CN1072286A - 利用具有低/负电子亲和势的电子源的一种电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一个利用电子源(610)的电子装置 (600)，该电子源包含的材料有一个表面呈现出很低 的或负的电子亲和势，例如II—B型金刚石的111结 晶面。提供了电子源(802，902)，它们的几何突变处 一曲率半径大于约1000埃。这些电子源显著地改 善了电子发射水平并缓解了对尖峰/边缘特性的要 求。所描述的利用这种电子源的电子装置包括图象 发生电子装置、光源电子装置、以及信息信号放大器 电子装置。

Description

一般地说，本发明是关于电子装置的。更具体地说，是关于利用电子自由空间迁移的电子装置。

利用电子自由空间迁移的电子装置在技术上是人所共知的，它们一般被用作为信息信号放大装置，影象信息显示，图象（image）监视器，以及传感装置等。对这类装置的一个共同要求是必须提供一个稳定的电子源和从该电子源表面收取这些电子的手段，作为该电子装置结构中的一个组成部分。

从一个电子源的表面收取电子的第一种现有技术的方法是向存在于电子源表面或其附近的电子提供足够的能量，从而使这些电子可以克服表面势垒（potential    barrier）并逃逸到周围的自由空间区。这种方法要求有一个附加的热源用以提供必要的能量使电子提高到能克服势量的能量状态（energy    state）。

从电子源表面收取电子的第二种现有技术的方法是有效地改变势垒，其改变方式是使其允许有足够的量子力学隧道（quantum    me    Chanical    tunneling）穿过由此得到的有限厚度壁垒。这种方法要求在电子源表面感生（induce）出很强的电场。

在第一种方法中，对附加能源的需求妨碍了在装置的体积（尺寸）要小的意义上实现有有效的集成结构的可能性。而且，这种对能源的需求必然会降低装置的总效率，因为使电子从电子源释放出来所消耗的能量并未提供有用功（useful    work）。

在第二种方法中需要建立很高的电场，其量级为1×10⁷伏/厘米，结果便需要利用高得不能接受的电压来运行此装置，或者是制成复杂的几何结构。

于是，需要有能利用某种电子源的电子装置，它们至少能克服已有电子装置的某些缺点。

通过提供一种含有某种材料的电子源，使上述需求以及其他需求基本上得到满足，这种材料用以维持分布在材料表面和接近材料表面的电子的固有亲和势为1.0电子伏特左右。另一种情况是，可以提供一种电子装置电子源，它包含的材料呈现出负的固有亲和势来维持分布于（和接近于）材料表面的电子。

可以预料，其几何突度（geometric    discontinuities）的曲率半径大于1000A（埃）左右的材料将显著改善电子发射水平（electroe-mission    level），从而缓解对尖端/边缘特性的要求。这种对尖端/边缘特性要求的缓解是一个重大的改进，因为它极大地简化了用于实现电子源装置的方法。

在实现本发明的一种电子源时，所使用的材料是金刚石（diamond）。

在利用根据本发明的电子源的一个电子装置的实施例中提供了一种实质上均匀的光源。

在利用根据本发明的电子源的一个电子装置的另一个实施例中，提供了一种图象显示装置。

在利用根据本发明的电子源的一个电子装置的又一个实施例中，提供了三个终端信号放大装置。

图1A和图1B是典型的半导体到其空表面能量壁垒图象的示意图。

图2A和图2B是减小了电子亲和势的半导体到真空表面能量壁垒图象的示意图。

图3A和3B是具有负电子亲和势的半导体到真空表面能量壁垒图象的示意图。

图4A至4B是一种电子装置的一个实施例中所采用的结构的示意图，该电子装置中利用了根据本发明的具有小的/负的电子亲和势的电子源。

图5是一个电子装置的另一实施例的示意图，它是根据本发明利用一个具有小的/负的电子亲和势的电子源实现的。

图6是一个结构的透视图，该结构利用了多个根据本发明的具有小的/负的电子亲和势的电子源。

图7是一个电子装置的另一个实施例的截面/示意图，该电子装置是利用根据本发明的具有小的/负的电子亲和势的电子源实现的。

图8是利用根据本发明的具有小的/负的电子亲和势的电子源实现的一个电子装置的另一个实施例的侧立截面图。

图9是利用根据本发明的具有小的/负的电子亲和势的电子源实现的一个电子装置的另一个实施例的侧立截面图。

图10是电场感生电子发射流与发射体曲率半径的关系图。

图11是电场感生电子发射流与表面功函数（work    function）的关系图。

图12A-12B是电场感生电子发射流与所加电压的关系图，其中以功率数作为一个可变参数。

现在参考图1A，图中给出一个半导体对真空表面的能量壁垒的示意表示。该半导体材料的表面特性的详细情况是：价电子带（Valance    band）的较高能级（energy    level）101，传导带（conduction    band）的较低能级102以及本征（intrinsic）费未能级103，它通常介于价电子带的较高能级和传导带的较低能级之间。相对于半导体材料的各能级还画出了真空能级104，这里画出的真空能级104所处能级高于半导体的能级，表明必须向分布在半导体中的电子提供能量才可能使这些电子具有足够的能量来克服那个阻止电子半导体材料表面向真空发射的壁垒。

对于所考虑的半导体系统，真空能级104与传导带的较低能级102之间的能量差称作电子亲和势qx。传导带较低能级102与价电子带较高能级101之间的能级差通常称作带隙（band-gap）Eg。在未掺杂（纯的半导体的情况中，本征费未能级103与传导带较低能级102之差为带隙的一半。即Eg/2。如图1A所示，必须将分布在传导带较低能级102的电子能量增大，才能将它提高到相应于自由空间能级104的能级上。

功函级qψ的定义是：为使处于本征费未能级103的电子可以克服势垒从它所在的材料表面逃逸出来所必须加给它的能量。对于图1A所示的系统，

qφ＝qX+Eg/2

图1B是一个能量壁垒示意图，如前之中参考图1所描述的那样，但这里所描述的半导体材料被掺进杂质，使其有效地移动能级，从而在高于本征费未能级103的较高能级上实现一个费米能级105。这种能级移动电能级差qw表示，它使该系统的功函数相应地减小，对于图1B的系统，

qφ＝qX+Eg/2-qW

显然，虽然通过改变半导体材料，使功函数减小，但电子亲和势qw仍保持不变。

图2A是一个能量壁垒示意图，如前之中参考图1所描述的那样，这里用类似的数码代表与图1A中类似的特性，只是所有数码均以数字“2”开头以指明为另一个实施例。图2进一步描述了一种半导体材料，其中半导体表面的能级比前面所描述的系统更接近于真空能级204。在金刚石半导体材料的情况里，观测到电子亲和势qx小于1.0ev（电子伏特）。对于图2A的系统，

qφ＝Eg/2+qX

现在参考图2B，它是如前文中参考图2A所描述的那种能量壁垒示意图，但这里的半导体系统已被掺杂，使其有效费米能级205处在高于本征费米能级203的一个能级上。对于图2B的系统，

qφ＝Eg/2-qW+qX

图3A是一个能量壁垒示意图，如前文中参考图1A所描述的那样，这里用类似的数码代表与图1A中类似的特性，只是均以数字“3”开头。图3A描述了一种半导体材料系统相对于真空能级304的能级关系，这里的传导带较低能级302的能级高于真空能级304的能级。在这种系统中，分布于半导体材料表面上或其附近并且有相应于传导带中任何能态（energy    state）的能量的那些电子将从半导体表面自发地发射出去。这是金刚石的111结晶面的典型的能量特性。对于图3A的系统，

qφ＝Eg/2

因为电子在从半导体表面发射出来之前，它仍然必须提高到传导带。

图3B是如同前面参考图3A所描述的一个能量壁垒示意图，这里的半导体材料已经掺杂，如同前面参考图2B所描述的那样。对于图3B的系统，

qφ＝Eg/2-qW

对于本说明中所考虑的电子装置电子源，将利用分布在金刚石半导体材料表面或接近表面的电子作为供电子装置运行所需的电子源。为此，必须提供一种手段，利用这种手段使表面上发射出去的电子为来自半导体主体内的电子所代替。已发现对于Ⅱ-B型金刚石的情况，这一点容易实现，因为纯（intrinsic）Ⅱ-B型金刚石的电导率为50Ωcm（欧姆厘米）数量级，适宜于多种应用。对于其电导率必须高于纯Ⅱ-B型金刚石电导率的那些应用，可以提供适当的掺杂。在同时具有负的电子亲和势以及高的固有电导率的材料中，利用111结晶面的纯Ⅱ-B型金刚石是独一无二的。

图4A是根据本发明构成的一个电子源410的侧立截面图。电子源410包括一个带有相应于111结晶面的表面的金刚石半导体材料，这里从金刚石材料表面自然发射出去的所有电子412都处于紧邻半导体表面的电荷云（charge    clord）中。在平衡状态，电子从半导体材料表面逃逸的速率（rate）等于电子被半导体表面重新俘获的速率。因此，在半导体材料立体内部不会发生电荷载体的净流动。

图4B是一种电子装置第一实施例400的侧立截面图，该电子装置利用了前文中参考图4A所描述的根据本发明构成的电子源410。装置400还包括一个阳极414，它放置在电子源410。它放置在电子源410的远处，还有一个外加电压源416，耦合在阳极414及电子源410之间。利用外加电压源416在阳极414和电子源410之间感生出电场，从而使分处在电子源410表面上方的电子412向上运动并被阳极414收集。由于电子向阳极414运动使电子源410上方的电子群412密度减小，从而干扰了前面所述的平衡状态。为恢复平衡，从电子源410表面发射出去补充的电子，而在表面上发射出去的这些电子又必须由材料主体内部所能得到的电子来代替。这就在电子源410的半导体材料内产生了净电流，Ⅱ-B金刚石的高电导率特性有助于实现这一点。

在利用相应于111结晶面的表面的Ⅱ-B型金刚石半导体材料时，只需要很小的电场来诱导电子412使其被阳极414收集到。这个电场的强度可以是1.0千伏/厘米的数量级，当阳极414相对于电子源410的距离为1微米时，它相当于1伏。以往用于提供电场诱导电子从材料中发射出来的技术一般需要大于10兆伏/厘米的电场。

图5是一种电子装置500的第二个实施例的侧立截面图，该装置使用了根据本发明构成的电子源510。图中显示出具有第一主表面的支持基片556，在它上面放置了电子源510，它有一个暴露的表面，该表面呈现出从低到负的电子亲和势（从小于1.0电子伏特左右到小于0.0电子伏特左右）。阳极550放在电子源510的远处。

阳极550包括一个基本上是光学透明的面板（faceplate）材料层551，它有一个表面指向电子源510，它与电子源510的表面基本平行并保持一定间距。一个基本上光学透明的导电层552放置在其表面指向电子源510的面板材料551的表面上。导电层552又有一个阴极射线放致发光材料层554置于它的指向电子源510的那个表面上，用于发射光子。

一个外加电压源516可通过操作耦合于导电层552和电子源510，其耦合方式是使得在阳极550和电子源510之间区域中产生的电场能够造成如前所述的那种指向阳极550的电子运动。穿过这一感生电场运动的电子将得到附加的能量，并撞击阴极致发光材料层554。撞到阴极射线致发光材料层554上的电子放弃或至少是部分地放弃了这个额外的能量，这是在阳极射线致发光材料中发生的辐射过程所造成的，这一过程产生光子发射，这些光子穿过了基本上光学透明的导电层552及基本上光学透明的面板材料551。

利用根据本发明构成的电子源的电子装置550提供了一个基本均匀（uniform）的光源，这是来自电子源510的基本均匀的电子发射造成的结果。

图6是根据前文中参考图5所描述的本发明构成的一个电子装置600的透视图，在图中与图5所示的类似特征相对应的部分均用以“6”开头的数码表示。装置600包括一组电子源610和一组传导路经603，它们由例如一个金属层构成并与那组电子源610耦合在一起。通过构成Ⅱ-B型金刚石电子源并使其暴露的表面对应于111结晶面，使得电子源610表现出的功能是前面参考图3A、3B、4B和图5所描述的那种具有负电子亲和势的电子源。

通过利用前文中参考图5所描述的外加电压源（图中未画出）并将外加信号源（图中未画出）连接到至少是一部分导电路经603上，使电子源组610中的每一个都可以独立地被选用来发射电子。例如，在传导层652上加一个相对于参考电位为正的电压，如果电子源组610的电位为低于传导层652电位的正电位，那么电子将流向阳极650。然而，如果在一组传导路经603中的任何上面可操作地耦合外加信号，而且这些外加信号的幅度和极性能使相随的电子源610具有比传导层652上的电压更高的正电位，那么加此信号的特定电子源将不能向阳极650发射电子。

由于在阳极650和电子源602之间的感生电场基本上是均匀的并平行于所发射电子的传输路径，所以阳极650收集所发射的电子是在阴极射线致发光材料层654上的这样一个区域进行的，该区域对应于电子源上发射这些电子的区域。这样造成的结果是：阴极射线致发肖材料层654上被选择的部分获得了能量来产生光子，这些光子便提供了一个图象，它可以通过前文中参考图5所描述的面板材料651而被看到。

图7是利用根据本发明构成的电子源的一种电子装置700的另一实施例的侧立截面图。图中所示支持基片70至少具有第一主表面，在它上面放置电子源702，该电子源可操作地与第一外加电压源704耦合。阳极703放置在电子源702的远处，可操作地耦合于一个外加阻抗元件706的第一终端。第二外加电压源605可操作地耦合于阻抗元件706的第二终端。

电子装置700含有由Ⅱ-B型金铡石构成的电子源702（如前文中参考图3A和4B所描述的那样），它可通过操作与外加（信号）源及阻抗元件相连（如前文所述），通过调制电压源704来改变电子源702表面的电子发射速率，并通过监测穿过阻抗元件706的相应电压降的变化来检测由于电子发射速率变化所引起的被收集电子流的变化，以此提供了信息信号的放大手段。

现在参考图8，它是采用根据本发明构成的电子源的一个电子装置800的另一实施例的侧立截面图。电子源802是有选择地构成的，从而使至少电子源802的一部分构成一个垂直一个支持基片801的柱状体。电子源802位于支持基片801的主表面上并可通过操作使二者耦合在一起。邻近放置一个控制电极804，它基本上对称地至少是部分地围绕在电子源802的柱状部分周围。控制电极804的放置和支撑结构可以用工艺上人所共知的许多方法中的任何一个来实现，例如，可以提供一种绝缘的介电材料来支持控制电极804的结构。阳极803放置在相对于电子源802的柱状部分保持一定距离的地方，从而能在阳极803处收集到至少是一部分所发射的电子。

可通过操作将第一外加电压或信号源807耦合到控制电极804上。第二外加电压源805和一个外加阻抗元件806可通过操作连接到阳极803上，如前面参考图7所描述的那样。第三个我加电压或信号源808可通过操作耦合到支持基片801上。电子装置800所使用的电子源802具有前文中参考图3A和4B所描述的那种发射表面特性，该装置的功能是作为一种三终端放大装置，这里通过第一和第三电压源807和808中的任何一个或同时使用这两个来施加信息/开关信号。

当给电子装置800的控制电极804提供一个信号/电压，用以将电子源802表面附近的中介区（intervening    region）电位降低到一水平，使电子不能穿过阳极803和电子源802之间的中介距离，于是电子装置800有效地处于断路9off）状态。相应地，在电子源802上提供一个信号/电压，用以将电子源802表面附近的中介区电位降低到一定水平，使电子不能穿过阳极803和电子源802之间的中介距离，于是电子装置800有效地处于断路（off）状态。用第一和第二外加电压源807和808中的每一个有选择地向电子源800提供必要的电压/信号，便会使装置800有选择地处于通路（on）状态或断路（off）状态。通过有选择性地调制施加在第一和第二电压源807和808两者或任意一个上面的电，使电子装置800成为一个信息信号放大装置。另一种情况是电子源800的阳极803可以按前文中参考图5和图6所描述述的阳极来实现。这样的阳极结构与电子装置800的外加电压源开关能力相结合，提供了一个可完全寻址的图象产生装置。

现在参考图10，它给出图形1000，代表电场诱发的电子发射与电子源曲率半径的关系。在当代技术中知道，对于一般的电子源，例如导电夹端/边缘，一个外加电场将在小曲率半径的几何突变区被放大（增大）。再有，对于所发射的电子流，有函数关系

I（r，φ，V）＝1.54×10^-6×a（r）×β（r）²×V²/（1.1xqφ）×{-6.83×10⁷×（qφ）^3/2（β×V）×[0.95-1.44×10^-7×β（r）×V/（qφ）²]}

这里，

β（γ）＝1/2

α（γ）＝r²

γ的单位是厘米。

这个关系式中包含参数qψ，在前文中参考图1A描述过，是作为表面功函数。图10中给出两条电子发射流与曲率半径关系曲线。第一条线1001是设功函数qψ为5电子伏特确定的，第二条线1002是设功函数qψ为1电子伏特确定的。在这两幅图1001和1002中，为了方便，设电压V为100伏特。图10的目的不仅要说明发射电子流与电子源曲率半径的关系，还要说明发射电子流与功函数的关系。显然，可以看到，当两幅图1001和1002都是在曲率半径为1000埃（1000×10^-10米）的情况下进行考虑时，第二幅图1002所显示的电子流大约比第一幅图1001的情况大30个数量级。当把这种关系用于实现电子源结构时，它直接转化为对下述要求的显著的缓解，即要求电子源至少显示出极小曲率半径的某些特征。图10表明，第一图1001利用一个曲率半径为1000埃的电子尖所产生的电子流仍然大于第二幅图中利用曲率半径只有10埃的电子源所产生的电子流。

图11给出的图形表示1100是以另一种方式来观察电子流。在图11中，是将电子流对于功函数qψ作图，以曲率半径r作为可变参数。第一幅图1110是利用100埃曲率半径特性的发射器结构时电子流与功函数的关系。第二幅图1112和第三幅图1114是分别利用曲率半径1000埃和5000埃的特性构成电子源时电子流与功函数的关系。对于图1110、1112和1114中的每一个。都清楚地表明，当功函数减小时以及曲率半径减小时其电子发射都显著增加。还应注意到，如同图10中的图那样，它清楚地显示出电子流关系受到功函数的强烈影响，其影响的方式是允许对下述要求有显著的缓解，即要求由电场诱发的电子源应具有显示出小曲率半径几何突变的某种特性。

现在参考图12A，它给出电子流与所加电压V的关系图，以表面功函数qψ作为可变参数。第一、二、三幅图1220、1222及1224分别对应于功函数为1电子伏特、2.5电子伏特及5电子伏特。它们表明，对于给定的电压，当功函数减小时，其电子流要增大许多量级。这幅图与前面参考图10和图11所描述的图示是一致的。

图12B是图形表示1230，它对应于图12A中的图示1200的最左边的一部分，所复盖的外加电压范围是从0至100伏特。在图12B中，第一幅图1240是对于利用具有1电子伏特功函数和500埃曲率半径特性的材料构成的电子源计算出来的。第二幅图1242是对于利用具有5电子伏特功函数和50埃曲率半径特性的材料构成的电子源计算出来的。从图12B清楚地看出，根据第一图1240的参数构成的电子发射器所提供的电子流显著地大于根据第二图1242的计算所给出的参数构成的电子源所提供的电子流。从图10至12B中的计算结果和图示可以清楚地看出，利用表面功函数低的材料构成的电子源，能实现对了射电流的显著改善。它还进一步表明，利用表面功函数低的材料还能缓解对于极小曲率半径特性的要求。

图9是与前文中参考图8所描述的装置类似的一个电子装置900的另一个实施例的侧立截面图，其中对应于图8中类似特征的参考指示码都以数字“9”开头。有选择地构成了电子源902，它提供了一个基本上呈圆锥形的或楔形的区域，其尖峰909具有小曲率半径。根据本发明并利用图9中的电子源902来实现一个电子源可以减小装置的运行电压，这是由于已知的陡缘和尖点结构对电场的放大效应所造成的结果。由于尖端/陡缘之类小曲率半径几何突变的电场放大效应，电子优先从最高电场位置或其附近优先发射出来，在图9装置的情况里，这个位置对应于电子源尖峰909。

图9所示电子装置再利用前之中参考图5和图6所描述的阳极903，便成为前文中参考图8所描述的那种可全寻址的图象发生装置。

通过利用一个低功函数材料（例如Ⅱ-B型金刚石）作为电子源，并有选择地将该氏功函数材料定向使其暴露面为最希望采用的结晶面，这样便可以缓解对于尖峰909应具有极小曲率半径的要求。在以往技术的电场诱发电子发射器装置的实施例中，当考虑微电子电子发射器时，通常发现尖峰/边缘的曲率半径必定要小于500埃，而且优先选择小于300埃。对于根据本发明构成的装置，可以预料，其几何突变的曲率半径为5000埃左右的电子源将提供出与以往技术的结构基本类似的电子发射水平。这种对尖峰/边缘特性要求的缓解是一个重要的改进，因为它极大地简化了用于实现电子源装置的处理方法。

Claims (10)

1、一种电子装置，其特点是：

一个材料(包括金刚石)层(510)，其层表面为111结晶面的结晶取向，并且其表面的电子亲和势小于约1.0电子伏特，以保持电子分布在材料表面或其附近；

一个阳极(550)放置在距材料层(510)一定距离的地方；

一个电压源(516)与阳极(550)和材料层(510)耦合，从而在阳极和具有极低电子亲和势的材料层(510)表面之间提供一个有适当极性的电压，于是在材料层(510)表面产生基本均匀的电子发射，并在阳极(550)处收集所发射的电子。

2、权利要求1的电子装置，其特点还在于阳极（550）包括：

一个基本上肖学透明的面板材料（551），它具有一个主表面;

一个基本上肖学透明的导电材料层（552），置于面板材料（551）的主表面上;以及

一个阴极射线致发光材料层（554）置于基本光学透明光学透明的导电材料层9552）之上，从而在阳极收集的所发射电子在阴极射线致发光材料层（552）中激发光子发射，提供出基本均匀的光源。

3、权利要求1的电子装置，其特点还在于有一个支持基片（556），材料层（510）置于该基片（556）的主表面上。

4、权利要求3的电子装置，其特点还在于支持基片（801）包含一个金属导体。

5、权利要求3的电子装置，其特点还在于支持基片（901）包含一种半导体材料。

6、权利要求3的电子装置，其特点还在于该材料层定义为一组电子源（610）。

7、权利要求3的电子装置，其特点还在于该材料层被有选择地成形，使其具有一个与支持基片（801）基本垂直的柱状体（802）。

8、权利要求3的电子装置，其特点还在于该材料层被有选择地成形，使其提供一个带有尖峰（909）的圆锥（902）。

9、权利要求3的电子装置，其特点还在于该材料被有选择地成形使其提供一个边缘（702）。

10、权利要求3的电子装置，其特点还在于：一个信号装置（704，808，807）与材料层相连，从而使材料层的电子发射受到信号装置（可通过操作与材料层相连）的优选电压水平的控制，并使发射电子中的任何一部分被阳极收集到。

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