电子信息材料第二章

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1、第二章 场致电子发射材料,在强电场的作用下，发射电子的现象称为场致电子发射。,加速场作用下的阳极电流公式：,当电场强度达到=1.4108(V/cm)时，E=4.5ev 但实验发现，当=1.4106(V/cm)时，就有较强的电子发射了。 场致发射不能只用肖脱基效应来解释。,外电场使有效逸出功降低了：,外电场作用下势垒的变化,隧道效应,场致电子发射是由于外加强电场使固体的表面势垒高度降低，宽度变窄，固体内的电子不需要增加能量，即不需要激发，就可穿透势垒逸出。 电子能够穿透高度比它全部能量还高的势垒的现象，称为隧道效应。 势垒宽度相当于电子波长量级时，才能观察到这个现象。,第一节 金属的场致电子发射

2、,金属内部导带中的电子，遵从费米分布，若能量超出势垒高度，则大部分电子能够逸出；动能小于势垒高度的，也有一定的穿透势垒逸出金属的概率。 穿透概率与电子动能和表面势垒宽度有关,随外电场强度的增加，势垒降低，而且 变薄。,金属内部电子能量高于势垒的很少；在费米能级EF附近，有较多能量较高的电子，它们穿透势垒发射的概率也较大；而很低于费米能级的电子所对应的势垒比较厚，穿透概率很小。 发射电子的能量集中在费米能级EF附近较窄的能量范围内。,场发射电子的能量分布范围,1-1 金属的场致电子发射公式,常温下场致电子发射，主要是隧道效应 发射电流密度J与供给函数N(W)和透射系数D(W)有关。 能量W-W+

3、dW在中每秒钟打到单位发射表面的电子数为N(W)dW 穿过势垒的电子数为：P(W)dW=D(W)N(W)dW,发射的电子流密度为：,1.供给函数N(W) 金属内部电子的位能eV(x)=-Wa 外部电子的位能eV(x)=-(Ke2/4x)-ex 设电子总能量为E，X方向能量分量为W， 有,单位时间打到单位面积上的电子数为：,对dpy,dpz积分，有,2.透射系数D(W)电子在两点(x1,x2)出现的概率之比 求解透射系数，必须确定势垒形状，利用边条件，求解薛定谔方程。,外电场下金属表面势垒,金属表面势垒为：,eV(x)=-Wa， x0eV(x)=-Ke2/(4x)-ex， xx0透射系数D(W)

4、：,发射的电子流密度为：,温度T=0K时的解：,其中：,函数t(y0)1，v(y0)为Nordhein函数。,诺德罕(Nordhein)公式,金属在T=0K时的场致电子发射公式：,1-2 温度对场致发射的影响 热场发射,温度高、场强弱的热电子发射Richardson公式：J0=AT2exp-E/(kT) 温度低、场强强的场致电子发射 Nordhein公式：J0=A2exp-B/ 当场强较强，温度较高时，必须考虑温度对场发射的影响。,热场发射,计算钨的情况：E=4.52ev 若=4107(V/cm) 当T=300K时：J(T)=1.03J(0) 当T=1000K时：J(T)=1.5J(0),温度

5、对场致发射电流的影响,温度与场强对发射电子能量分布的影响,曲线1，2，3温度相同，场强不同 曲线1，2，3，4场强相同，温度不同,第二节 半导体的场致电子发射,仅讨论N型半导体 2-1 外电场与吸附原子对表面势垒的影响1.电场渗透 作用：产生感生表面电荷，使能带的近 表面端下降。,穿透深度l：与自由电子浓度的平方根成 反比,金属：n=1022/cm3，l=10-8cm， 电场穿透为1-2个原子层 半导体：n=1014-1019/cm3，l=10-4-10-6cm电场渗透作用不能忽略,能带在近表面向下弯曲：,肖脱基效应使势垒降低：,为无场渗透时的半导体的逸出功,外电场渗透与表面能带弯曲,2.表面

6、态,半导体表面存在外来原子形成表面态，将使半导体近表面能带发生弯曲。 表面态：分P型和N型P型：外来表面原子，接受电子，形成受主表面态。N型：外来表面原子，给出电子，形成施主表面态。,表面能级,表面态对半导体能带的影响,讨论N型半导体，具有P型表面态的情况,有电子从Ed跃迁到表面态中，在表面上形成负电荷，而半导体近表面层中形成正电荷区电偶极层,近表面能带向上弯曲：,表面态对表面能级的影响,2-2 半导体的场致发射公式,三种情况： 1.不考虑场渗透和表面态的影响,其中：,2.存在场渗透,3.存在表面态和场渗透,半导体场发射lnJ与1/的关系,第三节 内场致电子发射,内场致电子发射：利用在固体内部

7、产生的电场，使电子从固体进入真空的发射形式。固体的接触,金属与n型半导体的接触(EMES),金属与n型半导体接触的能级图,正向特性,反向特性,整流特性,整流特性,金属与n型半导体的接触(EMES),欧姆特性,靠近接触面的半导体导带中电子积累，形成高导区 外加电压将不降落在接触面上，而附加在整个半导体上（这部分电阻大），结果电子很容易通过接触面，电流将由半导体体电阻控制，接触面呈现欧姆特性。,半导体p-n结,半导体p-n结的能级图,内场致发射体有许多形式,定性分析由金属半导体或介质金属构成的内场致发射阴极的原理,半导体能带的倾斜和电子隧穿,五种隧穿,1.从价带到导带 2.从杂质中心或缺陷的局部能

8、级到导带 3.从阴极到导带（电子注入） 4.从价带到阳极（空穴注入） 5.在杂质中心的局部能级之间过渡,内场致电子发射的电流密度：,A、B为常数，n取值在12之间 W为发射电子终态和初态的能量差（或从两种不同物质逸入真空的逸出功的差）,第四节 场致发射电子的初能量,能量分布特点：常温下，金属场发射电子的能量 在费米能级EF附近,钨场致发射电子的能量分布,第五节 实用场致电子发射材料,5-1 尖端场致发射阴极由场致电子发射公式看出，要获得大电流密度的场发射，发射面就应有较大的电场强度。J2 在一定的电压下，电场强度与发射面曲率半径成反比。1/r 外场致发射阴极一般做成尖端形状，所用材料常为难熔金

9、属，如钨、钼、钽、铂等，还有六硼化镧。,场发射阴极的电流能散小，场发射电子 显微镜色散小，分辨率高。,场发射阴极的电流密度虽然很大（直流达107A/cm2，脉冲达108A/cm2），但因为一般强场的获得是靠阴极做成尖端的形式，阴极发射面积很小，所以总电流仍很小。 采用多尖端(106个/cm2，0.1m)或刀口,多尖端阴极,应用：,场发射脉冲X光管：电流14002000A脉宽30100ns 场发射电子注管：电流18kA脉宽350ns 开关管和微波管等,场发射X光管结构示意图,场发射电子注管示意图,等离子体场发射,等离子体：正离子与电子的密度大致相 等的电离气体。 等离子体场发射（或称爆发式电子）

10、不要求超高真空，对阴极尺寸的要求也大大降低（有时甚至可用平面石墨阴极）,但却可以提供纳秒或微秒量级的巨大脉冲电流。 等离子体场发射的物理过程,等离子体场发射形成过程,等离子体场发射只能工作在脉冲状态,应用：大面积电子注激发气体激光管,电子注横向激励的激光管,5-2 小功率冷阴极,低压小电流冷阴极 下面介绍几种典型的内场致发射体。,5-2.1 钼锥薄膜场发射阴极,用薄膜技术制造 1mm21万个以上 真空微电子 FED,钼锥薄膜场发射阴极结构示意图,场致发射阵列FEA,碳纳米管CNT,CNTFEA,5-2.2 薄膜冷阴极,薄膜阴极示意图,薄膜电流及发射电流与薄膜电压的关系,阴极传输比：=Ia/I,

11、SED表面传导电子发射体显示器件 氧化钯(PdO),SED器件的象素单元结构,喷墨印刷PdO薄膜,SED器件的SCE阴极板,5-2.3 金属介质金属 夹心冷阴极,MIM或MSM 介质层厚几十埃 过热电子 阳极（发射）电流Ia和传导电流I,介质膜内场致发射体的能级结构,夹心冷阴极的内场致发射特点：,1.偏压VB一般只有几伏 2. 发射电流密度为：直流10-3A/cm2脉冲10A/cm2 3.传输比=10-510-4 4.效率=10-3A/W 5.可控制噪声：,介质中的电场必须满足：,设对极EC=5eV，如介质薄层厚100埃， 当eVB=EC时，偏压VB=5V， 则介质中电场=5106V/cm，此

12、电场接近击穿电场，可能引起阴极工作的不稳定。 ED大，EB和EC小，可减小工作电场。,金属介质金属薄膜冷阴极结构示意图,5-2.4 肖脱基势垒冷阴极,肖脱基势垒冷阴极的结构和接线示意图,肖脱基势垒冷阴极的工作机理,5-2.5 反向偏压半导体PN结 电子发射体,在P型半导体表面上生长一层极薄的N型半导体 在这个PN结上加一反向偏压 电势差变为VVD,反向偏压PN结的能级结构,当这个内电场足够强时：,P型区满带中的电子就有可能得到足够高的能量，穿过PN结，并在结中得到加速，然后进入N型区的导带，并越过表面势垒进入真空，这种结构称为端面结构阴极。PN结中的电子也可能从空间电荷区（结区）直接进入真空，

13、其方向垂直于电场，这个过程只发生在结区边缘一个自由程的地方，电子由于某种散射机构改变其发射方向，这种结构称为边缘结构。,PN结冷阴极示意图,5-2.6 负电子亲和势冷阴极,由于近表面能带向下弯曲，当体内导带底高于真空能级时，其有效电子亲和势为负的。=E-Eg， EgE 在N型半导体上外延生长P型薄层，形成PN结。 P型重掺杂，费米能级降到近满带顶。 表面铯处理，形成N型表面态。,负电子亲和势冷阴极结构,负电子亲和势内场发射能级结构,补 充,E.W.Mller：1937年发明FEM1955年发明FIM1968年首先建立FIM-AP 一、场发射显微镜（FEM） 基本原理：J是逸出功的函数，固体不同

14、晶面的逸出功不同。,场发射显微镜结构图,钨丝(110)的场电子发射图像,二、场离子显微镜（FIM）,1. 场解吸和场蒸发 2. 场电离 3.场离子显微镜（FIM）主要是利用场电离原理制成，正离子沿电力线加速运动，打到荧光屏上，显示原子结构图像。具有原子级的分辨率。,场离子显微镜结构图,钨(110)的(FIM)像,三、原子探针场离子显微镜(FIM-AP),FIM与高灵敏度的质谱计（飞行时间质谱AP）的结合，分析场蒸发离子的成分。,FIM-AP结构图,四、扫描隧道显微镜（STM）,1981年由Binnig和Rohrer发明，1986年获得诺贝尔奖。 基本原理：导体针尖与样品之间的隧道电流是两者的距离的函数，从而测量出样品表面原子结构的形貌图。,STM的主体结构图,STM工作原理示意图,五、原子力显微镜（AFM）,扫描隧道显微镜的工作原理和针式轮廓曲线仪的工作原理的结合 原理：针尖尖端上的原子与样品表面上的原子间的相互作用力为静电力、范氏力等，作用力的大小与它们之间的距离有某种反比关系。,AFM的主体结构图,