2011 第五章_场致电子发射
场致发射原理范文
场致发射原理范文场致发射（Field Emission）是一种利用电场高强度的原理，从密集的金属尖端（例如钨尖、铕尖等）发射出电子的现象。
它是一种重要的电子发射机制，广泛应用于电子显微镜、射频微波器件、荧光显示器等领域。
本文将详细介绍场致发射的基本原理及其应用。
场致发射的原理基于量子力学的隧道效应。
当金属中存在一个极强的电场时，电子将被束缚在金属表面的费米能级附近。
如果金属尖端存在几何形状的尖缘，尖缘周围的电场会进一步增强，使得费米能级在尖端附近弯曲。
当电场强度超过一些阈值（一般为10^7～10^8V/m），电子有足够的能量穿过势垒，从金属尖端逸出发射。
场致发射的电子具有高速、高亮度和稳定性的特点，适用于要求高分辨率和高灵敏度的应用。
场致发射的机理可以通过费米面的形变来解释。
当金属尖端附近的电场强度增加时，费米面在尖端附近形成一个“弯曲”，即费米能级随距离的变化而变化。
这个费米面的弯曲导致了能态在空间上的重叠，即形成了一系列的波函数。
根据波函数的正交性，这些波函数中的一部分将趋向无穷大，使电子能够隧道穿过势垒，从而实现发射。
为了实现场致发射，需要满足一定的条件。
首先，金属尖端的半径应该尽量小，以增大周围的电场强度。
其次，金属尖端的表面应该尽量光滑，以防止电子被表面缺陷散射。
同时，正常的材料表面都会存在气体吸附，吸附的气体会降低电子隧穿经过的概率，因此需要对尖端进行氧化处理等，减少气体吸附。
最后，为了保证金属尖端之间形成足够的电场强度，通常需要对尖端进行高电压的加速。
场致发射在电子技术中有着广泛的应用。
最常见的应用之一是电子显微镜。
电子显微镜利用场致发射的高能电子来替代传统的光学显微镜，可以获得更高的分辨率和放大倍数。
此外，场致发射还用于制造射频微波器件，例如场发射管和冷阴极管。
在场发射管中，电场强度被用于控制电子的发射和加速；而在冷阴极管中，场致发射的电子作为多个发射源之一，被用于激发荧光屏。
此外，场致发射还用于荧光显示器和光电倍增管等领域。
2011 第五章_场致电子发射
∆φ (eV)
阴极电子学 UESTC2011
电场在半导体中的渗透作用（简并情况） 图5-17 电场在半导体中的渗透作用（简并情况）
阴极电子学 UESTC2011
图5-18 半导体表面能态的影响
阴极电子学 UESTC2011
Ⅰ曲线：不考虑场渗透， 曲线：不考虑场渗透， 式（5-68） ） Ⅱ曲线：考虑场渗透，且渗透较深， 曲线：考虑场渗透，且渗透较深， 式（5-71） ） Ⅲ曲线：考虑场渗透和存在表面态， 曲线：考虑场渗透和存在表面态， 式（5-72） ） X点：表面态使势垒增加部分刚好 点 被抵消
阴极电子学
阴极电子学
第五章 场致电子发射
• 本章内容
什么是场致发射
探寻原因 引言
发射机理的探讨
建立模型
§5.1节 节
推导出场致发射电流公式（j=….） 推导出场致发射电流公式（ ）
应用
§5.1节 节
实例说明（材料、工艺） 实例说明（材料、工艺）
§5.2节+补充 节 补充
阴极电子学 UESTC2011
热发射
场致发射 （隧道效应） 隧道效应）
隧道效应——粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象， 粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象， 隧道效应 粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象 对势垒宽度十分敏感
阴极电子学 UESTC2011
经典力学
量子力学
量子隧穿示意图
阴极电子学 UESTC2011
(1) 微粒性
υ0
∞
单位t，单位 ， 方向速度分量在 单位 ，单位A，x方向速度分量在 vx~vx+dvx的电子数
求解步骤： 求解步骤： 1）求出 dvv x 表达式 ） 2）求出e逸出满足的条件 x>vx0 =?) ）求出 逸出满足的条件(v 逸出满足的条件 3）积分 j = e ∫ dυ vx ）
阴极电子学重点归纳总结
靠近，表明势垒高度降低 5）E增强时，峰左移，表明低能
电子增多
图5-5 温度和场强对场致发射电子能量分布的影响
阴极电子学 UESTC2013
AE：忽略空间电荷效应 BD：空间电荷限制情形 ACD：考虑空间电荷影响情形
图5-6 空间电荷效应对场致发射的影响 阴极电子学 UESTC2013
钨酸盐与ZrH2热分解 BaZrO3与Ba向表面扩散
生成自由Ba 阴极电子学 UESTC2013
浸渍式铝酸盐Ba-W阴极制备工艺
1. 制备活性物质
BaCO3、Al2O3混合压制
2. 制备海绵W基体
W粉粒度分级
压制成型
烧结生成铝酸盐（Ba3Al2O6）
H2或真空中烧结
海绵W
3. 浸盐
铝酸盐和粘结剂混合
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F(μ)
1 2
-10 0 10 20 30 40
μ
-1
-2
图6-4 福勒函数曲线 阴极电子学 UESTC2013
电子 光
EC
EF E
V
空穴 半导体
光电子
E
χ
0
φ hν0
Eg
1、光子被吸收，产生电子跃迁
2、受激电子向固体-真空界面处 运动
3、电子越过表面势垒向真空逸出
真空
原子薄膜阴极：
逸出功低（2.6~3.0eV）， 增大（40~100mA/W）
敷钍钨阴极具有高 的原因：
W表面形成一层钍原子薄膜
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§2.1 敷钍钨阴极的热发射现象
T3>T2>T1 T3
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。
阴极电子学 重点归纳总结
F-D分布
1）T=0K时， E<EF，则f(E)=1 E=EF，则f(E)=0.5 E>EF，则f(E)=0
表面势垒高度Wa
理想形状
2）T>0K时， E<EF，则f(E)>0.5 E=EF，则f(E)=0.5 E>EF，则f(E)<0.5 真实形状
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• 第二章 原子薄膜阴极 • 本章内容
引言
§2.1节
敷钍钨阴极的热发射现象
探寻原因
回顾纯金属阴极：
j0 AT 2 exp[
M
kT
]
M
j0
=4.52eV 钨：
发射机理的探讨
继续讨论
§2.2节
纯金属阴极的缺点：
低（6~10mA/W） 逸出功高，
0
5
10
15
X(埃)
图5-5 温度和场强对场致发射电子能量分布的影响
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AE：忽略空间电荷效应 BD：空间电荷限制情形 ACD：考虑空间电荷影响情形
Ⅰ曲线：不考虑场渗透， 式（5-57） Ⅱ曲线：考虑场渗透，且渗透较深， 式（5-60） Ⅲ曲线：考虑场渗透和存在表面态， 式（5-61） X点：表面态使势垒增加部分刚好 被抵消
图1-10 费米分布函数
1.T1=0K；2.T2=300K；3.T3=1000K；4.T4=1500K
图1-13 金属表面模型及势垒形状
5/24 6/24
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第五章-1 场致发射平板显示器 2011.12.22
Spindt-FEA制作过程
行电极、栅极 蒸发Mo尖
栅极孔光刻
牺牲层Al膜
腐蚀Al、Mo
硅衬底FEA制作流程
n型 导电电极
SiO2硅掩摸 刻蚀硅片
腐蚀
氧化硅层
氧化成硅尖 条状电极
光刻成圆盘
SiO2/金属
硅尖的SEM结果
FED 器件
5.2”Picture of a Color FED
Source: PixTech web site at .
⎡ ⎤ 7 χ n exp ⎢− 6.78 × 10 θ ( y )⎥ Ex ⎣ ⎦
3/ 2
ε −1 y = 3.79 ×10 ( ) ε +1
4
ε—介电常数，χ—电子亲和势，n—导带 电子浓度
微尖阵列场致发射阴极（FEA）
硅基底FEA：硅尖，金属尖 玻璃基底FEA：微尖，薄膜边缘发射体， 碳纳米管（CNT），金刚石薄膜，MIS， MIM TFT-FEA
真空度的维持
发射性能下降——表面气体吸附 使用消气剂： 蒸散型（钡、锶、钙、镁等及合金） 非蒸散型（过渡元素锆、钛等及合金）
荧光粉
低压荧光粉（<500V） 流明效率低、寿命短、容易饱和等问题
Cathode Luminescence
Penetration 5.0μm phosphor depth grain Anode voltage
障壁分割型二极管CNT-FED
驱动电压高
障壁分割型三极管CNT-FED
必须解决障壁的电荷积累问题，大 面积难以实现
栅极在下的CNT-FED
国外FED研发状况
第一代 时间 尺寸 1968-2000 15英寸以下 阴极种类 Spindt，类金刚石薄膜 主流国家 美国，欧洲 代表公司 美国Pixtech 状态 研发 第二代 2001年以后 CNT，印刷型 目标30英寸以上 日本，韩国 伊势，三星，PFE 产业化前夜
场致发射原理
场致发射原理场致发射原理是指在强电场或强磁场的作用下，材料中的电子受到激发而从固体表面发射出来的现象。
这种发射方式与传统的热发射和光电发射不同，它不需要高温或光照，而只需要外加电场或磁场的作用即可实现电子的发射。
场致发射在电子学、光电子学、材料科学等领域具有重要的应用价值。
场致发射的原理是基于量子力学的电子隧穿效应。
在材料中，电子被束缚在原子核附近的能级中。
当外加电场或磁场达到一定强度时，电子的能量会增加，足以克服束缚力，从而逃逸出来。
这个过程可以用电子隧穿效应来解释，即电子通过量子隧道从材料中逃逸。
在场致发射中，电子的逃逸受到多种因素的影响。
首先是材料的性质，包括禁带宽度、电子亲和能、晶格结构等。
禁带宽度越小，电子逃逸的能量越低，逃逸的电子数目越多。
电子亲和能越小，电子逃逸的能量越低，逃逸的电子数目越多。
晶格结构对电子的逃逸也有一定影响，某些晶格结构能够提供更多的逃逸路径，从而增加逃逸电子数目。
其次是外加电场或磁场的作用强度。
当外加电场或磁场的作用强度越大时，电子逃逸所需的能量越小，逃逸的电子数目越多。
但是当作用强度过大时，可能会引起材料的损坏或失效，因此需要在适当的范围内选择。
温度也会对场致发射产生一定影响。
在一定温度下，材料中的电子具有一定的热运动能量，这会增加电子逃逸所需的总能量。
因此，较高的温度会减弱场致发射的效果。
场致发射具有一些独特的优点。
首先是发射电子的速度非常快，一般在纳秒或皮秒的时间尺度内完成。
这使得场致发射在高速电子学器件中具有重要的应用。
其次，场致发射不需要高温或光照，这样可以减少能量的消耗和材料的损伤。
此外，场致发射还具有很高的空间分辨率，可以实现微米甚至纳米级别的电子发射。
场致发射在许多领域有着广泛的应用。
在电子学中，场致发射被用于产生高速脉冲电子束，用于光电子学器件的驱动和调制。
在光电子学中，场致发射被用于产生高亮度的电子源，用于光阴极和显示器件。
在材料科学中，场致发射被用于研究材料的电子输运性质和表面形貌。
平板显示技术基础—习题答案
第一章习题答案一、填空题1. 投影型空间成像型直视型阴极射线管显示器平板显示器2. 主动发光型非主动发光型3. CRT投影技术LCD投影技术数字光处理器表面数字微晶装置4. 阴极射线管电子束电子枪阴罩荧光粉层5. 等离子体气体放电发光6. 半导体硅上的液晶玻璃半导体硅材料7. 头盔显示器全息显示器8. 真空荧光真空荧光管9. 无数个小发光二极管拼接10. 300mm×400mm 2二、名词解释1. 主动发光型显示器是指利用电能使器件发光，显示文字和图像的显示技术。
2. 被动发光型显示器是指器件本身不发光，需要借助于太阳光或背光源的光，用电路控制外来光的反射率和透射率，才能实现显示。
3. 投影型显示器是用显示器显示图像后，再经光学系统放大后投影到屏幕上的一种显示。
4. 空间成像型显示器是空间虚拟图像，也是投影显示的一种，代表技术是头盔显示器5. 电致发光显示器是利用某些材料在外界电场作用下发光实现显示的一种主动发光显示器。
6. 场致发射显示器是一种用冷阴极在高电场作用下发射电子，轰击涂覆在屏幕上的荧光粉发光实现显示的。
7. 发光二极管显示器是采用无数个小发光二极管拼接组成的显示器。
8. 响应时间是指显示器对输入信号的反应时间，如像素由暗转到亮，再由亮转到暗的图像完全显示所用的时间。
9. 亮度是指在单位面积上显示器画面明亮程度。
10. 开口率是像素的有效透光区面积与像素总面积的比值。
11. 对比度是指显示器的最大亮度与最小亮度的比值。
12. 灰度是指在白和黑之间的亮度层次分成几个等级，表示显示亮度不同的反差。
13. 拖尾是显示器在显示动态图像时出现的边缘模糊、看不清细节的现象。
14. 像素是平板显示图像的很多纵横排列的点中最小单位的点。
15. PPI，Pixels per inch，是每英寸所拥有的像素数目。
16. 画面尺寸是指显示区域对角线的长度。
17. 长宽比是显示画面横方向尺寸和纵方向尺寸的比。
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41.4 13.3 4.27 1.32 0.41 0.13
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几种常见气体在钨上吸附的t 表5-3 几种常见气体在钨上吸附的 1和 ∆φ 值 气体 t1(min﹒Pa) ﹒ N2 2.87×10-6 × 0.5 O2 1.84×10-5 × 1.8 H2 0.13 0.43 CO 0.75 0.7
阴极电子学
阴极电子学
第五章 场致电子发射
• 本章内容
什么是场致发射
探寻原因 引言
发射机理的探讨
建立模型
§5.1节 节
推导出场致发射电流公式（j=….） 推导出场致发射电流公式（ ）
应用
§5.1节 节
实例说明（材料、工艺） 实例说明（材料、工艺）
§5.2节+补充 节 补充
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叠层双栅极结构 叠层双栅极结构
共面双栅极结构 共面双栅极结构
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FEA微波管应用 微波管应用
热阴极 行波管
FEA行波管优点： 行波管优点： 行波管优点 1. 无需预热，可室温工作 无需预热， 2. 瞬时启动 3. 极好的开关特性 4. 可以直接对发射电流密度进行调制，提高了工作效率， 缩短了整管长度 可以直接对发射电流密度进行调制，提高了工作效率， 阴极电子学 UESTC2011
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图5-5 不同温度下钨的场致发射曲线 阴极电子学 UESTC2011
温度对场发射的影响
E(V/cm) 4×107 4×107 T(k) 300 1000 πKT/d 0.4 1.5 公式 J(T)
（5-44） 1.03J(0) 44） （5-43） 1.5J(0) 43）
作业： 作业： 第19题 题
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0
5
10
15
X(埃) 埃
J大大增加，可引起打火，成本高 大大增加，可引起打火， 大大增加
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5.1.3 场致发射方程 场致发射方程——福勒 诺德海姆公式 福勒-诺德海姆公式 福勒
思路： 思路：类似于热电子发射方程的推导 热电子： 回顾热电子 回顾热电子：
j = e ∫ dvvx
υ0
∞
单位t，单位 ， 方向速度分量在 单位 ，单位A，x方向速度分量在 vx~vx+dvx的电子数
求解步骤： 求解步骤： 1）求出 dvv x 表达式 ） 2）求出e逸出满足的条件 x>vx0 =?) ）求出 逸出满足的条件(v 逸出满足的条件 3）积分 j = e ∫ dυ vx ）
υ0
∞
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热发射
场致发射 （隧道效应） 隧道效应）
隧道效应——粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象， 粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象， 隧道效应 粒子能穿透比它能量还要高的势垒的现象 对势垒宽度十分敏感
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经典力学
量子力学
量子隧穿示意图
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(1) 微粒性
场致发射光源应用
CNT场发射背照灯（2004日本） 场发射背照灯（ 日本） 场发射背照灯 日本
CNT场发射荧光灯（2004瑞士） 场发射荧光灯（ 瑞士） 场发射荧光灯 瑞士
优点：高亮度，高效节能， 优点：高亮度，高效节能，绿色环保 用途： ） 用途：1）LCD等非主动型发光显示器的背光源 等非主动型发光显示器的背光源 2）生活照明 ） 阴极电子学 UESTC2011
公式计算J， 当T<1000K，采用 ，采用F-N公式计算 ，精度已足够 公式计算
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ε =1×108V/cm ，j与φ × 与
φ (eV)
j(106A/cm2） 2.6 3708 2.8 1212 3.0 395 3.2 129 3.4 3.6
的关系
3.8 4.0 4.2 4.4
∆ (eV)
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电场在半导体中的渗透作用（简并情况） 图5-17 电场在半导体中的渗透作用（简并情况）
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图5-18 半导体表面能态的影响
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Ⅰ曲线：不考虑场渗透， 曲线：不考虑场渗透， 式（5-68） ） Ⅱ曲线：考虑场渗透，且渗透较深， 曲线：考虑场渗透，且渗透较深， 式（5-71） ） Ⅲ曲线：考虑场渗透和存在表面态， 曲线：考虑场渗透和存在表面态， 式（5-72） ） X点：表面态使势垒增加部分刚好 点 被抵消
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“量子围栏” 量子围栏” 量子围栏
“分子人”（5nm） 分子人” 分子人 ）
STM用于原子、分子操纵技术 用于原子、 用于原子
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场致发射阵列（ 场致发射阵列（FEA）结构 ）
1、二极管结构 、
二极管(硅尖 二极管 硅尖) 硅尖
二极管(CNT) 二极管
FEA传感器应用 传感器应用
FEA压力传感器结构示意图 压力传感器结构示意图 FEA工作原理： 工作原理： 工作原理 工作时，阴极接地，阳极加正偏压，外力加在具有弹性阳极薄膜上。 工作时，阴极接地，阳极加正偏压，外力加在具有弹性阳极薄膜上。 当阳极受压产生微位移时，阴极与阳极间距产生变化， 当阳极受压产生微位移时，阴极与阳极间距产生变化，所以场致发射电流 也会变化。 也会变化。通过测量该变化值可得出受力的大小 阴极电子学 UESTC2011
图5-19 半导体的场致发射特性曲线
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场致发射单尖结构
金属钨丝
LaB6单尖 单尖
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扫描隧道显微镜（ 扫描隧道显微镜（STM）应用 ）
STM的基本工作原理： 的基本工作原理： 的基本工作原理 将原子线度的极细探针(钨 铱合金)和样品作为两个电极 将原子线度的极细探针 钨、铂-铱合金 和样品作为两个电极，当样品与针尖 铱合金 和样品作为两个电极， 的距离非常接近时(通常 的距离非常接近时 通常<1nm)，在外加电场的作用下，会产生隧穿电流。当探针 通常 ，在外加电场的作用下，会产生隧穿电流。 与表面间改变一个原子尺度（ ），隧穿电流可以改变 与表面间改变一个原子尺度（0.3nm），隧穿电流可以改变 ），隧穿电流可以改变1000倍，所以可以检 倍 测1~2个原子层深度的变化 个原子层深度的变化
E 0 Φ EF Wa x0
曲线a：零场热发射，理查生 德施曼公式 曲线 ：零场热发射，理查生-德施曼公式 X a -Ke2/(4x) b （偶电层，镜像力，势垒无限宽） 偶电层，镜像力，势垒无限宽） 曲线b：弱电场，肖特基效应， 曲线 ：弱电场，肖特基效应，势垒很宽 （热发射大于隧道发射） 热发射大于隧道发射） (2) 波动性 c d 曲线C 曲线C：Tk低，电场强 Wa宽度为电子波长量级，隧道效应 宽度为电子波长量级， （隧穿电子数大于热发射） 隧穿电子数大于热发射） 曲线d：电场极强 曲线 ：
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二极管FEA制备工艺流程 制备工艺流程 二极管
mask layer
SiNx掩膜
LaB6衬底
掩膜沉积
LaB6衬底
掩膜图案化
LaB6
LaB6尖锥刻蚀
去除掩膜
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2、三极管结构 、
尖锥形场发射三极管
楔形场发射三极管
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3、其它结构 、