场致电子发射的几种简单模型
场致发射的模拟解析
场致发射的模拟
场致发射的模拟各类电真空器件，各种应用电子束、离子束的分析仪器和加工设备，都需要有一个能满足不同要求的电子源或离子源。
固体内部含有大量的电子，但必需用不同形式的外界能量与物体作用，以激发这些电子才能获得电子发射。
按照外界激发能量的不同形式，电子发射可以分为：热电子发射、光电子发射、次极电子发射、场致电子发射和自释电子发射等。
目前得到广范应用的是热阴极，它所采用的是热电子发射的原理。
热电子发射就是利用加热的方法使固体内部电子的动能增加，从而使得其中的一部分电子的动能增大到足以克服表面位垒而逸出体外，形成电子发射。
例如对于金属来说，按照索末菲自由电子模型，其内部的自由电子能量分布符合费米统计规律。
在金属表面存在一个势垒，当金属内部自由运动的电子打到金属表面时，如果其能量小于势垒高度，则它们不能克服势垒障碍而逸出金属，只有其垂直于金属表面的动能足以克服势垒作用的那些电子才能逸出金属。
当温度达到一定程度时，能量大于势垒高度的电子数较多，就会产生发射电流。
场致发射显示.
场致发射显示定义：场发射显示器（FED），即场致发射阵列平板显示或称为真空微尖平板显示器（MFD)，是一种新型的自发光平板显示器件。
场致发射显示一、发展简史•1961年，Shouledrs.K.R提出用场发射电子源的纵向和横向真空微电子三极管的概念•1968年，斯坦福研究所的Spindt.C.A，用薄膜技术和钼尖锥工艺制作微型场发射阵列阴极。
•1985年，Meyer.R，微尖锥型阴极的矩阵选址阴极发光平板显示器•1988年，美国首届国际真空微电子学会议，标志真空微电子学的正式诞生•1989年，单色FED研制成功•1997年，全色FED研制成功•2001年，Sony公司13.2英寸全色FED场致发射显示场致发射显示On Nov. 23, 1999PixTech, Inc.announced thedelivery of the first12.1-inch FieldEmission Display(FED) to the U. S.ArmyFirst Delivery of 12.1”FEDFED的优点：•图像质量好、视角宽（1800）•功耗低（1－3w）、寿命长•无偏转线圈，无X射线辐射•响应速度快（<2 us）•体积小，重量轻•工作温度范围宽•制作工艺比较简单（与LCD及其它PDP比）总之，FED集中了CRT和LCD的优点，摒弃了它们的缺点，性能优良，极具竞争力的新一代显示器。
场致发射显示FED的应用领域：•< 6英寸的FED，替代CRT,作头盔显示•可以放在武器上左定位显示器•摄像器上的取景器•汽车的导航系统显示终端•电子照相机的显示器•仿真技术方面•便携式计算机显示屏•用作可视电话的显示器主要在军事领域场致发射显示二、FED的工作原理构成：场发射阵列阴极（FEAC)和显示荧光屏示意图：场致发射显示场致发射显示和材料有关的常数：与发射体现状，栅压；B A :)/(2g g g e U U B AU I−⋅=FED 的场发射理论场发射就是导体或者半导体表面施加强电场，使导带中的电子发射到真空中。
焊接工艺学习题解答
第一章1、解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。
焊接电弧：由焊接电源提供能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。
热电离：气体粒子受热的作用而产生电离的过程。
场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子的运动被加速，最终与中性粒子发生非弹性碰撞而产生电离。
光电离：中性粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程。
热发射：固态或者液态物质（金属）表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出表面的现象。
场致发射：当固态或者液态物质（金属）表面空间存在强电场时，会使阴极较多的电子在电场的作用下获得足够的能量而克服电荷之间的静电吸引而发射出表面。
光发射：当固态或者液态物质（金属）表面接受光射线的辐射能量时，电极表面的自由电子能量增加最后飞出电极表面的现象。
粒子碰撞发射：当高速运动的粒子（电子或正离子）会碰撞金属电极表面，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面的现象。
冷阴极型电极：当使用钢，铜，铝等材料作为阴极时，其熔点和沸点都较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子，这种电弧称为“冷阴极电弧”，电极称为“冷阴极型电极”。
热阴极型电极：当使用钨，碳等材料作阴极时，其熔点和沸点都较高，阴极可以被加热到很高的温度，电弧阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧称为“热阴极电弧”，电极称为“热阴极型电极”。
2、试述电弧中带电粒子的产生方式。
答：电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。
赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子，这两种带电粒子的产生主要依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个过程。
气体的电离形式有：热电离，场致电离和光电离。
电子发射方式有：热发射场致发射光发射粒子碰撞发射3、焊接电弧由哪几个区域组成？试述各区域的导电机构。
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 ）
场发射显示器与场离子显示器—FED与FID
• FED英文全称是Field Emission Display，即场致 发射显示器。
• 依电子发射源而分，FED又可分为CNT（碳纳 米管型）、SED（表面传导型）、Spindt（圆 锥发射体型）、BSD（弹道电子放射型）等 类型。
• 目前最为看好的应用主要是CNT和SED两大技 术体系。
支撑间隔材料
• FED工作于真空条件下，显示屏又是平面型， 为了抵抗大气压力，FED上下基板之间必须采 用支撑结构
• FED支撑结构要求： • （1）支撑单元的支撑面积必须足够小，在显
示图像时不影响图像质量 • （2）支撑单元的体电阻和表面电阻必须很大，
使得阳极与阴极之间由于支撑单元造成的漏 电流可以忽略不计 • （3）为了防止电荷积累，支撑单元要具有合 适的电阻率，把电荷导走 • （4）具有足够大的支撑强度
PixTech FED
Spindt Type FED
PixTech 5.2”
In field emission displays, electrons coming from millions of tiny micro-tips pass through gates and light up pixels on a screen.
（1）在玻璃板上先后蒸上100nmMo层和200um非晶 硅电阻层，并光刻形成电极；
（2）沉积1umSiO2绝缘层和100umMo栅极，并光刻 成列电极
（3）涂光刻胶，并形成栅孔，干刻除去栅孔上的 Mo层
（4）进一步干刻除去栅孔下的SiO2层，直到电阻层 为止，除去表面光刻胶
工艺过程
（5）在垂直方向用电子束蒸发钼，同时在与水 平表面成15度的方向上蒸铝
真空度的维持
电极表面形态对真空击穿特性的影响
电极表面形态对真空击穿特性的影响俞永波;杨兰兰;屠彦;肖梅;张晓兵【摘要】真空击穿是影响许多电子器件性能的一个重要因素，引起真空击穿的原因很多，其中电极的表面形态在真空击穿的起始阶段发挥着重要的作用。
采用有限元法分析了不同电极表面形态对电极间电场的影响，研究表明当电极表面有凹凸缺陷时易引起击穿的发生，其中凸缺陷将导致电场强度几十倍增加，且圆锥形凸起引起的最大电场强度和尖端角度成线性关系；并进一步模拟研究了老炼对真空击穿特性的改进，结果表明老炼可将峰值电场强度降低70%以上。
%Vacuum breakdown is one of the important factors affecting the performance of many electronic devices. There are many reasons causing vacuum breakdown. One of them is the electrode surface shape, which plays an important role in the beginning of vacuum breakdown. The finite element method is used to analyze the effects of electrode surface shape on the electric field. Simulation results indicate that the defects on the electrode surface can easily lead to vacuum breakdown. Moreover,convex defects make the electric field strength increase dozens of times local ormore,which decreases linearly with the included angle. Then further studies about the effect of burn-in show that the peak of electric field strength can be reduced by 70% or more after burn-in process.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P385-389)【关键词】真空击穿;表面形态;电场强度;老炼【作者】俞永波;杨兰兰;屠彦;肖梅;张晓兵【作者单位】东南大学电子科学与工程学院，南京210096;东南大学电子科学与工程学院，南京210096;东南大学电子科学与工程学院，南京210096;东南大学电子科学与工程学院，南京210096;东南大学电子科学与工程学院，南京210096【正文语种】中文【中图分类】O461真空因为具有良好的绝缘性能常被应用于各类高压电子设备中。
第七章_场致发射（ＰＤＦ）
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7.3 SED显示技术 FED的分支－SED
SED的全称是“Surface-conduction Electronemitter Display”， 即“表面传导电子发射显 示器“。 SED与当前平板显示器市场上的主流产品LCD、PDP 相比，有着明显的优势。最大的优势是画质好， 达到了CRT的水平。除此之外，SED在暗处对比 度、电力消耗、层次特性的表现上全面胜出现有 的LCD和PDP，而成本又低于LCD和PDP显示器。 发光原理就是高速电子撞击荧光粉发光，这与普 通电视显像管（CRT）的原理是一样的，只是电子 发射阴极不同而已。
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问题的分析
为了获得可利用的场致发 射电流，阴极表面必须有 相当高的加速电场强 度。
由静电学知识可知，极小 曲率半径的金属针尖表面 容易形成极强的电场，即 “尖端放电”。
因而将场致发射体（阴 极）做成曲率半径很小的 针尖 。
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7.2 FED的构成及制作工艺
FED的结构
FED平面显示器是一个真空电子器件，它由两块平 板玻璃，周边用特殊的玻璃封接而成。 阳极板上有红、绿、蓝三基色荧光粉条，它们之 间由黑矩阵隔开。 阴极板上有行列寻址的微尖场发射阵列和栅极。 每一个像素由相交的金属带行列的交叉点所选 通，而每一个金属带交叉点像素中包含有大量的 微尖。 阳极板和阴极板之间有支撑结构，以抵抗大气 压。
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FED结构
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在FED中，电子是由与荧光屏大小相同的场发射阴极 阵列发出的，每个荧光粉发光点对应一个场发射阴 极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控制，发光 是逐行进行的，因此每个阵列阴极的发射电流远远小 于CRT中的电子束流。
通常，由场发射阴极构成行电极，控制栅极(或称门 极)构成列电极。
光电场致发射技术在半导体制造中的应用
光电场致发射技术在半导体制造中的应用随着科技的不断进步和发展，半导体制造业也迎来了空前的繁荣。
其中，光电场致发射技术在半导体制造中的应用日益广泛，成为了半导体领域中的热门技术之一。
本文将从光电场致发射技术的原理、应用以及未来发展等方面进行探讨，以期更好地了解该技术在半导体领域中的重要性和前景。
一、光电场致发射技术的原理光电场致发射技术（PCSE）是一种基于光电效应的电子发射技术。
该技术利用光子能量激发材料表面的电子，使其克服表面势垒而逸出材料表面并被收集。
其基本原理为：在材料表面附近施加一个外部电场，通过光子能量激发物质表面的电子从而逸出材料表面，最终被收集。
相比传统的热电子发射（THz）技术，PCSE技术具有更高的发射速率和更低的能量消耗，可在低能量下实现高效电子发射。
这一技术成为制备高品质电子材料的强大工具。
二、光电场致发射技术在半导体制造中的应用1.金属印刷在半导体制造中，金属印刷是一种非常重要的工序，它是制备精密电路的关键步骤。
传统的金属印刷技术虽然可以获得高质量的印刷效果，但其生产效率较低，且污染较大。
而采用光电场致发射技术的金属印刷工艺可以实现微米级别的印刷，使生产效率大大提高，且制程污染也大幅减少。
2.微电子加工在微电子加工中，PCSE技术也有着广泛的应用。
通过使用PCSE技术，可以实现微电子元件的高速自行组装和精密加工，无需使用传统的制备工艺，从而大大降低制造成本。
3.集成电路制造在集成电路制造中，PCSE技术可以有效提高集成电路的制造效率和质量，进一步促进半导体行业的发展。
采用PCSE技术对芯片表面进行精密加工，不仅可以使芯片电子元件的尺寸更加精细，还可以降低生产成本和加速工艺流程。
三、光电场致发射技术未来的发展随着半导体材料的不断更新和半导体工艺技术的日新月异，光电场致发射技术在未来还有着更加广阔的应用前景。
未来，PCSE 技术将进一步提高制造效率和精度，并在新型器件制造和芯片规模集成方面发挥重要作用。
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• 实际问题：
– 复杂 – 但常常能近似成以上三种
总结
• 场致电子发射 • 场增强因子的近似计算 • 课堂中各种简单情形可以作为各种实际情 况的良好近似
谢谢！
场致电子发射的应用－FED
工作温度范围大、无视角问题、功耗小、色彩、亮度
3
场致电子发射的应用－FEEM
• 单色性好
4
场致电子发射的应用－EHM
Martha R. et al. 07
5
Orchowski A, Rau WD, Lichte H., Phys. Rev. Lett. 74:399 (1995) Solution of TEM ~ 0.198nm Solution of EHM ~ 0.104nm
6
尖端效应
Field-emission gun (FEG):
Work function Fermi level cathode
E~ 5000V/μm
E~ 1-50V/μm
7
Nano-emitters
Harvard U.
SYSU
场增强因子
d
Ea
U
U E d Ea E
有限元、量子化学、悬球模型
2r
L
LE LE E Ea E 2 4 0 r r r L r
Q
0.7 L 有限元数值结果： r
R.G.Forbes, C.J. Edgcombeb, U.Valdre, Ultramicroscopy 95 (2003) 57
课堂与实际
• 课堂：
– 无限大平面、无限长直线、球
全国高等学校电磁学教学教材研讨会 暨全国高等学校电磁学研究会2010年年会（无锡）
场致电子发射与 场增强效应
王伟良 （师资型博士后）
中山大学
场致电子发射
阴极 阳极 阴极
2
量子隧穿
Fowler and Nordheim (FN plot), 1928：log(J / E 2 ) ~ 1/ E
特点：1）发射电流密度大；2）出射电子单色性好。
有限元
A. Buldum et al. Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 236801
10
量子化学
X. Zheng et al. Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 106803
11
悬球模型
球表面的电势： Q
LE
Q 4 0 r
0
E V=0