高频器件中阴极发射的研究及结构设计

论文题目: 高频器件中阴极发射的研究及结构设计

论文类型: 硕士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 赵红平

导师: 李晓华,雷威

关键词: 碳纳米管,高频器件,发射电流密度,电子聚束系统,离子轰击

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 过去几十年中,世界各国投入大量资金竞相发展固态器件,尽管它在低频范围内取代了部分中小功率微波电子管,但80年代以来的进展表明,固态器件的功率能力受到极大的限制,无法满足下一代武器系统的需要。真空微电子器件兼顾了固态器件和真空器件的优点,成为世界各国竞相研究的热点。碳纳米管作为重要的冷阴极材料,已被广泛地研究应用于场致发射显示器(FED)。近年来,由于碳纳米管发射性能的不断提高,又被认为有应用于高频器件的潜力。本文主要研究如何提高碳纳米管的发射电流密度及发射均匀性,以期应用于高频器件。本文针对发射均匀性和发射电流密度这两个问题进行了研究,在第三章中对不同的碳管排列进行了模拟计算,结果显示圆环形分布的碳管发射均匀性较好;其次,第三章中还研究了如何从阴极结构上提高阴极发射电流密度,利用场致发射的边缘效应,采用将阴极分成若干小单元的方法来增加边缘以提高场发射电流密度,计算结果显示对结构中的某些参数进行优化可以提高发射电流密度。结果还显示,将阴极划分成小单元还可以提高整个阴极发射的均匀性。将碳纳米管应用于高频器件,另一个重要问题是如何得到聚束良好的电子束,本文第四章主要研究设计了不同的聚束电子通道。从控制电子通道出口处电子的横向电子速度及电子分布范围的大小来设计通道结构,将倒置的漏斗状的内壁涂有绝缘材料的电子通道作为基本的电子束聚束系统。对四种不同的结构进行了计算,并得到了一种聚束较好的结构。场发射阴极受离子轰击是导致阴极发射跌落的一个重要因素,由于真空器件中所使用的消气剂不能除去残余气体中的惰性气体,本文第五章主要讨论了残余气体中的惰性气体对两种最常使用的场发射阴极(硅和钼)的离子轰击损伤。通过计算电子发射的过程、电子在通道内的轨迹及离子的产生,得到了在阴极表面的离子轰击带来的损伤。计算中对不同的惰性气体(包括氖、氩、氪、氙)进行了模拟,并对结果进行了比较,结果显示,在相同的轰击条件下,材料硅的轰击损伤比材料钼的损伤大,因此材料钼的耐轰击能力比硅的强;另外,结果还显示,残余气体的原子序数及原子质量越大的残余气体,对阴极的破坏性就越强。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 真空电子发射

1.1.1 热电子发射

1.1.2 场发射

1.2 冷阴极在高频器件中的应用

1.2.1 FEA（Field Emission Array）在微波器件中的应用

1.2.2 碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)作微波器件发射源

1.3 论文的选题及主要工作

第二章 场发射理论

2.1 表面势垒和电子发射

2.2 场致发射分类

2.2.1 金属场致发射

2.2.2 半导体场致发射

2.2.3 内场致发射

2.3 场致发射电子的能量分布和 NOTTINGHAM 效应

2.4 空间电荷效应

第三章 场发射阴极结构的研究

3.1 引言

3.2 场致发射阴极发射均匀性的研究

3.2.1 计算模型

3.2.2 发射电流密度的估计

3.2.3 三种阴极结构下发射电流密度的比较

3.2.4 碳管高度对场增强因子的影响

3.3 边缘场对场发射的影响

3.3.1 计算模型

3.3.2 不同划分方法的比较

3.3.3 CNTs 膜的高度对边缘效应的影响

3.3.4 阴极分块对荧光屏上均匀性的影响

3.4 小结

第四章 碳纳米管作发射源的微波管聚束系统设计

4.1 引言

4.2 二次电子发射机理

4.2.1 二次电子发射的物理过程

4.2.2 半导体、绝缘体的二次电子发射

4.3 冷阴极微波管聚束系统的设计

4.3.1 计算模型1

4.3.2 计算模型2

4.3.3 计算模型3

4.3.4 计算模型4

4.4 小结

第五章 场发射阴极受离子轰击的研究

5.1 引言

5.2 离子的产生及阴极受损程度的数值模拟

5.2.1 离子的产生

5.2.2 阴极受损程度的模拟

5.3 离子轰击模拟模型

5.3.1 模型结构

5.3.2 模拟的八种不同情况

5.4 模拟结果及讨论

5.4.1 等位线分布、电子轨迹及离子轨迹

5.4.2 离子损伤的比较

5.5 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者简介

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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