Катод Спиндта

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: индия реферат, изложение 4
| Добавил(а) на сайт: Prazdnikov.

Туннельный эффект является чисто квантовым феноменом и для него отсутствует аналог в классической механике. Согласно Ньютновской механике частица с массой m не может находиться внутри потенциального барьера, поскольку из уравнения для полной энергии следует,

[pic] (1) что соотношение [pic]выполняется только для мнимых значений импульса р.
Объяснение туннельного эффекта, в конечном счёте, связано с соотношением неопределённости Гейзенберга, согласно которому квантовая частица находиться в состоянии с одновременно точно определёнными координатой и импульсом.
Неопределённости [pic] и [pic]всегда удовлетворяют соотношению

[pic], (2) где [pic] эрг[pic]с – постоянная Планка.
Согласно этому принципу, слагаемые в правой части уравнения (1) не имеют одновременно определённых значений и могут отличаться от своих средних значений. Поэтому имеется конечная вероятность обнаружить квантовую частицу в запрещённой зоне с точки зрения классической механики области.

Туннельный эффект был одним из первых квантовых явлений, предсказанных после создания в 1926 году Э. Шредингером волновой механики. По всей видимости, первое свидетельство его существования можно найти в статье Л.
И. Мандельштама и М. А. Леонтовича, которые рассматривали решение уравнения
Шредингера для

модельного потенциала ангармонического осциллятора вида
[pic] при [pic]и [pic]при [pic].
Волновая функция, описывающая свободное движение частицы слева от потенциала (при x>a). При этом, когда энергия частицы близка к значениям дискретных уровней энергии внутри потенциальной ямы, амплитуда волновой функции справа от нее резко возрастает. Это явление на современном языке носит название резонансного прохождения через потенциальный барьер.

В 1928 году Г. Гамов с помощью туннельного эффекта объяснил явление
[pic] - радиоактивности тяжёлых ядер, и в том же году Фаулер и Норд гейм построили теорию холодной эмиссии из поверхности металлов. Туннельный эффект лежит в основе объяснения таких явлений, как слияние лёгких ядер при термоядерных реакциях, работы сверхпроводящего перехода Джозефсона и туннельного диода. Именно Фаулер вместе с Нордгеймом в том же 1928 году построили теорию холодной эмиссии (автоэлектронной эмиссии) с поверхности металлов.

На рис.1 приведен график потенциальной энергии электрона вблизи границы металл – вакуум при отсутствии внешнего поля и при наличии слабого и сильного внешних полей в зависимости от расстояния от поверхности металла.

Кривые 1,2 и 3 соответствуют случаям отсутствия внешнего поля, слабому полю и сильному полю: d-ширина барьера. По мере увеличения внешнего положительного поля понижается высота потенциального барьера над уровнем Ферми и уменьшается его ширина.
Следовательно, увеличивается вероятность проникновения через барьер электронов, подлетающих к нему со стороны металла.
Иными словами , увеличивается число Рис.1 Поверхностный потенциальный барьер на границе

раздела металл–вакуум. электронов, проходящих через барьер, то есть ток автоэмиссии. Подчеркнем, что в случае автоэмиссии с поверхности металла, электрическое поле не проникает в глубь него и не влияет на движение электронов в металле. Роль внешнего поля сводиться только к изменению формы потенциального барьера, уменьшению его высоты и ширины.

Тонкопленочные автоэмиссионные катоды

Технология и особенности протекания эмиссионных процессов.

Исключительно важной для всего развития вакуумной микроэлектроники стала статья Спиндта с сотрудниками из Стэндфордского исследовательского института, опубликованная в 1976 году в журнале Journal of Applied Physics.
В ней был описан метод создания решёток автокатодов с молибденовыми остриями с использованием тонкоплёночной технологии и электронно-пучковой микролитографии, а также были приведены результаты подробного экспериментального исследования полученных автокатодов. Разработанная технология позволяла изготавливать катоды, содержавшие до 5000 острий с радиусом скругления около 500 A и плотностью упаковки примерно [pic]
Тонкоплёночный катод с полевой эмиссией представляет собой сэндвич: проводник-изолятор (рис.2) . Верхний проводник или сетка имеет отверстие от
1 до 3 мкм в диаметре, сквозь которое протравлено отверстие до нижнего проводника. На подложке находится конусообразный эмиттер, его вершина располагается в отверстии сеточной пленки. Размеры для одного из изготовленных катодов приведены на рисунке.

Рис. 2 Схематическое изображение тонкоплёночного автоэмиссионного катода
Спиндта.

1. Молибденовый конус
2. Изолирующий слой из диоксида кремния
3. Молибденовая управляющая плёнка
4. Кремневая подложка.

Перспективным применением изделий вакуумной микроэлектроники представляется разработка плоских панельных дисплеев. Обеспечивающих высокое качество изображения и яркости ( в том числе и для цветного телевидения). Кремний –очень удобный материал для изготовления автоэмиссионных катодов. Поиск новых материалов, подходящих для создания автокатодов, ведется непрерывно.

Технология изготовления катодов Спиндта заслуживает особого внимания. Она состоит из нескольких этапов.

1. Получение стандартной высокопроводящей подложки из кремния. Эта подложка покрывается затем оксидной плёнкой кремния требуемой толщины (1,5мкм) с помощью техники окисления.
2. Методом электронно-лучевого напыления на окисел наносится тонкая плёнка молибдена толщиной 0,4мкм.
3. Эта структура покрывается полиметилметакрилатом (ПММ) – высокополимерным соединением, которое представляет собой электронночувствительное сопротивление. Толщина пленки (ПММ) примерно 1мкм.
4. Поверхность ПММ экспонируется в вакууме сфокусированными электронными пучками, формируя на ней пятна нужного диаметра и необходимой конфигурации. Пятна обычно имели диаметр около 1мкм и располагались в узлах квадратной решётки с шагом 25,4мкм или 12,4 мкм.
5. Экспонированные участки растворяются в изопропиловом спирте, а затем происходит травление лежащего ниже этих участков слоя молибдена до диэлектрика.
6. Удаляются остатки ПММ, и слой диэлектрика травится плавиковой кислотой до кремневой подложки. В результате образуется структура, показанная на рис.3.1. Плёнка молибдена слегка нависает над отверстием в диэлектрике, так как кислота не действует на молибден.
7. Методом вакуумного напыления на молибден наносится плёнка алюминия. При этом образец непрерывно вращается вокруг вертикальной оси, и напыление происходит под большим углом к ней. Это делается, чтобы предотвратить попадание алюминия в сетке. Размер отверстия уменьшается до необходимой величины (рис. 3.2.).
8. Через частично закрытое отверстия производится напыление молибдена, при этом внутри отверстия вырастает конус необходимого размера и высоты.

Вершина конуса формируется, когда отверстие полностью закрывается. Эта стадия процесса показана на рис. 3.3.
9. Вспомогательный слой алюминия растворяется, находящийся на нем молибденовая пленка удаляется (рис. 3.4.). После термической тренировки в вакууме катод готов к применению.

Рис.3. Технология изготовления тонкоплёночного катода.

Рис.3.1. Исходная структура для формирования конуса.

Рис.3.2. Формирование изолирующего слоя.

Рис.3.3. Формирование конуса напылением.

Рис.3.4. Удаление изолирующего слоя.

1-металическая плёнка; 2-диэлектрик; 3-кремневая подложка;

4-ось вращения; 5-направление напыления