Термоэлектронный катод

Термоэлектронный катод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик р11824335

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 05,0779 (21) 2792379/18-25 с присоединением заявки М9 (23) Приоритет

Опубликовано 23,0481 Бюллетень й9 15 (51)М К, 3

Н 01 Т 1/14

Государственный комитет

СССР по аелам изобретений и открытий (53) УДК 621.385.Q32.213 (088.8.) /

Дата опубликования описания 230481 (72) Авторы изобретения

С.Г. Дмитриев, A.Ã. Ждан, Б.С. Кульварская и В.A. Сабликов

Г

1 ;,-1

Ордена Трудового Красного Знамени ин ти1уф, . радиотехники и электроники АН СССР

,07@ 7 (71) Заявитель (54) ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД

Изобретение относится к эмиссион-. ной электронике и может быть исполь- зовано для создания эффективных термокатодов электронных и ионных при5 боров различных типов.

Известны термоэлектронные катоды, содержащие активное эмиссионное покрытие, нанесенное на металлический керн из Ni, Та, Мо и др, или использующие соответствующие металлокерамики, например сермоэлектронные катоды, в которых активное покрытие выполнено на основе окислов редкоземельных металлов (lj.

Недостатком таких катодов явля-; 15 ется малая эффективность ((2 10 4мА/см .град) .

Наиболее блйзким к предлагаемому является оксидный катод, представляющий собой активное покрытие из смешанного тройного оксида (Ba,Sr, Са) ". О, расположенногЬ на никелевом керне, содержащем присадки И, Si, A1, Kr и т.п. Рабочая температура такого катода лежит в области 700800 С, а плотность эмиссионного тока, обеспечиваемая катодом, в зависимости от режима отбора тока. (статический или импульсный) и желае- 30 мого ресурса работы, составляет от

= 1 мА/см до 100 A/ñM

Этот катоц обладает минимальной рабочей температурой .и максимальной эффективностью (т.е. отношением эмиссионного тока(.к рабочей температуре) среди всех известных в настоящее воемя теомокатопов. Его эффективность составляет 2.10

6.10 мА/см .град. 2 .

Однако такая эффективность- является недостаточной для ряда приложений.

Цель изобретения - повышение эффективности и срока службы термокатодов путем снижения эффективного контактного барьера на границе кернактивное покрытие.

Поставленная цель достигается тем, что между керном и активным покрытием введен..дополнительно слой диэлектрика или высокоомного полупроводника толщиной от 10 монослоя до 100 Х, на котором падает часть контактной разности потенциалов керн-покрытие, s результате чего уменьшается эффективный контактный барьер.

Верхний предел толщины прослойки определяется возможностью туннелирО824335 вания электронов сквозь слой диэлект-. рика. При толщинах ) 100 А туннели.Рование очень мало, что ограничивает поступление электронов из керна в покрытие.

Нижний предел определяется величиной падения контактной разности потенциалов, которая для реального повышения эффективности должна быть

> 0,1 эВ. Как известно уже при толщи. нах У 10 монослоя индуцированные активным покрытием поверхностные сос- 1О тояния существенно (на порядок и болеЕ) изменяют потенциальный барьер.

На фиг.1-4 представлены зонные диаграммы предлагаемого изобретения. 15

Упомянутые выше окислы, используемые в качестве активных покрытий, обладают полупроводниковой проводимостью.Их термоэлектронная работа выхода V — выраженная как расстояние от уровня Ферми,а.до уровня вакуума (в энергетических единицах"):

Ч=х+, где Х вЂ” электронное сред. ;уво полупроводника, = E -а., где Š— дно эоны проводимости (фиг.1), Е„ — поток валентности зоны.

Значительная эмиссия из таких катодов возникает только после их активирования, сопровождающегося понижением как за счет уменьшения так и за счет уменьшения ф . При 30 ак ивировании в-окисле образуется стехиометрический избыток атомов металла (или пропорциональное ему число вакансий кислорода), которые, являясь донорами, обуславливают сме- З5 щение уровня Ферми к дну зоны проводимости, т.е. уменьшение . Кроме того, образующиеся избыточные сверх стехиометрического соотношения атомы металла, диффундируя к поверхности, понижают w в результате образования приповерхностного электроположительного двойного слоя.

Достигаемая вследствие активирования малая Ф (Ф 1,3-1,4 эВ для оксидного катода Ва, Sr, Ca — 0 при 45

Т = 600.-.700 К), затрудняет получение безбарьерного контакта к актив ному покрытию.

Действительно, как известно, вы- 50 сота контактного барьера на границе металл-полупроводник Ч =Ф-Ч.+g=Ф-> (фиг.2), где Ф - работа выхода ме талла. Например, в случае%(Ф= 4,8 эВ) и оксидного катода (Х-" 0,3 эВ) = 3,5 эВ > 1,3 эВ, т.е. электронная эмиссия будет лимитироваться не величиной Ч, а величиной (> Ч (фиг.2) которая и определяет эффективность эмиссии.

Следовательно, для увеличения эф- 60 фективности эмиссии и срока службы катода, непосредственно с ней связанного (повышение эффективности позволяет снизить рабочую темпера туру катода, повысив, тем самым, 65 срок его службы за счет уменьшения интенсивности процессов. деградации (диффузия, испарение и пр.) экспоненциально зависящих от температуры, необходимо уменьшить эффективный барьер Ч .

Этого можно достичь, введением между керном,и активным покрытием туннельнотонкой диэлектрической (полупроводниковой) прослойки, не лимитирующей поступления электронов из керна в покрытие, но принимающей на себя части контактной разности потенциалов между керном и покрытием и уменьщающей, тем самым, эффективный контактный барьер Ч .

Сказанное. поясняется зонной диаграммой, приведенной на фиг ° 3, где

6 — толщина прослойки (ее высокая туннельная прозрачность обеспечивается при 6 (100 А, à Y=+-V понижение высоты контактного барьера (фиг.2).

Понижение высоты барьера ЬЧ можно оценить по формуле:

Сп сд с

q + И сд где С„, С емкость слоя объемного заряда в йолупроводнике и прослойки соответственно. Из этой формулы следует, что, например, при С =. C и величинааЧ = ч /2, т.е. контактный барьер понижается вдвое. Прослойка из материала более широкозонного, чем материал активного слоя, изобра- жена на фиг.3 сплошными линиями, а из"узкозонного — пунктирными. В последнем случае толщина прослойки должна быть меньше длины свободного пробега электРонов в этом материале.

Особенно важен случай, когда на границе раздела прослойка — активный слой присутствуют мелкие пограничные состояния с высокой плотностью (E «+, где Š— глубина залегания пограничных уррвней) . При этом высо.— та контактного барьера будет равна

Ев +,й, независнмо от контактной разности потенциалов между металлом и активным покрытием (фиг.4), т.е. эффектИвный барьер в данном случае может быть достаточно малым. Поэтому он не будет ограничивать эмиссию катода.

Таким образом, использование туннельно-тонкой прослойки позволяет повысить эффективность эмиссии катода, а, следовательно, ресурс его работы и ресурс работы соответствующих электронных и ионных приборов в целом, что приводит к повышению надежности и стабильности рабочих характеристик устройств, используемых, предлагаемый катод.

824335

6 фигЛ

Палупробедник

ФиаЕ

Металл

Формула изобретения Термоэлектронный катод, содержащий керн и активное покрытие, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности эмис+ сии и срока службы катода, между керном и активным покрытием введен слой диэлектрика или высокоомного полупроводника толщиной от 10 монослоя до 100 A.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кудинцева Г.A. и др. Термоэлектронные катоды. М.-Л., Энергия, 1966, с. 155.

2. Добрецов Л.Н., Гомоюнова Н.В.

Эмиссионная электроника. М., Наука, 1966, с. 206 (прототип) .

824335 однмн) фиг.

Фиг. 4

Закаэ 2137/78 Тираж 784 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам иэобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4

Составитель Г. Жукова

Редактор Т. Киселева Техред A.Áàáèíåö . Корректор В. Синицкая