（光学工程专业论文）冷阴极在高频器件中的应用研究.pdf

摘要 摘要 在过去的几十年中，世界各国投入大鼍资金竟相发展i 司态器件，尽管它在低频范同内取代了部 分中小功率微波电子管，但多年的研究进展表明，i 司态器件在高频大功率方面的应用受n t 极大的 限制。而真空微电子器件兼顾了固态器件和真空器件的优点，成为世界各国研究的热点之一。 冷阴极电子源由于其诸多的优点被认为是传统热阴极电子源的理想替代，已被应用与场致发射 显示器( f e d ) ，x 射线管等的研究中。近年来，随着冷阴极性能的不断提高，使其具有应用于高频 器件的潜力。在高频器件的研究中，p i c ( p a r t i c l e i n - c e l l ) 方法被刚来计算电磁场中带电粒子的行 为特征，是现阶段计算场与粒子互作用的首选方法之一。 本文在介绍冷阴极和场致发射原理的基础上，利用p i c 方法进行模拟研究r 作。基于p i c 方法 的数值模拟软件，是目前计算高频器件中场与粒子能量耦合，冷阴极发射等的典型软件。本文详细 讨论了p i c 方法原理，包括场方程，粒子方程，场和粒子耦合以及它们的边界条件等。同时还对基 于p i c 方法的软件原理和使用做了归纳总结。 冷阴极电子源应用于微波器件，要求其具有较大的发射电流密度和良好的聚焦性能。本文通过 对三种结构( 二极结构，三极结构，h o p 结构) 冷阴极电子源进行模拟，分析讨论了它们的发射电 流密度和聚焦性能。在二极结构中，尽管发射电流密度比较人，但聚焦效果很不好；三极结构中， 在与二极结构阴阳极电压相同的情况下，通过调。竹栅极电压，可以得到比二极结构更大的发射电流 密度，并且聚焦性能得到改善，但随着栅极电压的增加，电子聚焦性能变差，于是采用h o p 结构来 解决这个问题，h o p 结构中，可以得到与三极结构相近的发射电流密度，并且在同一阳极电压下， 其聚焦性能较三极结构好。 冷阴极微波三极管通过栅极电压对发射电流直接进行密度调制，在阴一栅空间，随着频率的增加， 电子流密度调制效果变差，减小阴一栅距离，能够在更高频率上得剑更好的密度调制效果。在栅一阿1 空间，电子流山现聚束现象，并且呈周期性密度调制状态，随着频率的提高，栅一阳空间内密度调制 电子流的周期数增加。 关键词：场致发射高频器件p i c ( p a r t i c l e i n c e l l ) 方法冷阴极电子源冷阴极微波三极管 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gp a s td e c a d e s ，m a n yc o u n t r i e sf u n d e dt h er e s e a r c h o fs o li d - s t a t ed e v i c e s al t h o u g ht h e s o l i d - s t a t ed e v i c e sh a sr e p l a c e dl o wp o w e rm i c r o w a v et u b e si nt h el o wf r e q u e n c yr a n g e ，s of a rt h e s o l i d s t a t ed e v i c e ss t i l lh a v em a n yp r o b l e m si nh i g h f r e q u e n c ya n dh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n s h a v i n gt h e a d v a n t a g e so fb o t hs o l i d s t a t ed e v i c e sa n dv a c u u md e v i c e s ，v a c u u mm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r eb e c o m i n g o n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c ht o p i c si nt h ea r e ao fv a c u u ms c i e n c e c o l dc a t h o d ee l e c t r o ns o u r c e sa r ec o n s i d e r e da st h ei d e a le l e c 仃o ns o u r c e st or e p l a c et h et r a d i t i o n a lh o t c a t h o d ee l e c t r o ns o u r c ed u et ot h e i re x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s t h e i ra p p l i c a t i o n si nt h ef i e l de m i s s i o n d i s p l a y ( f e d ) 。x r a yt u b ea n ds oo na r ew i d e l yr e s e a r c h e d r e c e n ty e a r s ，a st h ec h a r a c t e r so ft h ec o l d c a t h o d eh a v eb e e ni m p r o v e d t h e i rp o t e n t i a li nh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o nh a sb e e nf o u n d b e c a u s eo fi t s s i m p l i f i c a t i o n p i c ( p a r t i c l e i n - c e l l ) m e t h o di sw i d e l yu s e di nt h ee l e c t r o m a g n e t i ca n dp a r t i c l en u m e r i c a l c a l c u l a t i o n p i cm e t h o di sc o n s i d e r e da st h ep r e f e r r e dm e t h o di ne l e c t r o m a g n e t i ca n dp a r t i c l en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nn o w a d a y s t h et h e s i se x p a t i a t e do nt h ec o l dc a t h o d e ，i t sa p p l i c a t i o ni nh i g h f r e q u e n c yd e v i c e sa n df i e l de m i s s i o n t h e o r y a st h ep o w e r f u lf u n c t i o no ft h ep i cs o f t w a r e ，i ti sw i d e l yu s e di nf i e l da n dp a r t i c l ec a l c u l a t i o n t h e p r i n c i p l eo fp i cm e t h o da n dp i cs o f t w a r ei si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ef i e l da n dp a r t i c l ee q u a t i o n s ，t h e i r b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ee n e r g yc o u p l i n g t h es i m u l a t i o nw o r ki sb a s e do nt h ep i cm e t h o d t h ep i c s o f t w a r ei sc h o s e na ss i m u l a t i o nt 0 0 1 a sb e e na p p l i e di nt h em i c r o w a v ed e v i c e s t h ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t ya n df o c u sc a p a b i l i t yo ft h e c o l dc a t h o d ee l e c t r o ns o u r c ea r ev e r yi m p o r t a n t w i t ht h ep i cm e t h o d ，t h ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t ya n d f o c u sc a p a b i l i t ya r ed i s c u s s e di nt h r e ek i n d so fc o l dc a t h o d ee l e c t r o ns o u r c e s ( d i o d e ，t r i o d e ，h o p ) i nt h e d i o d es t r u c t u r e ，t h ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t yi sa v a i l a b l e ，b u ti ti sn o tw e l lf o c u s e d i nt h et r i o d es t r u c t u r e c o m p a r e dt ot h ed i o d et h ef o c u sc a p a b i l i t yi si m p r o v e d a n di n c r e a s i n gt h eg i r dv o l t a g e t h ee m i s s i o n c u r r e n td e n s i t yr i s e s b u ta st h eg i r dv o l t a g ei n c r e a s e d t h ef o c u sc a p a b i l i t yi sd e c r e a s e d i nh o ps t r u c t u r e i n c r e a s i n gt h eg i r dv o l t a g e t h ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t yi sc l o s et ot h ee m i s s i o nc u r r e n td e n s i t yi nt h e t r i o d e ，a n dt h ef o c u sc a p a b i l i t yi se v e nb e t t e r e m i s s i o nc u r r e n ti sd i r e c t l ym o d u l a t e db yt h eg i r dv o l t a g ei nc o l dc a t h o d em i c r o w a v et r i o d e b e t w e e n c a t h o d ea n dg i r d ，a st h ef r e q u e n c yj n c r e a s e d ，t h ec a p a b i li t yo ft h ed e n s i t ym o d u l a t i o no fc u r r e n ti s d e c r e a s e d b yr e d u c i n gt h ed i s t a n e eb e t w e e nc a t h o d ea n dg i r d i m p r o v e dd e n s i t ym o d u l a t i o nj so b t a i n e do n t h eh i g h e rf r e q u e n c i e s b e t w e e ng i r da n da n o d e ，t h ee l e c t r o n sb e c o m eb u n c h i n ga n dt h ec u r r e n ti sd e n s i t y m o d u l a t i o nw i t hp e r i o d i n c r e a s i n gt h ef r e q u e n c yo ft h eg i r dv o l t a g ec a l ll c a dt ot h ei n c r e a s eo fn u m b e ro f p u l s e sb e t w e e nt h eg i r da n dt h ea n o d e k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o n ，h i g h f r e q u e n c yd e v i c e s ，p 1 c ( p a r t i c l e - i n - c e l l ) m e t h o d ，c o l dc a t h o d ee l e c t r o n s o u r c e ，c o l dc a t h o d em i c r o w a v et r i o d e ； i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特f i j ) a u 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 7 弘粥 日 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代出现了半导体晶体管，于是上世纪6 0 年代和7 0 年代，集成电路得到了很大的 发展，人们就认为真空电子管的时代已经过去了，冈为真空电子管体积大，要求真空环境高，阴极 要加热到1 0 0 0 才能：l ：作，但真空微电子学的出现义重新引起了人们对真空电子器4 t ：新的廊川兴趣， 利用微细加j ：技术制作的s p i n d t 型薄膜场发射阵列具有室温一l ：作，瞬时启动。电流密度人等优点， 还可以进行微波频率的调制，直接产生密度调制的电子注，使现有的线性注器件长度缩短，体积减 小，重量减轻。s p i n d t 型薄膜场发射阵列在平板显示器，传感器，特别是微波真空器f 1 ：中有着j “泛 的应用。现在已经证明在高频，高功率方面真空微波电子器件仍然是唯一的选择，而且真空器件和 同态器件的结合已经产生了性价比更好的微波功率模块和毫米波功率模块。近些年来，人们除了 对s p i n d t 型薄膜场发射阵列的应用进行研究外。仍有人量的研究在寻找新型的场发射材料，主要目 的在于寻求低功函数，物理和化学性能稳定，便于加j 1 1 的阴极材料。碳纳米管以其诸多有点，如纳 米级尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的人稳定性等受到了研究人员的极大关注。可以应用 于场致发射电子枪、平板显示器，原子力显微镜及各种微波器什中。 1 1 阴极电子学 在所有电真空器件中，电子发射过程起着重要的作用。所有物体都含有人量电子，但是这些电 子在常态下所具有的能量都不足以逸出物体，因此要把它们从物体里释放出来，必须另外给予它们 能量，或者设法把阻碍他们逸出物体的力消除，这样，不论是从科学系统性米看，或是从实用体系 来看，都最好是按照电子获得的外加能量和克服阻碍它们逸出的力的方式米分类，由此电子发射过 程主要分为下列基本形式。 1 1 1 热电子发射 热电子发射就是利用加热的方法使同体内部电子的动能增加，以致有一部分电子的运动能人到 足以克服表面井垒而溢出体外，形成电子发射。这是真空电子器件中较常片j 的一种获得电子发射的 方法。通常称热电子发射体为热阴极。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 热阴极有以下几个基本参量幢1 ： 阴极工作温度能够保证支取足够的电流密度，又能使阴极稳定丁作的温度称为阴极的 _ 作 温度。显然t 作温度越低，热阴极越有效； 发射电流密度热阴极作为真空电子器件的电子源，最主要的性能指标就是它可能提供的最 大电流密度，这就是热阴极i ：作温度下的发射电流密度； 阴极寿命保持一定的发射能力稳定工作的期限称为阴极寿命； 阴极的发射效率热阴极的发射效率用1 瓦加热功率所得到的发射电流。 真空电子器件对热阴极的要求是： 工作温度低，发射电流密度大工作温度低且发射电流密度大意味着发射效率高。而这只有 采用逸出功小的热阴极才能达到： 在上作温度下蒸发较小热阴极大都在1 0 0 0 k 以上才能有足够的发射电流密度，在这样高的 温度下真空中的阴极材料必然会有明显的蒸发。有些金属材料的逸出功小却不能作为热阴极 材料的原因正是受蒸发的限制： 稳定性好 器件在制作和运用过程中，器壁和电极都会释放出各种气体使阴极发射能力下降 ( 称为中毒) 。阴极的稳定性就是指抗毒性： 耐轰击，溅射小器件中的电子在电磁场作用下的运动过程中会使器件内的残余气体电离， 形成正离子。在电场作用卜正离子将轰击阴极，引起阴极溅射，造成阴极发射表面损坏和电 极间绝缘破坏。冈此要求阴极耐轰击，溅射小： 高温下机械性能好真空电子器件要求阴极具有严格的几何形状和尺寸，所以要求阴极材料 易于加工成形，且在高温： 作时不变形。 东南大学硕一i ：学位论文 1 1 2 场致电子发射 场致电子发射是与热电子发射在性质上完全不同的电子发射形式。在场致发射中，不需要供给 同体内的电子以额外的能龟，而是靠很强的外部电场米压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低， 并使势垒的宽度变窄。当势垒的宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子的隧道效应就起着重要的 作用，物体内人量电子穿过表面势垒逸山。 与热发射相比，场发射器什具有以下的优势： ( 1 )阴极无需加热，可以在室温下1 ：作； ( 2 )理论上场发射阴极阵列的电流密度比热阴极高几个数餐级，并可 ：作在低调制电压下； ( 3 )可以工作在低于5 0 0 摄氏度的温度下，工作温度范围宽； ( 4 ) 可以抗辐射； ( 5 ) 可以获得更高的开关速度或更高的工作频率： 目前，热阴极中的氧化物阴极的发射电流密度晟大能得到4 5 m c m 趴引。但是这样的发射电流密度 对于需要人发射电流密度的人功率高频器什还是不够的。因此需要用冷阴极代替热阴极，以提高发 射电流密度及调制频率。 1 1 2 1 表面势垒和电子发射 场发射是在导体或半导体表面施加电场，使导带中的电子发射到真空中。还有一种被称为内场 发射，首先依靠隧道效应将电子发射剑介质中，电子被介质中的电场加速，获得足够的能革，克服 表面势垒发射到真空中，这是金属一绝缘体一金属( m i m ) 和金属一绝缘体一半导体( m i s ) 两种结构阴 极的物理基础。 根据吲体物理原理，电子在金属或、 ，导体中做共有化运动，其分布用几率波函数描述。是一种 统计表示。在表面处，周期性的点阵结构被破坏，电子的分布不能用平面波描述，而是形成了表面 态分布。在表面之外一定距离上波函数振幅为零。在讨论电子发射时，人们往往从另一个角度处理 问题，即引入表面势垒的概念。当电子要逃离表面时，它将受到一个向内的作用力，这个力可以用 势米表示。当电子离表面较远时，导体表面可视为理想表面，其受力可刚镜像力描述。当电子离表 面距离为原子间距量级时，作用力来自最外层离子点阵的作崩，其人小很难用严格的公式表示，只 能近似假定。引入势垒的概念后，表面内外电子儿率波函数都用平面波表示，使问题的处理大大简 化。 不增加发射体内部电子的能量，而是用外加电场降低表面势垒，也能得到电子发射，一般称为 场发射。当外场为零时，势垒的厚度为无穷大，能量低于势垒的电子完全无法逸出。外加电场降低 和减薄表面葑垒，使得较低能量的电子也可以靠隧道效应发射剑真空中。场发射用经典理论是无法 解释的。在隧道效应发现之前，人们也曾研究过外场作用卜的电子发射问题。由于只考虑了能鼙高 于表面势垒的那部分电子所以结果只适用于外场强度很低的情况，此时隧道效应可以忽略。要得 到实用的发射电流密度，场强要高于1 0 8 v c m ，此时隧道敛廊起土导作用，必须刚量子力学手段得剑 发射公式。 1 1 2 2 金属场致发射 电子场致发射大致可以分为三类，即金属场致发射、半导体场致发射和内场致发射侣1 。下面以 金属场致发射为例作简要介绍。 金属场致发射是一种靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒高度降低。并使势垒宽 度变窄，物体内大量电子穿过表面势垒而逸出的电子发射现象| 6 1 。 2 第一章绪论 图1 - 1 在加速场下金属表面的势能曲线 7e v 这种电子发射的隧道效应可由图卜1 做定性说明。其中屏为费米能级。金属和半导体内部的电 子能昔服从费米统计分布，超过屏后，电子数量急剧降低。只有那些能簧大于表面势垒的电子才能 发射到真空中。费米能级和表面势垒之间的差值定义为功函数( 也称为逸出功) ，一般金属材料的功 函数为几个电子伏特。从图2 - 1 中可以看出，在加速电场的作用下。金属表面势垒形状和宽度由经 典镜像力和外加电场共同决定，外加电场越强，表面势垒不仅高度降低，而且宽度也变窄。当势垒 宽度窄到可以与电子波长相比拟的科度时，电子就可以穿过势垒逸山，从而在真空中形成场致电子 发射。这种穿透势垒逸入真空的电子发射就是场致电子发射。场致电子发射是电子发射的一种非常 有效的方式，它可以提供高达s d , 4 c 以上的发射电流密度，且没有发射的时间迟滞。 金属场致发射的定量方程是由福勒( r h f o w l e r ) 和诺德海姆( l w n o r d h e i m ) 首先推导出来 的，他们假定： ( 1 )考虑一个简单能带的电子，其分布按费米能级一狄拉克统计。 ( 2 ) 考虑金属平板的表面是光滑的，忽略其原子尺度的不规则。 ( 3 )考虑经典镜像力。 ( 4 )考虑逸出功分布均匀。 在上述假定下，采用与推导热电子发射方程类似的方法就可导出场致发射方程： 羽，= 焉e x 卜譬的，卜呐 式中：a = i s 4 x s d , t 7 - - 6 8 z x s d , y = 3 7 9 1 0 _ 4e 2 ，为场致发射电流密度( a j ) ，f 为发 射表面电场强度，砂是功函数伯”，y 是功函数势垒的肖特基降级。口和t 例是诺德海姆椭圆 函数，在大多数情况下，护倒和t 例可近似为口例现9 5 彳，例j j 。在这样的近似条件卜， 场致发射的定量方程可简化为 朋) = 1 5 1 0 。6 了e 2e x p ( e x p ( - 1 6 4 4 x1 0 7 譬) ( al c m 2 ) ( 1 2 ) 上面的福勒一诺德海姆公式是在t = o k 条件下得到的，事实上，只要金属表面上的功函数不是非 常低或者外场强不是很高( 2 0 d b ) ，模拟显示效率在2 0 到3 0 之间，这样 的效率和增益跟现在的微型行波管比提高不多，但是在尺寸上可以减小到只有几个波长。 目前对f e a 应用于真空微波放大器的实验研究主要集中在三家研究机构：c p i ( c o m m u n i c a t i o n s 5 东南 学坝i 学位论立 a n dp o w e ri n d u s t r l e s ) n e c 公司厦n g c ( n o r t h r o pg r u m m a nc o r p o r a t i o n ) 公司。c p i 硼宄将一环状 的f e a 应用于速调管井成功地在i o g h z 频率下产生调制电子束“”。n e c 公司使用v e c t l ( v e r t i c a l c u r r e n t1 i m i t e f s ) 作保护，成功地将非调制s p i n d tf e a 阴极应用丁微波管。首次成功将f e a 作为电 子源应用于微波管的研究”“显示能得lj 5 8 m a 的电流，2 75 输出功率，1 05 g h z 功率f 得i l 2 2 d b 增黼， 效率为1 。但是电子束在通过慢波线时的通过率只有8 2 因此需要新型的f e a 电子枪。n g c 公司 独立地研制了用低磁场对高电流密度电子柬聚束的电于抢“5 。这种电子枪能i ：作在15 千伏50 干铰之间揖高电压时的电流达1 6 0 毫安。t 作在此加速电压区间的电子枪和聚求水久磁场相结台产 生零到最大电流的扇形电子束。设计中考虑到阴极遭受离子轰击的影响，利州背景气体电离产生保 护阴极的离子防护层。这种设计在实验上已经得到证实阳极电压35 千伏时电子束电流9 14 毫安， 电子通过率为9 95 ，频率达45 g b z 时产生5 5o k 输出功率效率为1 7 。在此期间，n e c 公司研制 了一种将5 6 毫安电子束聚柬较好电子抢，通过率为9 93 ”频率为1 15 g h z 时的输出功率为2 82 瓦，效率为1 0 。以上这些研究成果显示电子束聚束及微波管结构的装配问题可以解决。实验过程 中突出的问题在于p e a 寿命、阴极保护及射频调制能力。 1 2 2 碳纳米管作为冷阴极场发射材料及其在微波管中的应用 碳纳米管是1 9 9 1 年才被发现的一种碳结构”“。由于其息好的导电、机械及、r 导体性能， 成为场致发射研究的热点。这类发射体包括在衬底上直接生长和用纳米管粉末涂覆在衬底上两大类。 后一类分为丝网印刷型和电泳沉积型。 c n t 包括单擘( s w n t ) 和多壁( x n t ) 两种依据顶端状态叉分为开口和闭口两种。图1 2 为多 壮碳管和单壁碳管的t e m 幽像。 c n t 母火的特点是其具有很人的长释比，是一种理想的一维纳米材料。碳纳水管还是一种稳定的 发射体，即使在高温下还是不会改变其电学性质。p u r c e l l 等证明了多肇碳纳米管发射体被其场发射 电流加热至2 0 0 0 1 ( 仍保持稳定。这种特性与金属发射体有很大的不同，在金属中，电阻随着温度的升 高而增加，这意味着电流越太( i ) 产生的热量( 0 ) 就越多( q = i 。r ) 。这种高温及场强的联合作h j 导致了尖锥的尖端放电机理，从而进一步增加了局部场强，电流及温度。这种正反馈机理导致了发 热不稳定从而使得金属尖锥烧毁。相反碳纳米管的电阻随着温度的升高而降低，从而把热昔控制 在i r 的极限。碳纳米管的这些独特的性质使其成为理想的场发射材料。 s w n tm w h r r 黪 o p e nm w n t 瓣 黔誊饕 ! ：，j 啦! 图卜2 单壁、多壁纳米碳管结构示意图 w1 m i l n e 等研究了将竖直排列的c n t 应用于微波管”他们使片jd c p e c v d 的方法制备排列 整齐的c n t 。使用甲烷和氨气为反应气体当温度到达i 0 0 0 c 时，c n t 可以沉积在衬底材料上。研 究显示通过加直流电压产生电场可以改变c n t 生k 的取向性制备得到的竖直排列的c n t 麻淳是很 好的场发射体，但是实验显示这种紧密排列的c n t 阵列井不是场发射的理想垃射体，田为紧密排列 的碳管减小了高开口率碳管的场增强因子。 鬻 蘩 * 夸o m 蕾糯拨黪矧础鞭b “ 第一绪论 图卜3 ( a ) 紧密排列的c n t 产生场屏蔽( b ) 分开排列的c n t 减小场屏蔽 在某些赢用中需要4 备碳管间间距为碳管长度量级的c n t 阵列咀减小场屏蔽效应，从而优化 场发射电流密度如图卜3 所示。利用电子束刻蚀技术制备n i 催化剂点，h l 点的尺寸决定了每个 n i 点上c n t 的直径和数量。如果n 1 催化剂点的直径小于l o o n m ，每个点上生长一根多譬c n t 。图卜4 显示的典型的多壁c n t 阵列。 图卜4p e c v d 制备的多壁c n t 阵列图卜5 问态器什和电子真空管器州。的功率一频率目 在不久的将来螺旋型行渡管要求丁_ 作频率在3 0 i o o g h z 时的输出功率为几十瓦，如酗卜5 所示。 要实现这个目标最有效的方法是对电子束直接调制，目前调制频率在3 0 g l l z 的冷阴极还不存在。由 于s p i n d t 型阴极的栅极和阴极是一个齄体阴极和栅极之问填充了绝缘体( 典掣的为二氧化硅) ， 因此阴一栅极之间的电容较大；而c n t 阴极中栅极和阴极之间不是集成在一起，栅极位于发射体 上方5 一1 0 微米，栅极和阴极之间是真空，这可以将阴一栅极之间的电容减小2 0 - - 5 0 倍。图卜6 所 示为c n t 真空微波放人器的示意图”“。 g 南人学碗 学位论空 e m m “i c n t _ 口 图卜6 基于c n t 的真空微波放夫器示意图 1 3 论文的选题及主要工作 近年来冷阴极凭借其良盘，的性能，广泛的廊h j 领域受到了研究人员的极火关注。越来越多 的人开始从事冷阴极及其器件的研究。从而为其麻刚发展提供了良好的开端同时也得到了一系列 非常有价值的研究结果。目前冷阴极的应用主要包括场致发射平板显示器，便携式x 射线管小 型微波放大器件等。 在过去的几十年里对于热阴极应用于高频器件的研究已经相当成熟但由于热阴极i 作原理 的限制，引起了一系列的技术问题，如：电流密度低，对材料的敏感性，丁作温度高，这些都使得 管子的设计以及其性能受到很大的限制。因此冷悖耳极电子源以及器什的研究受到了研究 员的极a 重视。本论文重点针对冷阴极电子源在真空器仆中的应州进行研究。 本文的结构和主要内容安排如下： 第一章介绍了冷阴极场发射理论及其在微波器件中的应崩，以及场发射阵列和c n t s 的特性、异 种形式的场发射原理和相关效应。 第二章主要讲述了模拟方法的原理以及模拟软什的相关知识。p i c 方法是目前用采计算场与粒 子互作用的犀常用方法该章从场方程、粒子方程、场与粒子耦台以及边界条件等方面详细讨论了 p i e 方法的原理。并且对本文模拟中所使用的基于p i c 方法软什的原理和使用做了归纳总结。 第三章主要针对冷阴极屯子源应用于微波器什时对发射电流密度和聚焦性能的讨论，采片jp i c 数值方法，对三种结构( 二极结构，三极结构h o p 结构) 的拎阴极电子源进行了模拟，通过比较 发现二扳结构尽管笈射电流密度比较大但聚伟性能差。三极结掏通过增加栅极电压t 可以得到 比二极结构更高的发射电流密度且聚焦性能较二极结构好但随着栅极电压的增加，电子聚焦性 能变差而h o p 结构通过增加了一个电子跳跃通道的h o p 孔，可以解决三极中的这一问题。得到更 好的电子聚焦效果，同时h o p 结构中发射电流密度也可达到与三极结构相近值。 第四章主要通过p i e 数值方法模拟讨论了微波三极管电子调制。熟阴极微波二极管阴一栅r 间电 子主要受到速度调制，而通过对玲阴极微波三极管的分析发现，栅极调制电压直接对l 垌极发射电流 进行密度调制，园此冷阴极微波三极管阴一栅之间主要对电子进行密度调制。在阴一栅空间t 随着频 率的提高，极问电容增加，阴一栅之间密度调制电子流最大值减小，电流变化范围也逐渐减小。减小 阴一栅距离，在同一频率f ，电子流密度调制效果更佳并且能够在更高频率上得到密度调制效果更 好的电子流。在栅一阳空间进 栅一阳空间的密度调制电子流与感席的交变场产生互作用出现聚 束现象在栅阳空间内电子流呈周期性密度调制状态井且随着频率的提高，住该空间内密度调制 电子流的周期数增加。 第五章是对论文= r = 作的一个总结，并且在此基础上对以后i 作中需要进一步研究的内容进行 了简单的讨论。 叠 第一章绪论 参考文献 【1 】冯进军从真空微电子学到真空纳电子学电子器件【j 】，v 0 1 2 8 ，n o 4 ，2 0 0 5 ：9 5 8 - 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1 2 1 2 k l j e n s e n f i e l de m i t t e ra r r a y sf o rp l a s m aa n dm i c r o w a v es o u r c ea p p l i c a t i o n s p h y s p l a s m a s ，v o l 6 ， 1 9 9 9 ：2 2 4 1 - 2 2 5 3 1 3 d a v i dr w h a l e y , b a r t l e ym g a n n o n ，c a r lr s m i t h ，e ta 1 a p p l i c a t i o no ff i e l de m i t t e ra r r a y s t o m i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e r s i e e et r a n s a c t i o n so np l a s m as c i e n c e ，v 0 1 2 8 ，n o 3 ，j u n e ，2 0 0 0 1 4 a v h a e f f a nu l t r a h i g hf r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e ro f n o v e ld e s i g n e l e c t r o n ，v o l 12 ，19 3 9 ：3 0 - 3 2 1 5 1 a v h a e f f , l s n e r g a a r d aw i d e b a n di n d u c t i v eo u t p u ta m p l i f i e r p r o ci r e ，v o l 2 8 ，1 9 4 0 ：1 2 6 - 1 3 0 1 6 r i s a r b a c h e r , w ：a e d s o nh y p e r u l t r a h i g he n g i n e e r i n g n e wy o r k ，n y ：w i l e y , 1 9 4 3 17 a j l i c h t e n b e r g p r e b u n c h e db e a mt r a v e l i n gw a v et u b es t u d i e s i r et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，v o l e d - 9 ，1 9 6 2 ：3 4 5 - 3 5 1 18 i f m c h a r b o n n i e r , j p b a r b o u r , l f g a r r e t t ，w ：p d y k e b a s i ca n da p p l i e ds t u d i e so f f i e l de m i s s i o n a tm i c r o w a v ef r e q u e n c i e s p r o c i e e e ，v 0 1 5 1 ，1 9 6 3 ：9 9 1 1 0 0 4 19 g a h a a , r e t h o m a s t e c h n i q u e so fm e t a l sr e s e a r c h n e wy o r k , n y ：w i l e y , 1 9 7 2 2 0 s f l u g g e p r a c t i c a lq u a n t u mm e c h a n i c s n e wy o r k ：s p r i n g e r , 1 9 7 4 21 a r e a u , eh h e a d ，j n h b r u n t t h ec h a r g e - d e n s i t ym e t h o d o fs o l v i n ge l e c t r o s t a t i cp r o b l e m sw i t h 9 东南大学硕 = 学位论文 a n dw i t h o u tt h ei n c l u s i o no fs p a c ec h a r g e j p h y s e ：s c i i n s t r ，v 0 1 15 ，19 8 2 ：3 4 7 2 2 s r a m o j r w h i n n e r ya n dt v a nd u z e r f i e l d sa n dw a v e si nc o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i c s n e w y o r k ：w i l e y , 19 6 5 2 3 d s t e p h a n ia n dj e i b l f a b r i c a t i o no fd e n s e l yp a c k e ds h a r ps i l i c o nf i e l d e m i t t e r su s i n gd r ye t c h i n g l n s tp h y s c o n f s e r ，v 0 1 9 9 ，19 8 9 ：9 - 12 2 4 h qk o s m a h l aw i d eb a n d w i d t hh i g h g a i ns m a l ls i z ed i s t r i b u t e da m p l i f i e rw i t hf i e l de m i s s i o nt r i d e s f o rt h e10t o3 0 0g h zf r e q u e n c y r a n g e i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 e d 一3 6 ，19 8 9 ：2 7 2 8 - 2 7 3 7 2 5 1 r e n e i d e r t ，p m p h i l l i p s ，s t s m i t h ，e ta 1 f i e l de m i s s i o n