CN103996586A - 一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，包括阴极、阳极和栅极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板上表面的场发射阴极，所述栅极设置在阴极和阳极之间，在栅极上设置有与场发射阴极对应的栅孔；所述阴极基板上表面对应栅孔的位置设置有椎体突起结构，所述场发射阴极至少覆盖住所述椎体突起结构的尖端部位，形成尖锥阴极。本发明提供的一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，与传统场发射阴极三极管技术相比，不仅具有发射均匀性好、阴极与栅极间电容小，发射电子束的运动轨迹的汇聚的趋势更明显等优点，还可以避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤等。

Description

一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管

技术领域

本发明涉及一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管。

背景技术

传统的场发射阴极三极管技术，特别是采用丝网印刷方法制作的场发射阴极三极管，如图1、图2所示，包括阴极、阳极和栅极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板表面上的阴极发射材料(冷阴极材料或场发射阴极)，所述栅极设置在阴极和阳极之间，在栅极上设置有与阴极发射材料对应的栅孔；一般阴极基板为平板金属结构，阴极发射材料制作在阴极基板的中心区域，所述栅极用于控制阴极发射材料的发射；在阴极上施加零电位，栅极上施加电压Vg以控制阴极发射材料发射电流，阳极上施加正高压Va以抽取电子。

在传统结构中，当栅极上施加控制阴极发射的正电位时，由于阴极基板边缘部分电场将比较强，如果阴极发射材料制作的面积完全覆盖阴极基板，则阴极发射材料在边缘部分的发射因为电场强而发射电流大，而中心区域因为电场相对弱而不发射或发射很少，产生发射的不均匀；因此要避免边缘效应的发生，一般将阴极发射材料制作在阴极基板的中心部分，面积做得比阴极基板的面积小。在栅极施加恒定直流电压的情况下，阴极基板面积对发射没有大的影响；但当栅极上施加有交变电压信号时，阴极基板面积大将带来阴极与栅极之间电容比较大的问题，使交变信号的频率不能很高，要达到一定的场发射电流、大电容时要求的栅极信号功率大，损耗也大。因此要尽可能地降低阴极和栅极间的电容，最好使在边缘场效应能够被克服的情况下，阴极发射面积尽可能小，如：使阴极发射面积和阴极基板面积相同。在传统结构中，栅孔呈圆柱形，对电势分布的影响相对较弱，电子束的运动轨迹有的有微弱的汇聚，有的甚至没有汇聚效果。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，以避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，包括阴极、阳极和栅极，所述阴极包括阴极基板和制作在阴极基板上表面的场发射阴极，所述栅极设置在阴极和阳极之间，在栅极上设置有与场发射阴极对应的栅孔；所述阴极基板上表面对应栅孔的位置设置有椎体突起结构，所述场发射阴极至少覆盖住所述椎体突起结构的尖端部位，形成尖锥阴极。

设计椎体突起结构，可以增加阴极基板周边区域相对中心区域与栅极下表面的距离，减少阴极基板周边区域的电场强度，减小栅极和阴极之间的电容；当栅极施加电压后，能够抵消在阴极基板边缘形成的边缘场效应，补偿场发射阴极中心区域与边缘区域的电场差。

所述栅孔的内径，沿其轴向先减小再增大，形成两个燕尾相对接的结构；以最小内径的横截面，将栅极分为上下两部分，阳极的一侧称为上极板，阴极的一侧称为下极板。下极板的坡口设计，可以减小栅极与场发射阴极之间的距离，从而获得较大的发射电场，进一步增大场发射阴极表面的电场强度，以更好地抵消边缘场效应；上极板的坡口设计，可以改变上极板附近的电势分布，从而改变电子束的运动轨迹，使得电子束的汇集趋势更加明显。

另外，上极板和下极板的坡口倾斜角度可以相同也可以不同；调节下极板坡口的倾斜角度，可以调整场发射阴极表面电场的均匀性，有效克服边缘场效应，提高阴极场发射表面的发射均匀性。

同时，需要指出的是，以一个横截面将栅极分成上电极和下电极两部分，可以仅设计上电极或仅设计下电极具备坡口结构，甚至栅极可以设计为仅具备上电极或仅具备下电极的结构。

作为一种具体结构，所述场发射阴极仅覆盖住椎体突起结构的尖端部位；当栅极施加电压后，能够更有效的减少在场发射阴极边缘形成的边缘场效应，并且减小栅极对电子束的截获率。

作为一种具体结构，所述场发射阴极至少覆盖住椎体突起结构的整个突起表面，比如仅覆盖住椎体突起结构的整个突起表面；当栅极施加电压后，能够减少在场发射阴极边缘形成的边缘场效应。

作为一种具体结构，所述场发射阴极覆盖住整个阴极基板上表面区域；这样，相对于现有技术，在具备相同的场发射阴极面积时，可以减小阴极基板的面积，以减小栅极和阴极之间的电容。

所述场发射阴极采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板上表面上。

所述场发射阴极为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。

所述场发射阴极的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。

本发明的设计原理，同样可以应用于设计X射线管、微波管，以及其他冷阴极真空电子器件中，用于提高阴极表面场发射均匀性，提高器件性能。

有益效果：本发明提供的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，与传统场发射阴极三极管技术相比，不仅具有阴极发射面积增大，发射均匀性好、阴极与栅极间电容小，打在阳极基板的电子束有汇聚作用等优点，还可以避免传统场发射阴极因边缘场过于集中带来的打火、阴极损伤等。

附图说明

图1为传统的冷阴极三级管结构示意图；

图2为传统的冷阴极三级管中阴极基板与场发射阴极的位置示意图；

图3为本发明的一种结构示意图；

图4为本发明的另一种结构示意图；

图5为本发明的再一种结构示意图。

其中，1为阴极基板，2为场发射阴极，3为栅极，4为上极板，5为下极板，6为栅孔，7为阳极，8为引出线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，包括阴极、阳极7和栅极3，所述阴极包括阴极基板1和制作在阴极基板1上表面的场发射阴极2，所述栅极3设置在阴极和阳极7之间，在栅极3上设置有与场发射阴极2对应的栅孔6；所述阴极基板1上表面对应栅孔6的位置设置有椎体突起结构，所述场发射阴极2至少覆盖住所述椎体突起结构的尖端部位，形成尖锥阴极；所述栅孔6的内径，沿其轴向先减小再增大，形成两个燕尾相对接的结构；以最小内径的横截面，将栅极3分为上下两部分，阳极7的一侧称为上极板4，阴极的一侧称为下极板5。

如图3所示，所述场发射阴极2覆盖住整个阴极基板1上表面区域。

如图4所示，所述场发射阴极2仅覆盖住椎体突起结构的整个突起表面。

如图5所示，所述场发射阴极2仅覆盖住椎体突起结构的尖端部位。

一般来说，所述场发射阴极2采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板1上表面上。

一般来说，所述场发射阴极2为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。

一般来说，所述场发射阴极2的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，包括阴极、阳极(7)和栅极(3)，所述阴极包括阴极基板(1)和制作在阴极基板(1)上表面的场发射阴极(2)，所述栅极(3)设置在阴极和阳极(7)之间，在栅极(3)上设置有与场发射阴极(2)对应的栅孔(6)；其特征在于：所述阴极基板(1)上表面对应栅孔(6)的位置设置有椎体突起结构，所述场发射阴极(2)至少覆盖住所述椎体突起结构的尖端部位，形成尖锥阴极。

2.根据权利要求1所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述栅孔(6)的内径，沿其轴向先减小再增大，形成两个燕尾相对接的结构；以最小内径的横截面，将栅极(3)分为上下两部分，阳极(7)的一侧称为上极板(4)，阴极的一侧称为下极板(5)。

3.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)仅覆盖住椎体突起结构的尖端部位。

4.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)至少覆盖住椎体突起结构的整个突起表面。

5.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)覆盖住整个阴极基板(1)上表面区域。

6.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)采用物理沉积、化学气相沉积、丝网印刷或电弧方法制作在阴极基板(1)上表面上。

7.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)为纳米材料冷阴极、场发射阴极薄膜或场发射微尖阵列。

8.根据权利要求1或2所述的尖锥阴极与锥形栅孔对应的冷阴极三极管，其特征在于：所述场发射阴极(2)的材料为碳纳米管、纳米氧化锌、石墨烯中的一种或两种以上的混合。