УЗЕЛ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
ASSEMBLY OF ELECTROVACUUM INSTRUMENT WITH FIELD-EMISSION CATHODE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электронным приборам на основе автоэмиссионных катодов,  таким как светоизлучающие элементы, дисплеи, высоковольтные разрядные устройства, коммутирующие устройства, СВЧ-приборы.
Известны узлы электронных вакуумных приборов (вакуумных диодов и триодов) с планарными многослойными структурами на основе автоэмиссии нанотрубок, изготовленные, например, как описано в работах Гаврилов С.А., Ильичев Э.А, Козлитин А.И. и др. Латеральный эмиттер как базовый элемент интегральной эмиссионной электроники // ПЖТФ, 2004, том 30, вып.11, с.48-53; патенте US №7,102,157, МПК H01L 35/24, опубл. 05.09.2006. В патенте США описан узел гибридного вакуумного электронного устройства, в котором электроны эмитируют из нанотрубки в вакууме. Каждая нанотрубка либо помещена на катод индивидуально или выращена нормально к плоскости катода.
Формирование эмиттера и анодного электрода (для диода) и управляющего электрода (для триода) на единой пластине-подложке с использованием технологий планарного цикла делает конструкцию удобной в изготовлении, обеспечивает низкий уровень рабочих напряжений. Однако при этом существенно ограничиваются возможности повышения потенциала анодного электрода и, следовательно, мощности электронного потока.
Э
У1
Известен катодолюминесцентный экран с автоэлектронным катодом (см. патент RU №2297689, МПК H01J 29/18, опубл. 20.04.2007 г.), содержащий вакуумную оболочку, внутри которой выполнена пластина с анодами и подложка с электродами, эмиттеры и управляющие электроды, соединенные через взаимно перпендикулярные шины с выводами для подключения источников электрического напряжения, диэлектрическую рамку между пластиной и подложкой, причем эмиттеры и управляющие электроды расположены в одной плоскости, поперечное сечение эмиттеров и управляющих электродов имеет профиль равнобедренной трапеции, большее основание трапеции расположено на подложке, а потенциалы, подаваемые на эмиттеры U и управляющие электроды U, удовлетворяют неравенству
У1
Э
(U-U)/D≥3, B/мкм,
Э
У1
где D - расстояние между эмиттерами и управляющими электродами, измеренное по поверхности диэлектрического слоя в микрометрах, потенциалы U и U измеряют в вольтах.
При определенном сочетании параметров поперечного сечения катодного и управляющего («гейт») электродов возникает автоэмиссионный ток, попадающий непосредственно на анод прибора, минуя стадию взаимодействия с поверхностью гейта и использования механизма вторичной эмиссии для создания тока на анод (отсутствует бомбардировка поверхности гейта прямым током с эмиттера). Технология изготовления таких планарно-торцевых автоэмиссионных структур удобна, обеспечивается автоэлектронная эмиссия значительных по величине токов с развитой поверхности, теоретически обоснована и экспериментально показана ее высокая долговечность, некритичность к остаточной атмосфере, отсутствуют ограничения по уровню потенциала анодного электрода.
Недостатком данной конструкции является то, что для обеспечения высокого уровня автоэмиссии при минимальных напряжениях «катод-гейт» (на уровне 10-30 В) требуются межэлектродные расстояния порядка 0,1 мкм. Субмикронные расстояния могут быть обеспечены только с использованием дорогостоящего специального прецизионного оборудования и применением трудоемких технологических процессов. Влияние геометрии поперечного сечения эмиттеров на характер траектории эмитированного электронного потока (возможность транспорта непосредственно на анод, минуя оседание на управляющий электрод) также приводит к ужесточению требований к технологии изготовления автоэлектронного катода.
У
Э
A
Наиболее близким аналогом по технической сущности - прототипом является узел электронного прибора с автоэмиссией (см. патент US 7,067,972, МПК H01J 1/62, опубл. 27.06.2006), который размещается внутри вакуумной оболочки и содержит управляющие электроды (потенциал U) на диэлектрической пластине, на которой сформированы последовательно слой диэлектрика и слой эмиттеров (потенциал U), образующими многослойную автоэмиссионную структуру, и другую противолежащую пластину с анодами (потенциал U), причем потенциалы в режиме эмиссии удовлетворяют соотношениям:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Э</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>A</mi></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
,
При возможности обеспечения 100% транспорта прямого автоэмиссионного тока на аноды указанная конструкция имеет недостатки. Вследствие положительной разности потенциалов между эмиттерами и управляющими электродами, а также между эмиттерами и анодами в приборе в условиях технического вакуума возникает поток ионов, движущихся в направлении, обратном движению электронного потока, и фокусирующихся на острие эмиттеров. Бомбардировка острий эмиттера ионами отрицательно сказывается на их долговечности из-за повышения вероятности деградации материала острий эмиттеров и их разрушения, а прибор имеет низкую долговечность и надежность, выходит из строя. Другим недостатком прототипа является широкий угловой разброс эмитированных электронов, который достигает 60°, в результате чего сложно получить ламинарный направленный электронный поток, а это, в свою очередь, отрицательно сказывается на таких параметрах электронных приборов, как быстродействие, шумы, нелинейные искажения коротких импульсов.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в защите эмиттеров от ионной бомбардировки за счет устранения фокусировки ионов на острие эмиттеров, обеспечения перехвата ионов, а также улучшении структуры формируемого потока автоэлектронов.
У
Э
A
У1
З
Указанный технический результат достигается тем, что в узле электровакуумного прибора с автоэмиссионным катодом, размещенном внутри вакуумной оболочки, содержащем, по крайней мере, одну ячейку, включающую управляющий электрод с потенциалом U, размещенный на диэлектрической пластине, на которой сформированы последовательно слой диэлектрика и слой эмиттера с потенциалом U, образующие многослойную автоэмиссионную структуру, и противолежащую пластину с анодом, имеющим потенциал U, ячейка содержит дополнительный управляющий электрод с потенциалом U, отделенный от эмиттера слоем диэлектрика, и защитный электрод с потенциалом U, отделенный от дополнительного управляющего электрода слоем диэлектрика, систему концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала, расположенных на свободной от слоя диэлектрика поверхности эмиттера, при этом управляющий электрод расположен вне многослойной автоэмиссионной структуры, потенциалы в режиме эмиссии удовлетворяют системе соотношений:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Э</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>З</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>А</mi></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
,
а пространство между управляющими электродами и анодами является зоной формирования электронного потока и его транспорта с эмиттеров на аноды.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.
На фиг.1 схематично изображена повторяющаяся часть сечения узла электронного прибора с автоэмиссией, ограничивающие плоскости симметрии справа и слева указывают на возможность многократного повторения изображенной части сечения.
На фиг.2 показан график распределения потенциала в плоскости защитного электрода.
На фиг.3 представлены траектории движения электронов в узле электронного прибора с автоэмиссией.
На фиг.4 даны траектории движения ионов в окрестности эмиттера.
На фиг.5 изображен фрагмент узла электронного прибора с автоэмиссией, в котором многослойная автоэмиссионная структура и управляющие электроды выполнены в виде гребенок.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - узел электронного прибора с автоэмиссией;
2 - вакуумная оболочка;
3 - пластина с анодами;
4 - аноды;
5 - диэлектрическая пластина с эмиттерами, управляющими и защитными электродами;
6 - эмиттеры;
7 - управляющие электроды;
8 - диэлектрический слой между управляющими электродами и эмиттерами;
9 - дополнительные управляющие электроды;
10-диэлектрический слой между эмиттерами и диэлектрической пластиной с дополнительными управляющие электродами;
11 - система концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур;
12 - защитный электрод;
13 - диэлектрический слой между дополнительными управляющими электродами и защитными электродами;
14 - зона формирования электронного потока и его транспорта с эмиттеров на аноды;
15 - многослойная структура.
A
Э
У
У1
У3
В соответствии с настоящим изобретением узел электронного прибора с автоэмиссией 1 (см. фиг.1) размещен в вакуумной оболочке 2. Узел содержит электрически изолированные друг от друга пластину 3 с анодами 4, на которые подан потенциал U, и пластину 5 с электродами: эмиттерами 6 с потенциалом U, управляющими электродами 7 с потенциалом U и дополнительными управляющими электродами 8 с потенциалом U. При этом управляющие электроды 7 расположены на пластине 5; эмиттеры 6 и управляющие электроды 7 отделены диэлектрическим слоем 8. Дополнительные управляющие электроды 9 отделены от эмиттеров 6 диэлектрическим слоем 10. На поверхности эмиттеров 6, свободной от слоя диэлектрика, выполнена система концентраторов напряженности электрического поля в виде наноразмерных структур 11 из проводящего и/или диэлектрического материала, которые способствуют повышению степени локализации электростатического поля, приводящему к росту максимальной напряженности поля и соответственно к росту тока автоэлектронной эмиссии с эмиттеров 6 и снижению управляющих разностей потенциалов. Это приводит к повышению эффективности защиты от ионной бомбардировки. Чтобы обеспечить дополнительную защиту эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, введены защитные электроды 12, которые отделены от системы дополнительных управляющих электродов 9 слоем диэлектрика 13. Защитные электроды 12 образуют с эмиттерами 6 и дополнительными управляющими электродами 9 многослойную структуру 15, имеют потенциал U, удовлетворяющий системе соотношений:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Э</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mi>З</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>У</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mi>А</mi></msub><mo>.</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Заданное системой (1) соотношение потенциалов эмиттеров 6, управляющих электродов 7, дополнительных управляющих электродов 9, защитных электродов 12 и анодов 4 обеспечивает создание зоны 14 формирования электронного потока и его прямого транспорта с эмиттеров 6 на аноды 4. Качество электронного потока при этом, определяемое степенью ламинарности, а также отсутствием его токоперехвата управляющими электродами 7, дополнительными управляющими электродами 9 и защитными электродами 12, повышается.
Кроме того, выполнение в описанной конструкции узла 1 электронного прибора на поверхности эмиттеров 4 системы концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде слоев альфа-углерода наноразмерной толщины позволяет повысить удельную плотность тока автоэмиссии при сохранении достигнутых преимуществ защиты эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, формирования ламинарного потока автоэмиссионных электронов и 100% транспорта электронного потока на аноды 4.
Кроме того, выполнение в описанной конструкции узла 1 электронного прибора на поверхности эмиттеров 4 системы концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде нанотрубок позволяет повысить удельную плотность тока автоэмиссии при сохранении достигнутых преимуществ защиты эмиттеров 6 от ионной бомбардировки, формирования ламинарного потока автоэмиссионных электронов и 100%о транспорта электронного потока на аноды 4.
Э
А
У
У1
З
Электронный прибор на основе предлагаемого узла работает следующим образом. После подачи на эмиттеры потенциала U, на аноды - потенциала U, на управляющие электроды - потенциала U, на дополнительные управляющие электроды - потенциала U, на защитные электроды - потенциала U, удовлетворяющие соотношениям системы (1) на эмиттере напряженность электростатического поля растет, инициируя полевую эмиссию электронов. Вектор начальной скорости эмитированных автоэлектронов направлен по нормали к поверхности эмиттера. По мере удаления электронов от начальной точки эмиссии направление действующей на него силы меняется в соответствии с направлением вектора напряженности поля от управляющего электрода 7 к аноду 4. На выходе электронов из зоны влияния управляющих электродов 7 и дополнительных управляющих электродов 9 они попадают в тормозящее поле защитных электродов 12, которое действует так, что угловой разброс вектора скорости электронов уменьшается. Из результатов на фиг.2 видно существование провисания потенциала в окрестности защитного электрода в пространстве для транспорта электронов на анод. Это приводит к движению электронов по траекториям, показанным на фиг.3. В результате поток направляется в сторону анодов 4 и оседает на них. В условиях технического вакуума вследствие взаимодействия ускоренных электронов с молекулами газов остаточной атмосферы ионы под действием существующего электростатического поля ускоряются в обратном направлении и бомбардируют либо управляющие электроды 7, находящиеся под пониженным потенциалом, либо защитные электроды 12. Существующее распределение потенциала, с одной стороны, обеспечивает формирование электронного потока и транспорт его от острия эмиттера в сторону анода (см. фиг.3), и, с другой стороны, не позволяет низкоэнергетическим ионам проникать в окрестность острий эмиттера, обеспечивая их перехват защитным электродом и управляющим электродом, как показано на фиг.4. При этом фокусировки ионов на эмиттеры 6 не происходит.
Пластина 5 выполнена из диэлектрического материала, например стекла или керамики. Управляющие электроды 7, дополнительные управляющие электроды 9, защитные электроды 12 и эмиттеры 6 формируются напылением электропроводящего материала, как правило, молибдена, который имеет высокую электропроводность и хорошую адгезию с двуокисью кремния, из которой формируются, например, напылением слои диэлектрика 8, 10 и 13. Система концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала, выполняется одним из известными методов, например формированием пленки альфа-углерода методом CVD или пленки углеродных нанотрубок катафоретическим осаждением. Топология управляющего электрода 7 и многослойной автоэмиссионной структуры 15 с системой концентраторов напряженности электрического поля 11 в виде наноразмерных структур из проводящего и/или диэлектрического материала (см. фиг.5) при подаче рабочих потенциалов на электроды обеспечивает возникновение автоэлектронной эмиссии по периметру структуры, инжекцию его в зону 14 формирования электронного потока и его транспорт с эмиттеров на аноды.
Данные изобретения позволяют получить следующие преимущества по сравнению с известными техническими решениями:
- защита от ионной бомбардировки острий эмиттера за счет введения защитного электрода и выбора потенциалов системы управляющих электродов, обеспечение надежного перехвата защитным электродом ионов, повышение тем самым долговечности автоэлектронного катода;
- 100% транспорт прямого автоэмиссионного тока на анод;
- повышение степени ламинарности автоэмиссионного потока за счет снижения углового разброса векторов скорости электронов в потоке;
- уменьшенное влияние потенциала анода на эмиссионный ток катода (экранирование катода от анода);
У1
- при этом одновременно обеспечиваются низковольтное управление (изменением U на цифровом уровне ±15 В) током автоэмиссионной структуры за счет толщины диэлектрического слоя между эмиттерами и дополнительными управляющими электродами.