多场作用下空间电荷限制电流的机理研究
电子二极管是获得带电粒子束、γ射线、X射线、高功率微波以及直接热电转换等的关键部件，其阴极发射的电子束会产生很强的空间电荷效应。该效应起源于空间电荷的积累，当积累到一定程度，这些空间电荷产生的电场会抑制阴极发射电子，导致输出电流下降。对于一些低压强流二极管，如热离子能量转换器，可通过引入离子来缓解空间电荷效应的影响。针对二极管中离子的引入，本文围绕电荷初始速度、边缘效应、柱形结构、磁场和时变电流对空间电荷效应的形成机理和特性开展研究，对未来高性能电子二极管的研究具有重要的参考价值。本文的主要工作如下： 基于Langmuir的空间电荷限制电流理论，研究了极间电压、电荷初速度和引入正离子后对平面二极管允许发射最大电流密度的影响。根据虚阴极电场为零的条件，建立了阴极电场与虚阴极电势之间关系；由双极流泊松方程，推导出了空间电荷限制电流与离子电流密度、虚阴极电势和电荷初速度之间的表达式。理论分析表明引入离子后，阴极允许发射的最大电流密度显著地增加，增加的系数依赖于电子和离子的自身特性，如电子的初始速度和离子的发射电流密度。针对虚阴极给空间电势分布的求解所带来的困难，提出以虚阴极为边界，将空间分为两部，分别计算对应的电势分布。计算结果表明，引入正离子后，空间电荷限制电流的临界点与电子开始回反射的临界点没有直接关系，因为该临界点的电势最小值不足以反射电子，与未引入离子的情况相同。 针对边缘效应，在一维无限大平板二极管基础上建立了非均匀发射下的二维双极流模型，采用自洽迭代方法计算了二极管的边界电场、空间电势分布和阴极发射电流密度。结果表明，均匀与非均匀发射下，与未引入离子的情况相比，引入离子后的总限制电流是增加的，增加的量与二极管的结构和离子电流密度有关。由于边缘效应的影响，二维双极流模型的限制电流总是高于经典一维双极流模型下的限制电流。但是随着发射宽度的增加，该模型的结果将逐渐接近于经典一维双极流模型下的限制电流。 在柱形二极管的结构中建立了双极流模型，研究了阴极和阳极的半径对限制电流的影响。在离子注入的情况下，当阴极半径小于阳极半径时，柱形二极管的限制电流总是大于平面结构下的限制电流，随着离子电流密度的增加，这种差异将逐渐增强。这是由于当阴极半径大于阳极半径时，离子朝着阴极运动的过程中其电流密度逐渐减小，使得二极管允许发射的最大电流密度减小。与未加入离子的情况相比较，引入离子后柱形二极管允许发射的最大电流密度显著地增加，增加的量与阴极和阳极半径的比值以及离子电流密度有关。 在交叉场作用下，建立了平面结构下的双极流模型，研究其允许发射最大电流密度的特性。结果表明，磁场从零增加到Hull截止磁场的过程中，电子作螺旋线运动，使得电子的踱越时间增加，导致限制电流呈指数下降。当离子电流密度受到空间电荷限制时，减小磁场会使得系统不稳定。这是由于对于给定的离子电流密度，随着磁场的增加，离子电流密度与电子电流密度比值的最大值的增加速率要高于该比值自身的增加速率。 研究了时变电流注入下空间电荷限制电流和虚阴极振荡的特性。在空间电荷限制区域，阴极温度升高输出电流仍缓慢增加，这是由于电子初速度对输出电流的影响大于虚阴极势垒对输出电流的影响。当发射电流密度周期性变化时，限制电流不仅取决于极间电压和间距，还取决于电流变化周期。当电流变化周期远大于电子的踱越时间时，限制电流只取决于电流幅值，这是由于电流变化周期较大时空间电流接近于恒定值。随着电流变化周期的减小，限制电流单调增加，并逐渐地接近于恒流模型中的限制电流。
电子二极管;空间电荷;限制电流;空间电荷效应
华南理工大学
博士
微电子学与固体电子学
姚若河;朱映彬
2022
中文
TN111
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）