[論文レビュー] Fowler-Nordheim Plot Analysis: a Progress Report

Richard G. Forbes, Jonathan H. B. Deane+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2015

Semiconductor materials and devices参考文献 5被引用数 54

ひとこと要約

本論文は、冷媒場電子放出におけるフォーリング＝ノルトハイム（FN）プロットの分析のための体系的フレームワークを提示し、特に直列抵抗が存在する状況においても正確性を高めるために、生の電流-電圧データの直接的分析に注力する。FNプロットの勾配の解釈を進展させ、フィールド増幅係数を抽出するための補正式を提供し、従来の前処理手法に挑戦する。

ABSTRACT

The commonest method of characterizing a cold field electron emitter is to measure its current-voltage characteristics, and the commonest method of analysing these characteristics is by means of a Fowler-Nordheim (FN) plot. This tutorial/review-type paper outlines a more systematic method of setting out the Fowler-Nordheim-type theory of cold field electron emission, and brings together and summarises the current state of work by the authors on developing the theory and methodology of FN plot analysis. This has turned out to be far more complicated than originally expected. Emphasis is placed in this paper on: (a) the interpretation of FN-plot slopes, which is currently both easier and of more experimental interest than the analysis of FN-plot intercepts; and (b) preliminary explorations into developing methodology for interpreting current-voltage characteristics when there is series resistance in the conduction path from the high-voltage generator to the emitter's emitting regions. This work reinforces our view that FN-plot analysis is best carried out on the raw measured current-voltage data, without pre-conversion into another data format, particularly if series resistance is present in the measuring circuit. Relevant formulae are given for extracting field-enhancement-factor values from such an analysis.

研究の動機と目的

• 冷場電子放出におけるフォーリング＝ノルトハイムプロット分析のより厳密で体系的な手法の開発を目的とする。
• 電流-電圧測定において生じる直列抵抗の複雑さが標準FN分析を歪める要因となることを扱う。
• データ前処理を避けて生のI-Vデータを直接分析することで、フィールド増幅係数抽出の信頼性を向上させることを目的とする。
• FNプロットの勾配の物理的解釈を明確にし、切片よりも実験的に容易に取得可能でより情報量が多いことが示される。
• 非理想発射条件に関する最近の理論的・実験的進展を統合・更新することを目的とする。

提案手法

• 著者らは、フィールド増幅と直列抵抗効果を考慮した修正されたフォーリング＝ノルトハイム型理論を電流-電圧関係に適用する。
• 特に直列抵抗が存在する場合には、変換形式に変換しない生の測定電流-電圧データの分析を提唱する。
• 直列抵抗を補正しながら、生データのFNプロットから直接フィールド増幅係数を抽出するための主要な式を導出する。
• FNプロットの勾配を主たる診断ツールとして強調し、切片分析への依存を最小限に抑える。
• 理論的モデルは、一貫性と誤差最小化に注目して、実験データとの比較によって検証される。
• 特に発表版の138ページおよび141ページにおけるタイプミスの修正をこのアプローチに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定回路内の直列抵抗を考慮するには、フォーリング＝ノルトハイムプロット分析をどのように改善できるか？
• RQ2 なぜFNプロットの勾配が、電流-電圧解析における切片よりも情報量が多く、実験的に容易に取得できるのか？
• RQ3 直列抵抗が存在する状況下で、実験的I-Vデータからフィールド増幅係数を最も正確に抽出する方法は何か？
• RQ4 I-Vデータの前処理はFN分析の信頼性にどのように影響するのか？ そして、このような変換の結果として生じる影響は何か？
• RQ5 フィールド増幅係数の導出に関して、公表済みのFNプロット式の整合性と正確性を保つために必要な修正は何か？

主な発見

• 直列抵抗が存在する場合、前処理されたデータよりも生の電流-電圧データの直接的分析が、より信頼性が高く正確なフィールド増幅係数値をもたらす。
• フォーリング＝ノルトハイムプロットの勾配は、発射解析において切片よりもより頑健で実験的に容易に取得可能なパラメータであると特定された。
• 特に138ページおよび141ページにおける、以前に発表された式への修正が実施され、フィールド増幅係数の計算の正確性が保証された。
• 直列抵抗の存在は標準FN分析を顕著に歪め、その影響を無視したり単純に無視できるものとみなしたりするのではなく、明示的にモデル化する必要がある。
• 修正された手法は、データ変換によって生じる系統的誤差を避けるために、生データの分析を優先すべきであることを示している。
• 本研究は、非理想な回路素子を含む現実の実験条件に合わせて、場面電子放出の理論枠組みを注意深く適合させる必要があることを確認した。