Термоэлектронный катод

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯк Авторском свидвтельств Союз СоветскнкСоцнапнстнческнкРеспубликво делам изобретеиий и открытийОпубликовано5.03.81. Бюллетень1 ОДата опубликования описания 25.03,81(72) Авторы изобретения И. Б. Гуляев, С. Г. Дмитриев, А. Г. Ждан и Б. С, Кульварская рдена Трудового Красного Знамени инстити электроники АН СССР ител ННЫЙ КАТО 54) ТЕРМОЭЛ 2 обыч рытия Изобретение относится к эмиссионнои электронике и может быть использовано для получения терм окатодов электронных и ионных приборов различных типов.Известны термоэлектронные катоды на основе окислов щелоч ноземельных, редкоземельных и других металлов, нанесенных в виде покрытий на металлический керн из никеля, молибдена, тантала и др. или используемых в виде металлокерамики с этими же металлами 11.Ближайшим к предлагаемому является термоэлектронный катод, представляющий собой активное покрытие (смешанный тройной оксид (Ва ЯгСа) - О), нанесенное на никелевый керн и содержащее такие присад-. ки, как %, Я, А 1, Хг, Мд,Ва, Рабочая температура катода составляет 700 - 800 С, а плотность тока эмиссии, в зависимости от режима отбора тока и требуемого ресурса работы, может составлять от единиц милли- ампера с кв. см. до десятков и даже сотен ампер с кв. см. поверхности катода, Такой катод обладает самой низкой рабочей температурой и наибольшей эффективностью (отношение тока эмиссии к рабочей температуре) по сравнению с другими, известными в настоящее время катодами. Она составляет 2 1 О 4=610 2 мА/см 2 град. 12.Однако для ряда приложений указанная эффективность является недостаточной.Цель изобретения - повышение эффективности эмиссии катода путем устранения отрицательного влияния контакта между керном и активным покрытием катода, огра. - ничивающего поступление электронов из керна в активное термоэмиссионное покрытие. Эта цель достигается тем, что для повы шения эффективности эмиссии катода область активного термоэмиссионного покрытия, прилегающая к керну, легирована мелкими донорными примесями с концентрацией более 10 см. что обеспечивает туннелирование электронов из керна в покрытие.На фиг, 1 представлена зонная диаграмма полупроводника; фиг, 2 иллюстрирует механизм образования запорного контакта между керном и покрытием; фиг. 3 - возможность туннелирования электронов сквозь покрытие при легировании его мелкими донорными примесями.Упомянутые окислы, используемые но в качестве материала активного пок;)Гд:От, как правило, цх) цр)в,пиковой пров: лцчостьк), ц цх )(1 гъгскроцця ран)т, ВьхОДВ 5 Опрелхяс Г 5 дсс Гон циам )т ,)свця Фери до уровня Вс)кч) мд, так к;к ) . Х , ГДС ХЭ:ЕКТРОНЦОС СРЕДСТВО ПО- луроволнцка, д - расстояние между уровцс) Ферми и дном зоны проводимости Е . Нд фцг. 1 показана зонндя диаграмма полупроволника, поясня нцая эти соотношения (Е -- потолок валентной зоны .Значительный ток эмиссии известных кдтлов достигается при их активировации (терчообработке с последующим отбором тока), вызывающем понижение термоэлектроцной работы выхода катодного материала, как за счет уменьшения х, так и за счет уменьшения .При активировании происходит восстановлен) окисла металлом керна или введенными него присадками (51, А 1, %, Мд, 2 г, Ва и др.) с образованием стехиометрического избытка металла окисла (или вакансий кислорода), которые служат донорами в окисной системе, обуславливая смещение уровня Ферми к дну зоны проводимости, т. е. уменьшение Я . Одновременно в результате диффузии образовавшихся избыточных атомов к поверхности происходит понижение х за счет образования на поверхности окисла электроположительного двойного слоя.Достигаемая в результате активирования сравнительно низкая работа выхода катод- ного материала ( 1,3 - 1,4 эВ для оксидного катода (Ва, Г, Са) - О при т = = 600 - 700" К) зд Грудняет получение безодрьерццо контакта к активному катодномук(ы Н)оК;: известно, высота контактного барьерд ца Границе хетд,Г-погуцроволцик оцрс,ц.истец соотношеццсч 1 = Ф- . Сф) х. Где фП;б); Выхс.д хетдл;д. С,с ,вГГГгно, ечар, В с)миде Х( Ь . :, (с) - 4,.7 эЬ, сОГласс т; Нсццю, велцчццд Р булет с . ,., 5 ь ) 1 .15 ф (. ИтсЯ, что х для КГИЛШИО Кгода рдВНО -0,3 ЭВ), т. Е. ),ск ГрОццд 5 эхи( си 5 кс)тола будет лимитирВ;)ться цс р;)Отой В ход эмиттцрующей , в рхцосц , д вьсотой контактного барьсрд ,((фцг. 2). которая ц будет опреде.)5 т, э 1)фектцвцость эмиссии.Рсдс рв)цыцс ния эффективности : Ч ЦССЦ,ХОЭ, ( КтРо нного катола Является );лд ц ис уел о вц Й, л я нерехола электронов цз ксрцд В покрытие путем туннелирования сквозь (цсИв,ыО счженньЙ контактный с)рнер.Эгд це ь может быть достигнута путемИвдцця прилегающей к керну области цокрьтця мелкими донорными примесями с коццсцтрдцией более 10 см з. В этом случае (с 3) барьер становится настолько узким, что вследствие туннельного эффекта це огра цичи вает прохождение электронов цз чстдллд в активный слой. Необходимую длц этого концентрацию легирующей примеси, прелцоложив, что при рабочих температурах катода примесь полностью ионизировдца, легко оценить по формуле10 К(Ус(, ("ьгле Е - диэлектрическая проницаемостьактивного покрытия;- постоянная Больцмаца;15Т - рабочая температура эчиттера:- заряд электрона;1 ь - длина экранирования.Подставляя в эту формулу реальныезначения параметров Е 10, Т = 1000 К, и, считая, что туннельный эффект осуществ ляется при толщинах 1.(10 см, получаемчто Х должно быть )3 10см . Очевилно, что такое легирование, используемое и как дополнение к снижению работы выхола керна-подложки, будет способствовать увеличению эффективности эмиссии.Достижение более высокой эффективности эмиссии позволяет понизить рабочую температуру катода, что приводит к увеличению ресурса его работы и, тем самым, ресурса электронного (ионного) прибора в целом, так как известно, что срок службы таких приборов определяется в основном сроком службы их катодов.Кроме того, использование изобретенияпозволяет повысить надежность приборов и стабильность его параметров и характе ристик.Фор,5 ула изобретенияТермоэлектронный катод, содержащий 40 керн и нанесенное на него активное термоэмиссионное покрытие, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности эмиссии, прилегающая к керну область активного тер моэм иссионно го покрытия легирована 45 примесями с мелкими уровнями с концентрацией более 1 Осм .Источники информации,прин.тые во внимание при экспертизе 1. Кудинцева Г. А. и др. Термоэлектрон 50 ные катоды. М., Энергия, 1966, с. 103. 2. Добрецов Л. Н, и Гомоюнова М. В,Эмиссионная электроника. М., Наука,1966, с. 207 (прототип).едактор А. Наураказ 342/67ВН 130лиал Составитель Г, Жуковаов Техред А. Войкас Корректор Г. РешетникТираж 784 ПодписноеИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий5, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4