场致发射阵列阴极(FEA)是一种工作在场致发射下的冷阴极,具有瞬时启动、无预热延迟、功耗小、室温工作,发射电流密度远大于目前的热阴极等优势.用它取代中小功率行波管(TWT)中的热阴极,可以减小器件尺寸和重量,提高效率与使用寿命,场致发射阵列阴极(FEA)是十分理想的电子源.该文首先综述了真空微电子学及其核心场致发射阵列阴极的发展历史和现状:1968年C.A.Spindt首次报道利用电子束加工技术和薄膜技术进行钼微尖场致发射阵列阴极(Spindt阴极)的制作和测试.之后,人们开始了对场致发射阵列阴极多方面的研究.目前,Spindt阴极是所有报道的发射电流密度最大的阴极,钼微尖、栅控、硅基场致发射阵列阴极(FEA)在650A/cm<2>电流密度下,已经显示出大于8年的长寿命和可靠性.最大发射电流密度已达到2000A/cm<2>.该文首先对场致发射机理进行了理论研究;通过Fowler-Nordheim方程及Fowler-Nordheim曲线分析场致发射阵列阴极,特别是Spindt阴极的发射特性;分析空间电荷效应对场发射三极管区及FEA电子枪中强流电子注散焦的影响.该文介绍了场致发射三极管的有限差分程序,详细叙述了程序的物理模型、基本原理及程序的主要内容.该文使用场致发射三极管模拟程序,进一步讨论三极管的几个关键参数,如栅孔半径、栅极厚度、发射体高度等对发射特性的影响;在解决强流电子注的聚焦问题上,首先通过模拟计算分析了单个微尖发射体的垂直双栅聚焦问题,认为聚焦极孔径,电压的减小,聚焦极和栅极间距的增大,均能对电子注起到聚焦作用,但同时也降低了发射体表面的电场强度,减小发射电流.而且在该文这种特定结构下,添加的聚焦电极会在聚焦的同时,减小发射电流.比较有效的提高发射电流的方法是增大聚焦极孔径或者提高栅极的栅压.其次分析了微尖发射体阵列在电子枪中的整体聚焦情况,改变聚焦极形状和电压,得到较平行的电子注发射.该文还阐述了垂直双栅聚焦结构的FEA的制作工艺.垂直双栅结构的制作工艺基于微细加工技术和薄膜沉积技术制作的栅控金属微尖场致发射体阵列阴极,不同点是还要在原金属栅层上沉积一层Si3N2绝缘质和一层金属栅聚焦极.