Ненакаливаемый катод

Сфез Советски кСоциалистическихРеспублик 1)1003195 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 26,10,81 (21) 3350030/18 с присоединением заявки М Ь 1)М. Кл. 01 3 1/3 Гесуаарствевай квинтет СССР вв Фелви изобретений и втарытий3) Приоритет Опубликовано 07,03.83, Бюллетень9 Дата опубликования описания 07,03,83(54) НЕНАКАЛИВАЕМЫЙ КАТ х, ко якой Изобретение относится к эмиссионной электронике и микроэлектронике иможет быть использовано в электронныхприборах в качестве ненакаливаемых катодов.В ненакаливаемых катодах для получения эмиссии электронов широко используются сильные электрические поля.Известны ненакаливаемые катоды наоснове структур металл-полупроводник,использующие сильные электрические поля, возникающие на границе раздела полупроводник-металл и эмитируюшие горячие электроны в вакуум, Разогрев электронов в таких структурах происходит вобласти контактного барьера при прямомили обратном смешении в. зависимостиот типа полупроводника,Наиболее известный и хорошо изученн й од образуется в тех случаяд кт создается на границе то пленки металла с широкозонным полупроводником И-типа, а смешение образовавшегося диода Шоттки в прямом направлении приводит к разогреву электронов в области контакта при переходе из полупроводника в металлическую пленку. Направление тока через барьер Шоттки,и тока эмиссии электронов в вакуум совпадают но на границе металл-вакуум существует высокий потенциальный барьер и для получения эффективной эмиссии электронов в вакуум требуется снижение работы выхода металлической пленки путем адсорбции на ее поверхности атомов щелочных металлов, Однако снижение работы выхода за счет адсорбции щелочи сопряжено с рядом технологических трудностей, а именно необходимостью поддержания в приборе высокого вакуума низких температур дЛя предотвращения испарения ато- мов щелочи с эмитируюшей поверхности, и, кроме того, должна быть предусмотрена возможность восстановления испаряюшегося щелочного покрытия. Вышеприведенные требования существенно услож. няют конструкцию прибора, используюфлего ненакаливаемый катод этого типа 1.3 10 ОЗ 1Наиболее близким к предлагаемому является катод, содержащий два металлических электрода и сегнетополупроводниковый эмиттер, полярная ось которого ориентирована по нормали к плоскости металлических электродов, Металлические элек-. троды служат для управления величиной электронного сродства с помощью электрического поля, создаваемого между базовым электродом, на котором разме О шен сегнетополупроводник, и электродом на эмитируюшей поверхности и приводящего к изменению величины сегнетоэлектрического изгиба зон вблизи эмитируюшей поверхности, Электронное сродство 15 может быть понижено вплоть до отрицательных значений путем наделения плен- ка СД,-О толщиной до. 100 Л 2.Однако указанный катод обладает рядом существенных недостатков, снижаю-. щих его эффективность, Во-первых, высокое внутреннее сопротивление активного слоя (до 10 Ом см) ограничивает ток, а применение тонких (толщиной до 100 А) сегнетоэлектрических пленок невозможно р вследствие существования критических толшин, ниже которых сегнетоэлектрический изгиб зон уже не наблюдается. Вовторых, эффективность катода-прототипа ограничивается высоким потенциапьным барьером на границе базовый электрод-сег нетоэлектрик, препятствующим инжекции электронов в активный слой при благоприятном для эмиссии сегнетоэлектрическом изгибе зон.3 Цель изобретения - повышение эффективности ненакаливаемыхкатодов на основе сегнетоэлектриков.Поставленная цель достигается тем,что в ненакаливаемом катоде, содержащем два металлических электрода и сегнетополупроводниковый эмиттер, полярнаяось которого ориентирована по нормали кплоскости металлических электродов, обаметаллических электрода расположены наэмитируюшей поверхности сегнетополупроводникового эмиттера,На чертеже приведена схема предлагаемого катода.Предлагаемый катод используют следувшим образом.На пластину сегнетоэлектрика 1, например ниобата или тантвлата лития, вырезанную перпендикулярно полярной оси и имеющую низкую работу выхода, наносятся, например вакуумным напылением, два металлических контакта 2, Кон 95 4такты соединяются с источником 3 токаи между ними вдоль эмитируюшей поверхности начинает течь ток, При протеканииэлектрического тока вдоль поверхности,носители тока (электроны) попадают вэлектрическое поле, обязанное своим существованием спонтанной поляризации инаправленное к поверхности перпендикулярно направлению их движения. Под действием этого поля у электронов появляется составляющая скорости в направлеФнии, перпендикулярном поверхности, поэтому часть .электронов, получившая в направлении к поверхности энергйю, достаточную для преодоления потенциального, барьера, выходит в вакуум; при этом всяплошадь поверхности, заключенная междуметаллическими контактами, равномерноэмитирует электроны,Предлагаемый ненакаливаемый катодреализован на двух сегнетоэлектриках -ниобате и танталате лития. Максималь -ная эффективность эмиссии на этих катодах на два-три порядка превышает эффективность прототипа.В монокристаллах сегнетоэлектриков,вследствие спонтанной поляризации, вбли-зи поверхностей, перпендикулярных полярной оси, существует изгиб зон, за счеткоторого выход электронов увеличивается или уменьшается в зависимости от ориентации вектора поляризации относительно этой поверхности, Изгиб зон можетбыть большим и достигать половины ширины запрещенной зоны. Сегнетоэлектрический изгиб зон приводит к понижению эффективного электронного сродства, которое может принимать нулевые и даже отрицательные значения, что облегчает эмиссию электронов в вакуум, кроме тогоэлектронное сродство может быть пониже.но также путем напыления слоя С-О, Вобласти сегнетоэлектрического изгиба зоннапряженност) электрического поля достигает 10 -10 В/м. Ускоренные этим полем электроны могут приобрести энергию,достаточную для выхода в вакуум черезпотенциальный барьер на границе,В равновесных условиях концентрацияэлектронов даже в восстановленном сегнетоэлектрике мала ( И 10"ф м ), чтозаметно ограничивает эффективность эмиссии. Повысить эффективность эмиссииможно, увеличив концентрацию электронов в приповерхностной области, например, пропуская электрический ток вдольэмитирующей поверхности, С этой цельюна поверхность сегнетоэлектрика, вырезанную перпендикулярно полярной оси иИсточники информации,20 принятые во внимание при экспертизе1, Ненакаливаемые катоды. Под ред.М, И. Елинсона, МСоветское рад.о",1974, с. 129..2, Авторское свидетельство СССР2 Мо 404142, кл. Н 01 У 1/30, 1972,Составитель Г. КудинцеваРедактор А, Власенко Техред М. Костик КорректорС. Шекма Тираж 701 И Государственного делам изобретений и Москва, Ж, Раушз 1577/38ВНИ одпис омитета СССРоткрытийская наб., д. 4/ ПП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектн 5 10031имевшую необходимую для низкой работы выхода ориентацию вектора спонтанной поляризации Р наносят на некотором расстоянии друг от друга металлическйе контакты, присоединяемые к источнику тока, Пропуская электрический токмежду контактами, можно увеличить плотность электронов в области поверхности,заключенной мекду контактами, котораябудет являться эмитируюшей поверхнос Отью,Таким образом, предлагаемое решениеповышает эффективность катода, так какисключает пропускание тока через всютолшину активного слоя катода, т, е. высокое внутреннее сопротивление сегнетоэлектрика практически не оказывает влияния на эмиссию, Эффективность эмиссииможет быть повышена также нанесениемна эмитируюшую поверхность слоя С,Предлагаемый ненакаливаемый катодобладает еше одним важным свойством,а именно - переориентация вектора спонтанной поляризации на противоположноенапряжение приводит к изменению знака 95 бизгиба зон и, следовательно, к увеличению работы выхода эмитируюшей поверх-.ности, т. е. к запиранию эмиссии,формула изобретения Ненакаливаемый катод, содержащийдва металлических электрода и сегнетополупроводниковый эмиттер, полярнаяось которого ориентирована по нормалик плоскости металлических электродов,о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с цельну повышения эффективности катода, обаметаллических электрода расположены наэмитируюшей поверхности сегнетополупроводникового эмиттера,