом случае необходимо свести к допустимому минимуму разрушающее действие ионной бомбардировки.Перспективный способ борьбы с действием ионной бомбардировки был выявлен в работах [7][8][9][10][11], где ав-торы использовали для решения этой проблемы защит-ные фуллереновые покрытия, активированные потоком ионов калия.В настоящее время наиболее хорошо отработана и достаточно проста технология создания многоострий-ных кремниевых структур [12]. По этой причине они представляются перспективными для создания полевых эмиттеров. Но применение таких структур для форми-рования электр...