Вакуумная и плазменная электроника

№ 1371

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

С.П. Курочка
Г.Д. Кузнецов
А.С. Курочка

Вакуумная и плазменная
электроника

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 621.38 
 
К93 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. Ю.В. Осипов 

Курочка С.П., Кузнецов Г.Д., Курочка А.С. 
К93  
Вакуумная и плазменная электроника: Курс лекций. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2009. – 162 с. 

Рассматриваются физические основы вакуумной и плазменной электроники и основные направления их применения. Анализируются возможности 
создания, управления и транспортировки электронных потоков. Рассматриваются физические основы эмиссионной электроники. Анализируются электрические явления в газоразрядном промежутке, примеры преобразования 
потоков ионизированных частиц и режимы работы плазменных дисплеев. 
Содержание курса соответствует государственному образовательному 
стандарту по направлению «Электроника и микроэлектроника». 
Предназначено для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению 
210100 «Электроника и микроэлектроника». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Основные направления развития вакуум-плазменной электроники4 
1.1. Электровакуумные приборы ........................................................4 
1.2. Ионные приборы..........................................................................11 
1.3. Плазменные панели.....................................................................12 
2. Физические основы эмиссионной теории ........................................16 
2.1. Работа выхода электронов ..........................................................16 
2.3. Требования к катодам .................................................................25 
2.4. Материалы катодов .....................................................................29 
3. Параметры источников электронов ..................................................35 
3.1. Требования к источникам и ограничения на параметры .........35 
3.2. Формирование изображения.......................................................36 
3.3. Параметры пучков электронов...................................................39 
3.4. Аберрации ....................................................................................47 
3.5. Устройство источников электронов ..........................................54 
3.6. Оптика источников электронов..................................................59 
4. Электрические явления в газах .........................................................66 
4.1. Элементарные процессы в газовом разряде..............................66 
4.2. Самостоятельные и несамостоятельные разряды.....................69 
4.3. Напряжение возникновения разряда .........................................71 
4.4. Виды электрических разрядов....................................................72 
4.5. Конструкция отдельных классов ионных приборов ................81 
5. Электронно-лучевые приборы ..........................................................91 
5.1. Принцип работы электронно-лучевой трубки..........................91 
5.2. Электронная пушка. Модуляция электронного луча 
по плотности .......................................................................................94 
5.3. Фокусирующие системы.............................................................98 
5.4. Отклоняющие системы .............................................................101 
5.5. Экраны электронно-лучевых трубок .......................................107 
5.6. Осциллографические трубки....................................................112 
5.7. Кинескопы..................................................................................114 
6. Плазменные панели переменного тока...........................................117 
6.1. Режимы работы..........................................................................117 
6.2. Принцип действия ячейки.........................................................118 
6.3. Материалы и технология изготовления панелей....................120 
Приложение. Примеры задач по темам курса. 
Дополнительные контрольные вопросы.............................................160 
Библиографический список.................................................................161 

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ 
ВАКУУМ-ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 

Термин «вакуум-плазменная электроника» используется для описания приборов или компонентов, принцип действия которых основан на движении свободных электронов или ионов в вакууме или 
плазме согласно законам классической физики. 
Выделяются три ключевых аспекта вакуум-плазменной электроники: 
1) необходимо «вырвать» электроны из металла (или полупроводника), в котором они находятся, и инжектировать их в вакуум в достаточном количестве и с малым разбросом по энергиям для последующего использования в конструируемом приборе; 
2) необходимо изготовить структуры нужных размеров и допусков, включая нанесение тонких слоев материалов с такими физическими свойствами, какие пригодны для приборов; 
3) необходимо разработать прибор так, чтобы он был устойчив по 
отношению к нежелательным разрядам в вакууме и к изменениям 
окружающей среды. 
Вакуум-плазменная электроника – область науки и техники, охватывающая изучение и применение электронных и ионных явлений в 
вакууме или плазме, причем основное внимание уделяется электронным приборам. 
Электронным прибором называется прибор, в котором проводимость осуществляется главным образом посредством электронов или 
ионов, движущихся в вакууме, газе или полупроводнике. 
Электронные приборы – это устройства, в которых используются 
физические явления, связанные с движением заряженных частиц в 
твердом теле, вакууме или газовой среде. 
Рабочая среда, в которой протекают основные физические явления в 
приборе, служит наиболее общим классификационным признаком. 
Различают, таким образом, электровакуумные, ионные (газоразрядные) и полупроводниковые приборы. Последние относятся к 
твердотельной электронике и в данном курсе не рассматриваются. 

1.1. Электровакуумные приборы 

В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано 
от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразрежен

ного газа с давлением порядка 10–4 Па. Группа электровакуумных 
приборов наиболее многочисленна и разнообразна как по конструкции, так и по назначению. В качестве классификационных признаков 
для этой группы приборов могут быть использованы: диапазон рабочих частот, характерная особенность управления потоком электронов, принцип преобразования энергии, основное назначение, особенности конструкции и др. Электровакуумные приборы подразделены 
на следующие подгруппы: электронные лампы, электронно-лучевые 
приборы, миниатюрные вакуумные электронные приборы. 
В зависимости от функционального назначения электронноуправляемые лампы разделяют на генераторные, модуляторные, усилительные, выпрямительные; по роду работы – непрерывного и импульсного действия; по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. 

 

Рис. 1.1. Триод 

Простейшей электронной лампой 
является диод. Более сложными – триод, тетрод, пентод, гексод, гептод, октод, эннод и декод, названия которых 
произошли от греческих чисел, определяющих число электродов в лампе. 
Электронные лампы, содержащие две 
или более систем электродов в одной 
оболочке, связанных с независимыми 
потоками электронов, но имеющих 
иногда один или несколько общих 
электродов, называются комбинированными: двойной диод, двойной триод, диод-пентод, триод-гептод и т.д. 
Электронно-управляемая 
лампа – 
электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током, 
ограниченным пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов. 
Одна из простейших электронных 
ламп – триод – показана на рис. 1.1. 
Она состоит из системы электродов (подогревный термокатод 1; 
управляющий 
электрод – 
сетка 
2; 
коллектор 
электронов – 
анод 3), смонтированных на стеклянной ножке 4, через которую проходят выводы электродов 5, присоединенные к штырькам 6. Поло

жение всех электродов фиксируется слюдяными пластинами 7. Арматура лампы помещена в баллон 8, из которого затем откачивается 
воздух до давления около 10–5 …10–6 Па. В каждой лампе в процессе 
монтажа электродов устанавливается газопоглотитель (геттер). При 
окончании процесса откачки геттер (чаще всего – барий) испаряется 
из таблетки 9, укрепленной на полочке газопоглотителя. Осаждаясь 
на внутренней стенке баллона, геттер образует серебристый зеркальный слой 10, который связывает газ, оставшийся в баллоне или выделяющийся впоследствии из электродов в процессе работы лампы. 
При изучении электронных ламп необходимо рассмотреть распределение потенциала в междуэлектродном пространстве, различные виды электронной эмиссии, междуэлектродные емкости, распределение токов между электродами и другие явления. 
Электронно-лучевой прибор – электровакуумный прибор, действие которого основано на формировании и управлении интенсивностью и положением одного или более электронных пучков. 
Электронно-лучевые приборы необходимы для осциллографов, 
телевизионных систем, радиолокационных станций. Они используются в качестве быстродействующих переключателей в аппаратуре 
автоматического контроля и ЭВМ для индикации и регистрации алфавитно-цифровых и графических данных и пр.  
В любом электронно-лучевом приборе содержится три основных 
конструктивных элемента: электронный прожектор – устройство, 
предназначенное для формирования электронного луча, отклоняющая система – для перемещения луча в пространстве и люминесцирующий экран (или мишень). Элементы прибора размещены колбе, в которой обеспечивается вакуум порядка 10–5…10–4 Па.  
Электронный луч, созданный электронным прожектором, перемещается в пространстве отклоняющими системами и попадает на 
экран (или мишень), вызывая определенный эффект. Практическая 
безынерционность луча позволяет анализировать быстро протекающие процессы, передавать или принимать телевизионное изображение, записывать или считывать различную информацию и т.д.  
Многообразные электронно-лучевые приборы принято классифицировать по характеру преобразования входного сигнала в выходной. 
По этому принципу можно выделить следующие основные группы 
приборов. 
Приемные 
электронно-лучевые 
трубки – электронно-лучевые 
приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическое изображение. Это осциллографические трубки, кинескопы, индикатор

ные радиолокационные трубки, а также трубки, предназначенные для 
решения более узких задач (фототелеграфия и пр.). 
Приборы, преобразующие электрические сигналы в сигналы другой частоты. К ним относятся запоминающие трубки (потенциалоскопы) – электронно-лучевые приборы, обладающие свойством хранить и считывать в течение определенного времени введенную информацию, а также электронно-лучевые коммутаторы, предназначенные для переключения электрических цепей с очень высокой скоростью при помощи электронного луча. 
Приборы, предназначенные для преобразования одного изображения в другое с «переносом» в другую область спектра. Приборы, 
позволяющие преобразовать, например, изображение, полученное в 
невидимых инфракрасных, ультрафиолетовых или рентгеновских 
лучах в видимое изображение, называются электронно-оптическими 
преобразователями. 
Передающие электронно-лучевые трубки – электронно-лучевые 
приборы, преобразующие оптическое изображение в электрические 
сигналы. 
В последнее десятилетие XX века открылась новая эра миниатюрных вакуумных электронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией (в некоторых случаях речь 
идет и о микровакуумных приборах и интегральных схемах на основе термоэлектронных катодов). Эти новые приборы обладают сверхвысоким быстродействием (субпикосекундным), высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и весьма большим коэффициентом полезного действия (КПД). Приборы 
вакуумной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диапазона длин волн, в системах 
непосредственного телевизионного вещания со спутников с использованием тридцатисантиметровых антенн и менее, в радиолокационных станциях, телефонных системах сотовой связи и т.д. Особо перспективным представляется использование этих приборов для создания нового поколения сверхбыстрых компьютеров. В этом случае 
элемент памяти может быть создан из двух ламп по системе триггера. При токе с одного острия 10–5 А мощность, рассеиваемая парой 
микротриодов при напряжении на аноде 20 В, будет 2⋅10–4 Вт. При 
плотной упаковке на 1 см2 площади можно разместить около 
106 элементов памяти, для которых мощность рассеяния составляет 
20 Вт/см2, так что в качестве основной выступает здесь проблема те

плоотвода. В 1988 г. на 1 см2 размещали 104 микротриодов, так что 
мощность рассеяния составляла уже 2 Вт. 
Первые практические результаты в области вакуумных микроэлектронных приборов были получены после разработки технологии 
изготовления матричного автоэмиссионного катода в 1973–1976 гг. 
Тонкопленочный катод с автоэмиссией (ТКА) представляет собой 
сэндвич проводник-изолятор-проводник (рис. 1.2).  

 

Рис. 1.2. Схематическое изображение тонкопленочного 
автоэмиссионного катода Спиндта 

Верхний проводник является сеточной пленкой с отверстием диаметра 1…3 мкм, сквозь которое протравлена полость в изоляторе до 
нижнего проводника (подложки). На подложке находится металлический конус (эмиттер), и его вершина располагается в отверстии 
сеточной пленки. Размеры этой конструкции очень малы и составляют единицы микрон. Это позволяет обеспечить высокие значения 
напряженности поля при небольших приложенных напряжениях 
(20…400 В) и существенно снизить требования к давлению, поскольку даже при сравнительно плохом вакууме расстояние между электродами оказываются меньше длины свободного пробега. 
Спиндтом были получены катоды в виде двумерных решеток с 1, 
100 и 5000 эмиттерами. В 100-конусной решетке (матрица 10×10) 
расстояние между эмиттерами составляло 25,4 мкм, так что полная 
область эмиссии представляла собой квадрат со стороной 0,25 мм. 
Решетка с 5000 эмиттеров заполняла круглую область диаметром 

1 мм с расстоянием между конусами 12,7 мкм. Таким образом, плотность упаковки эмиттеров достигала 6,4·105 см–2. Рабочие напряжения находились в области от 100 до 300 В. Катоды работали при давлении 10–9 мм рт. ст., которое обеспечивалось непрерывной откачкой. 
Ток эмиссии с одного острия находился в пределах от 50 до 150 мкА, 
что соответствует средней плотности тока с катода 8 А·см–2. Для катода 
с 5000 острий в импульсном режиме был получен ток до 100 мА 
(плотность тока достигала 12 А/см2). Разумеется, сейчас эти результаты уже неуникальны. Так, на VI Международной конференции 
(США) сообщалось о создании решетчатых катодов с расстоянием 
между эмиттерами 0,32 мкм, радиусом острия около 2,5 нм и диаметром отверстия в управляющем электроде 0,16 мкм. Маска для 
травления отверстий в структуре металл–изолятор с диаметром 
0,16 мкм делается с использованием методов лазерной голографии. 
Созданы катоды с 9000 острий, расположенных в решетке размером 
30×30 мкм, и 800 остриями в решетке размером 9×9 мкм. Рабочее 
напряжение на управляющем электроде было около 30 В, на аноде (в 
схеме триода) – 200 В. Расстояние между управляющим электродом 
и удаленным анодом порядка 100 мкм. Катод с 100 остриями в рабочем режиме дает ток 0,1 мА, что соответствует средней плотности 
тока 120 А/см2. 
Если к спиндтовскому катоду добавить сверху еще один электрод, к 
которому приложено положительное напряжение, то можно получить 
самый обычный вакуумный триод, отличающийся только весьма малыми размерами. Оценки показывают, что рабочая частота вакуумных 
приборов может быть повышена по крайней мере на порядок по сравнению с полупроводниковыми. 
Важнейшим преимуществом вакуумных микротриодов перед полупроводниковыми является их радиационная и термическая стойкость, 
что открывает такие сферы использования, как космическая и военная 
техника, контроль ядерных реакторов, реакторов расщепления и синтеза, контроль ракетных двигателей, управление геотермальными скважинами и т.п. 
К сожалению, вакуумный микротриод имеет и конструктивные недостатки, и главный из них – малый коэффициент усиления. 
Помимо катодов в виде металлических острий, полученных в результате напыления, многие научные группы занимаются созданием и 
изучением катодов из полупроводниковых материалов, таких как 
кремний. По мнению одного из авторитетных исследователей в вакуумной микроэлектронике, Г. Грея, решетки автоэмиссионных катодов, 

изготовленных из монокристаллов кремния, обладают следующими 
свойствами: имеют большую крутизну, плотность тока и низкую межэлектродную емкость катод – сетка, что важно в сверхвысокочастотном 
диапазоне длин волн (особенно на миллиметровых волнах); обеспечивают высокую плотность тока для использования в электроннолучевых трубках; имеют высокую яркость и малый размер источника 
для использования в сканирующих микроскопах; плоские дисплеи, 
созданные на их основе, имеют большие размеры экрана и низкую 
стоимость. 
Кремний – очень удобный материал для изготовления автоэмиссионных катодов. Его работа выхода 4,2 эВ сравнима с работой выхода 
электронов из металлов, его механические, электрические и химические свойства хорошо изучены, технология работы с кремнием тщательно отработана при разработке сверхбольших интегральных схем, 
устройства на кремниевых полевых эмиттерах могут быть легко интегрированы в микросхемы. Кроме того, разработаны методы изготовления острий из кремния с радиусом кривизны атомных размеров (меньше 1,0 нм), что позволяет существенно понизить рабочее напряжение. 
Изготовление решетки из 10×10 и 80×80 острий с расстоянием между 
остриями 4 мкм (плотность упаковки 6,25·106 см–2) и диаметром отверстий в управляющем электроде 2 и 3 мкм. Для отверстий с диаметром 
2 мкм ток эмиссии 1 мА достигался при напряжении 66 В на управляющем электроде. Максимальный ток, снимаемый с одного острия, 
мог достигать 50 мА. Пожалуй, самое замечательное свойство кремниевых катодов в том, что форма образующегося острия, его радиус 
округления и высота практически идентичны для всех элементов решетки. Однако автоэмиссионные катоды из кремния имеют более низкую плотность тока, чем металлические катоды. Ситуацию можно исправить, покрывая кремниевые эмиттеры тонким слоем металла, в качестве которого можно использовать вольфрам, титан, тантал, платину, 
палладий и золото. 
До сих пор речь шла об автоэмиссионных катодах с вертикально 
расположенными остриями. Между тем еще в середине 60-х годов была высказана и практически реализована идея создания микровакуумных диодов и триодов, в которых автоэмиссия имела место с края катода в виде тонкой металлической пленки, напыленной на диэлектрической подложке. Толщина эмиттирующей пленки составляла 
100…200 нм, расстояние катод–анод было 6…8 мкм, расстояние катод – управляющий электрод – около 0,5 мкм. При напряжении на ано

де 300 В ток менялся от 1·10–3 до 3 мкА при изменении потенциала 
управляющего электрода от 175 до 250 В. 
Автоэмиссионные триоды (транзисторы) с горизонтальной геометрией рассматриваются как основные кандидаты для работы на сверхвысоких частотах, поскольку такие конструкции имеют низкую емкость между катодом и управляющим электродом. Уже создан и микровакуумный аналог тетрода: между управляющим электродом и анодом введен дополнительный четвертый электрод. 
Следует заметить, что поиск новых материалов, подходящих для 
создания автокатодов, ведется непрерывно. Недавно обнаружили, что 
одним из таких материалов является алмаз. Его уникальность состоит в 
том, что возможна автоэмиссия электронов при низких напряженностях электрического поля – менее 1 В/мкм. 
Для многих приложений, например, для использования в плоских 
дисплеях или для создания источников электронов в мощных СВЧприборах, нет необходимости, чтобы катод имел регулярную структуру 
в виде периодических острий. Поэтому особый интерес вызывает исследование автоэлектронной эмиссии из тонких пленок аморфного алмаза. В экспериментах получена плотность тока в пределах 
0,1…1 мА/мкм2 при полях с напряженностью 20…40 В/мкм. Такие 
плотности тока достаточны для использования в плоских дисплеях. 

1.2. Ионные приборы 

Ионными называют электровакуумные приборы, в которых электрические характеристики определяются в основном ионизацией намеренно введенного газа или пара. Давление в этих приборах обычно 
меньше атмосферного. 
В электрическом разряде непрерывно происходят процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул электронами с образованием возбужденных частиц, а также положительных и отрицательных 
ионов. Непрерывно происходят и процессы рекомбинации заряженных частиц противоположных знаков. Свойства газоразрядных приборов, их характеристики и параметры определяются всей совокупностью происходящих процессов образования и нейтрализации заряженных частиц. 
В зависимости oт вида электрического разряда различают газоразрядные приборы тлеющего, дугового и коронного разрядов. 
К приборам тлеющего разряда относятся прежде всего стабилитроны, предназначенные для работы в качестве стабилизаторов на