第五章 场致电子发射

第五章 场致电子发射场致发射：依靠外加强电场压抑物体表面势垒，使势垒高度降低，势垒宽度变窄，这样物体内的电子通过隧道效应穿透过表面势垒而逸出。

优点：电流密度大，107A/cm 2，热发射，几百A/cm 2；冷阴极（无须加热阴极）问题：发射的稳定性，阴极寿命还未完全解决产生强电场的方法：1、 提高电压，发射体做成曲率半径很小的尖端形式。

2、 采用薄膜技术，缩短阴阳极间距离。

5.1 金属场致发射理论一、与经典理论的矛盾 加速场：肖特基效应||'εϕϕke e −=，)||44.0exp(0εT j j a = 1、 E 较强时，实验结果得出的电流大于上式2、 E 较强时，低温时（T<1000K ），电流与温度无关二、场致发射的定性解释 场致发射：)exp(2EB AE j E −= A ，B 是与φ有关的常数 E x 大于Wa 的电子，仍有可能被势垒反射回金属内部 E x 小于Wa 的电子，也可能“穿透势垒”而逸出――隧道效应势垒曲线a ：零场，理查生－德施曼方式（势垒无限宽，考虑偶电层力，镜像力） 曲线b ： 弱电场，肖特基效应（势垒高度降低，宽度变窄，只考虑了势垒高度的降低，是弱电场的热发射。

温度对发射的影响远大于电场对发射的影响）微粒性 势垒很宽：热反射电子数目》遂穿电子数目曲线c ：低温、强电场，隧道效应（势垒高度进一步降低，宽度变窄到电子波长数量级，隧道效应起主要作用，隧穿电子数目）热反射电子数目，j 可达108A/cm 2，T<1000K 场致发射，温度对发射的影响则不大。

）波动性 曲线d ：极强电场，成本高，没有必要隧道效应粒子能穿透比动能更高的势垒的现象，隧道效应是微观粒子具有波动性的表现，隧道效应对势垒宽度十分敏感如一个α粒子穿过一个势垒：V 0－E 势垒宽度a 透射系数|T|21MeV ~10-14m 10−41MeV ~10-13m ~10-38对于宏观物体，隧道效应在实际上已经没有意义。

5.1.3场致发射方程――福勒－诺德海姆方程一、假设条件1、 电子能量满足费米－狄拉克分布2、 金属表面光滑，考虑镜像力3、 逸出功分布均匀二、方程与热发射类似，∫∞=0),(x e dvp E D e j ε1、 计算dvp x （单位时间，打到单位面积上，x 方向动量分量）2、 求出D （Ee ， ε）：确定势垒的形状，表示出势能函数，电子运动视为电子波的传播，满足薛定锷方程；确定边界条件，满足单值和连续；求出电子波在各界面上的入射波、反射波，求出反射系数R= (反射波振幅)2 / (入射波振幅)2，透射系数D=1-R3、 将dvp x 和D （Ee ， ε）代入，积分得，福勒－诺德海姆方程T ＝0K ，)]1079.3(1083.6exp[1054.1)0(472623φεθφφφε−−××−×=j ） j 的单位为A/cm 2，ε单位为V/cm ，φ的单位为eVθ（x ）为诺德海姆函数，是一慢变函数 简化，得)exp(2E B AE j E −=，热电子发射)exp(20kTAT j M ϕ−= 5.1.4 温度对场致发射的影响当kT/d<1，即T<2/131083.8ϕε×<T ，单位：T 为K ，ε为V/cm ，φ为ev 得))/sin(/)0()(d KT d KT j T j ππ= （a ） 当πkT/d<1，简化为])(611)[0()(2L ++=dKT j T j π （b ） ε(V/cm) T(K) πkT/d应用式 j(T) 300 0.4 （b ） 1.03j(0)4×1071000 1.5 （a ） 1.5j(0)温度更高，取更多级数或用数值积分法来计算。

P120，图2－24低温（T<1000K ），T 对j 影响很小一、j 与T 较高温度（T ：2000～3000K ），T 对j 影响较大强电场，T 对j 影响变小低温时，场致发射起主要作用，温度变化引起热电子发射电流密度的改变不大（主要在E F附E对j影响小强场场致发射，E对j影响大三、j与φ：j随φ下降而上升5.2.3 场致发射的稳定性场致发射，φ和E对j影响很大。

E=αU，α－电场系数，与电极形状有关保持j的稳定性：保持φ和场发射阴极尖端形状不变。

影响因素：气体的吸附和脱附影响φ，离子回轰阴极（溅射）影响α。

采取措施：提高真空度（>10-8Pa），预加热阴极，选用耐离子轰击材料；脉冲状态工作超高真空技术：1954年直流25µA，5h；1960年直流1.5mA，1000h；5. 3 半导体的场致发射半导体的场致发射本质与金属一样，但有不同之处：1、导带中电子的浓度是施主种类、施主浓度和温度的函数；2、导带中电子能量满足麦－玻分布3、电子逸出表面时，镜像力要乘以一个修正系数特点：j max小，lgj~1/E非线性一、外电场的渗透作用：表面能带弯曲（渗透深度与电子浓度的平方根成反比）n（个/cm3）渗透深度（cm）金属1022 （3～5）×10－9半导体1014～1018 （3～5）×10－7～（3～5）×10－5（几十至几千原子层）二、表面态的影响：屏蔽作用（1013cm-2，可忽略外电场的渗透作用5. 4 场致发射的应用一、单尖场致发射阴极高亮度电子源（105～106A/cm2），应用领域：扫描电子显微镜，电子束光刻机二、多尖大电流场致发射阴极增加j，续增加尖端的曲率半径，工作电压和窄脉冲状态工作（a）梳形多尖端阴极（b）矩阵多尖端阴极1968年，美国斯坦福研究院的Dr.C. A.Spindt等用微细加工技术制出了栅控金属钼微尖场发射阵列（FEA），为FED（Field Emission Display）打下了基础，基本结构。

FED主要有两部分即平面电子源场发射阵列FEA和阳极荧光屏构成，再加上外围的辅助部分如消气剂、支撑柱、驱动电路等。

其中阳极的作用是收集电子产生荧光，而平面电子源通常由阴极和栅极构成，阴极发射电子，栅极加以调制，控制发射电流的大小，以便能够在阳极上显示图像。

因此一般FED也称为三极型FED，其原理图如图所示。

从图中可以看出，传统的FED的核心微尖型发射阵列由数以万计的尖锥和对准的栅极孔阵列组成，并且与阳极屏上涂有荧光粉的像素点一一对应。

在阴极和栅极之间是SiO2绝缘层，厚度在1μm左右。

阳极和栅极之间的距离约200μm，由隔离柱（支撑柱）支撑。

支撑柱起到固定阳极和栅极之间距离的作用；另一方面因为FED内部为高真空，所以支撑柱还起到承受外界大气压的作用。

阳极采用透明导电膜（ITO），其上涂敷荧光粉。

栅极、阳极和阴极由各自的引线电极与外围的驱动电路相连。

阴极和栅极互相垂直，利用栅极和阴极之间加上不同的电压实现矩阵式选址。

每个阴极和栅极的交叉点就是一个像素。

当栅极相对于阴极的电压超过阈值时，阴极的微尖发射，该像素被点亮；当电压低于阈值时，微尖不发射，像素不亮。

三、扫描隧道显微镜（STM）目前常规电子显微镜的分辨率可以达到理论的极限，但仍然无法在实空间看到一粒粒表面原子。

能看到一粒粒原子在空间的排列是几代科学家孜孜以求的梦想。

观察和操纵原子的科学意义是显而易见的。

从形状各异的晶体到千姿百态的高分子，到千变万化的生物分子，人们只有首先了解其结构，才能彻底理解客观物质的特性及变化规律，在此基础上解决长期悬而未决的重大科技问题，然后在纳米甚至原子尺度上设计具有特殊用途的材料和器件。

1986年瑞典诺贝尔物理评审委员会认为应奖励能直接观察原子行为的工具的发明者对科学的重要贡献。

目前，这类工具只有三种：透射电子显微镜(TEM)、场离子显微镜（FIM）和扫描隧道显微镜（STM）。

遗憾的是场离子显微镜的发明者穆勒（E.W.Muller）于1977年死于车祸，失去了获奖机会。

穆勒）的博士生，杨（R.D.Yang）于1972年在美国国家标准局构思了STM的雏形－形貌扫描仪。

当时，由于技术上的局限性和分辨率不高而未引起科技界的注意。

80年代初，真空、微电子、计算机技术迅速发展，为STM技术发展奠定了物质基础。

1982年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家宾宁（G.Binnig）和罗勒（H.Rohrer）成功发明了STM。

这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。

为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。

STM成为人类认识微观世界的有力工具。

利用STM宾宁等人首次在实空间成功地拍下了硅（111）7×7重构表面原子排列图像。

当看到一粒粒硅原子象阳光下的玻璃弹子一样清晰整齐地排列，整个科技界都受到极大震动。

硅（111）7×7重构表面扫描隧道显微镜，实际上就是一个由电子计算机操纵控制的长探针，它的一头变得越来越细，细到尖端就只有几个原子的厚度了。

其原理结构如图所示，探测针尖由极尖锐的钨或铂—铱合金做成。

附着于压电驱动器上，后者有三个互相垂直的压电传感器：P x ，P y ，P z 压电陶瓷臂，外加电压使压电元件伸长或收缩，P z 用以调节针尖与样品表面间的距离，P x 、P y 则可使针尖沿着样品表面扫描。

整个装置置于高真空中。

在P x 压电元件上加锯齿型电压，而在P y 压电元件上加台阶电压，针尖就可以在XY 平面内扫描。

运用粗定位器和P z 压电元件，把针尖带到与样品距离1nm 之内。

根据量子力学，针尖和样品的电子波函数会相互重叠。

在针尖—样品间加上偏压，导致电流的产生。

这种电流是量子效应，称为隧道效应。

针尖与样品间距的极微小变化都会引起隧道电流的急剧变化。

纳安级的隧道电流经电流放大器转换成电压，并与参考值作比较。

其差值再次放大以驱动P z 压电元件，调整针尖—样品间距。

选择放大器的位相以提供负反馈：若隧道电流大于参考值，加在P z 压电元件上的反馈电压倾向于使针尖后撤，反之亦然。

由此通过反馈回路建立P z 的平衡位置当针尖沿XY 平面扫描时，利用计算机很容易记录下来P z 平衡位置的二维阵列，即描绘相同隧道电流的面所形成的轮廓图。

该图描绘出样品的表面形貌，在一定条件下，可以绘出单个表面原子的图像。

扫描隧道显微镜原理图STM 针尖针尖与样品是两个电极，当样品相对于针尖加以正电压V T 时，针尖在强电场作用下将产生隧道电流反射。

隧道电流J T 是针尖与样品表面间距离s 和样品表面局部逸出功φ的函数，即)exp(23s B AV j T T φ−=式中，A 、B 是常数。