[发明专利]一种大电流场致发射阴极结构

说明书

技术领域

本发明是一种大电流场致发射阴极结构，涉及场致发射电子器件中电子源的结构及其相应的制备。 

背景技术

电子源是真空电子器件的核心。在各种真空电子源中，电子的发射大致可分为热阴极电子发射、光致电子发射和场致电子发射等几大类。所谓场致发射是指在场致发射阴极前施加一个较高的电场，由于隧道效应出现表面势垒降低、变薄，电子从固体中发射到真空，形成场致发射电流。与热阴极电子发射相比较，电子不需要通过加热获得能量，所以场致发射阴极的功率小，响应速度快，而且可以实现小型化和集成化。基于场致发射阴极的真空微纳电子器件是电子器件发展的一个重要方向。

做为电子器件的电子源，需要场致发射阴极能够提供较大的电流发射能力。然而对于现有的场致发射阴极，当阴极发射面积比较小时，可以获得很高的平均发射电流密度。但是，当阴极面积增大时，平均发射电流密度迅速减小，因此很难获得较大的场致发射电流，制约了场致发射阴极在电子器件中的应用。

限制场致发射阴极发射电流进一步提高的机制尚不完全被人们所认知，但是部分负载过重的发射体首先损毁已经被实验研究所证实。在制备场致发射体阵列过程中，由于制备工艺参数的精确控制程度有限，各个发射体的高度、取向性等几何参数不完全一样。例如，通常情况下，发射体的高度起伏大于10%。由于场发射结构中阴极与阳极之间距离较小，发射体的高度和取向性变化导致发射体表面的电场分布改变。根据经典的Folwer-Nordheim场致发射理论，场致发射电流密度近似与发射体表面电场强度呈指数关系。因此，发射体阵列中高度和取向性的零散使各个发射体的发射电流密度出现很大差异。场致发射阴极面积越大，其发射电流密度的不均匀性越大。当在阳极上施加一高电压时，部分发射体首先发射电子。由于此时大部分发射体尚未有电子发射，所以场发射阴极的总发射电流

仍然较低。随着阳极电压的升高，这些优先发射的发射体电流密度迅速增加，甚至出现过负载现象。过载的场致发射体在大电流作用下发生热释重、焦耳热熔等，导致迅速损毁。过载发射体的损毁还将使器件的真空环境急剧恶化，使其它未过载的发射体也随之损毁，导致整个场致发射阴极的失效。

针对场发射阴极存在的上述问题，本发明提出一种大电流场致发射阴极结构。采用本发明的大电流阴极结构，可以将场致发射阵列的发射不均匀性控制在10%以内，从而获得较大的发射电流。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种大电流场致发射阴极结构。在场发射阴极结构中，场致发射体被设计成若个相互电学隔离的点阵。根据每个场发射阴极点的电流发射特性，再设计与场发射阴极点阵相匹配的电阻点阵。通过场致发射阴极点阵与电阻点阵，实现场致发射阵列的均匀发射，获得较大的场致发射电流。

技术方案：本发明的大电流场致发射阴极结构为：在基板上设有场发射阴极点阵列，该阴极发射点阵具有二维结构，共有m行、n列；与场致发射阴极点阵对应，在基板上的场发射阴极点阵列的下方制备贯穿通道，并在通道中填充导电材料，通过贯穿通道及导电材料实现场发射阴极点阵与外电阻阵列电性连接；根据每个场发射阴极点阵不同的电流发射特性，在每一个场发射阴极点阵下匹配不同的电阻，这些电阻构成外电阻阵列；场发射阴极点阵列通过外电阻阵列与外接电源负极相连接；外接电源的正极与阳极向连接，实现均匀场致发射，获得大发射电流。

基板为绝缘介质基板，各场发射阴极点阵相互之间为电学绝缘。

所述的外电阻阵列中，第i行、第j列所对应的匹配电阻R(i,j)的确定方法为：首先将场发射阴极点阵列中第i行、第j列的场发射阴极点与外接电源相连接，测试不同电压下阳极电流，获得每个场发射阴极点的电流-电压曲线，根据每个场发射阴极点的电流-电压曲线，得到在设定电流I时，第(i,j)个阴极发射点所要求的阳极电压V(i,j)；获得整个场发射阴极点阵所要求的最大阳极电压V_max；第(i,j)个阴极发射点所匹配的电阻R(i,j)由公式                                                决定，并用同样的方法得到场发射阴极点阵列中，每一个阴极点所匹配的电阻。