場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極的模擬計(jì)算及特性研究.pdf

1、山東大學(xué)碩士學(xué)位論文場(chǎng)致發(fā)射陳列陰極的模擬計(jì)算及特性研究姓名：杜英華申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：無線電物理指導(dǎo)教師：李炳炎廖復(fù)疆20030512山東大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要真空微電子學(xué)是一門涉及真空電子學(xué)、微電子學(xué)、材料科學(xué)和薄膜技術(shù)的新興學(xué)科。其核心技術(shù)是利用微細(xì)加工技術(shù)和薄膜工藝制成的場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極(FEA)，它的發(fā)射單元是帶有自對(duì)準(zhǔn)陰極的曲率半徑很小的尖端，當(dāng)在微米級(jí)距離的尖端和柵極間施加幾十到二百伏電壓時(shí)，尖端表面電場(chǎng)可達(dá)107V

2、／cm，強(qiáng)電場(chǎng)使表面勢(shì)壘降低變窄，在隧道效應(yīng)的作用下使電子向真空發(fā)射。與現(xiàn)有熱陰極相比，場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極具有啟動(dòng)快、無預(yù)熱延遲、功耗小、室溫工作、電流密度大等特有的優(yōu)勢(shì)，在民用和軍用領(lǐng)域都有極好的應(yīng)用前景。目前國(guó)際上Spindt型場(chǎng)發(fā)射陣列陰極發(fā)展比較成熟，應(yīng)用最廣泛，但國(guó)內(nèi)研制水平與實(shí)際應(yīng)用還有較大差距，其中一個(gè)主要問題在于能穩(wěn)定工作的發(fā)射電流密度還低于實(shí)用水平。而在正常工作情況下，Spindt陰極的發(fā)射電流密度主要取決于，發(fā)射尖錐的

3、密度、單個(gè)發(fā)射尖錐的電流及可發(fā)射電流尖錐的比例。論文從場(chǎng)致發(fā)射基本原理入手利用VisualFortran語(yǔ)言和有限差分算法編制場(chǎng)發(fā)射三極管模擬程序，討論三極管各參數(shù)對(duì)發(fā)射特性的影響，以此來尋求提高單個(gè)發(fā)射尖錐電流的方法。為提高計(jì)算精度和速度，程序引入了虛陽(yáng)極，采用區(qū)，域細(xì)化反復(fù)迭代的有限差分算法。程序主要使用數(shù)值方法求解泊松方程、Fowler—Nbrdheim方程、電子運(yùn)動(dòng)方程，并處理相應(yīng)邊界。其中應(yīng)用泊松方程的差分迭代計(jì)算法求解電場(chǎng)：

4、應(yīng)用空間電荷運(yùn)動(dòng)方程，由龍格庫(kù)塔法來求解電子運(yùn)動(dòng)軌跡，得到空間電場(chǎng)及發(fā)射電流。最后，通過圖形后處理程序得到等勢(shì)線及電流軌跡圖。論文根據(jù)程序結(jié)果繪制了三極管各參數(shù)與尖錐表面電場(chǎng)及發(fā)射電流關(guān)系的折線圖，并根據(jù)關(guān)系圖及電位分布圖進(jìn)行分析，認(rèn)為發(fā)射體的尖錐曲率半徑及柵極開口半徑是影響發(fā)射體發(fā)射特性的最主要因素：發(fā)射尖錐的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著柵極開口半徑的減小呈大致線性增加，發(fā)射尖錐曲率半徑的減小同樣可以使尖錐空間電場(chǎng)增強(qiáng)，從而提高發(fā)射電流。為了解決電子