Вакуумная и плазменная электроника 1 страница
Кузнецов Г.Д. Курочка С.П. Курочка А.С.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»
 |
КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИ
НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (210 100)
.
Курс лекций
Москва, 2008г
Рецензент
Кузнецов Г.Д. Курочка С.П. Курочка А.С. Вакуумная и плазменная электроника :Курс лекций. – М.:Изд. Дом МИСиС,2008
Рассматриваются физические основы вакуумной и плазменной электроники и основные направления их применения.
Анализируются возможности создания, управления и транспортировки электронных потоков.
Рассматриваются физические основы эмиссионной электроники.
Анализируются электрические явления в газоразрядном промежутке, примеры преобразования потоков и плазменных дисплеев.
Содержание курса соответствует государственному образовательному стандарту по направлению «Электроника и микроэлектроника».
Предназначено для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению 210100 «Электроники и микроэлектроника».
Оглавление
Тема 1. Основные направления развития вакуумной плазменной электроники
1.1. Электровакуумные приборы
1.2. Ионные приборы
1.3. Плазменные приборы
1.4. Аналитические установки
Тема 2. Физические основы эмиссионной теории
2.1. Работа выхода
2.2. Виды электронной эмиссии
2.3. Требования к катодам
2.4. Материалы катодов
Тема 3. Параметры и расчет источников электронов
3.1. Требования к источникам и ограничения на параметры
3.2. Формирование изображения
3.3. Параметры пучков
3.4. Аберрации
3.5. Устройство источников электронов
3.6. Оптика источников электронов
Тема 4. Электрические явления в газах
4.1. Элементарные процессы в газовых разрядах
4.2.Самостоятельный и несамостоятельный разряды
4.3. Напряжение возникновения разряда
4.4. Виды электрических разрядов
4.5. Конструкция отдельных классов ионных приборов
Тема 5. Электронно-лучевые приборы
5.1. Принцип работы электронно-лучевой трубки
5.2. Элементы электронной оптики
5.3. Электронная пушка. Модуляция электронного луча по плотности
5.4.Фокусирующие системы
5.5.Отклоняющие системы
5.6. Экраны электронно-лучевых трубок
5.7.Осциллографические трубки.
5.8.Кинескопы
Тема 6. Плазменные дисплеи переменного тока
6.1. Режим работы
6.2. Принцип действия ячейки
6.3. Материалы и технология изготовления панелей
Приложение
П.1. Примеры задач по темам курса
П.2. Контрольные вопросы
ТЕМА 1.ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Термин «вакуумно-плазменная электроника» используется для описания приборов или компонентов, принцип действия которых основан на движении свободных электронов или ионов в вакууме или плазме согласно законам классической физики.
Выделяются три ключевых аспекта вакуумно-плазменной электроники:
1)необходимо «вырвать» электроны из металла (или полупроводника), в котором они находятся, и инжектировать их в вакуум в достаточном количестве и с малым разбросом по энергиям для последующего использования в конструируемом приборе;
2)необходимо изготовить структуры нужных размеров и допусков, включая нанесение тонких слоев материалов с такими физическими свойствами, какие пригодны для приборов;
3)необходимо разработать прибор так, чтобы он был устойчив по отношению к нежелательным разрядам в вакууме и к изменениям окружающей среды.
Вакуумно-плазменная электроника – область науки и техники, охватившая изучение и применение электронных и ионных явлений в вакууме или плазме, причем основное внимание уделяется электронным приборам.
Электронным прибором называется прибор, в котором проводимость осуществляется главным образом посредством электронов или ионов, движущихся в вакууме, газе или полупроводнике.
Электронные приборы – это устройства, в которых используется физические явления связанных с движением заряженных частиц в твердом теле, вакууме или газовой среде.
Рабочая среда, в которой протекают основные физические явления в приборе, служит наиболее общим классификационным признаком.
Различают, таким образом, электровакуумные, ионные(газоразрядные) или полупроводниковые приборы. Последние относятся к твердотельной электронике и в данном курсе не рассматриваются.
1.1.Электровакуумные приборы [1]
В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразреженного газа с давлением порядка 10-4 Па. Группа электровакуумных приборов наиболее многочисленна и разнообразна, как по конструкции, так и по назначению. В качестве классификационных признаков для этой группы приборов могут быть использованы: диапазон рабочих частот, характерная особенность управления потоком электронов, принцип преобразования энергии, основное назначение, особенности конструкции и др. Электровакуумные приборы подразделены на следующие подгруппы: электронные лампы, электронно-лучевые приборы, миниатюрные вакуумные электронные приборы.
В зависимости от функционального назначения электронно-управляемые лампы разделяют на генераторные модуляторные, усилительные, выпрямительные, по роду работы — непрерывного и импульсного действия, по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.
Простейшей электронной лампой является диод. Более сложными — триод, тетрод, пентод, гексод, гептод, октод, эннод и декод, названия которых произошли от греческих чисел, определяющих число электродов в лампе. Электронные лампы, содержащие две или более систем электродов в одной оболочке, связанных с независимыми потоками электронов, но имеющих иногда один или несколько общих электродов, называются комбинированными- двойной диод, двойной триод, диод- -пентод, триод-гептод и т.д.
Электронно-управляемая лампа — электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током, ограниченным пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов.
Одна из простейших электронных ламп —триод показана на рис.1.1.
Рис.1.1. Триод.
Она состоит из системы электродов: (подогревный термокатод 1; управляющий электрод — сетка 2; коллектор электронов — анод 3), смонтированных на стеклянной ножке 4, через которую проходят выводы электродов 5, присоединенные к штырькам 6. Положение всех электродов фиксируется слюдяными пластинами 7. Арматура лампы помещена в баллон 8, из которого затем откачивается воздух до давления около 10-5 — 10-6 Па. В каждой лампе в процессе монтажа электродов устанавливается газопоглотитель (геттер). При окончании процесса откачки геттер (чаще всего— барий) испаряется из таблетки 9, укрепленной на полочке газопоглотителя. Осаждаясь на внутренней стенке баллона, геттер образует серебристый зеркальный слой 10, который связывает газ, оставшийся в баллоне или выделяющийся впоследствии из электродов в процессе работы лампы.
При изучении электронных ламп необходимо рассмотреть распределение потенциала в междуэлектродном пространстве, различные виды электронной эмиссии, междуэлектродные емкости, распределение токов между электродами и другие явления.
Электронно-лучевой прибор — электровакуумный прибор, действие которого основано на формировании и управлении по интенсивности и положению одним или более электронными пучками.
Электронно-лучевые приборы необходимы для осциллографов, телевизионных систем, радиолокационных станций. Они используются в качестве быстродействующих переключателей, в аппаратуре автоматического контроля и ЭВМ для индикации и регистрации алфавитно-цифровых и графических данных и пр.
В любом электронно-лучевом приборе содержится три основных конструктивных элемента: электронный прожектор — устройство, предназначенное для формирования электронного луча, отклоняющая система — для перемещения луча в пространстве и люмине-сцирующий экран или мишень. Элементы прибора размещены колбе, в которой обеспечивается вакуум порядка 10-5—10-4 Па.
Электронный луч, созданный электронным прожектором, перемещается в пространстве отклоняющими системами и попадает на экран или мишень, вызывая определенный эффект. Практическая безынерционность луча позволяет анализировать быстро протекающие процессы, передавать или принимать телевизионное изображение, записывать или считывать различную информацию и т. д.
Многообразные электронно-лучевые приборы принято классифицировать по характеру преобразования входного сигнала в выходной. По этому принципу можно выделить следующие основные группы приборов.
Приемные электронно-лучевые трубки — электронно-лучевые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическое изображение. Это осциллографические трубки, кинескопы, индикаторные радиолокационные трубки, а также трубки, предназначенные для решения более узких задач (фототелеграфия и пр.).
Приборы, преобразующие электрические сигналы в сигналы другой частоты. К ним относятся запоминающие трубки (потенциалоскопы) — электронно-лучевые приборы, обладающие свойством хранить и считывать в течение определенного времени введенную информацию, а также электронно-лучевые коммутаторы, предназначенные для переключения электрических цепей с очень высокой скоростью при помощи электронного луча.
Приборы, предназначенные для преобразования одного изображения в другое, с «переносом» в другую область спектра. Приборы, позволяющие преобразовать, например, изображение, полученное в невидимых инфракрасных, ультрафиолетовых или рентгеновских лучах в видимое изображение, называются электронно-оптическими преобразователями.
Передающие электронно-лучевые трубки — электронно-лучевые приборы, преобразующие оптическое изображение в электрические сигналы.
В последнее десятилетие XX века открылась новая эра миниатюрных вакуумных элек-тронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией (в некоторых случаях речь идет и о микровакуумных приборах и интегральных схемах на основе термоэлектронных катодов [2] ). Эти новые приборы обладают сверхвысоким быстродействием (субпикосекундным), высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и весьма большим коэффициентом полезного действия (КПД). Приборы вакуумной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диапазона длин волн, в системах непосредственного телевизионного вещания со спутников с использованием тридцатисантиметровых антенн и менее, в радиолокационных станциях, телефонных системах сотовой связи и т.д. Особо перспективным представляется использование этих приборов для создания нового поколения сверхбыстрых компьютеров. В этом случае элемент памяти может быть создан из двух ламп по системе триггера. При токе с одного острия 10-5 А мощность, рассеиваемая парой микротриодов при напряжении на аноде 20 В, будет
2· 10-4 Вт. При плотной упаковке на 1 см2 площади можно разместить около 106 элементов памяти, для которых мощность рассеяния составляет 20 Вт/см, так что в качестве основной выступает здесь проблема теплоотвода. В 1988 году на 1 см2 размещали 104 микротриодов, так что мощность рассеяния составляла уже 2 Вт.
Первые практические результаты в области вакуумных микроэлектронных приборов были получены после разработки технологии изготовления матричного автоэмиссионного катода в 1973 -1976 гг.
Тонкопленочный катод с автоэмиссией (ТКА) представляет собой сэндвич проводник-изолятор-проводник (рис.1.2).
Рис.1.2. Схематическое изображение тонкопленочного автоэмиссионного катода Спиндта.
Верхний проводник является сеточной пленкой с отверстием диаметра 1—3 мкм, сквозь которое протравлена полость в изоляторе до нижнего проводника (подложки). На подложке находится металлический конус (эмиттер), и его вершина располагается в отверстии сеточной пленки. Размеры этой конструкции очень малы и составляют единицы микрон. Это позволяет обеспечить высокие значения напряженности поля при небольших приложенных напряжениях (20—400 В) и существенно снизить требования к давлению, поскольку даже при сравнительно плохом вакууме расстояние между электродами оказываются меньше длины свободного пробега.
Спиндтом были получены катоды в виде двумерных решеток с 1, 100 и 5000 эмиттерами. В 100-конусной решетке (матрица 10 х 10) расстояние между эмиттерами составляло 25,4 мкм, так что полная область эмиссии представляла собой квадрат со стороной 0,25 мм. Решетка с 5000 эмиттеров заполняла круглую область диаметром 1 мм с расстоянием между конусами 12,7 мкм. Таким образом, плотность упаковки эмиттеров достигала
6,4 · 105 см-2. Рабочие напряжения находились в области от 100 до 300 В. Катоды работали при давлении 10-9 мм. рт. ст., которое обеспечивалось непрерывной откачкой. Ток эмиссии с одного острия находился в пределах от 50 до 150 мкА, что соответствует средней плотности тока с катода 8 А·см-2. Для катода с 5000 острий в импульсном режиме был получен ток до 100 мА (плотность тока достигала 12 А ·см-2). Разумеется, сейчас эти результаты уже неуникальны. Так, на VI Международной конференции (США) сообщалось о создании решетчатых катодов с расстоянием между эмиттерами 0,32 мкм, радиусом острия около 2,5 нм и диаметром отверстия в управляющем электроде 0,16 мкм. Маска для травления отверстий в структуре металл—изолятор с диаметром 0,16 мкм делается с использованием методов лазерной голографии. Созданы катоды с 9000 острий, расположенных в решетке размером 30 х 30 мкм, и 800 остриями в решетке размером 9x9 мкм. Рабочее напряжение на управляющем электроде было около 30 В, на аноде (в схеме триода) - 200 В. Расстояние между управляющим электродом и удаленным анодом порядка 100 мкм. Катод с 100 остриями в рабочем режиме дает тока 0,1 мА, что соответствует средней плотности тока
120 А·см-2.
Если к спиндтовскому катоду добавить сверху еще один электрод, к которому приложено положительное напряжение, то можно получить самый обычный вакуумный триод, отличающийся только весьма малыми размерами. Оценки показывают, что рабочая частота вакуумных приборов может быть повышена по крайней мере на порядок по сравнению с полупроводниковыми.
Важнейшим преимуществом вакуумных микротриодов перед полупроводниковыми является их радиационная и термическая стойкость, что открывает такие сферы использования, как космическая и военная техника, контроль ядерных реакторов, реакторов расщепления и синтеза, контроль ракетных двигателей, управление геотермальными скважинами и т.п.
К сожалению, вакуумный микротриод имеет и конструктивные недостатки, и главный из них — малый коэффициент усиления.
Помимо катодов в виде металлических острий, полученных в результате напыления, многие научные группы занимаются созданием и изучением катодов из полупроводниковых материалов, таких, как кремний. По мнению одного из авторитетных исследователей в вакуумной микроэлектронике, Г. Грея, решетки автоэмиссионных катодов, изготовленных из монокристаллов кремния, обладают следующими свойствами: имеют большую крутизну, плотность тока и низкую межэлектродную емкость катод—сетка, что важно в сверхвысокочастотном диапазоне длин волн (особенно на миллиметровых волнах); обеспечивают высокую плотность тока для использования в электронно-лучевых трубках; имеют высокую яркость и малый размер источника для использования в сканирующих микроскопах; плоские дисплеи, созданные на их основе, имеют большие размеры экрана и низкую стоимость.
Кремний - очень удобный материал для изготовления автоэмиссионных катодов. Его работа выхода 4,2 эВ сравнима с работой выхода электронов из металлов, его механические, электрические и химические свойства хорошо изучены, технология работы с кремнием тщательно отработана при разработке сверхбольших интегральных схем, устройства на кремниевых полевых эмиттерах могут быть легко интегрированы в микросхемы. Кроме того, разработаны методы изготовления острий из кремния с радиусом кривизны атомных размеров (меньше 1,0 нм), что позволяет существенно понизить рабочее напряжение. Изготовление решетки из 10 x 10 и 80 х 80 острий с расстоянием между остриями 4 мкм (плотность упаковки 6,25·106 см-2) и диаметром отверстий в управляющем электроде 2 и 3 мкм. Для отверстий с диаметром 2 мкм ток эмиссии
1 мА достигался при напряжении 66 В на управляющем электроде. Максимальный ток, снимаемый с одного острия, мог достигать 50 мА. Пожалуй, самое замечательное свойство кремниевых катодов в том, что форма образующегося острия, его радиус округления и высота практически идентичны для всех элементов решетки. Однако автоэмиссионные катоды из кремния имеют более низкую плотность тока, чем металлические катоды. Ситуацию можно исправить покрывая кремниевые эмиттеры тонким слоем металла, в качестве которого можно использовать вольфрам, титан, тантал, платину, палладий и золото.
До сих пор речь шла об автоэмиссионных катодах с вертикально расположенными остриями. Между тем еще в середине 60-х годов была высказана и практически реализована идея создания микровакуумных диодов и триодов, в которых автоэмиссия имела место с края катода в виде тонкой металлической пленки, напыленной на диэлектрической подложке. Толщина эмиттирующей пленки составляла (100—200) нм, расстояние катод –анод было 6 – 8 мкм, расстояние катод - управляющий электрод - около 0,5 мкм. При напряжении на аноде 300 В ток менялся от 1·10-3 до 3 мкА при изменении потенциала управляющего электрода от 175 до 250 В.
Автоэмиссионные триоды (транзисторы) с горизонтальной геометрией рассматриваются как основные кандидаты для работы на сверхвысоких частотах, поскольку такие конструкции имеют низкую емкость между катодом и управляющим электродом. Уже создан и микровакуумный аналог тетрода: между управляющим электродом и анодом введен дополнительный четвертый электрод.
Следует заметить, что поиск новых материалов, подходящих для создания автокатодов, ведется непрерывно. Недавно обнаружили, что одним из таких материалов является алмаз. Его уникальность состоит в том, что возможна автоэмиссия электронов при низких напряженностях электрического поля — менее 1 В ·мкм-1.
Для многих приложений, например для использования в плоских дисплеях или для создания источников электронов в мощных СВЧ-приборах, нет необходимости, чтобы катод имел регулярную структуру в виде периодических острий. Поэтому особый интерес вызывает исследование автоэлектронной эмиссии из тонких пленок аморфного алмаза. В экспериментах получена плотность тока в пределах 0,1 – 1 мА · мкм-2 при полях с напряженностью
20 – 40 В· мкм-1. Такие плотности тока достаточны для использования в плоских дисплеях.
1.2. Ионные приборы
Ионными называют электровакуумные приборы, в которых электрические характеристики определяются, в основном ионизацией намеренно введенного газа или пара. Давление в этих приборах обычно меньше атмосферного.
В электрическом разряде непрерывно происходят процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул электронами с образованием возбужденных частиц, а также положительных и отрицательных ионов. Непрерывно происходят и процессы рекомбинации заряженных частиц противоположных знаков. Свойства газоразрядных приборов, их характеристики и параметры определяются всей совокупностью происходящих процессов образования и нейтрализации заряженных частиц.
В зависимости oт вида электрического разряда различают газоразрядные приборы тлеющего, дугового и коронного разрядов.
К приборам тлеющего разряда относятся прежде всего стабилитроны, предназначенные для работы в качестве стабилизаторов напряжения и опорных элементов, а также тиратроны, используемые в качестве реле, элементов запоминающих устройств вычислительной техники и логических элементов. Кроме того, существуют приборы тлеющего разряда, служащие для десятичного счета, цифровые индикаторные лампы и газоразрядные индикаторные панели.
Приборы несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом (газотроны н тиратроны) используются, главным образом, в качестве вентилей мощных выпрямителей переменного тока. Этот вид разряда применяют также в импульсных водородных тиратронах.
Приборы самостоятельного дугового разряда с холодным ртутным катодом (экситроны и игнитроны) представляют собой ртутные вентили с большой силой тока.
Приборы коронного разряда используются, в основном для стабилизации высоковольтного напряжения.
1.3 Плазменные панели [3]
Основным механизмом работы плазменной панели является люминесценция, создаваемая в тлеющем разряде столкновениями возбужденных полем ионов. При низких давлениях напряжение ионизации газа составляет ~250 В. Для поддержания разряда требуется напряжение порядка 150 В. Это смещение необходимо для активации катода, так как регенеративная обратная связь фотонов и положительных ионов, бомбардирующих катод, увеличивает электронную эмиссию катода.
Плазменные дисплеи постоянного тока
В плазменных дисплеях постоянного тока электроды расположены в плазме. Тлеющий разряд наиболее интенсивен у катода. Этот принцип был успешно использован в трубке «Нумитрон» (Numitron), где набор катодов создает форму цифр.
Самым удачным применением плазменной панели постоянного тока является дисплейная самосканирующаяся панель (Sell-Scan). Уникальной особенностью этих дисплеев является возможность распространения разряда вдоль линии от элемента к элементу при величине сигнала порядка 25 В, т. е. для ионизации газа не требуется приложения гораздо большего напряжения. Генерированная в одной ячейке плазма последовательно движется от одного элемента к другому. Можно получить яркость около 194 сб (20 фут·Лб). Времена включения и выключения составляют примерно 10 мкс.
Введя некоторые усложнения, можно получить фотолюминесценцию, возбуждаемую в люминофоре ультрафиолетовым излучением, эмиттируемым плазмой. Можно также создать ударное возбуждение люминофора электронами и ионами плазмы.
Изображение может храниться плазменной панелью постоянного тока, если к каждому включенному элементу приложено поддерживающее напряжение. Удобным методом получения низкого поддерживающего напряжения служит включение последовательно элементу большого сопротивления. Развитием этого метода явилось совмещение резистора с катодом, т. е. изготовление катода из графитовой пленки. В непрерывном режиме достигается высокая яркость (8438 сб или 870 фут·Лб при токе 25 мкА на элементе диаметром 0,38 мм).
Плазменные панели переменного тока
В плазменных дисплеях переменного тока электрическое поле имеет емкостную cвязь с газом.
Принципиальная схема двухэлектродного плазменного дисплея переменного тока представлена на рис.1.3.
Источник питания через конденсаторы соединен с газом, заполняющим полость и излучающим видимый свет при зажигании разряда. Из-за наличия емкостной связи с газом для непрерывной эмиссии световых импульсов необходим переменный сигнал.
а — электрическая эквивалентная схема; б — принципиальная конструкция.
Рис.1.3. Принципиальная схема ячейки.
Индивидуальное питание ячеек в решетке с большим их количеством привело бы к недопустимо высокой стоимости питания и связи между источниками и ячейками. Одним из вариантов снижения стоимости питания и межсоединений служит организация электродов каждого элемента в матричную решетку. Для независимой работы отдельных плазменных ячеек, набранных в матричную решетку, у каждого пересечения х — y-линий необходимо наличие сопротивления, последовательного газовому разряду. Если попытаться использовать в качестве резисторов последовательное входное сопротивление ячейки, то оказывается невозможным получить требуемые номиналы сопротивлений при напылении сплошных пленок. Переворот в методах электрической изоляции дискретных ячеек произошел в 1964 г., когда ученые Иллинойского университета пришли к выводу о том, что требуемые значения электрической изоляции можно обеспечить конденсаторами. Использование конденсаторов резко упростило технологию интегральных решеток, поскольку гораздо проще изготовить конденсаторы со сплошной пленкой диэлектрического материала, чем резисторы больших номиналов. Номинал резистора обратно пропорционален размеру элемента: чем меньше элемент, тем больше резистор, что ограничивает разрешающую способность для дискретных резисторов. Ранние опытные образцы плазменных панелей переменного тока представляли ячеистую пластину, помещенную между двумя стеклянными поверхностями, на которые наносились проводники и диэлектрический слой, и себестоимость изготовления таких элементов оставалась высокой. Еще один переворот в технологии панелей произошел, когда было установлено, что для создания газового разряда в единичной ячейке необязательно физически изолировать элементы друг от друга «стенками».
Использование открытой камеры позволило резко упростить конструкцию панели за счет исключения перфорированной диэлектрической пластины и необходимости задания точного взаимного расположения этой пластины и двух плат. На рис.1.4 показан принцип изготовления панели с любым количеством элементов (пелов): от единичных элементов (используемых в качестве индикаторов) до матриц, содержащих свыше, миллиона пелов (1024·1024).
Рис.1.4. Плазменная панель переменного тока.
1.4.Аналитические установки [4]
При создании прибора из элементов с субмикронными допусками часто необходимо проверять, соответствуют ли размеры элементов изготовленного прибора заданным размерам и изготовлены ли его компоненты из материалов с требуемыми свойствами.
В период 1830—1880 гг. оптические микроскопы, использующие свет видимого диапазона, были доведены до высокого уровня совершенства: их разрешение стало близко к длине волны света. К основным параметрам оптического микроскопа относятся: увеличение (М), разрешающая способность (δ), глубина резкости. Из теории микроскопа следует, что:
(1.1)
где NA — числовая апертура линз объектива:
(1.2)
Здесь n — коэффициент преломления среды (материала между наблюдаемым объектом и линзами). Для самых лучших современных объективов величина NA в случае воздуха может достигать 0,95, а при заполнении пространства между объектом и объективом маслом эта величина может быть увеличена до 1,5. Поскольку используемый спектр видимого света находится только в диапазоне 0,4—0,7 мкм, даже в самых лучших оптических микроскопах нельзя наблюдать детали объекта меньше чем 0,3 мкм (или 300 нм).
Глубина резкости — это расстояние вдоль оптической оси, на котором расфокусировка не влияет на разрешающую способность. Она определяется как
(1.3)
где 2α – угол расходимости лучей, образующих изображении предмета.
Поскольку в объективах с большой оптической силой sinα ~1, то видно, что глубина резкости в оптических микроскопах приблизительно равна разрешающей способности.
Очевидно, что оптические микроскопы пригодны лишь для наблюдения элементов полупроводникового прибора или микросхемы с допусками, меньшими чем микрометр. Электроны подчиняются тем же оптическим законам, как и фотоны, и для энергий выше 100 эВ они имеют длины волн, намного меньшие, чем длины волн фотонов. Электронные линзы не столь совершенны, как оптические, и ограничены использованием параксиальных пучков (или малыми углами порядка 10-2 рад или менее) из-за сферической аберрации. Тем не менее в электронных микроскопах обычно достигается разрешение 1 нм, а в некоторых типах таких микроскопов при тщательной подстройке можно получить разрешение 0,5 нм.
Другое фундаментальное ограничение в микроскопии заключается в радиационных дефектах, вызванных используемыми частицами. Величина энергии, которая требуется для разрыва химических связей, удерживающих атом в его равновесном состоянии в пределах кристалла или молекулярной структуры, формирующей твердое тело, находится в пределах