場致發射法

場致發射法是一個非常有套用前景的研究領域。有多種結構的場致發射陰極可實現低壓場致發射，這使得平板場致發射顯示屏成為可能。平板場致發射顯示屏具有無陰極功耗、無預熱延遲、可高度集成化、發射電流密度大、體積小和電壓低等優點，這些優點使得它可能成為一代性能優良的顯示器件，將具有良好的前景。同時場致發射還可套用於微波器件和感測器等方面，因此場致發射技術的研究是非常有意義的。

原理特點

場致發射機理及特點

場致電子發射也稱冷電子發射，是與熱電子發射完全不同性質的一種電子發射方式。熱電子發射是靠升高物體溫度，給發射體內部的電子以附加能量，使一些電子越過發射體表面勢壘逸出而形成的電子發射方式。這種方式的發射能耗高，同時還有時間的延遲性。場致發射則不同，它並不需要提供給體內電子以額外的能量，而是靠強的外加電場來壓抑物體的表面勢壘，使表面勢壘的高度降低、寬度變窄，這樣發射體內的大量電子由於隧道效應穿透表面勢壘逸出形成場致電子發射。而且它沒有時間延遲、功耗低，因而場致發射是一種非常有效的電子發射方式。

場致發射時，隨外加電場的增強發射體的表面勢壘的高度越來越低、寬度越來越窄，從發射體表面逸出的電子越來越多，這樣場致發射電流越來越大。Fowler－Nordheim利用量子理論研究了場致發射現象，推導出了F－N場致發射公式

式中：E為外加電場場強的大小，A和B是與發射體的功函式有關的常數。由上式可見場致發射電流密度大小與外加電場場強和發射體的功函式有密切的關係。因此利用場致發射時，就應選擇合適的材料作發射體，並設計恰當的發射體結構，才能在儘量低的電壓得到所需的電子發射量以滿足器件工作的要求。 場致發射陰極可分兩大類：一類是微尖型。一般材料功函式較大要形成場致發射時場強應在107V/cm以上，根據場強E與極間電壓V成正比的關係：

E=βV

其中比例因子β，也稱場強變換幾何因子。它是由陰極與陽極形狀以及極間距離等決定的。低壓下形成場致發射，需要利用尖端效應，將陰極表面作成具有很大曲率的尖端才能獲得高場強。常用的場致發射陰極有通過近代薄膜微電子工藝製作的Spint型[2]（金屬尖錐）、矽尖錐型、混合型（在金屬尖錐表面在鍍上一層功函式小的金屬薄膜Cs、Ta、Pt等）。

另一類為薄膜場致發射陰極。近年來金剛石薄膜與類金剛石薄膜作為場致發射陰極的研究正在深入進行，這類材料具有負的電子親和勢，功函式為0．2～0．3eV，因此做場致發射陰極非常合適。一般金屬材料獲得冷發射時的表面場強在107V/cm以上，而金剛石表面只要104～105V/cm即可獲得發射電流。另外金剛石優良的導熱性、穩定的化學性質、好的機械強度都使金剛石表現出作為場致發射陰極的優勢。

摻雜的金剛石可以獲得更低的發射場強閾值，如摻氮、硼等。不僅大多數類型的金剛石都有發射能力，許多碳材料也易產生電子發射。這裡以一定發射電流所需要的閾值電壓大小作為衡量標準，對最近開發的各種金剛石陰極進行比較。純淨的金剛石具有5．5eV的寬頻隙，由於電阻太高，很難得到場致發射。摻硼形成P型後，發射性能有改善，但閾值場強仍較高。摻磷、特別是摻氮形成N型可使閾值場強降為0．5V/μm。多晶CVD金剛石由於晶粒邊界有導電性而易獲得場致發射能力，這是一種半導體，帶隙寬度在1～4eV氮摻雜後閾值場強可達到5V/μm[3]。用過濾的陰極真空電弧法沉積的四面體非晶碳，閾值場強可降到20～40V/μm。在等離子氫燒結的納米晶態金剛石織構膜[4]，在電流密度10mA/cm2下，閾值場強可達3～5V/μm。碳納米管是另一種有希望的場致發射材料[5]，其發射電流較大、閾值場強較低。

其它寬禁帶半導體如BN、SiC、CaN、AlN等Ⅲ－Ⅴ族化合物，常認為是一組類金剛石的超硬材料，它們在高溫下穩定，不易形成缺陷能阻止摻雜劑的擴散。實驗標明這類材料的電子親和勢很低，通過表面處理甚至可以使電子親合勢變為負的。從而引起了用它製作場致發射陰極的興趣，這類材料一般可適合高功率、高發射電流的套用場合，這類寬禁帶半導體的場致發射機理及套用還有待進一步研究。

場致發射的套用：利用場致電子發射通過現代微加工技術製造出來的真空微電子器件有許多超過固體器件的優點，例如真空微電子器件能提供很高電流密度（>100A/cm2），在真空微電子器件中電子的彈道傳輸方式比半導體器件中的荷電粒子的傳輸方式更有效、速度更快且基本無功耗，真空微電子器件的工作特性基本與溫度無關，且對輻射不敏感等。其套用前景非常廣泛，如套用於場致發射顯示器、微波器件及感測器等方面。

其他相關

（1）微波器件方面的套用

場致發射在微波管中的套用目前主要有兩種：一是預調製放大器，有耦合腔輸出的窄帶器件速調四極管和螺旋線輸出的寬頻器件行波速調四極管。雖然目前的輸出功率只有毫瓦量級[6]，但都得到了10GHz調製頻率的射頻功率輸出，這說明場致發射的射頻調製頻率已經達10GHz。二是小型行波管（TWT），用場致發射陰極直接代替TWT中的熱陰極做小型化的中功率的TWT放大器，在X波段10．5GHz處已經得到27．5W的功率輸出[7]。微波器件套用要求場致發射陰極電子源具有高電流密度、低發散、性能穩定可靠、長壽命及柵控能力。大電流、高跨導、低電容的場致發射陰極是提高場致發射微波器件的關鍵。

（2）感測器方面的套用

場發射在感測器方面的主要套用有真空微電子磁敏感測器、壓力感測器、加速度感測器及圖像感測器等。其中磁敏感測器是基於真空微電子器件中的電子運動不受晶格散射的影響可獲得很高的速度，並且在磁場作用下有較大的偏移量，從而具有較高的靈敏度和精度。壓力感測器其結構主要有場致發射陰極、真空腔和陽極等，陽極或場發射陰極可作為壓力敏感膜，當其受到壓力時將發生形變，陰極與陽極之間的距離變化從而使陰極發射尖錐的場強發生改變，最終表現為輸出電流的變化，因而可通過測量電流得到相應的壓力值。一般利用場致發射製作的真空微電子感測器具有靈敏度高、抗輻射、體積小、低功耗等優點。

（3）顯示屏

場致發射顯示屏（FED）是一種能夠實現輕薄化和良好像質的新型顯示器件。它的各方面性能如亮度、功耗、解析度、回響速度等方面都有與其它顯示器相競爭的實力。場致發射顯示屏[8]由場致發射陰極陣列、驅動電路和塗有導電薄膜（陽極）及螢光粉的玻璃板構成的，陰極是場致發射平板顯示器的核心部分。Spindt型陰極在場發射顯示屏的套用主要要求其均勻性和一致性，而對發射電流大小沒有過高的要求，大面積均勻刻蝕技術是制約場發射顯示屏朝大尺寸發展的一個障礙。低控制電壓、大面積、均勻一致性好、穩定可靠、耐轟擊、長壽命陰極的開發是場致發射顯示器的關鍵。類金剛石薄膜表面的負電子親合勢引起了對類金剛石發射體的多方面的研究，平面結構的類金剛石薄膜製作過程相對簡單，省去微尖的形成工藝。由於類金剛石薄膜可以拼成大面積，使得大面積的平板場發射顯示器成為可能。