为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响

2017-11-14 13页 doc 33KB 14阅读

用户头像

is_279425

暂无简介

举报
【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响 栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影 响 第32卷第8期 2003年8月 光子 ACTAPHOTONICASINICA V01.32No.8 August2003 栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响 田进寿李冀李岩'牛憨笨 (1中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西,西安710068) (2深圳大学光电子学研究所,广东省光电子器件与系统重点实验室,广东,深圳518060) (3中国科学院研究生院,北京100864) 摘要用边界元法(BEM)和Mont...
【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响
【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响 栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影 响 第32卷第8期 2003年8月 光子 ACTAPHOTONICASINICA V01.32No.8 August2003 栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响 田进寿李冀李岩'牛憨笨 (1中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西,西安710068) (2深圳大学光电子学研究所,广东省光电子器件与系统重点实验室,广东,深圳518060) (3中国科学院研究生院,北京100864) 摘要用边界元法(BEM)和MonteCarlo方法,对一种基于碳纳米管场发射大面积彩色平面型显 示器的电子传输比进行了理论分析,通过模拟跟踪发射电子轨迹,证实改变阴极和栅极的相对高 度,可以较大幅度地提高电子传输比.阳极上电子的分布证实,我们设计的显示器结构能够满足高 分辨率,高亮度的显示的,而且驱动电压低,工艺简单. 关键词边界元法;MonteCarlo方法;电子传输比;平面型场发射显示器 中图分类号TN141文献标识码A 0引言 Cannon公司推出表面传导性显示器… (SCED),使场发射显示器的制作工艺得到了简化, 同时为场发射显示的大面积化提供了一条可行的途 径.根据有关技术资料,这种显示器的电子传输比 (到达阳极的电子和到达阴极的电子数之比)较低 (1%左右),为此我们提出了两种解决j:用碳 纳米管代替PdO发射体,通过控制碳管的排列方向 来调整电子传输比,理论计算表明,当碳管和栅极平 面之间的夹角达到30.时,几乎所有的电子到达阳 极形成传导电流;另一种方案是让阴极平面高于栅 极平面,这样也可达到调整电子传输比的目的.另 外,作为场发射体,碳纳米管有其优越的特性:比钢 要牢固100多倍,它具有重量轻,柔韧,耐高温,化学 惰性等特点,更重要的是其高的尺寸比,J.M. Bonard?测得SWNT膜场增强因子可高达 3400(无量纲),因而碳纳米管被广泛应用于场发射 显示器(FED)j,发光灯j,过压保护管j,x射线 管以及微波源中. 1结构模型和理论模型 取一个像素的简化模型,如图1所示.发射阴 极由碳纳米管构成,碳管和栅极以及阳极平行.碳 管的长度取2p.m,顶端由一半径为2.5DATI的半球 封闭.阳极和栅极之间距离取为1.5toni,栅极靠近 碳管的一侧取半径为0.05p.m四分之一圆弧,以更 贴近实际,碳管根部到栅极圆弧中心的横向距离取 2.05pln.碳管按其手性矢量可以分为金属和带隙 宽度不同的半导体,如果手性矢量分布均匀,那么在 Tel:0755—26538556 收稿日期:2002~12-25 图1电极结构模型 Fig.1Modelofelectricstructure 所有的碳管中,有1/3是金属,有2/3为半导体[8]. 但O.Groning的实验结果表明:碳管的场发射特 性符合金属场发射理论模型,J.M.Bonardu实验 表明,在小电流情形下,碳管的场发射符合Fowler- Nordheim公式.因此,我们把碳管简化为末端由一 个半球封闭的金属圆柱壳.由于各电极本身的尺寸 之间,电极间的距离相差特别大(如阴,阳极之间的 距离是碳管直径的30万倍),边界区域内电场强度 分布极其不均匀,边界元法是一种比较理想的方 法…j,总共在边界上取106个单元,考虑到我们考 察的研究对象各个电极上感应电荷密度分布很不平 衡,尤其是阴极碳管上的感应电荷密度要远远高于 阳极上的电荷密度,因此,在边界离散过程中,各个 单元的长度取不同的值,电荷密度越大的边界单元 划分越密,碳管上共计取62个常单元,栅极上取20 个单元,阳极取24单元.碳管发射电子的初始位 置,初速度,方位角以及强度分布是用MonteCarlo - 方法抽样确定的. 1)发射电子初始位置的确定 从发射体上发射出来的一个电子,具体从碳管 的哪一个离散化的单元上发射出来的呢?在温度 和功函数给定的情况下,场强越大的地方,发射 出来的几率越大,由Fowler.Nordheim公式,在温度 为,单位时间,从单位发射面积上发射出来的各种 能量的电子流为L12,133 8期田进寿等.栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响 )=exp(-c) sin1/ (1) ,l1T0 式中 81T?2mII,,— ——L) tYo一一'rn—6,^4 1TmII(), e为电子的电量,m为电子的质量,k为玻耳兹曼常 量,h为普朗克常量,占为电场强度,为发射体的功 函数,t(yo)在整个范围内接近于1,(Y0)为Nordheim 函数,其值可由查表给出.因此,将式(1)归一化,可 以作为发射几率随电场强度变化的函数,由于考察的 是冷场发射,因此发射几率函数(占)为 (占)一=1.54x10-682 J . Mu击\0u击, F3/2 exp[一6.83×10(y0)](2) 式中',是归一化常量,利用式(2),可以对电场强 度占用舍选法进行抽样,原则上讲,电场强度可 以取[0,?]之间的任何值,为了提高抽样效率而又 不失一般性,我们只在[1.0,8]×10V/cm范围 内采样,因为对冷阴极电子发射,通常当发射体表面 电场强度达到2,3×10V/cm时,才有较明显的电 子发射,而占为碳管上场强的最大值.当完成满足 条件的某一电场强度占的抽样时,把该抽样值跟碳 管上各个节点处的电场强度进行比较,跟哪个节点 上场强的值最接近,就认为电子是从该节点上发射 出来的,该节点的位置就作为追踪电子的初始位置, 用该节点的电场强度来计算电子的初加速度. 2)对发射电子初能量进行抽样,场发射电子初 能量在E,E+dE范围内的电子数为 l(E)dE=4"r I rmedexp(一c)? exp[(E—E,)/d] exp[(E—E,)/kT]+1, 则发射电子的初能量分布密度函数(E)为 )==(.c)? (3) exp[(E—EF)/d],., 7而4) 根据式(4),可以同样用舍选法对电子的初能 量进行抽样.由于场发射能谱较窄?引,电子的实际 能谱分布一般在费米能级1.5eV左右范围以 内H],甚至只有0.5ev[16],M.J.Fransen?等人 测得复壁碳管场发射的能谱峰值半宽度(FWHM) 在0.11,0.70eV,因此,同样为了提高抽样效率, 对发射电子的能量在4.8,5.3eV范围内进行采样. 3)电子在一个单元内发射强度的分布 . (COS)服从郎伯定律?,即某一单元阴极表面在 任何方向的发射强度正比于该方向与该单元表面法 线夹角的余弦,即 一 ,, 『2cos(0<COS<I),f 3(COSi0(其它) 利用式(5),完成对电子发射强度的抽样.同时,也 完成了发射方向与该单元法线夹角的抽样. 4)对电子发射的方位角进行抽样,对二维情况, 方位角蜕化为表示电子是从法线的左侧或右侧发 出.这里的法线方向定义和边界元计算中的外法线 方向恰好相反,由于从每一侧发射的概率是相等的, 因此,可以在(0,1)之间产生均匀分布随机数,如果该 随机数大于0.5,则认为从左侧发射,小于0.5,则从 右侧发射,等于0.5,则恰好从法线方向发射. 设阴极发射体的温度为T=300K,碳管发射体 的功函数JJE6=5.0eV,t(Yo)的值取为1.当 通过上述4个步骤完成对电子的初位置,初能量及 发射方向的抽样后,就完全确定了电子的初始状态 (初始位置,初速度,初加速度),然后追踪电子的运 行轨迹,到达阳极的电子我们称为发射电子,发射电 子轰击荧光屏形成图像信息,到达栅极的电子构成 传导电子. 2计算结果及分析 在计算过程中,阳极电压取4000V,栅极电 压取50V,图2是当碳管(阴极)轴线高出栅极 距离?发生改变时,边界上各个节点的电场强度, 可见碳管尖端的电场强度能够达到常用发射体所需 要的电场强度,碳管尖端的电场强度通常比阳极上 电场强度高出3个数量级.当?=0时,碳管顶点到 栅极的最近距离为20.7rim.图3(a),3(b),3(c), 图2各节点上电场强度的分布与阴极和栅极的高度差? 的关系(其中前62个节点位于碳营上,中间20个位 于栅极上,后24个节点位于阳极上) Fig.2Relationshipofelectricintensityonnodeswithvertical distancebetweencathodeandgate(thefirst62nodes ontube,thenext20ongateandthelast24onanode) 光子 3(d)分别为?=300nm,50nm,5nm和0时,到达 阳极上的电子分布情况(假设每一种情况下都有相 同数目的电子从碳管上发射出来),曲线下面的面 积代表了到达阳极电子的数目.而且随着?增大, 电子束有分成两束的趋势.不过总的看来,电子束 的聚焦性比较理想,?越小,聚焦性越好,当?为 5nm时,电子束斑的半宽度不到50Ixm,在?变化 过程中,电子束的中心位置始终保持在碳管右侧 i矗 '重 童 售 '量 童 c 暑 100Ixm左右的位置处,这在器件的封装过程中必须 要予以考虑.表1给出了电子传输比随?的变化情 况,当?从300nm减小到0时,电子传输比从 50.5%下降到17%,可见?越大,栅极对发射出来 的电子约束越小,有更多的电子能够挣脱栅极的束 缚到达阳极,形成发射电流.但可以看出,高度差? 对电子的传输比影响不是很强烈.图4(a)表示碳 管尖端实际发射电子总数(对数值)随?的变化情 图3阴极上电子的分布随阴极高出栅极的距离?的变化情况(其中阳极电压为 4OOOV,栅极电压为50V) Fig.3Distributionofemittedelectronsonanode(=4OOOV,=50V) 壅!皇焦塑皇堕塑塑塑塑奎垩重塞堕叁况,可见对于A=300nIn和A=O两种情况下, 碳管 垂直高度差A/nm300 传输效率n/(%)50.5 2005050 45.344.2530.25l7 Verticaldistancefromc.~tlod~togate/nm ×lo7 Verticaldistano~fromcathodetogatg/lllTI 图4(a)和(b)分别为碳管上实际发射电子数和电场强度 的最大值与?的关系 Fig.4(a)Relationshipoftotalemittedelectronswiththe verticaldistance?,(b)Relationshipofmaximum electricintensityOncathodelll? 上发射电子总数相差17个数量级,也就是说,当有 两个相同的碳管同时位于?=300nm和?=0的位 置时,离栅极近的碳管,其场发射将起决定性的作用. 图4(b)为碳管尖端电场强度最大值随?的变化情 况,它将直接影响发射电子的电流密度.其实,在变 化过程中,碳管尖端到栅极的距离也在发生改变,因 此很难分辨影响电子传输比的主要因素到底是碳管 尖端到栅极的距离或是高度差?,为此,让碳管位于 两个特殊位置进行比较:如图1,如果以栅极左侧圆 弧顶点O为坐标原点,那么位置1为碳管顶点P的 坐标为(0,100nm),位置2为碳管顶点P的坐标为 (一50nm,50nm),两个位置上,碳管顶点P到栅极 的距离都为61.8nIn,计算位置1和位置2的电子传 输比分别为44.25%和40.75%,证实了通过增大阴 极相对于栅极的高度差可以提高电子传输比,但效果 没有改变碳倾角明显.再和Canon公司的实验结 果?比较,可以得出:即使碳管和栅极位于同一平面 上,仅仅通过增大阴极和栅极之间的横向间距,也可 以提高电子的传输比,但却要同时提高栅极电压. 另外,为了检验碳管倾角对电子传输比的影 响,取碳管顶点P的坐标为(一267.6n/n, 753l 一..暑-人)/一I_豆cI.E8Ia暑j暑—)(B 8期田进寿等.栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响93l 1051.25nm),分别让碳管和栅极平面的夹角为30. 和0.,计算得到前者电子的传输比为99.7%,而后 者电子传输比为64.7%,可见电子的发射方向对传 输比的影响比较大,因为发射出来的电子具有比较 大的惯性,有更多的电子能够依靠惯性冲出栅极的 强束缚区而到达阳极. 3结论 尽管Canon公司推出的表面传导型场发射显示 器具有驱动电压低(12V)的优点,但由于阴极和栅 极的距离只有10nm左右,导致电子传输比太低,从 而限制了显示器的亮度.通过增大阴极和栅极之间 的距离以及阴极和栅极的相对高度,尤其是增大碳 管的倾角,可以大幅度地提高电子的传输比,但增大 阴极和栅极之间的距离以及碳管的倾角会同时导致 到达阳极的电子束聚焦性变差以及栅极电压的增 高,因此必须在电子传输比,驱动电压,分辨率以及 工艺条件上进行合理的取舍.总之,我们提出的基 于碳管的表面型场发射显示器能够满足低驱动电压, 高分辨率,高传输比(高亮度)的要求,且通过改变阴 极和栅极的相对高度以及碳管的倾斜角,可以达到提 高电子传输比的要求.但最好是通过改变碳管排列 的取向来提高电子的传输比,这样效果更明显. 参考文献 1OkudaM,MatsutaniS,AsaiA,eta1.Electrontrajectory analysisofsurfaceconductionelectronemitterdisplays (SEDS).SIDIntlSympl~gestTechPapers.1998.523— 526 2李冀,田进寿,牛憨笨,等.一种基于纳米碳管场发射的 大面积全彩色显示器.中国专利,申请号:02102178.3 LiJ,TionJS,NiuHB,eta1.Afull-colorfieldemission displaypanelbasedoncarbonnanotubos.ChinesepatentNo. 02102178.3,2002.3 3LeeNS,ChungDS,HanIT,etal,Applicationofcarbon nan~bestofieldemissiondisplays.D/amond Mater/als,2001,10(2):265—270 4SaitoY,UemuraS.Fieldemissionfromcarbonnanotubes anditsapplicationtoelectronsources.Carbon,2000,38(2): 169—182 5RosenR,SimendingerW,DebbaultR,eta1.Apphcationof carbonnanotubesaselectrodesingasdischargetubes.Appl Phys,2000,76(13):1668—1670 6SugieH,TanemuraM,FilipV,eta1.Carbonnanotubesas electronsourceinanx-raytube.ApplPhysLeu,2001,78 (17):25782580 7ZhouO,CharlierJC,BlaseX,eta1.Electronicstructureat carbonnanotubetips.@pliedPhysics(A),1999,68(3)283 — 286 8SaitoR,FujitaM,DresselhausG,eta1.Electronicstructure ofchiralgraphenetubules.ApplPhysLett,1992,60(18): 2204—2206 9GrOningO,KBttel0M,EmmeneggerCh,eta1.Field emissionpropertyofcarbonnanotubes.JVacSciTechnol (曰),2001,18(2):665—682 10BonardJM.S~vetatJean.Paul,St~cldiThomas,eta1. WhvarecarbonnanotubessuchexceHentfieldemitters? Ultramicroscopy,1998,73(14):7一l5 ll李忠元.电磁场边界元素法.北京工业学院出版社, 1987.33—60 IjzY.Boundaryelementmethod印phedin electromagneticfield.Bei~ngIndustryCoHegePublish House.1987.33—60 l2姚宗熹.物理电子学.西安交通大学出版社,1991.6, 145—15l YaoZXPhysics-electronics.XiarIJiaotongUniversity PublishHouse,1991.145—151 l3薛增泉,吴全德.电子发射与电子能谱.北京大学出版 社.1993.3.75—79 XieZQ,WuQD.Electronemissionandelectron spectrum.BeringUniversityPublishingHouse,1993.75— 79 14LovallD,BussM,Crang~E,et.Electronemission andstructuralcharacterizationofaropeofsingle-walled carbonnanotubes.PhysicalReview(曰),2000,61(8):5683 , 569l 15FransenMJ,vanRooyThL,KrnitP.Fieldemission energydistributionsfromindividualmultiwalledcarbon nanotubes.AppliedSurfo~eScience.1999,146(1-4):312— 327' 16BaptistR,GhisA,MeyerR.Energeticcharacterizationof fieldemissioncathodes.Proceedingsofthesecond internationalconferenceonvacuummicroelectronics,1989. 85,88 l7裴鹿成,张孝泽.蒙特卡罗方法及其在粒子输运问题中 的应用.北京:科学出版社,1980.253—255 PeiLC,XZ.MonteCarlomethodandits 印plicationinparticletransport.Beijing:SciencePress, 1980.253—255 18ChoiW0nBong,LeeNS,KartsJH,eta1.Carbon— nanotubesforfull-colorfield-emissiondisplays.JpnJA Phys,2000,39(5):2560—2564 932光子32卷 TheInfluenceofRelativeHeightBetweenCathodeand GateonElectronTransmissionEfficiency TianJinshou',Liji,LiYan,一,NiuHanben? 1Xi帆InstituteofOpticsandPrecisionMechanicsofCAS,Shaanxi,口n710068 2研 LaboratoryofOpwdectronicDeviceandSystemInstituteofOptoelectronics,ShenzhenUni versity,GuangdongProvince518060 3GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100864 Receiveddate:2002—12—25 AbstractTheelectrontrajectoryofalargearea,fullcoloredfieldemissiondisplaypanelwasth eoretically analyzedwithMonteCarloandBoundaryElementMethods.Theelectrontransmissioneffici encycanbeimproved byadjustingtheverticaldistancefromcathodetogate.Thedistributionoftheemittedelectron sonanodeve曲ed thatthedisplaystructurewedesignedcouldmeetwiththerequirementofhighresolution ,lowdrivevoltage,high brightnessandsimplemanufacture. KeywordsBEM(BoundaryElementMethod;MonteCarlomethod;Electrontransmissionefficiencv:Planarfield emissiondisplay inJanuary1970.HegothisB.S.(Physics)degreefromNorthwest andM.S.(PhysicalElectronics)degreefromXianInstituteofOptics CASin1999respectively.NowheisaPh.D.candidateintheJoint tituteofOptics&PrecisionMechanicsofCASandInstituteof University.Hiscurrentresearchinterestisfieldemissiondisplayand
/
本文档为【【doc】栅极和阴极的相对高度对电子传输比的影响】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。

历史搜索

    清空历史搜索