1、真空微电子三极管优化设计摘要：真空微电子学既是新兴学科、又是交叉学科，是目前国内外电子学研究的主要课题之一。我国的真空微电子学课题自 80 年代初被提上日程起，不断取得新的研究成果，为我国的现代工业发展贡献了力量。在这其中，真空微电子三极管作为一个研究分支，也得到了很大的重视。本文在概述真空微电子器件场致发射理论的基础上，通过电脑模拟的方法建立模型并仔细分析，探讨了真空微电子三极管优化设计方案。 关键词：真空微电子三极管 优化设计 电脑模拟 真空微电子学是横跨微电子学、真空电子学、高场下的物理学、材料科学等的交叉学科，主要探索场致发射理论、新结构、阵列制备工艺等。真空微电子器件采用的是场致发射
2、阴极，电压低、电流密度大、体积小、噪声小、跨导大、寿命长，是微电子器件的主要工艺之一。真空微电子器件的电脑模拟主要探索器件内各点场强与模拟电荷法、边界元法的计算关系、阳极电流的计算、发射频率上限计算、跨导计算和小信号增益计算。 一、理论基础 1.1 场致电子发射。场致电子发射理论是指以强表面电场使物体表面势垒降低、宽度变窄，使物体内电子更能穿透表面势垒实现溢出的电子发射理论。场致电子发射的优点是电流密度大、没有发射时间迟滞现象，较之前的热电子发射有很大优势。它的主要原理是：正向动能超过表面势垒高度的电子会被部分反射回金属内部，反射回去的概率与势垒本身的形状，以及正向动能超过势垒的高度差密切相关
3、。结合隧道效应，随着穿入势垒的加深，电子波函数的振幅变小。强场作用下，会出现表面势垒降低、宽度变窄的现象，势垒宽度变得与电子波长的数量级相当时，就可以实现有效的隧道效应了。这种情况下，半学体的场致发射与纯金属没有本质上的区别，而且温度对发射电流的影响也不大，即使环境为绝对零度，场致发射电流密度也可和钨在 2800K 时的热发射电流密度相当。实现场致电子发射首先要考虑在发射体表面产生强电场的方式，现在的半导体微细加工和薄膜技术可以实现大面积场致发射阵列的器件制造，它不但可以制造出单个式和阵列式的小曲率半径的发射锥尖，还能将阳极与栅极的锥尖距离变得很微小，实现极低电压下的场致电子发射。1.2 真空
4、微电子三极管的理论模型。真空微电子场致发射阴极的方法有体外电子发射（薄膜场致发射的 spindt 阴极）和体内电子发射（雪崩二极管阴极）两种。体外电子发射（薄膜场致发射的 spindt 阴极）电压低、真空要求较低、稳定时间较长的有点，是本文的研究重点。 真空微电子三极管包括场致发射阴极、栅极和阳极，工作原理是将电压加至真空微电子三极管的阳极和栅极以导致阴极尖锥顶端产生107V/cm 数量级的场强，使阴极发射的电子被阳极大量收集，形成三极管正向电流。影响真空微电子三极管的发射性能的是发射体的形状，在常见的锥球形、平面形、刀刃形、金字塔形等形状中，刀刃形（楔形）场发射阴极易于电脑模拟，是本文真空微
5、电子三极管电脑模拟的假设形状，即阴极正对栅极，阴极尖端是光滑圆柱切入楔尖。在电脑模拟的计算架构上，本文使用了泊松方程、拉普拉斯方程计算空间电势，线性方程计算阴极尖端表面的电场分布，Fowler-Nordheim 方程计算发射电流密度，根据管内电子发射轨迹计算电流大小，采取牛顿运动方程式计算阴极尖端发射的电子轨迹，以轨迹的初始位置计算阴极尖端的有效发射角。 二、真空微电子三极管优化设计 2.1 真空微电子三极管的电脑模拟函数。本次模拟采用的功函数为：4.5ev 的硅发射体；结构参数为：器件半宽度 1.5um，栅孔平径 0.5um，尖端曲率半径 0.25um，阴极高度 1.4um，阴极腔室半径 1
6、.0um，阳极与基底间距 8.0um，楔形发射体 5.0um，栅极上边界与衬底间距 1.6um，栅极下边界与衬底间距 1.2um；楔形真空微电子三极管电压参数为：阳极电压150V，栅极电压为 300V。 2.2 真空微电子三极管的优化设计结论。本次模拟实验得出，阴极锥尖处的发射场强最大，发射体尖端的场强可达 2.513*107/cm，电子呈直线发射、电子束散射角较大。实验得出，栅极电压和阳极电流变大，发射体尖端曲率半径影响阳极电流的程度变小；发射体尖端曲率半径越小，阳极电流越大。实验得出，栅孔半径越小，栅极内电场起伏越大，场强越大，阳极收集的电流越大。所以，实际生产楔形发射体型真空微电子三级管
7、时，要把尖端做尖些、栅孔半径做小些，以提高发射性能。实验得出，不同形状的锥尖对应的发射角度不同，spindt 型锥尖对应的阴极有效发射角为 60 度，圆柱锥尖对应发射角为 90 度，金字塔锥尖对应发射角为 45 度。所以，实际生产楔形发射体型真空微电子三级管时，要把发射体尖端曲率半径做小些，发射体尖端的曲率半径要小于 50 纳米，以提高发射性能。实验得出，阳极与基底的距离大小和发射角大小成反比。所以，实际生产楔形发射体型真空微电子三级管时，要把阳极与基底的间距减小，以提高发射性能。实验得出，楔形发射体的阴极长度、发射面积、表面电荷与栅-阴极间电容成正比。所以，所以，实际生产楔形发射体型真空微电
8、子三级管时，要把栅极外半径减小，以减小发射面积等，提高发射性能。实验得出，发射阴极尖锥高度与栅-阴极间电容的增加幅度成正比。所以，实际生产楔形发射体型真空微电子三级管时，要把锥尖高度减小，使阴极尖锥的高度不超出栅极，可以通过增加栅极到基底的距离，或者降低尖锥高度实现，以提高发射性能。实验得出，发射尖端的曲率半径与真空微电子三极管的跨导成反比。所以，实际生产楔形发射体型真空微电子三级管时，要把尖端曲率半径做小，以提高发射性能。另外，还要选择金、铝、镍等功函数低的材料做发射阴极。 三、结语 真空微电子三极管的应用领域决定了发射频率的重要性，器件的跨导和栅-阴极电容决定了发射频率。电脑模拟可以精确求得楔形阴极真空微电子三极管的极间电容等数据及相互关系，用以指导真空微电子三极管的优化设计，改善器件发射性能。 参考文献： 1、秦明.黄安庆.魏同立“场发射锥尖得制备与特性研究” ，电子科学学刊.1997 2、蒋孝煌编.有限元法基础 ，清华大学出版社.1998 作者简介： 贾姝娟（1976.02-） ，女，河北高阳人，硕士，沧州职业技术学院副教授，研究方向：微电子与固体电子学。 顾春禄（1975.04-） ，男，河北沧县人，硕士，沧州职业技术学院副教授，研究方向：微电子与固体电子学。
