CC BY
17
- © E.H. Козырев, И.Н. Гончаров,
P.O. Аскеров, И.Е. Желоков, 2012
УДК 621.383.8
Е.Н. Козырев, И.Н. Гончаров, Р.О. Аскеров, И.Е. Желоков
КОМПЬЮТЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В КАНАЛЬНОМ ЭЛЕКТРОННОМ УМНОЖИТЕЛЕ НА ОКСИДЕ АЛЮМИНИЯ
Рассмотрены особенности и результаты компьютерного моделирования процессов усиления вторично-эмиссионных каналов в пористых структурах оксида алюминия. Диаметр каналов в структуре не более одного микрометра. Ключевые слова: вторичная электронная эмиссия, электронные умножители, оксид алюминия.
Вторично-эмиссионные (ВЭ) многоканальные умножители находят широкое применение в электронно-оптических преобразователях (ЭОП) 2-го, 2+ и 3-го поколений, используемых в технике ночного видения. В данных изделиях в качестве ВЭ усилителей сигнала используются свинцовосиликатные микроканальные пластины (МКП). МКП имеют очень сложную технологию производства и отличаются высокой себестоимостью.
В последнее время в качестве альтернативы МКП рассматривают возможность изготовления многоканальных электронных усилителей на пористых структурах оксида алюминия, выращенных посредством электролитического анодирования. Они дешевы в получении, эффективны как ВЭ мишени, однако их вторично-эмиссионные, электрические и геометрические характеристики, а соответственно и возможность их использования в качестве усилителей пространственно-распределенных электронных потоков нуждаются в дополнительном исследовании. Актуальна проблема компьютерного моделирования ВЭ процессов в канальном умножителе на основе пористой структуры А1203 для оценки её эффективности.
Известно выражение, характеризующее коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) мишени [1]:
ст = \ Р *0,5!(х)п(х)ах =
= 0,5*Р*Е1 и/ДЕз*КП-ехр(-Н/Ц],
где Р - вероятность преодоления поверхностного барьера; п(х) - плотность выхода вторичных электронов с глубины х эмиттера; Е1 - энергия воздействия на эмиттер первичного электрона, эВ; ЛЕз - ширина запрещенной зоны материала эмиттера, эВ; Ь - максимальная глубина выхода вторичных электронов, м; К - глубина проникновения первичного электрона в эмиттер, м.
Видно, что о - сложная функция, зависящая от многих объемных (ЛЕз, К, Ь) и поверхностных (Р) характеристик эмиттера, а также от энергии первичных электронов Е1, определяемой воздействующими на них ускоряющими напряжениями Ш:
Е1 = еи 1.
Основываясь на экспериментальных результатах по тематике вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ), можно сказать, что в качестве оценки энергии первичных электронов Де, необходи-
мой для генерации вторичных, целесообразно взять ширину запрещенной зоны материала эмиттера ЛЕЗ. При моделировании процессов ВЭЭ в канальном умножителе в рамках данной работы использовались некоторые понятия, основанные как на теоретических, так и эмпирических сведениях. В частности установлено, что в довольно широкой области ускоряющих напряжений примерно до 100В, что соответствует условиям в канале, удобной аппроксимацией характеристики о(Ш) является выражение:
а = Р , (1)
где в - первый параметр вторично-эмиссионной эффективности.
Величину в можно определить, зная значение первого критического потенциала эмиттера ик1. Для А1203 ик1~ 14В, тогда согласно (1) в =0,27.
При моделировании процессов эмиссии вторичных электронов используется величина у, которая называется вторым параметром вторично-эмиссионной эффективности. Она отражает взаимосвязь между величинами, определяющими энергетику первичного электрона и1 и вылетающего с мишени вторичного ио, и рассчитывается следующим образом:
у = и0 / и! - (8 - х)/ик1 *
*(1,5 - 0,55)/14 * 0,067 ,
где 5 - энергия возбужденного электрона относительно дна зоны проводимости. Данная величина зависит от первого критического потенциала эмиттера, для А1203 5 ~ 1,5эВ; х -электронное сродство оксида алюминия ~ 0,55эВ.
Итак, полученные значения первого и второго параметров вторично-эмиссионной эффективности составили в = 0,27; у =0,05. Они были использованы при моделировании пове-
дения первичных и вторичных электронов в ходе компьютерного исследования ВЭ эффективности каналов в стуктуре анодированного А1203.
С помощью ЭВМ рассчитывалось влияние величины калибра а канала диаметром 1 мкм на его усилительную способность М при различных ускоряющих напряжениях, прилагаемых к каналу.
При этом приняты следующие условия:
1) диапазон изменения калибра канала а (напомним, что калибр канала равен отношению его длины к диаметру) лежит в интервале от 1 до 40;
2) граничные условия распределения электрического поля в канале в областях его перехода в распределение полей межэлектродных промежутков изделия применения не учитываются;
3) контактные электроды с запыле-нием металла в глубь каналов не рассматриваются;
4) взаимодействие первичного электрона, влетающего в канал, происходит в самом его начале (в пределах 1-3 мкм) без учета возможного реального распределения, которое в действительности должно быть значительно более широким;
5) энергия данного взаимодействия соответствует реальной величине, характерной для техники применения (современных плоских ЭОП 2+ поколения) и равно 500эВ, что приводит к генерации вторичных электронов в соответствии с характерной для материала А1203 вторично-эмиссионной эффективностью и с учетом Пуассонов-ского распределения данной величины;
6) зарядовые явления в канале не учитываются.
Основная цель данной работы заключалась в получении зависимостей М=!(а) при разных напряжениях и для ВЭ каналов пористой структуры А1203. Проведенные предварительные расчеты с использованием разработанной и реализованной в виде программ-
М
10000
1000
100
10
__L=300B
N
U=200B
NU=100 B
0
10
20
30
40 калибр
Рис. 1. Расчетные зависимости М=/(а) для одно микронного канала на оксиде алюминия
ного продукта модели поведения электронов в канальном умножителе из оксида алюминия с диаметром канала 1мкм показали, что изучение режимов усиления целесообразно вести в области изменения а=10-40; и=100^400В.
Выполнение комплекса автоматизированных расчетов позволило построить зависимости, изображенные на рис. 1. Здесь приведены распределения усилительной способности М канала, построенные для наиболее интересных случаев при а=10ч40 и различных напряжениях питания и.
Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующие выводы:
1. Оксид алюминия, как материал пригоден для изготовления вторично-электронных канальных умножителей. Наиболее удобной конфигурацией канала с соответствующим режимом работы вероятно следует признать вариант с калибром ор30 и напряжением и=300В. Расчеты показывают, что усиление кана-
ла М в данном случае достигает более 10000, что соответствует усилительной способности каналов из свинцо-восиликатного стекла.
2. Дальнейшее увеличение напряжения согласно рис. 1 обеспечивает значительный рост величины М, однако очевидно, что в действительности повышение значения и к примеру до 400В приведет к явному проявлению процессов насыщения усиления в канале.
_ 3. При использовании пористого оксида алюминия в качестве ВЭ усилителя с диаметром канала-1мкм эффективной длиной является величина порядка
поры в канала
30мкм и подаваемое ускоряющее на пряжение по своему значению должно быть близким к 300В.
4. Экспертная оценка, проведенная в развитие полученных результатов, показывает, что наиболее важной проблемой, которая проявится при физических экспериментах с реальными образцами, станут повышенные шумовые характеристики пористого оксида алюминия, как вторичного усилителя потоков электронов, вследствие малости диаметра каналов и невысокой прозрачности структуры. Поэтому уже на данном этапе предпочтение в исследованиях следует отдавать низковольтным режимам работы каналов (и < 300В), что будет способствовать снижению уровня шума электронного усилителя, гттш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев E.H. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электронные
приборы», e-mail: [email protected],
Гончаров И.Н. — доктор технических наук, профессор,
Аскеров P.O. — ассистент, e-mail: [email protected],
Желоков И.Е. — студент.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет).
