CN1314691A - 场致发射型冷阴极结构和使用该冷阴极的电子枪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及场致发射型冷阴极结构和使用该冷阴极的电子枪,能够防止由渗透到阴极部分中的杂质等造成的电子发射误差。本发明包括在基电极和每个发射极片之间形成的低熔点金属层,在栅电极的上部形成的聚焦电极,和在聚焦电极的上部形成的控制电极,在聚焦电极和栅电极之间以及在控制电极和聚焦电极之间有绝缘层,因此本发明可以减少用于加热冷阴极的功率,并可以在屏幕上即刻显示数据和图像。因此,有可能减少用于显示图像的等待时间。

Description

场致发射型冷阴极结构和使用该冷阴极的电子枪
本发明涉及场致发射型冷阴极结构(spindt型阴极结构)和具有该种阴极的电子枪。具体涉及一种场致发射型冷阴极结构和使用该冷阴极的电子枪，能够防止由渗透到阴极部分中的杂质等造成的电子发射误差。
图1表示根据现有技术的标准CRT(阴极射线管)的结构。
如图1所示，标准CRT(阴极射线管)包括：玻璃容器1，电子枪2，电子束3，偏转线圈4和荧光屏5，下面对其进行说明。
首先，电子枪2被安装在真空玻璃容器1的端部，从电子枪2产生的电子束3由产生磁场的偏转线圈4偏转，并发射到荧光屏5，因此荧光屏5在电子束3的撞击激励下发光。
而且，当实际使用上述CRT(阴极射线管)时，可以根据输入的图像信号通过控制电子束的数量、在二维方向偏转电子束3、以及在荧光屏5上对其进行扫描，来显示某个图像。
图2表示根据现有技术的CRT的电子枪中使用的阴极的结构。
如图2所示，其包括镍圆筒6，发射极7，加热丝8和滑石盘(steatitedisk)9。下面对其进行说明。
首先，将发射极7安装在镍圆筒6的前端，此处，广泛地使用由Ba,Ca,Sr等构成的氧化物阴极。
此外，也可以使用通过将发射极灌入多孔钨中制造的高电流密度的阴极。
此外，将加热丝8安装在镍圆筒6的内部，电子束从发射极7发射到真空中。将阴极固定在滑石盘9上，以便使电子枪的组装更容易。
图3表示根据现有技术的CRT中使用的电子枪的剖面结构。
如图3所示，其包括：第一控制电极10，第二控制电极11，第三控制电极12，第四控制电极13，自由聚焦电子透镜(free focus electronlens)14，主透镜15，和电子束16的交叉，下面对其进行说明。
首先，在阴极上安装的发射极7的前面安装用于控制电子束的第一控制电极10和第二控制电极11。
此外，设置第三控制电极12和第四控制电极13的位置，以形成使电子束3在荧光屏5上形成微小束斑的主电子透镜15。
此外，由第二控制电极11和第三控制电极12形成电子束3的自由聚焦电子透镜14。
从阴极发射的电子束密度的方向依赖性，即相对于垂直荧光屏方向的电流密度j(A/m2立体弧度(steradian))，从法线发射到θ方向的电流密度j(θ)，可以由如下公式1表示。
j(θ)=jcosθ    ………………[公式1]此处，j表示垂直荧光屏的电流密度。
此外，所发射的电子是以一定的统计初始速度分布飞出的，关于气体分子速度分布的“标记单元分布”(＂distribution of mark cell＂)可以适用于与阴极温度对应的温度。
如上所述，为了将从阴极的每个点发射的电子聚焦到荧光屏上的一个点，对于用来形成主电子透镜15的控制电极和用来将电子束引导到主电子透镜的控制电极，提供了各种结构。
图4表示根据现有技术的场致发射型冷阴极结构。
如图4所示，其包括基底玻璃101，基电极102，绝缘层103，栅电极104，发射极片(emitter chip)105，电子束106，电源107，下面对其进行说明。
首先，在基底玻璃101上形成的基电极102上形成锥形的由非常小导电体(例如钼)构成的发射极片105。
在发射极片105的前端并围绕发射极片105形成由导电体(例如镍)构成的栅电极104。
而且，在基电极102和电极104之间设置绝缘层103(例如SiO2)以便二者间绝缘。
如上所述，当将一定电压Vg从电源107施加到基电极102和栅电极104之间时，在发射极片105的前端产生非常强电场，并且从发射极片105的前端发射出电子(电子束106)。
当从发射极片105的前端发射出电子时，在荧光屏上需要大约每点350μA的电子束流，利用一个发射极片105不可能在荧光屏上得到需要的电子束流。
因此，为了得到需要的电子束流，通过在二维平面上形成多个发射极片105来构造阴极。
图5表示根据现有技术的包括多个发射极片的场致发射型阴极结构的剖面，其中标号51表示杂质。
如图5所示，当由于某种原因造成具有导电性的杂质粘附到发射极片105时，基电极102和栅电极104处于短路状态。
当基电极102和栅电极104处于短路状态时，高电流通过发射极片105和杂质51在基电极102和栅电极104之间流动。据此，无法将电压施加到发射极片105和栅电极104之间，因此不从其余的发射极片105发射出电子。
在现有技术中，在控制电极结构中存在部件数目增加的问题。
此外，在根据现有技术的阴极结构中，因为利用加热方法来发射电子，尽管电视机的主电源是ON，但是直到Ba的温度达到电子发射温度时具有良好图像质量的图像才能在电视机的CRT上显示出来。
此外，在一般电视使用的CRT中，荧光屏所需的电子束流是大约每一点350μA，但是加热阴极所需的功率是大约2W，因此电子发射效率较低。
此外，在现有技术中，当作为电子发射材料的Ba使用了较长时间后，由于受热会慢慢蒸发，因此电子发射效率慢慢变差。
此外，在现有技术中，因为从阴极表面发射的电子从各点辐射到每个区域，并且初始速度是无规律的，为了在荧光屏上得到微小的电子束斑，需要大量的控制电极。
此外，在现有技术中，当电子从发射极片105的前端发射出时，因为需要荧光屏上的电子束流是大约每一点350μA，因此利用一个发射极片105不可能在荧光屏上得到所需的电子束流。
此外，在现有技术中，当基电极102和栅电极104处于短路状态时，高电流通过发射极片105和杂质51在基电极102和栅电极104之间流动。据此，无法将电压施加到发射极片105和栅电极104之间，因此从其余的发射极片105不发射电子。
因此，本发明的目的是提供一种场致发射型冷阴极结构，能够通过构造一种利用电场发射电子的场致发射型冷阴极结构来防止由杂质等造成的电子发射误差，而不使用利用加热发射电子的结构。
本发明的另一个目的是提供一种场致发射型冷阴极结构，能够半永久性地延长其使用寿命，改进电子发射效率，减小能耗，和简化结构。
本发明的另一个目的是提供一种使用根据本发明的场致发射型冷阴极结构的电子枪。
为了实现本发明的目的，根据本发明的场致发射型冷阴极结构具有在基电极上形成的多个发射极片，在每个发射极片的周围形成的栅电极，位于基电极和栅电极之间以使二者绝缘的绝缘层，在基电极和栅电极之间施加一定的DC(直流)电压，该场致发射型冷阴极结构包括：在基电极和每个发射极片之间形成的低熔点金属层。
在该场致发射型冷阴极结构中，在栅电极的上部安装聚焦电极，在栅电极和聚焦电极之间有绝缘层。
在该场致发射型冷阴极结构中，在栅电极的上部安装聚焦电极，在栅电极和聚焦电极之间有绝缘层，并且在聚焦电极的上部安装控制电极，聚焦电极和控制电极之间有绝缘层。
此外，该场致发射型冷阴极结构具有以一定间隔在基电极上形成的多个发射极片，在每个发射极片的周围形成的栅电极，在基电极和栅电极之间的绝缘层，该场致发射型冷阴极结构包括：在每个发射极片的周围形成的栅电极，在围绕栅电极的外圆周上安装的主电极，和在主电极和栅电极之间形成的低熔点金属层。
在该场致发射冷阴极结构中，在基电极和主电极之间施加一定的电压。
此外，在使用场致发射型冷阴极结构的电子枪中，该场致发射型冷阴极结构具有阴极部分，主电子透镜，第一和第二聚焦电极，该阴极部分包括：以一定间隔在基电极上形成的多个发射极片，在每个发射极片的周围形成的栅电极，在基电极和每个发射极片之间形成的低熔点金属层，隔着绝缘层在栅电极的上方形成的聚焦电极，以及在控制电极的前面形成的第一和第二聚焦电极。
在该使用场致发射型冷阴极结构的电子枪中，通过绝缘层使基电极和栅电极彼此绝缘。
在该使用场致发射型冷阴极结构的电子枪中，从多个发射极片发射的电子束被聚焦到由第一和第二聚焦电极形成的主电子透镜上，而不形成交叉。
图1表示根据现有技术的标准CRT(阴极射线管)的结构；
图2表示根据现有技术的CRT的电子枪使用的阴极的结构；
图3表示根据现有技术的CRT使用的电子枪的剖面结构；
图4表示根据现有技术的场致发射型冷阴极结构；
图5表示根据现有技术的包括多个发射极片的场致发射型冷阴极结构；
图6表示根据本发明的场致发射型冷阴极结构；
图7A表示根据本发明实施例的冷阴极结构的剖面；
图7B是表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构的平面图；
图8表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构；
图9A是表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构的平面图；
图9B是表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构的剖视图；
图10表示使用图9A～9B的冷阴极的电子枪的剖面结构。
图6表示根据本发明的场致发射型冷阴极结构(spindt型阴极结构)，其还包括低熔点金属层61。
在下面内容中，与图4和5相同的部件具有相同的标号，下面对图6～10进行详细说明。
如图6～10所示，在发射极片105和基电极104之间形成低熔点金属层61。
此外，本发明并不受该低熔点金属层的限制，还有可能使用在高电流下熔化的材料，例如半导体材料。
例如，当粘附到发射极片105A上的导电杂质51使发射极片105A和栅电极14短路时，高电流通过发射极片105A和杂质51在基电极102和栅电极104之间流动，会由于低熔点金属层61的蒸发而开放发射极片105和栅电极104之间的间隔。
因此，尽管杂质51使得发射极片105A和栅电极104短路，因为即刻开放发射极片105和栅电极104之间的间隔，所以可以在其余的发射极片105和栅电极104之间施加一定电压。
图7A和7B表示根据不同实施例的冷阴极结构，图7A是冷阴极结构的剖视图，图7B是冷阴极结构的平面图。此处，标号71表示主电极，标号72表示低熔点金属层。
如图7A和7B所示，在每个发射极片105上形成各个分离的栅电极104，每个栅电极104通过低熔点金属层72与主电极71接触。
此外，在该冷阴极结构中，形成了四个发射极片105，围绕四个发射极片的栅电极104，和包围四个发射极片105和栅电极104的主电极71。
此外，所形成的发射极片和栅电极的数量不受限制，只要能接触外围主电极71即可。
如图6所示那样，在该冷阴极结构中，例如当杂质51造成发射极片105A和栅电极104之间发生短路状态时，高电流通过栅电极104从发射极片105A流向基电极102和主电极之间的间隔，对应于栅电极104的低熔点金属层72蒸发，因此开放发射极片105A和栅电极之间的间隔。
因此，有可能在其余的发射极片105和栅电极之间施加正常的电压。
而且，当上述冷阴极用于CRT(阴极射线管)时，通过利用控制电极和聚焦电极控制从冷阴极的每个发射极片105发射的电子的方向，有可能在荧光屏上得到微小的电子束斑，并且显示具有高图像质量的图像或字符。
图8表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构。标号81表示聚焦电极。
如图8所示，通过栅电极104上的绝缘层103将聚焦电极81安装在每个发射极片105上，以便聚焦从发射极片105发射的电子束106。
与图6相同，在该实施例中，在发射极片105和基电极102之间形成低熔点金属层72。
图9A和9B表示根据本发明另一个实施例的冷阴极结构，图9A是表示冷阴极结构的剖面图，图9B是表示冷阴极结构的剖面图。此处，标号91表示控制电极。
如图9A和9B所示，在二维平面上设置多个发射极片105，并且如图8一样安装聚焦电极81，在聚焦电极81的上部形成控制电极91，在控制电极91和聚焦电极81之间有绝缘层103。
如图10所示，控制电极91用于防止其它电极的电场影响发射极片105的电子发射特性。
图10表示使用图9A～9B的冷阴极的电子枪的剖面结构。
如图10所示，在对应于图9的冷阴极结构的阴极部分1001中，以一定间隔在控制电极91的前面设置(形成)用于形成主电子透镜1004的第一聚焦电极1002和第二聚焦电极1003。
而且，聚焦来自阴极部分1001的电子束106，以便利用主电子透镜1004的聚焦作用在荧光屏上得到微小的电子束斑。
此外，在控制电极91和第一聚焦电极1002之间形成自由聚焦电子透镜1005，以便使电子束入射到主电子透镜1004上的入射角较小，并且使聚焦在荧光屏上的电子束斑更小。
此外，在本发明中，用于接触电子束的主电子透镜1004不会使电子束在冷阴极的前面形成交叉(参见图3的标号16)。
同时，在使用根据本发明的场致发射型冷阴极结构的电子枪中，因为可以利用光刻技术形成阴极部分，所以可以非常精确地确定当前彩色CRT(阴极射线管)使用的三个阴极部分(用于RGB(红，绿，蓝)的每个阴极)的位置，因此可以减少诸如色纯度调整，会聚调整等的制造工序。
此外，与根据现有技术的图3的结构相比，在根据本发明的场致发射型冷阴极结构中第一控制电极10和第二控制电极11是不必要的，因此简化了整体结构。
如上所述，因为本发明中的电子发射不是利用加热丝加热而是利用电场实现的，本发明可以减少用于加热冷阴极的功率，并且可以在屏幕上即刻显示数据和图像。因此，有可能减少用于显示图像的等待时间。
此外，在形成具有良好电子发射特性的冷阴极结构时，本发明可以简化聚焦电子束的电子透镜等的结构，并可以在荧光屏上得到微小的电子束斑。
此外，当将本发明应用于彩色CRT时，因为可以利用光刻技术在同一基底上同时形成根据本发明的冷阴极，因此可以形成三个具有非常精确位置的冷阴极，并且可以改进电子枪的组装精度。

Claims (9)

1．一种场致发射型冷阴极结构，具有以一定间隔在基电极上形成的多个发射极片和在每个发射极片的周围形成的栅电极，在基电极和栅电极之间有用于绝缘的绝缘层，并且在基电极和栅电极之间施加一定的DC电压，该场致发射型冷阴极结构包括：
在基电极和每个发射极片之间形成的低熔点金属层。
2．根据权利要求1的场致发射型冷阴极结构，其中在栅电极的上部形成聚焦电极，在聚焦电极和栅电极之间有绝缘层，并且在聚焦电极的上部形成控制电极，在控制电极和聚焦电极之间有绝缘层。
3．根据权利要求1的场致发射型冷阴极结构，其中在栅电极的上部形成聚焦电极，在聚焦电极和栅电极之间有绝缘层。
4．一种场致发射型冷阴极结构，具有以一定间隔在基电极上形成的多个发射极片和在每个发射极片的周围各自形成的栅电极，并且利用一绝缘层使基电极和栅电极绝缘，该场致发射型冷阴极结构包括：
在每个发射极片的周围各自形成的栅电极；
在围绕栅电极的外圆周上安装的主电极；和
在主电极和栅电极之间形成的低熔点金属层。
5．根据权利要求4的场致发射型冷阴极结构，其中在基电极和主电极之间施加一定电压。
6．一种使用场致发射型冷阴极结构的电子枪，该场致发射型冷阴极结构具有阴极部分，主电子透镜，第一和第二聚焦电极，其中阴极部分包括：
以一定间隔在基电极上形成的多个发射极片；
在每个发射极片的周围形成的栅电极；
在基电极和每个发射极片之间形成的低熔点金属层；
在栅电极的上部形成的聚焦电极，在聚焦电极和栅电极之间有绝缘层；
在聚焦电极的上部形成的控制电极，在控制电极和聚焦电极之间有绝缘层；和
在控制电极的前面形成的第一和第二聚焦电极。
7．根据权利要求6的使用场致发射型冷阴极结构的电子枪，其中通过绝缘层将基电极和栅电极绝缘。
8．根据权利要求6的使用场致发射型冷阴极结构的电子枪，其中从多个发射极片发射的电子束被聚焦在由第一和第二聚焦电极形成的主电子透镜上，而没有形成交叉。
9．根据权利要求6的使用场致发射型冷阴极结构的电子枪，其中根据每个R,G,B颜色各自形成阴极部分。
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