真空微電子三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、<p>　　真空微電子三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：真空微電子學(xué)既是新興學(xué)科、又是交叉學(xué)科，是目前國內(nèi)外電子學(xué)研究的主要課題之一。我國的真空微電子學(xué)課題自80年代初被提上日程起，不斷取得新的研究成果，為我國的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。在這其中，真空微電子三極管作為一個(gè)研究分支，也得到了很大的重視。本文在概述真空微電子器件場致發(fā)射理論的基礎(chǔ)上，通過電腦模擬的方法建立模型并仔細(xì)分析，探討了真空微電

2、子三極管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：真空微電子三極管 優(yōu)化設(shè)計(jì) 電腦模擬 </p><p>　　真空微電子學(xué)是橫跨微電子學(xué)、真空電子學(xué)、高場下的物理學(xué)、材料科學(xué)等的交叉學(xué)科，主要探索場致發(fā)射理論、新結(jié)構(gòu)、陣列制備工藝等。真空微電子器件采用的是場致發(fā)射陰極，電壓低、電流密度大、體積小、噪聲小、跨導(dǎo)大、壽命長，是微電子器件的主要工藝之一。真空微電子器件的電腦模擬主要探索器件內(nèi)

3、各點(diǎn)場強(qiáng)與模擬電荷法、邊界元法的計(jì)算關(guān)系、陽極電流的計(jì)算、發(fā)射頻率上限計(jì)算、跨導(dǎo)計(jì)算和小信號增益計(jì)算。 </p><p><b>　　一、理論基礎(chǔ) </b></p><p>　　1.1場致電子發(fā)射。場致電子發(fā)射理論是指以強(qiáng)表面電場使物體表面勢壘降低、寬度變窄，使物體內(nèi)電子更能穿透表面勢壘實(shí)現(xiàn)溢出的電子發(fā)射理論。場致電子發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)是電流密度大、沒有發(fā)射時(shí)間遲滯現(xiàn)象，較之

4、前的熱電子發(fā)射有很大優(yōu)勢。它的主要原理是：正向動(dòng)能超過表面勢壘高度的電子會被部分反射回金屬內(nèi)部，反射回去的概率與勢壘本身的形狀，以及正向動(dòng)能超過勢壘的高度差密切相關(guān)。結(jié)合隧道效應(yīng)，隨著穿入勢壘的加深，電子波函數(shù)的振幅變小。強(qiáng)場作用下，會出現(xiàn)表面勢壘降低、寬度變窄的現(xiàn)象，勢壘寬度變得與電子波長的數(shù)量級相當(dāng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)有效的隧道效應(yīng)了。這種情況下，半學(xué)體的場致發(fā)射與純金屬沒有本質(zhì)上的區(qū)別，而且溫度對發(fā)射電流的影響也不大，即使環(huán)境為絕對零度

5、，場致發(fā)射電流密度也可和鎢在2800K時(shí)的熱發(fā)射電流密度相當(dāng)。實(shí)現(xiàn)場致電子發(fā)射首先要考慮在發(fā)射體表面產(chǎn)生強(qiáng)電場的方式，現(xiàn)在的半導(dǎo)體微細(xì)加工和薄膜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大面積場致發(fā)射陣列的器件制造，它不但可以制造出單個(gè)式和陣列式的小曲率半徑的發(fā)射錐尖，還能將陽極與柵極的錐尖距離變得很微小，實(shí)現(xiàn)極低電壓下的場致電子發(fā)射。 </p><p>　　1.2真空微電子三極管的理論模型。真空微電子場致發(fā)射陰極的方法有體外電子發(fā)射（薄膜場

6、致發(fā)射的spindt陰極）和體內(nèi)電子發(fā)射（雪崩二極管陰極）兩種。體外電子發(fā)射（薄膜場致發(fā)射的spindt陰極）電壓低、真空要求較低、穩(wěn)定時(shí)間較長的有點(diǎn)，是本文的研究重點(diǎn)。 </p><p>　　真空微電子三極管包括場致發(fā)射陰極、柵極和陽極，工作原理是將電壓加至真空微電子三極管的陽極和柵極以導(dǎo)致陰極尖錐頂端產(chǎn)生107V/cm數(shù)量級的場強(qiáng)，使陰極發(fā)射的電子被陽極大量收集，形成三極管正向電流。影響真空微電子三極管的發(fā)射

7、性能的是發(fā)射體的形狀，在常見的錐球形、平面形、刀刃形、金字塔形等形狀中，刀刃形（楔形）場發(fā)射陰極易于電腦模擬，是本文真空微電子三極管電腦模擬的假設(shè)形狀，即陰極正對柵極，陰極尖端是光滑圓柱切入楔尖。在電腦模擬的計(jì)算架構(gòu)上，本文使用了泊松方程、拉普拉斯方程計(jì)算空間電勢，線性方程計(jì)算陰極尖端表面的電場分布，F(xiàn)owler-Nordheim方程計(jì)算發(fā)射電流密度，根據(jù)管內(nèi)電子發(fā)射軌跡計(jì)算電流大小，采取牛頓運(yùn)動(dòng)方程式計(jì)算陰極尖端發(fā)射的電子軌跡，以軌跡

8、的初始位置計(jì)算陰極尖端的有效發(fā)射角。 </p><p>　　二、真空微電子三極管優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1真空微電子三極管的電腦模擬函數(shù)。本次模擬采用的功函數(shù)為：4.5ev的硅發(fā)射體；結(jié)構(gòu)參數(shù)為：器件半寬度1.5um，柵孔平徑0.5um，尖端曲率半徑0.25um，陰極高度1.4um，陰極腔室半徑1.0um，陽極與基底間距8.0um，楔形發(fā)射體5.0um，柵極上邊界與襯底間距1.

9、6um，柵極下邊界與襯底間距1.2um；楔形真空微電子三極管電壓參數(shù)為：陽極電壓150V，柵極電壓為300V。 </p><p>　　2.2真空微電子三極管的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)論。本次模擬實(shí)驗(yàn)得出，陰極錐尖處的發(fā)射場強(qiáng)最大，發(fā)射體尖端的場強(qiáng)可達(dá)2.513*107/cm，電子呈直線發(fā)射、電子束散射角較大。實(shí)驗(yàn)得出，柵極電壓和陽極電流變大，發(fā)射體尖端曲率半徑影響陽極電流的程度變??；發(fā)射體尖端曲率半徑越小，陽極電流越大。實(shí)驗(yàn)得

10、出，柵孔半徑越小，柵極內(nèi)電場起伏越大，場強(qiáng)越大，陽極收集的電流越大。所以，實(shí)際生產(chǎn)楔形發(fā)射體型真空微電子三級管時(shí)，要把尖端做尖些、柵孔半徑做小些，以提高發(fā)射性能。實(shí)驗(yàn)得出，不同形狀的錐尖對應(yīng)的發(fā)射角度不同，spindt型錐尖對應(yīng)的陰極有效發(fā)射角為60度，圓柱錐尖對應(yīng)發(fā)射角為90度，金字塔錐尖對應(yīng)發(fā)射角為45度。所以，實(shí)際生產(chǎn)楔形發(fā)射體型真空微電子三級管時(shí)，要把發(fā)射體尖端曲率半徑做小些，發(fā)射體尖端的曲率半徑要小于50納米，以提高發(fā)射性能。

11、實(shí)驗(yàn)得出，陽極與基底的距離大小和發(fā)射角大小成反比。所以，實(shí)際生產(chǎn)楔形發(fā)射體型真空微電子三級管時(shí)，要把陽極與基底的間距減小，以提高發(fā)射性能。實(shí)驗(yàn)得出，楔形發(fā)射體的陰極長度、發(fā)射面積、表面電荷與柵-陰極間電容成正比。所以，所以，實(shí)際生產(chǎn)楔形發(fā)射體型真空微電子三級管時(shí)，要把柵極外半徑</p><p><b>　　三、結(jié)語 </b></p><p>　　真空微電子三極管的應(yīng)用

12、領(lǐng)域決定了發(fā)射頻率的重要性，器件的跨導(dǎo)和柵-陰極電容決定了發(fā)射頻率。電腦模擬可以精確求得楔形陰極真空微電子三極管的極間電容等數(shù)據(jù)及相互關(guān)系，用以指導(dǎo)真空微電子三極管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善器件發(fā)射性能。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　1、秦明.黃安慶.魏同立“場發(fā)射錐尖得制備與特性研究”，電子科學(xué)學(xué)刊.1997 </p>

13、<p>　　2、蔣孝煌編.《有限元法基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社.1998 </p><p><b>　　作者簡介： </b></p><p>　　賈姝娟（1976.02--），女，河北高陽人，碩士，滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：微電子與固體電子學(xué)。 </p><p>　　顧春祿（1975.04--），男，河北滄縣人，碩士，滄州職業(yè)技