[论文解读] 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 54

一句话总结

本文提出了一套系统化的冷场电子发射中福勒-诺德海姆（FN）图分析框架，强调对原始电流-电压数据的直接分析，以提高准确性，尤其是在存在串联电阻的情况下。该研究推进了对FN图斜率的解释，并提供了校正后的公式以提取场增强因子，挑战了传统的数据预处理方法。

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.

研究动机与目标

• 开发一种更严格和系统化的冷场电子发射中福勒-诺德海姆图分析方法。
• 解决测量中串联电阻引入的复杂性，这些复杂性会扭曲标准FN分析结果。
• 通过避免数据预处理并直接分析原始I-V数据，提高场增强因子提取的可靠性。
• 阐明FN图斜率的物理解释，表明其比截距更具实验可及性和信息量。
• 整合并更新近期关于FN理论的理论与实验进展，特别是关于非理想发射条件的研究。

提出的方法

• 作者应用一种修正的福勒-诺德海姆类型理论，以考虑电流-电压关系中的场增强和串联电阻效应。
• 主张在存在串联电阻时，直接分析未经转换的实测电流-电压数据，尤其避免转换为变换格式。
• 推导出关键方程，可直接从原始数据的FN图中提取场增强因子，并校正电路电阻的影响。
• 该方法强调将FN图斜率作为主要诊断工具，最大限度减少对截距分析的依赖。
• 通过与实验数据对比，验证理论模型的一致性和误差最小化。
• 该方法修正了先前出版物中的排版错误，特别是已发表版本第138页和第141页的内容。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何改进福勒-诺德海姆图分析，以考虑测量电路中的串联电阻？
• RQ2 为何FN图的斜率比截距在电流-电压分析中更具信息量且更易实验获取？
• RQ3 在存在串联电阻的情况下，从实验I-V数据中提取场增强因子的最准确方法是什么？
• RQ4 对I-V数据进行预处理如何影响FN分析的可靠性，此类变换会产生什么后果？
• RQ5 为确保已发表的FN图公式在场增强因子推导中的一致性和准确性，需要进行哪些修正？

主要发现

• 对原始电流-电压数据的直接分析，相比预处理数据，能获得更可靠和准确的场增强因子值，尤其是在存在串联电阻时。
• 福勒-诺德海姆图的斜率被确定为比截距更具鲁棒性且更易实验获取的发射分析参数。
• 已对先前发表的公式进行修正，特别是第138页和第141页的内容，以确保场增强因子计算的准确性。
• 串联电阻的存在会显著扭曲标准FN分析，其影响必须显式建模，而不能被忽略或假设消除。
• 修正的方法表明，FN图分析应优先使用原始数据，以避免数据转换引入的系统性误差。
• 本研究证实，场电子发射的理论框架需要仔细适应实际实验条件，包括非理想电路元件。