Реферат: Катод Спиндта

Саратовскийгосударственный университет

Им. Н.Г.Чернышевского

Курсовая работаКатод Спиндта.Кафедра Прикладной физики

Научныйруководитель:

Мухамедов Р.Ф.

Выполнилстудент 5 курса

535гр. Физ.Факультета:

ЯрославкинЮ.А.

САРАТОВ 2001.

Содержание:

1.

Введение.

2.

Автоэлектронная эмиссия.

3.

Тонкоплёночныеавтоэмиссионные катоды. Технология и особенности протекания эмиссионныхпроцессов.

4.

Технология изготовлениякатодов Спиндта.

5.

Плотность упаковкиэмиттеров.

6.

Время жизни.

7.

Заключение.

8.

Список литературы.

Введение:

Стремительное развитие деловой жизни и появление новейшихцифровых информационных технологий иустройств отображения информации заставляют разработчиков третьего тысячелетиясовер-шенствовать способы отображения ипередачи информации .

Вакуумная микроэлектроникаво многом определила пути реализации самых смелых идей в использованииинформационного пространства.Современного пользователя невозможно представить без компьютера и программ, набазе которых строятся современные исследования, разработки и использованиемирового информационного пространства, позволяющего двигать науку .

Конечно, историю науки пишут самилюди науки. Поэтому никак не избежать субъективного подхода к изложению датеодних и тех же фактов, к подбору «значительных событий», к оценке значительности того или иного специалиста, той или инойработы для развития научного направления: ведь есть пророни своемотечестве

о которых не знают вотечествах других .

Основной доклад на первой международной конференции по вакуумной микроэлектроникисделал Айвор Броди – один из основоположников этого направления. По мнениюБроди вакуумная микроэлектроника приобрела большое значение благодаря двум факторам общегохарактера:

1.

2.

Как же поАйвору Броди развивалась вакуумная микроэлектроника? Он выделяет четыреосновных пути её развития, которые привели к сегодняшнему состоянию.

В начале 20-х годовнашего столетия пробой заявил о себе в периодических срывах трансатлантическихрадиопередач, осуществляемых с помощью высоко мощных ламп Маркони. Госслинг,работавший у Маркони, исследовал этот эффект и в 1926 году опубликовал работу,в которой высказал гипотезу, что пробой вызывается электронами с выпуклостямина вольфрамовом стержневом катоде. Эти выпуклые неоднородности взрывались, вызываяпробой. Как пишет Броди, обсуждение этих результатов с профессором Фаулером изКембриджского университета привело к Нордгейму, получившему средства наисследования, и, в конечном счете, к уравнению Фаулера – Норд гейма. Открытиетого, что электроны могут вылетать с холодных катодов под действиемэлектрических полей с высокой напряжённостью, вызвало множество проектовприборов, но прошло более сорока лет, прежде чем что-то получилось.

Настоящаяработа посвящена особенностям технологии изготовления катодов Спиндта,основанная на методе создания решеток автокатодов, с использованиемтонкопленочной технологии и электронно-пучковой литографии.

Решетки автоэмиссионных катодов, изготовленных измонокристаллов кремния с применением тонких металлических пленок, обладаюттехническими характеристиками, позволяющими их широкое применение в плоскихдисплеях, сканирующих микроскопах и т.п.

Автоэлектроннаяэмиссия.

Автоэлектроннаяэмиссия (АЭ) — физическое явление, состоящее в том, что электроны покидаюттвёрдое тело, в котором они находятся в качестве свободных носителей заряда(это может быть металл или полупроводник), под действием сильногоэлектрического поля, приложенного к поверхности. В случае автоэлектроннойэмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на поверхности тела не засчет кинетической энергии теплового движения, а путем специфического квантовогоявления – туннельного эффекта.

В простейшем случае туннельный эффектзаключается в том, что микроскопическая частица, первоначально находившаяся поодну сторону потенциального барьера (то есть области пространства, для которой полная энергиячастицы e

превышает её потенциальнуюэнергию Uсх), может с конечной вероятностью быть обнаруженапо другую сторону барьера.

Туннельный эффект является чисто квантовым феноменом и для него отсутствует аналогв классической механике. Согласно Ньютновской механике частица с массой mнеможет находиться внутри потенциального барьера, поскольку из уравнения дляполной энергии следует,

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage002.gif» v:shapes="_x0000_i1025"> (1)

что соотношение <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage004.gif» v:shapes="_x0000_i1026"> импульсом.

Неопределённости <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage006.gif» v:shapes="_x0000_i1027"> и <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage008.gif» v:shapes="_x0000_i1028">

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage010.gif» v:shapes="_x0000_i1029"> (2)

где <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage012.gif» v:shapes="_x0000_i1030"> эрг<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage014.gif» v:shapes="_x0000_i1031"> постоянная Планка.

Согласно этому принципу, слагаемые в правой частиуравнения (1) не имеют одновременно определённых значений и могут отличаться отсвоих средних значений. Поэтому имеется конечная вероятность обнаружитьквантовую частицу в запрещённой зоне с точки зрения классической механикиобласти.

Туннельный эффектбыл одним из первых квантовых явлений, предсказанных после создания в 1926 годуЭ. Шредингером волновой механики. По всей видимости, первое свидетельство егосуществования можно найти в статье Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича,которые рассматривали решение уравнения Шредингера для

модельного потенциала ангармонического осциллятора вида

Волновая функция, описывающая свободное движение частицыслева от потенциала (при x>a). При этом, когда энергиячастицы близка к значениям дискретных уровней энергии внутри потенциальной ямы,амплитуда волновой функции справа от нее резко возрастает. Это явление насовременном языке носит название резонансного прохождения через потенциальныйбарьер.

В 1928 году Г.Гамов с помощью туннельного эффекта объяснил явление <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage024.gif» v:shapes="_x0000_i1036"> — радиоактивноститяжёлых ядер, и в том же году Фаулер и Норд гейм построили теорию холоднойэмиссии из поверхности металлов. Туннельный эффект лежит в основе объяснениятаких явлений, как слияние лёгких ядер при термоядерных реакциях, работысверхпроводящего перехода Джозефсона и туннельного диода. Именно Фаулер вместес Нордгеймом в том же 1928 году построили теорию холодной эмиссии(автоэлектронной эмиссии) с поверхности металлов.

На рис.1 приведенграфик потенциальной энергии электрона вблизи границы металл – вакуум приотсутствии внешнего поля и при наличии слабого и сильного внешних полей взависимости от расстояния от поверхности металла.

U(x)

Уровень Ферми. 1

Энергетические урони, d

заполненные электро-

нами. 3

металл вакуум

случаям отсутствия внешнего

поля, слабому полю и

сильному полю: d-ширина

барьера. По мере увеличения

внешнего положительного

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage039.gif» v:shapes="_x0000_s1064"> барьер электронов,

подлетающих к нему со

стороны металла.

Иными словами,

увеличивается число Рис.1 Поверхностный потенциальный барьер на границе

раздела металл–вакуум.

электронов, проходящих через барьер, то есть токавтоэмиссии. Подчеркнем, что в случае автоэмиссии с поверхности металла, электрическоеполе не проникает в глубь него и не влияет на движение электронов в металле.Роль внешнего поля сводиться только к изменению формы потенциального барьера,уменьшению его высоты и ширины.

Тонкопленочные автоэмиссионные катоды

Технология и особенности протеканияэмиссионных

процессов.

Исключительноважной для всего развития вакуумной микроэлектроники стала статья Спиндта ссотрудниками из Стэндфордского исследовательского института, опубликованная в1976 году в журнале JournalofAppliedPhysics.В ней был описан метод создания решёток автокатодов с молибденовыми остриями сиспользованием тонкоплёночной технологии и электронно-пучковой микролитографии,а также были приведены результаты подробного экспериментального исследованияполученных автокатодов. Разработанная технология позволяла изготавливатькатоды, содержавшие до 5000 острий с радиусом скругления около 500 A и плотностью упаковки примерно <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage041.gif» v:shapes="_x0000_i1037">

Тонкоплёночный катод с полевой эмиссией представляет собойсэндвич: проводник-изолятор (рис.2). Верхний проводник или сетка имеетотверстие от 1 до 3 мкм в диаметре, сквозь которое протравлено отверстие донижнего проводника. На подложке находится конусообразный эмиттер, его вершинарасполагается в отверстии сеточной пленки. Размеры для одного из изготовленныхкатодов приведены на рисунке.

0,4 мкм 1,5мкм

1,5мкм

Рис. 2 Схематическоеизображение тонкоплёночного автоэмиссионного катода Спиндта.

1.

Молибденовыйконус

2.

Изолирующий слойиз диоксида кремния

3.

Молибденоваяуправляющая плёнка

4.

Кремневаяподложка.

Перспективным применением изделий вакуумной микроэлектроники представляетсяразработка плоских панельных дисплеев. Обеспечивающих высокое качествоизображения и яркости ( в том числе и для цветного телевидения). Кремний –оченьудобный материал для изготовления автоэмиссионных катодов. Поиск новыхматериалов, подходящих для создания автокатодов, ведется непрерывно.

Технология изготовления катодов Спиндтазаслуживает

особого внимания. Она состоит из несколькихэтапов.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

2мкм

2 2

Рис.3. Технологияизготовления тонкоплёночного катода.

Рис.3.1. Исходная структура для формированияконуса.

Рис.3.2. Формирование изолирующего слоя.

4 5

Рис.3.3. Формирование конуса напылением.

Рис.3.4.Удалениеизолирующего слоя.

1-металическая плёнка; 2-диэлектрик; 3-кремневаяподложка;

4-ось вращения; 5-направление напыления

Используя такуютехнологию, были изготовлены катоды с 1,100 и 5000 эмиттерами. Решётка со 100эмиттерами имела вид матрицы

10 на 10 с шагом 25,4мкм, так что полная область эмиссиипредставляла собой квадрат со стороной 0,25мм. Решётка с 5000 эмиттерамизаполняла круглую область диаметром 1мм с расстоянием между конусами 12,7мкм.Таким образом, плотность упаковки эмиттеров достигла <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage054.gif» v:shapes="_x0000_i1038">

Рис.4 Поверхность тонкоплёночного катода.

25мm

1мm

Рис.4.1.Решётка острий под Рис.4.2.Одиночное остриё.

большим увеличением.

Область рабочихнапряжений для катодов составляла от100 до 300В. Они работали при давлении <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage059.gif» v:shapes="_x0000_i1039"> 8 А/<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage061.gif» v:shapes="_x0000_i1040"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage061.gif» v:shapes="_x0000_i1041">

Помимо технологиисоздания тонкоплёночных катодов, были приведены результаты подробногоисследования их характеристик; прежде всего эмиссионных характеристик,стабильности работы, шумовых свойств.

Важнейшимипараметрами автоэмиссионных катодов являются коэффициент усиления поля наповерхности острия и эффективная площадь эмиссии. Коэффициент усиления поляβ связывает напряжённость электростатического поля на поверхности острия сприложенным напряжением. <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage063.gif» v:shapes="_x0000_i1042"> (*)

Если пренебречь влиянием пространственного заряда эмитированныхэлектронов, то такая связь должна быть линейной, поэтому коэффициент βзависит от геометрии системы и от положения точки наблюдения на поверхностиострия. Для расчёта β можно использовать приближённые аналитическиеформулы или численные методы. В качестве примера на рис.5. приведенарассчитанная численно зависимость коэффициента усиления β от полярногоугла <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage065.gif» v:shapes="_x0000_i1043"> для геометрическихразмеров, соответствующих катоду Спиндта. Как следует из рисунка, поле наповерхности острия практически не уменьшается вплоть до угла <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage067.gif» v:shapes="_x0000_i1044"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage069.gif» v:shapes="_x0000_i1045">

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage075.gif» v:shapes="_x0000_s1171"> 2.5 1.0

2.0

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage076.gif» v:shapes="_x0000_s1174">0.8

1.5

0.6

1.0

0.4

0.5 0.2

0.0 30 60 90 <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage081.gif» v:shapes="_x0000_i1048">

Рис.5. Распределение коэффициентаусиления поля <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage083.gif» v:shapes="_x0000_i1049"> и плотности тока эмиссиипо поверхности острия.

Кривые 1 и 2 соответствуют напряжению150 – 300В на управляющем электроде.

На этом рисунке приведены, рассчитанные с использованиемзакона Фаулера – Норд гейма, где плотноститока эмиссии от угла <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage065.gif» v:shapes="_x0000_i1050"> для напряжений V=150 и 300В. Видно, чтоосновной вклад в автоэмиссионный ток дают точки поверхности, для которых <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage085.gif» v:shapes="_x0000_i1051"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage087.gif» v:shapes="_x0000_i1052"> можно использовать дляопределения эффективной площади эмиссии:

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage089.gif» v:shapes="_x0000_i1053"> (3)

где r– радиус скругления острия.

Полный ток е острияравен:

<img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage091.gif» v:shapes="_x0000_i1054"> (4)

где <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage093.gif» v:shapes="_x0000_i1055">

для напряжённости поля на поверхности острия <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage095.gif» v:shapes="_x0000_i1056">

Формулы (3) и (4)совместно определяют эффективную площадь эмиссии и предельный угол <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage087.gif» v:shapes="_x0000_i1057">. Для корректного определения <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage098.gif» v:shapes="_x0000_i1058"> необходимонайти <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage100.gif» v:shapes="_x0000_i1059"> — зависимость коэффициента усиления от угла, затеминтегрированием вычислить полный ток с острия и воспользоваться формулой (4).

Определённая таким способом эффективная площадь эмиссиизависит от напряжения. Представление о порядке величины площади эмиссии можнополучить более просто, если считать, что угол автоэмиссии <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage087.gif» v:shapes="_x0000_i1060"> соответствуетуменьшению коэффициента усиления поля на 10%. Тогда следует определить изграфика <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage100.gif» v:shapes="_x0000_i1061"> такое значение <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage087.gif» v:shapes="_x0000_i1062"> и воспользоватьсяформулой (3). В этом случае оценка для эффективной площади, очевидно, независит от напряжений. Полученная оценка для <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage098.gif» v:shapes="_x0000_i1063">

Данные рассуждения справедливы в случае атомарно гладкой поверхностиострия. Если же на нем существуют микронеоднородности более мелких масштабов,чем радиус скругления острия, то вблизи них электрическое поле дополнительноусиливается. Из-за очень резкой зависимости плотности тока от напряжённостиполя, полный ток полностью определяется эмиссией с микро неоднородностями.Эффективная площадь эмиссии всоответствии с формулой (3) имеет порядок <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage105.gif» v:shapes="_x0000_i1064"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage107.gif» v:shapes="_x0000_i1065">

Плотность упаковки эмиттеров.

Сообщается о том,что достигнута плотность упаковки около <img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage109.gif» v:shapes="_x0000_i1066"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage111.gif» v:shapes="_x0000_i1067"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage061.gif» v:shapes="_x0000_i1068"><img src=«file:///C:eferats_vista71047104.filesimage061.gif» v:shapes="_x0000_i1069">

Время жизни.

Приведённые данные свидетельствуют о большойдолговечности автоэмиссионных катодов. Непрерывное испытание в вакуумной камерекатода со100 остриями продолжалось в течении более чем 8 лет при уровне эмиссииот 20мкА до 50мкА с остриями, и было прервано из-за неисправности ионногонасоса. Дальнейшее развитие тонкопленочных катодов связанно, прежде всего, суменьшением их геометрических размеров и увеличением плотности упаковки, чтопозволяет достигнуть сразу несколько целей. Уменьшение расстояниеостриё-управляющий электрод и уменьшение радиуса острия понижает рабочее напряжение.Одновременно снижаются требования к вакууму, поскольку уменьшается вероятностьионизации и энергия ионов, бомбардирующих катод. Увеличение плотности упаковкиэмиттеров увеличивают среднюю плотность тока, которую способен обеспечитьавтоэмиссионный катод. Увеличиваются такая предельная работа приборов,созданных на основе технологий тонкоплёночного катода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изготовление катодов Спиндта представляет собой достаточно сложный технологическийпроцесс формирования тонких металлическихпленок на базе кремниевой подложки. Автоэмиссионные, катоды с полевой эмиссией могут быть использованы длясоздания плоских дисплеев и экранов, которые широко применяются для портативных компьютеров и в качестветелевизионных трубок. Однако последние требуют совершенствования методовуправления сигналами, которые обеспечиваются быстродействующими микросхемами. Вопрос о том, как сделатьприборы и компоненты, имеющие микронные геометрические размеры ( снанометрическими допусками на эти размеры) продолжает мучить исследователей- разработчиков.

Современный процессизготовления микросхем включает многочисленные сверхточные операцииформирования сложного рисунка разводки компьютерных микросхем.

Впоследнее время появились сообщения о разработках миниатюрных и быстродействующихчипах с низким энергопотреблением. Проводятся исследования в областинанотехнологий. Большинство экспертов считают, что примерно в 2012 годутехнология кремниевых микросхем достигнет физических и экономических пределовсвоего развития. Изобретение компании Hewlett-Packardи Калифорнийского университета UCLAпредлагает использование простой решетки проводников, размеры которых сравнимыс несколькими атомами, соединенными электронными коммутаторами толщиной в однумолекулу. В проведенных экспериментах ученые «упаковали» решетку в слойтолщиной в одну молекулу из электрически коммутируемых молекул под названием«ротаксаны». Затем при подаче электронного сигнала на молекулы, размещенныемежду проводниками решетки, открылся простой логический вентиль. Этоизобретение было названо журналом TechnologyReview одним из пяти наиболее важных патентов 2000 года. Результаты таких работ доказывают, что в будущемпрограммирование может заменить используемыесейчас точные методы производства компьютерных микросхем. После сборки базовойрешетки с помощью программирования можно реализовать очень сложную логическуюсхему, выставив электронными сигналами нужные коммутаторы в молекулярнойструктуре.

Такв августе прошлого года появились сообщения корпорации IBM (компания Intel) о создании самой маленькойлогической схемы на основе двух транзисторов, построенных из отдельной молекулыуглерода. Новый транзистор с шириной затвора 15 нанометров и напряжениемпитания 0,8В изготавливается по CMOS — технологии, имеет время срабатывания 0.38 пикосекунды, то есть может совершать2,63трлн. Переключений в секунду. Как ожидается, новый 0,15 –нм транзисторстанет основным элементом при разработке высокоскоростных микросхем.

При конструировании этой схемы использовалась нанотрубкауглерода — материал, который в 100раз тоньше человеческого волоса. «Эта работа впервые продемонстрировалавозможность использования молекул в качестве электронных устройств, длялогической схемы компьютера», — заявил господин Хит, профессор химии университетаUCLA и директорКалифорнийского института наносистем.

Углерод, по мнению исследователей IBM, позволит заменить кремний и дажесможет выполнить больше функций, однако компания пока не планирует использоватьнанотехнологии в собственных устройствах. Многообещающими областями примененияуглеродных нанотехнологий в ближайшем будущем прогнозируется электромагнитнаяэкранировка, а также производство плоских дисплеев для телевизоров, компьютерови других высокотехнологичных устройств. Помимо сложности создания нанотранзисторов, использование их в массовомпроизводстве пока не выгодно из-за значительной дешевизны кремниевых аналогов.В целом исследователи склоняются к тому, что кремниевые и нанотехнологии неконкурируют, а скорее дополняют друг друга.

Список литературы:

1.

МандельштамЛ.И. Лекции по теории колебаний.

М.: Наука, 1972.

2. Коржуев А.В. //Физика в школе. 1995.№3.С.66.

3. Гамов Г.А. Моямировая линия: Неформальная автобиография. М.: Наука, 1994

4. Лекции посверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике. Трубецков Д.И., Рожнев А.Г…1996.

5.

Электронно-оптическиесистемы с сеточным управлением. Григорьев Ю.А., Правдин Б.С. 1987.

6.

Лабораторныйпрактикум по физике. Барсуков К.А., Ухамов Ю.И. 1988.

7.