Page 86 - 《真空与低温》2025年第3期

陈 阳等：硅尖锥冷阴极阵列衬底供应电流一致化排布设计 357

分布如图 4（b）所示，红色箭头表示局部电流密度 等效的几何位置，从反型层其他区域获得径向输运
大小及方向，各个尖锥获得供应电流相同。由于该 而来的均匀电流。同时，在该结构中，可通过缩小环
阵列版图具有任意角度旋转对称性，所有尖锥具有 形排布的尖锥间距提升发射电流强度及电流密度。

（a） 硅尖锥 （b） 1.00
电
流 0.06
密 0.05
度
0.04
（
归 0.03
一
化 0.02
接线区域 ） 0.01
栅极 边长100 μm

图 3 分散排布的硅尖锥阵列版图及反型层电流密度分布仿真结果
Fig. 3 Layout and simulation result of inversion current density distribution of the dispersedly arranged Si-tip array

整各个环形阵列单元半径及排布尖锥数量，使各个
（a） （b） 1.00
电 0.25 阵列单元从其两侧获得的尖锥平均衬底供应电流
流
硅尖锥环形阵列 一致，从而实现多圆环排布尖锥阵列的衬底供应电
密 0.20
度
0.15 流均匀分配。
（
归 0.10 利用平移对称性也能够构造几何位置等效的
一
化 0.05 集成栅极 P 型硅尖锥阵列。图 5（a）展示了一种线
接线区域 ）
栅极 边长100 μm 形排布的尖锥阵列版图。栅极为矩形，两列硅尖锥
（c） （d） 1.00
电 沿栅极中轴线纵向密集排布，位于两端的尖锥到栅
流 0.08
密 极边缘的最短距离为纵向相邻尖锥间距的一半。
度 0.06
尖锥阵列与栅极边缘之间的横向区域可作为接线
0.04
（
归 区域。其衬底反型层归一化电流密度分布如图 5（c）
一 0.02
硅尖锥 化 所示，各个尖锥获得供应电流一致性良好，其中尖
环形阵列单元 ）
锥获得最小/最大供应电流比达到 0.99。反型层电
图 4 环形排布的硅尖锥阵列版图及反型层电流密度 流从两侧向位于栅极中轴线的尖锥阵列均匀输运
分布仿真结果 并均匀分配至各个尖锥。该 P 型硅尖锥电子源阵
Fig. 4 Layout and simulation result of inversion current
列可提供均匀、稳定的大电流条状分布电子束，与
density distribution of the ring arranged Si-tip array
返波管等真空微波电子器件对电子源的要求相契
将多个均匀环形排布的硅尖锥作为阵列单元 合。如图 5（b）所示，将多个纵向分布的线形尖锥
分散排布在圆形栅极上，可拓展尖锥阵列规模。 阵列单元沿横向分散排布，可扩展尖锥阵列总体规
图 4（c）展示了排布三个环形阵列单元的集成栅极 模。最外侧的线形阵列单元到栅极边缘的横向距
硅 尖 锥 版 图 。 三 个 环 形 阵 列 单 元 半 径 分 别为 离为相邻线性阵列单元间距的一半。图 5（d）所示
90 μm、210 μm 及 310 μm，各个单元内分别等间距 的反型层归一化电流密度分布仿真结果，其中红色
排列 10、20 及 40 个尖锥。圆形栅极直径为 410 μm， 箭头表示局部电流密度大小及方向，展示了扩展阵
栅极边缘与最外侧环形阵列单元之间的区域可作 列中均匀的衬底供应电流分配，阵列中尖锥获得最
为接线区域。图 4（d）展示了其反型层归一化电流 小/最大供应电流比达到 0.98。
密度分布仿真结果，可见各个尖锥获得电流供应均 在图 4（c）与图 5（b）展示的集成栅极 P 型硅尖
匀性良好，各尖锥获得最小/最大供应电流比约为 锥阵列排布设计中，尖锥阵列于栅极图案的一个几
0.98。各个环形阵列单元内部尖锥排布均匀，可确 何维度上密排形成阵列单元（环形：沿切向密排；线
保环内尖锥几何位置等效，衬底电流供应均匀。调 形：沿纵向密排），而在另一个维度上多个阵列单元