Основными требованиями к вакуумному автоэмиссионному триоду являются: хорошая управляемость, работа при низком напряжении, высокая плотность тока эмиссии, малые размеры, совместимость с техникой микротехнологии [1]. На основе автоэмиссионных катодов возможно создание усилительных приборов таких, как триод [2], генератор электромагнитных колебаний (как клистроны), рентгеновских трубок [3] и электронных пушек для сканирующих электронных микроскопов.
Материал и цель исследования
Поскольку для получения заметного автоэлектронного тока у поверхности эмиттеров необходимы сильные электрические поля ~107 В/см, то с целью получения таких полей при не слишком высоких значениях прикладываемого напряжения, применяется особая геометрия эмиттера — чаще всего это поверхность с высокой кривизной: острия, лезвия, выступов, пленки и т.п. Для получения таких поверхностей сформировались две основные технологии их изготовления: из кремния и из тугоплавкого металла, например, молибдена или вольфрама.
Кроме того, в последнее время появился новый вид тонкопленочных материалов - алмазоподобные кремний-углеродные пленки (АКУП) [4, 5], являющиеся перспективными для применения в вакуумных эмиссионных приборах.
АКУП обладают свойствами близкими к традиционным алмазоподобным пленкам, но во многом превосходят их. Металлосодержащие АКУП являются электропроводящими нанокомпозитами. Структура пленок позволяет вводить в них металлы в концентрациях до 50 атомных процентов, при сохранении аморфности и однофазности. При использовании карбидообразующего металла, в нанокомпозите образуются кристаллические наночастицы его карбида. Металлы выбираются из ряда имеющих стабильные карбиды, таких как гафний, ниобий, тантал, титан, цирконий. Главным фактором, определяющим выбор легирующего металла, являющегося основой нанофазы нанокомпозитной алмазоподобной пленки эмитирующей электроны, является величина работы выхода электрона с поверхности материала нанофазы. Варьируя вид легирующего металла можно в широких пределах менять порог эмиссии, что расширяет возможности применения катодного узла для различных автоэмиссионных приборов.
Высокая механическая и химическая стабильность алмазоподобных пленок обеспечивает надежность, долговечность и стабильность работы триода.
Для получения автоэмиссионного триода разработан и изготовлен автоэмиссионный катод на основе АКУП легированной титаном. АКУП получена путем осаждения на подложку в вакууме из двух одновременно работающих источников - плазмотрона и магнетрона по технологии, описанной в [1, 2]. На основе полученного катода собирается автоэмиссионный триод.
На рисунке 1 изображена схема и 3-D модель автоэмиссионного триода. По данной схеме была разработана конструкция триода с катодом на основе АКУП легированных металлом.
Рис.1. Схема и 3-D модель автоэмиссионного триода
Конструкция автоэмиссионного триода содержит: анод 1, представляющий собой слой металла, напыленный на диэлектрическую подложку 2, управляющий электрод 3 (модулятор) так же представляет собой слой металла, напыленный на подложку из диэлектрика 4, слой металла 5 выполняющий роль спейсера и контакта к автоэмиссионному катоду. Катод 6 представляет собой АКУП легированную титаном, осажденную на подложку 7. Катод устанавливается на металлический контакт 5. Разница в толщинах напыленных слоев спейсера 5 и управляющего электрода 3 задает величину зазора катод – управляющий электрод. Таким же образом задается зазор анод – катод.
При изготовлении элементов конструкции триода используются хорошо отработанные технологии магнетронного напыления и фотолитографии, что позволяет с высокой точностью реализовать геометрию и заданные расстояния между электродами. На рисунке 2 представлена фотография триода.
Рис.2. Макет триода
Методы исследования
Для исследования макета триода применяется испытательный стенд, принципиальная схема, которого изображена на рисунке 3.
Рис.3. Схема стенда:
1 – вакуумная камера, 2 –вакуумный пост HiQube 80, 3 – вакуумметр TPG262, 4 – датчик вакуумметра, 5 – пикоамперметр со встроенным источником напряжения Keithley 6487, 6 – источник постоянного тока Tektronix PWS2326, 7 – ПК
При приложении напряжения между катодом и анодом и при наличии положительного, относительно катода, напряжения на управляющем электроде на кромке автоэмиссионного катода возникают условия, достаточные для автоэлектронной эмиссии, а именно, напряженность электрического поля превышает порог эмиссии.
Были выполнены измерения параметров и характеристик автоэмиссионного триода.
В результате проведенных измерений были получены зависимости анодного тока макета автоэмиссионного триода от напряжения на управляющем электроде (модуляторе). Зависимость представлена на рис. 4.
Рис.4. ВАХ при различных напряжениях на модуляторе
Как видно из приведенных графиков, величина анодного тока зависит от напряжения на управляющем электроде: при увеличении напряжения на модуляторе от 0 до 32В ток анода изменяет свое значение от 0,17нА до 0,77нА.
Также было обнаружено, что поверхность катода после проведения серии однородных экспериментов изменила свою структуру (рис. 5).
Рис.6. Фотография катода после серии экспериментов
В результате многочисленных пробоев поверхность АКУП претерпела эрозионное разрушение с характерными следами дендритного пробоя. Данное явление обусловлено неровностями поверхности края катода, что приводит к неравномерной эмиссии и, как следствие, пробою в локальных областях катода.
Заключение
По результатам проведенных исследований показана возможность применения катодов на основе АКУП легированных металлами для создания автоэмиссионных триодов. Приводится описание разработанной в рамках проведения исследовательских работ конструкция триода и результаты экспериментальных исследований вольтамперных характеристик полученного триода. На основе полученных результатов можно сделать вывод о перспективности использования АКУП в качестве автоэмиссионных эмиттеров для триодов и иных приложений в вакуумной эмиссионной микроэлектронике.
Исследования автоэмиссионного триода проводится в рамках работы по разработке перспективных технологий и конструкций изделий интеллектуальной силовой электроники для применения в аппаратуре промышленного назначения и в специальных системах (триод с автоэмиссионным катодом на основе алмазоподобных пленок) при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта № 14.429.11.0001 от 03 октября 2013 г.
Рецензенты:
Иванов В.В., д.ф-м.н., старший научный сотрудник (доцент), главный научный сотрудник, Лаборатория информационных технологий, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна;
Крянев А.В., д.ф.-м.н., профессор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Москва.
Библиографическая ссылка
Емец В.М., Лыткин Л.К., Филатов Г.А., Цепилов Г.В. ТРИОД С АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОМ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=22279 (дата обращения: 03.10.2023).