книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

НЕНАКАЛИВАЕМЫЕ

КАТОДЫ

Под редакцией профессора М. И. Е Л И Н С О Н А

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

УДК621.382.+ 537.525.2

Ненакаливаемые катоды. Под ред. М. И. Е л и н с о н а . М., «Сов.

радио» 1974, 336 с.

Изложены физические принципы работы нснакаливаемых катодов (НК) различных типов: низковольтных маломощных НК для использова­ ния в вакуумных интегральных схемах, в специальных электронно-лу­ чевых и индикаторных приборах и высоковольтных мощных НК для

сверхвысокочастотной, рентгеновской и ускорительной техники. Приводятся экспериментальные данные но исследованию эмиссион­

ных свойств НК и их основные эксплуатационные параметры. Рас­ сматриваются технологические методы изготовления, а также перспек­

тивы дальнейших применений и разработок НК.

Книга предназначена для инженеров, занимающихся разработкой НК и электронных приборов на их основе, для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих эмиссионную электронику.

161 рис., '13 табл., библ. 558 назв.

Ав т о р ы : М. И. Елинсон, Г. А. Кудшгцева, Ю. А. Кулюпин.

Редакция литературы по электронной технике

© Издательство «Советское радио» 1974 г.

Оглавление

2.2.Физическое представление о .горячих электронах в по­ лупроводниках; некоторые примеры функций распреде­

3

Светлой памяти Дмитрия Владимировича Зернова

посвящается

Предисловие

Предлагаемая читателю книга посвящена ненакаливаемым катодам (НК), т. е. таким эмиссионным струк­ турам, для функционирования которых не требуется на­ грева материала катода.

В наши дни, в связи с бурным развитием полупровод­ никовых приборов и различных микроэлектронных устройств, основанных на физических явлениях в твер­ дых телах, и следовательно, не использующих эмиссию

практически вытеснены полупроводниковыми приборами. Однако многие типы электровакуумных приборов не только не потеряли актуальности в современных радио­ электронных системах, но и продолжают интенсивно совершенствоваться, и, по-видимому, принципиально не могут быть заменены твердотельными приборами. К та­ ким приборам относятся различные типы электронно­ лучевых приборов, такие, как передающие и приемные телевизионные трубки очень высокого разрешения, элек­ тронные микроскопы, трубки для функциональных преоб­ разований, масс-спектрометры и др.; получающие все более широкое распространение в приборостроении ин­ дикаторные приборы, в особенности цифровые; различно­ го типа мощные и сверхмощные электронные приборы, такие, как некоторые приборы СВЧ диапазона, рентге­ новские приборы, лазеры с электронным возбуждением,

инжекторы в ускорителях заряженных частиц.

Наконец, в последние годы начинает интенсивно раз­ виваться новая ветвь микроэлектроники, так называемые вакуумные интегральные схемы (ВИС). Объективная необходимость возникновения ВИС связана с тем, что полупроводниковые интегральные схемы не могут функ­ ционировать в широком интервале температур, имеют

5

низкую радиационную стойкость и, следовательно, не могут использоваться в ряде важных радиоэлектронных устройств. Все сказанное является основой для продол­ жающихся исследований в области совершенствования и поиска новых источников электронов.

Разработчиков никогда не покидала мысль о созда­ нии эффективных НК. Их потенциальные преимущества связаны с практически мгновенной готовностью к работе (не требуется времени на разогрев катода), с отсутстви­ ем испарений материала катода, с высокой экономично­ стью. Очень часто нежелательным является наличие теплового излучения катода и паразитных засветок от­ дельных частей прибора. В ряде типов НК возможно внутреннее управление эмиссией, недоступное для термо­ электронных катодов. Есть надежда на получение специ­ ального вида вольт-амперных характеристик приборов, основанных на свойствах НК. Далее, плотности эмис­ сионных токов у термоэлектронных катодов, даже в им­ пульсном режиме, недостаточны, и желательно создание НК с гораздо более высокими плотностями токов.

Наконец, в ВИС крайне желательны максимальная степень миниатюризации катодов и отсутствие областей повышенной температуры в объеме, занимаемом инте­ гральной схемой, что связано с нестабильностью параме­ тров пассивных элементов.'

Таким образом, проблема создания НК, несомненно,

актуальна, и это является главным основанием для на­ писания предлагаемой книги.

Другой важной причиной, побудившей авторов взять­ ся за труд по написанию книги, является то, что многие промышленные организации ведут разработки различных типов НК и не имеют единого литературного пособия по этой проблеме.

Между тем в настоящее время существует много исследуемых типов НК, сведения о которых разбросаны в многочисленной периодической, а также патентной литературе. Составить по этим данным цельное пред­ ставление о физическом механизме и эксплуатационных возможностях отдельных типов НК, а тем более о срав­ нительных достоинствах и недостатках различных типов НК очень трудно.

Авторам кажется, что в этой ситуации кроется опас­ ность постановки ложных направлений исследования, неправильных прогнозов, неправильной эксплуатации

6

катодов ii в ряде случаев дискредитации отдельных на­ правлений исследования.

Систематизация сведений по НК, а также заключения и рекомендации, приводимые в книге, в значительной степени позволят устранить указанные недоразумения.

Первая часть книги посвящена низковольтным мало­ мощным НК, т. е. структурам, для функционирования которых нужны низкие рабочие напряжения (до десят­ ков вольт), и которые эмиттируют малые абсолютные токи. К таким структурам относятся: НК на основе тонких пленок и эмиссии горячих электронов из полу­ проводниковых систем, НК на основе структур металл (полупроводник)— диэлектрик — металл и структур по­ лупроводник— металл, а также НК на основе структур с отрицательным электронным сродством полупроводни­ ков, в том числе оптоэлектронные катоды.

В первой части обсуждается, таким образом, боль­ шое число типов НК. Они рассчитаны в основном на использование в ВИС для создания микроминиатюрных активных элементов, в электронно-лучевых и индикатор­ ных приборах, в некоторых классах масс-спектрометри- ческих приборов и пр.

Вторая часть посвящена высоковольтным НК, тре­ бующим для своего функционирования высоких напря­ жений (103 ... 106 В). В основном это автоэлектронные катоды на основе металлов, металлоподобных соедине­ ний и полупроводников. Большое внимание в этой части уделено мощным (10 ... 105 А) НК импульсного дейст­ вия и их применениям в технике СВЧ, рентгеновской и ускорительной технике. В особую группу НК этого типа выделены так называемые «взрывные» катоды. Во вто­ рой части обсуждаются также высоковольтные мало­ мощные катоды (10~6 . . . 10“3 А) для электронной ми­ кроскопии и других специальных применений.

Визложении материала авторы уделили наибольшее внимание физическому механизму работы того или ино­ го типа НК, поскольку только на основе ясного пони­ мания механизма можно составить четкое представление

оего эксплуатационных параметрах. Теория физических явлений, на которой базируется данный тип НК, изла­ гается непосредственно перед изложением эксперимен­ тальных данных, технологии и эксплуатационных пара­ метров, относящихся к этому типу НК.

Впредисловии к книге нам представляется сущест­

7

венным отметить также следующее. Несмотря на до­ вольно длительную историю (10 ... 20 лет) исследова­ ния различных типов НК, они не получили массового распространения. Некоторые типы НК продвинуты до­ статочно далеко (автоэлектронные катоды импульсного действия на основе тугоплавких металлов, катоды на основе диспергированных металлических пленок и на основе полупроводниковых пленок Sn02) и осваиваются в тех приборах, в которых их использование целесооб­ разно. Другие типы НК находятся на этапе чисто науч­ ных исследований. Экспериментально полученные эмис­ сионные данные часто ниже ожидаемых теоретически.

Основными причинами многих трудностей, с которы­ ми сталкиваются разработчики, являются: недостаточ­ ное понимание некоторых эффектов (например, меха-- низма рассеяния носителей в приконтактных областях) и, главным образом, отсутствие оптимальных материа­ лов в форме структурно совершенных, свободных от неконтролируемых примесей монокристаллов и пленок, а также оптимальных технологических методов создания необходимых эмиссионных структур.

При изучении книги читателю станет ясным, что трудности различны для различных типов НК, и всегда следует соразмерять объем необходимых затрат с той пользой, которую удается извлечь при использовании данного типа НК, даже если его параметры будут в точ­ ности соответствовать теоретическим данным.

Отметим, наконец, одну из важных особенностей книги. Коллектив авторов состоит из наиболее извест­ ных исследователей НК в нашей стране, поэтому мате­ риалы книги выходят «из первых рук». Значительную долю содержания книги составляют оригинальные ис­ следования авторов.

Многочисленность авторского коллектива с неизбеж­ ностью привела, несмотря на серию совещаний, к раз­ личию в стиле изложения. Возможно, редактору не уда­ лось в нужной степени придать книге цельность. Это, в частности, касается обозначений в формулах и сохра­ нения одинаковых пропорций при обсуждении разных аспектов работы конкретных типов НК. В связи с этим редактор будет признателен тем читателям, которые укажут на недостатки и неточности в книге.

М. Елинсон

Ч а с т ь п е р в а я

Низковольтные маломощные ненакаливаемые катоды

Г л а в а 1

Ненакаливаемые катоды на основе тонких пленок

1.1. Введение

Тонкие пленки полупроводников и металлов по це­ лому ряду свойств являются перспективными для со­ здания на их основе ненакаливаемых катодов.

К настоящему времени разработано много методов получения тонких пленок, таких, как термическое рас­ пыление материалов в вакууме, катодное (в том числе реактивное), плазменное, электронно-лучевое распыле­ ние, эпитаксиальное наращивание вакуумным, газо­ транспортным и жидкостным методами, химические ме­ тоды (гидролиз, пиролиз), электролитические методы и т. д. Для каждого из перечисленных методов разрабо­ тана и выпускается достаточно совершенная и удобная аппаратура, оснащенная в ряде случаев автоматически­ ми устройствами, обеспечивающими контроль параме­ тров пленок в процессе их получения и, следовательно, их воспроизводимость.

Фундаментально исследуются механизмы роста пле­ нок, причем имеется реальная возможность получения в ближайшем будущем пленок с управляемой структу­ рой, в том числе пленок совершенной структуры в ши­ роком интервале толщин.

В связи с развитием микроэлектроники темп иссле­ дований тонких пленок непрерывно нарастает. Для раз­ работки ненакаливаемых катодов на основе тонких пленок не требуется создание специальной технологи­ ческой базы, а может быть использована существующая база.

Существенное достоинство катодов на основе тонких пленок состоит в возможности микроминиатюризации

9