Діодні та тріодні генератори

Для розрахунків статичних та динамічних характеристик використовувалось рівняння Лапласа сумісно з формулою Фаулера-Нордгейма та рівняння Лапласа (Пуассона) сумісно з рівнянням безперервності, при цьому граничні умови по щільності струму розраховувались за формулою Фаулера-Нордгейма. При розрахунку струму емісії для Si катода, вкритого АП чи АПП, використовувалась інжекційна модель, згідно якої електронну інжекцію в шар алмазу можна розглядати аналогічно автоелектронній емісії в вакуум, при цьому в якості роботи виходу використовується висота потенційного бар'єру на границі розподілу кремній/алмаз.

На основі запропонованої математичної моделі розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє здійснювати моделювання діодних та тріодних вістрійних структур.

Знайдено також аналітичне розв'язання рівняння Лапласа для діодних структур, за допомогою якого здійснена оцінка граничної частоти для діодної структури на основі кремнієвого вістря, а також на основі кремнієвого вістря, вкритого алмазоподібною плівкою. Доведено, що гранична частота для таких структур може досягати величини порядку 10¹² Гц, при цьому покриття кремнієвого вістря алмазоподібною плівкою може підвисити граничну частоту більше ніж на порядок за рахунок збільшення провідності структури.

Проведено моделювання вістрійних діодних структур на основі кремнієвого вістрійного катоду. Розраховані розподіл напруженості та потенціалу, а також ВАХ для діодних структур с різним радіусом кривизни катоду. Показано, що анодна напруга для такого діода повинна складати сотні та тисячі вольт, що може призвести до руйнування катода та нестабільності струму емісії. Отримані теоретичні результати підтверджуються експериментальними даними.

Проведено моделювання вістрійних діодних структур на основі кремнієвого вістрійного катоду, вкритого алмазною чи алмазоподібною плівкою. Розраховані ВАХ для діодних структур з різним радіусом кривизни вістря та різною товщиною покриття. Використання АПП в якості покриття катоду дозволяє зменшити робочі напруги на порядок у порівнянні з діодними структурами без покриття, що обумовлено від'ємною спорідненістю до електрону в АПП. Отримані теоретичні результати підтверджуються експериментальними даними.

Проведено моделювання вістрійних діодних структур на основі кремнієвого катоду з резонансною квантовою ямою.

Обчислення проводились для діодної структури на основі вістрійного катоду з Si-SiO₂-Si-SiO₂ квантовою ямою, та для діодної структури з катодом, вкритим ультратонкою алмазоподібною плівкою як з плоским, так і з вістрійним катодом. Наявність квантової ями дозволяє за рахунок ефекту резонансного тунелювання отримати емісію електронів при відносно низьких робочих напругах, що становлять сотні вольт для вістрійних структур. Від'ємна динамічна провідність в таких структурах може досягати величини -10⁴Ом^-1см^-2. Проведена оцінка граничної частоти для таких приладів, яка може складати величину порядку 10¹²Гц.

Наведені експериментальні результати для вістрійної структури з Si-SiO₂-Si-SiO₂ квантовою ямою, а також для плоскої та вістрійної структури с тонким алмазоподібним покриттям. Експериментальні результати підтверджують результати теоретичних досліджень.

Наявність від'ємної динамічної провідності дозволяє використовувати такі структури для створення генераторів та підсилювачів НВЧ. Недоліком таких приладів є неможливість електронної перебудови частоти, що пов'язано з фіксованим часом затримки електрону в резонансній квантовій ямі.

Проведено математичне моделювання для тріодної структури на основі кремнієвого вістрійного катоду. Розраховані розподіл потенціалу та напруженості електричного поля для різних значень потенціалу сітки, а також ВАХ для таких тріодів. Показано, що робочі напруги для таких структур мають складати десятки вольт на сітці та сотні вольт на аноді, що є одним з недоліків таких структур. Наведені експериментальні результати. Отримані теоретичні результати підтверджуються експериментальними даними.

Проведено моделювання тріодних структур на основі кремнієвого вістрійного катоду, вкритого алмазоподібною плівкою. Розраховані розподіл потенціалу та напруженості електричного поля для різних значень потенціалу сітки, а також ВАХ для таких тріодів. Показано, що робочі напруги для таких структур в декілька разів менше у порівнянні з тріодними структурами на основі кремнієвого вістрійного катоду без покриття, що обумовлено від'ємною енергією спорідненості в АПП. Недоліком таких структур є складність виготовлення, а також падіння напруженості електричного поля в раз в діелектрику.

Вперше запропонована нова тріодна структура на основі вкритого алмазоподібною плівкою кремнієвого вістрійного катода. Принциповою відміною запропонованої структури є розташування сітки безпосередньо на поверхні алмазоподібної плівки. Розраховані розподіл потенціалу та напруженості електричного поля для різних значень потенціалу сітки, а також ВАХ для таких тріодів. Наведено, що розташування сітки на поверхні алмазоподібного покриття дозволяє підвисити напруженість електричного поля біля поверхні кремнієвого вістря за рахунок того, що падіння потенціалу сітки відбувається тільки в шарі діелектрику. Збільшення напруженості електричного поля біля поверхні кремнієвого вістря відповідно призводить до збільшення струму емісії.

Наведено, що для запропонованої структури струм емісії слабо залежить від відстані катод-анод. Це обумовлено тим, що напруженість поля у поверхні кремнієвого вістря залежить переважно від напруги на сітці, тобто теплова чи механічна деформація аноду не призведе до суттєвої зміни струму емісії. Це є перевагою для таких пристроїв, як автоемісійні дисплеї, де однією з проблем є нерівномірність відстані катод-анод внаслідок деформації анодної пластини.

Досліджені режими роботи такої структури, які дозволяють отримати підсилення та множення. Така структура рекомендована для створення генераторів, підсилювачів та помножувачів НВЧ міліметрового та субміліметрового діапазонів.

Геометричні параметри запропонованої структури обумовлюють такий розподіл потенціалу, що робить можливою надбар'єрну емісію при низьких робочих напругах. Це відкриває перспективи застосування в запропонованій структурі матеріалів с позитивною енергією спорідненості для створення низьковольтних приладів вакуумної мікроелектроніки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

Жовнир О.Н., Миронов Д.В., Чайка В.Е. “Динамические характеристики острийных микроэлектронных структур ” - Известия ВУЗов, 1997, том.40, №4, с.60-64.

Д.В.Миронов, Н.М.Гончарук, Л.М.Недашковская, В.А.Зорин. “Использование диодных структур с острийным катодом для получения отрицательной дифференциальной проводимости” - Электроника и связь, 1998, вып.4, с.424-427.

V.E.Chayka, N.M.Goncharuk, D.V.Mironov. “Negative dynamic conductivity in diode structure with the cone cathode”. MSMW'98 Symposium Proceedings, Kharkov, Ukraine, September 15-17, 1998.

Д.В.Миронов, В.Е.Чайка, Н.Ф.Жовнир, И.В.Яровая.- “Статические характеристики диодных структур на основе покрытых алмазом кремниевых автоэмиттеров.” - Электроника и связь, 1999, вып.6, с.250-253.

В.Е.Чайка, Н.М.Гончарук, Д.В.Миронов. - “Отрицательная динамическая проводимость в диодных структурах с многослойным острийным катодом” - Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1999, т.40, №10, стр.76-80.

В.Е.Чайка, Н.Ф.Жовнир, Д.В.Миронов. - “Сравнительные характеристики диодных и триодных структур ваккумной микроэлектроники на основе острийных катодов” - Электроника и связь, 2000, №8, т.1, стр.19-21.

Размещено на Allbest.ru