真空二极管中热电子传输特性的模拟
空间电荷限制发射这个领域从诞生之日起就受到了等离子体物理学家的关注，该理论的基本内容是在上世纪初由Child和Langmuir提出，即经典的Child-Langmuir（CL）定律。CL定律给出了在稳定状态下，电子允许穿过平面（平板）二极管传输的最大电流，即空间电荷限制电流（spacechargelimitedcurrent,SCLC）。空间电荷限制电流取决于二极管间隙所施加的电压和二极管的间距。突破空间电荷限制电流的极限是高电流二极管的研究核心，也是其他新兴领域和学科的研究热点，包括但不限于高维、量子态、相对论效应、纳米领域、超快（ultra-fast）学科、短脉冲、粒子加速、半导体和太赫兹领域。 本论文使用电子束模型(SheetBeammodel)和数值计算方法对真空二极管中的热电子的传输特性进行模拟和研究。在不失一般性的前提下，通过经典的一维CL定律及其推广形式验证了电子束模型的可行性和准确性。基于电子束模型可靠性，本文研究的着重点是：在热电子注入和维持电极温度相对稳定的条件下，考虑从阴极表面发射的电子的初速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼概率密度分布，研究其空间电荷限制电流，揭示器件工作机理，为提高器件工作效率以及结构设计提供理论参考。 论文工作分为三个方面，首先是用多电子束模型实现对真空二极管的建模；其次是用四阶龙格-库塔法对二极管热电子的传输特性进行数值解析；最后是研究不同注入初速度对热电子传输特性的影响，特别是对空间电荷限制电流的影响。第一个方面，基于单电子束模型，实现了对多电子注入的真空二极管的建模，推导出了电极间隙任意位置的电场强度，并创新性地从理论上提出了一个维持电极温度稳定的方法，在最大程度上减小了由于模拟热电子注入而造成的电极温度变动而产生的影响。第二个方面，对基于多电子束模型的动力学方程的求解，本文使用了应用广泛的高精度单步龙格-库塔数值算法。对真空二极管中热电子的传输特性进行模拟，数值上分析了电势、电场、电流密度、速度和相空间的分布。第三个方面，研究不同初速度注入对热电子传输特性的影响，特别是初速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼概率密度分布的热电子的注入对空间电荷限制电流的影响。此外，还讨论了间隙电压及阴极温度的变化对空间电荷限制电流的影响，并研究了二极管间隙的热电子的速度统计分布等特性。研究发现，在低温条件下，阳极上的热电子的传播速度的概率密度呈对称分布，而对于高温情况，其概率密度分布则与麦克斯韦-玻尔兹曼分布相似。总而言之，本论文能够提供一种快速、有效地分析真空间隙中的热电子传输特性的方法。
真空二极管;热电子;传输特性;空间电荷限制电流;电子束模型
华南理工大学
硕士
微电子学与固体电子学
朱映彬;姚若河
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）