DE102014107134A1

DE102014107134A1 - Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einzelner Leistungsquelle und Verfahren, um diese anzusteuern

Info

Publication number: DE102014107134A1
Application number: DE102014107134.4A
Authority: DE
Inventors: Jin-woo Jeong; Yoon-Ho Song; Jae-woo Kim; Jun-Tae KANG
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: US9351350B2; US20140346975A1; DE102014107134B4; JP6397656B2; JP2014229619A

Abstract

Es werden eine Feldemissionsvorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern der Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle offenbart. Die Feldemissionsvorrichtung enthält eine Katodenelektrode, eine oder mehrere Gate-Elektroden, eine Spannungsteilungseinheit und eine Leistungsquelleneinheit. Die Katodenelektrode ist so konfiguriert, dass daran wenigstens ein Emitter gebildet ist. Die Gate-Elektroden sind zwischen einer Anodenelektrode und der Katodenelektrode angeordnet, wobei jede eine oder mehrere Öffnungen aufweist, durch die von dem Emitter emittierte Elektronen gehen können. Die Spannungsteilungseinheit weist einen oder mehrere Teilerwiderstände auf und teilt eine von der Leistungsquelleneinheit angelegte Spannung unter Verwendung der Teilerwiderstände und legt daraufhin Teilspannungen an die eine oder an die mehreren Gate-Elektroden an. Die Leistungsquelleneinheit enthält eine einzelne Leistungsquelle und legt die Spannung an die Spannungsteilungseinheit an.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldungen Nr. 10-2013-0059025 und 10-2014-0023415 , eingereicht am 24. Mai 2013 bzw. am 27. Februar 2014, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle und auf ein Verfahren zum Ansteuern der Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle.
2. Beschreibung des verwandten Gebiets
Feldemissionsvorrichtungen sind Vorrichtungen, die ermöglichen, dass von einem Emitter, der von einer Katodenelektrode gebildet ist, durch gemeinsames Anlegen eines elektrischen Felds an die Katodenelektrode Elektronen emittiert werden. Feldemissionsvorrichtungen können in Diodenfeldemissionsvorrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Felds an einen Katodenemitter unter Verwendung einer Spannung, die an eine Anode angelegt wird, und zum Sammeln emittierter Elektroden unter Verwendung der Anode; und in Triodenfeldemissionsvorrichtungen, um unter Verwendung einer an eine Gate-Elektrode angelegten Spannung zu veranlassen, dass Elektronen von einer Katode emittiert werden, und um Elektronen, die durch die Gate-Elektrode gegangen sind, unter Verwendung einer an eine Anode angelegten Spannung zu beschleunigen, klassifiziert werden. Obwohl eine oder mehrere Elektroden hinzugefügt werden können, um eine oder mehrere zusätzliche Funktionen wie etwa die Funktion zum Fokussieren eines Elektronenstrahls bereitzustellen, wird dasselbe Betriebsprinzip genutzt, um zu veranlassen, dass durch Anlegen eines elektrischen Felds an die Katode veranlasst wird, dass von einem an einer Katodenelektrode gebildeten Emitter Elektronen emittiert werden.
Die veröffentlichte koreanische Patentanmeldung Nr. 10-2010-0108720 offenbart eine Feldemissionsvorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern der Feldemissionsvorrichtung. Eine übliche Triodenfeldemissionsvorrichtung wird unter Verwendung einer Gate-Leistungsquelle zum Steuern des Feldemissionsstroms und einer Anodenleistungsquelle zum Bestimmen der Beschleunigungsspannung der emittierten Elektronen angesteuert und erfordert somit wenigstens zwei Ansteuerleistungsquellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend soll wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Dreielektroden- oder Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle und ein Verfahren zum Ansteuern der Feldemissionsvorrichtung schaffen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Feldemissionsvorrichtung geschaffen, die enthält: eine Katodenelektrode, die so konfiguriert ist, dass daran wenigstens ein Emitter gebildet ist; eine oder mehrere Gate-Elektroden, die zwischen einer Anodenelektrode und der Katodenelektrode angeordnet sind und die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, durch die von dem Emitter emittierte Elektronen gehen können; eine Spannungsteilungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oder mehrere Tellerwiderstände aufweist und eine von einer Leistungsquelleneinheit angelegte Spannung unter Verwendung der Teilerwiderstände teilt und daraufhin Teilspannungen an die eine oder an die mehreren Gate-Elektroden anlegt; und dass die Leistungsquelleneinheit dafür konfiguriert ist, eine einzelne Leistungsquelle zu enthalten und die Spannung an die Spannungsteilungseinheit anzulegen.
Ferner kann die Feldemissionsvorrichtung eine Stromsteuereinheit enthalten, die mit der Katodenelektrode elektrisch verbunden ist und dafür konfiguriert ist, einen durch die Katodenelektrode fließenden Katodenstrom zu steuern.
Die Stromsteuereinheit kann eine Steuersignalerzeugungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein Steuersignal, das zum Steuern des Katodenstroms betreibbar ist, in die Stromschalteinheit einzugeben; und eine Stromschalteinheit, die dafür konfiguriert ist, den Katodenstrom in Ansprechen auf das Steuersignal wahlweise ein- und auszuschalten, enthalten.
Das Steuersignal kann ein Niederspannungsimpulssignal oder ein Gleichstromsignal (DC-Signal) in dem Bereich von 0 bis 5 V sein.
Die Stromschalteinheit kann einen Transistor enthalten, der so konfiguriert ist, dass die Leistungsquelle mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass die Katodenelektrode mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass das Steuersignal in seinen Gate-Anschluss eingegeben wird.
Die Stromschalteinheit kann einen veränderlichen Widerstand enthalten, der mit einem Gate-Anschluss eines ersten Transistors verbunden ist und der dafür konfiguriert ist, die Spannung des in einen zweiten Transistor eingegebenen Steuersignals zu steuern; wobei der erste Transistor so konfiguriert ist, dass die Leistungsquelle mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass ein Source-Anschluss des zweiten Transistors mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass der veränderliche Widerstand mit seinem Gate-Anschluss verbunden ist; und wobei der zweite Transistor so konfiguriert ist, dass der Drain-Anschluss des ersten Transistors mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass die Katodenelektrode mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass das Steuersignal, dessen Spannung durch den veränderlichen Widerstand gesteuert worden ist, in seinen Gate-Anschluss eingegeben wird.
Der erste Transistor kann ein Niederspannungstransistor sein und der zweite Transistor kann ein Hochspannungstransistor sein.
Die Spannungsteilungseinheit kann ferner einen Teilerwiderstand enthalten, der dafür konfiguriert ist, die an die Leistungsquelleneinheit angelegte Spannung zu teilen und daraufhin eine Teilspannung an die Steuersignalerzeugungseinheit anzulegen.
Die Steuersignalerzeugungseinheit kann eine drahtlose Kommunikationseinheit enthalten und das Steuersignal über die drahtlose Kommunikationseinheit von außen empfangen und das Steuersignal in die Stromschalteinheit eingeben.
Die einzelne Leistungsquelle kann eine negative Leistungsquelle sein und die Anodenelektrode kann geerdet sein.
Die Werte der Teilerwiderstände können beliebige Werte sein, die sowohl eine erste Bedingung, dass eine an die Gate-Elektrode angelegte Spannung höher als eine minimal erforderliche Gate-Spannung sein sollte, als auch eine zweite Bedingung, dass die Katodenspannung während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit nicht höher als die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit sein sollte, erfüllen.
Die Werte der Teilerwiderstände können Werte sind, die zu den Werten gehören, die die erste und die zweite Bedingung erfüllen, und die eine Summe der Widerstandswerte der Teilerwiderstände maximal machen.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Feldemissionsvorrichtung geschaffen, das enthält: Einstellen der Widerstandswerte eines oder mehrerer Teilerwiderstände einer Spannungsteilungseinheit; Anlegen einer Spannung an die Spannungsteilungseinheit unter Verwendung einer einzelnen Leistungsquelle einer Leistungsquelleneinheit; Teilen der angelegten Spannung durch die Spannungsteilungseinheit und daraufhin Anlegen von Teilspannungen an eine oder mehrere Gate-Elektroden durch die Spannungsteilungseinheit; und Steuern eines durch eine Katodenelektrode fließenden Katodenstroms in Ansprechen auf ein Steuersignal durch eine Stromsteuereinheit.
Das Einstellen der Widerstandswerte des einen oder der mehreren Teilerwiderstände kann enthalten: Berechnen von Werten, die sowohl eine erste Bedingung, dass eine an die Gate-Elektrode angelegte Spannung höher als eine minimal erforderliche Gate-Spannung sein sollte, als auch eine zweite Bedingung, dass die Katodenspannung während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit nicht höher als die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit sein sollte, erfüllen; und Auswählen beliebiger Werte unter den berechneten Werten.
Das Auswählen der beliebigen Werte kann das Auswählen von Werten enthalten, die zu den Werten gehören, die die erste und die zweite Bedingung erfüllen und die eine Summe der Widerstandswerte der Teilerwiderstände maximal machen.
Das Steuersignal kann ein Niederspannungsimpulssignal oder ein Gleichstromsignal (DC-Signal) in einem Bereich von 0 bis 5 V sein.
Das Einstellen der Widerstandswerte der Teilerwiderstände kann das Empfangen des Steuersignals von außen über eine drahtlose Kommunikation durch eine Stromsteuereinheit enthalten, falls die einzelne Leistungsquelle der Feldemissionsvorrichtung eine negative Leistungsquelle ist und außerdem eine Anodenelektrode geerdet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer verständlich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Beispiel einer üblichen Triodenfeldemissionsvorrichtung darstellt;
2 eine Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine graphische Darstellung ist, die die Teilerwiderstände einer Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 eine schematische Darstellung ist, die eine Ausführungsform der Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt;
6 eine schematische Darstellung ist, die eine andere Ausführungsform der Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt;
7 eine schematische Darstellung ist, die eine nochmals andere Ausführungsform der Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt;
8 eine schematische Darstellung einer Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 und 10 schematische Darstellungen sind, die die einzelnen Ansteuerleistungsquellen der Feldemissionsvorrichtungen darstellen;
11 eine schematische Darstellung ist, die die Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 10 darstellt; und
12 ein Verfahren zum Ansteuern einer Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Bezeichnung derselben oder ähnlicher Komponenten überall dieselben Bezugszeichen verwendet sind.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtungen mit einer einzelnen Leistungsquelle und ein Verfahren, um diese anzusteuern, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
1 veranschaulicht ein Beispiel einer üblichen Triodenfeldemissionsvorrichtung.
In 1 enthält die übliche Triodenfeldemissionsvorrichtung eine Katodenelektrode 110, eine Anodenelektrode 120 und eine Gate-Elektrode 130. In diesem Fall ist ein Emitter 111 an der Katodenelektrode 110 gebildet.
Die übliche Feldemissionsvorrichtung ist so konfiguriert, dass durch Anlegen eines elektrischen Felds an den an der Katodenelektrode 110 gebildeten Emitter 111 auf der Grundlage der an die Gate-Elektrode 130 angelegten Spannung Elektronen emittiert werden und dass die emittierten Elektronen durch die Löcher der Gate-Elektrode 130 gehen und durch die an die Anodenspannung 110 angelegte Spannung beschleunigt werden.
Währenddessen erfordert die übliche Triodenfeldemissionsvorrichtung aus 1 wie dargestellt wenigstens zwei Ansteuerleistungsquellen, d. h. eine Gate-Leistungsquelle 150 zum Steuern des Feldemissionsstroms und eine Anodenleistungsquelle 140 zum Bestimmen der Beschleunigungsspannung der emittierten Elektronen.
2 veranschaulicht eine Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 kann die Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Katodenelektrode 210, eine Anodenelektrode 220, eine Gate-Elektrode 230, einen an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211, eine Leistungsquelleneinheit 240 und eine Spannungsteilungseinheit 250 enthalten.
Die Leistungsquelleneinheit 240 enthält eine einzelne Ansteuerleistungsquelle und legt zwischen der Katodenelektrode 210 und der Anodenelektrode 220 eine Leistung an.
Die Spannungsteilungseinheit 250 teilt die zwischen der Katodenelektrode 210 und der Anodenelektrode 220 durch die Leistungsquelleneinheit 240 angelegte Spannung unter Verwendung der Teilerwiderstände R₁ und R₂ und legt eine resultierende Teilspannung an die Gate-Elektrode 230 an.
Dementsprechend kann unter Verwendung der einzelnen Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 eine Trioden- oder Vierelektoden- oder Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung angesteuert werden und eine Feldemissionsvorrichtung mit einer einfachen Struktur konstruiert werden. Im Gegensatz dazu ist es verhältnismäßig schwierig, die an die Gate-Elektrode angelegte Spannung zu steuern, so dass es schwierig sein kann, den Feldemissionsstrom nach Wunsch zu steuern.
Anhand von 3 bis 11 werden verschiedene Ausführungsformen einer Feldemissionsvorrichtung beschrieben, die die Steuerung der an eine Gate-Elektrode angelegten Spannung erleichtern kann.
3 veranschaulicht eine Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine schematische Darstellung, die die Teilerwiderstände einer Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
In 3 kann die Feldemissionsvorrichtung eine Katodenelektrode 210, eine Anodenelektrode 220, eine Gate-Elektrode 230, einen an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211, eine Leistungsquelleneinheit 240 und eine Spannungsteilungseinheit 250 enthalten. Darüber hinaus kann die Feldemissionsvorrichtung ferner eine Stromsteuereinheit 260 enthalten, die dafür konfiguriert ist, die Steuerung der an die Gate-Elektrode 210 angelegten Spannung zu ermöglichen.
Die Spannung V wird durch die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 zwischen der Katodenelektrode 210 und der Anodenelektrode 220 angelegt.
Die Spannungsteilungseinheit 250 teilt die angelegte Spannung V unter Verwendung der Teilerwiderstände R₁ + R₂ und legt eine resultierende Teilspannung an die Gate-Elektrode 230 an. In diesem Fall können eine an die Anodenelektrode 220 angelegte Anodenspannung V_a und eine an die Gate-Elektrode 230 angelegte Gate-Spannung V_g unter Verwendung der folgenden Gleichung 1 ausgedrückt werden: V_a = V V_g = V – (V/(R₁ + R₂) – I_g)R₂ (1)
Das heißt, die Gate-Spannung V_g ist durch den Spannungsabfall des Teilerwiderstands R₂ definiert, der einem Strom zuzuschreiben ist, der durch Subtrahieren eines an die Gate-Elektrode 230 abgeflossenen Stroms I_g von einem durch die Reihenwiderstände R₁ + R₂ fließenden Strom erhalten wird.
Falls die an die Anodenelektrode 220 angelegte Anodenspannung V_a und die an die Gate-Elektrode 230 angelegte Gate-Spannung V_{g im} Zeitverlauf konstant sind, kann die Größe eines Elektronenstrahls, d. h. eines Katodenstroms, der von dem an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211 emittiert wird, durch die Steuerung der mit der Katodenelektrode 210 in Reihe geschalteten Stromsteuereinheit 260 bestimmt werden.
Falls z. B. 100% eines von der Katodenelektrode 210 emittierten Elektronenstrahls die Anodenelektrode 220 erreichen, wenn eine elektrische Feldemission auftritt, gibt es keinen Leckstrom der Gate-Elektrode 230, wobei die Gate-Spannung V_g in diesem Fall durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt werden kann: V_g = VR₁/(R₁ + R₂) (2)
Allerdings gibt es im Allgemeinen einen Stromleckverlust von der Gate-Elektrode 230, so dass an die Gate-Elektrode 230 tatsächlich eine niedrigere Spannung als die maximale Gate-Spannung V_g aus Gleichung 2 angelegt wird. Um eine Gate-Spannung anzulegen, die für die elektrische Feldemission ausreicht, ist es dementsprechend notwendig, die Teilerwiderstände R₁ + R₂ der Spannungsteilungseinheit 250 im Voraus auf für die Feldemissionsvorrichtung geeignete Werte einzustellen.
4 ist eine graphische Darstellung, die die Teilerwiderstände einer Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Anhand von 4 wird ein Verfahren zum Bestimmen der für die Feldemissionsvorrichtung geeigneten Werte der Teilerwiderstände beschrieben.
Falls die minimal erforderliche Gate-Spannung V_{g min} ist, der maximale Gate-Leckstrom I_{g max} ist, die zulässige Spannung der mit der Katodenelektrode 210 verbundenen Stromsteuereinheit 260 V_M ist und eine Gate-Spannung, bei der die elektrische Feldemission beginnt, V_T ist, werden zunächst die Beziehungen der folgenden Gleichungen 3 bis 5 aufgestellt:
In diesem Fall ist I_R die Funktion von R₁ + R₂. Gleichung 3 kann aus der Bedingung hergeleitet werden, dass ein über die Teilerwiderstände fließender Strom höher als der maximale Gate-Leckstrom I_{g max} sein sollte, Gleichung 4 kann aus der Bedingung hergeleitet werden, dass eine an die Gate-Elektrode 230 angelegte Spannung höher als die minimal erforderliche Gate-Spannung V_{g min} sein sollte und Gleichung 5 kann aus der Bedingung hergeleitet werden, dass die Katodenspannung der Katodenelektrode 210 während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit 260 nicht auf einen Wert größer oder gleich der zulässigen Spannung V_M der Stromsteuereinheit 260 zunehmen sollte.
In diesem Fall können als Teilerwiderstandswerte beliebige Werte bestimmt werden, die die erste Bedingung aus Gleichung 4 und die zweite Bedingung aus Gleichung 5 erfüllen. Das heißt, ein schraffiertes Gebiet in der graphischen Darstellung aus 4 ist ein Gebiet, das sowohl die erste als auch die zweite Bedingung erfüllt, so dass es möglich ist, R₁ und R₂ aus dem schraffierten Gebiet beliebig auszuwählen und die Werte des ausgewählten R₁ und R₂ als die Teilerwiderstandswerte der Feldemissionsvorrichtung zu bestimmen.
Da wegen der Teilerwiderstände ein Leckstrom auftritt, kann es allerdings bevorzugt sein, als die Teilerwiderstandswerte die höchste Kombination der Werte R₁ + R₂, d. h. die Widerstandswerte bei dem Schnittpunkt zwischen zwei Funktionen in der graphischen Darstellung aus 4, auszuwählen. Die Werte R₁ und R₂ an dem Schnittpunkt A in der graphischen Darstellung aus 4 und der Wert R₂ an dem Punkt B können unter Verwendung der folgenden Gleichungen 6 und 7 erhalten werden. In diesem Fall kann Gleichung 6 aus der Bedingung hergeleitet werden, dass Gleichung 4 und 5 zueinander gleich sind, und kann Gleichung 7 aus Gleichung 4 hergeleitet werden.
Falls z. B. eine Feldemissionsvorrichtung angesteuert wird, in der V 5 kV ist, der maximale elektrische Feldemissionsstrom 4 mA ist, der Gate-Leckstrom 10%, d. h. 0,4 mA, ist, die minimal erforderliche Gate-Spannung 2 kV ist und eine Anfangsspannung der elektrischen Feldemission 500 V ist, können die Teilerwiderstandswerte R₁ und R₂ unter Verwendung von Gleichung 6 bzw. 7 als etwa 1,67 MΩ bzw. als etwa 2,49 MΩ bestimmt werden, wenn die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit 260 2,5 kV beträgt.
Falls die Teilerwiderstandswerte unter Verwendung von Gleichung 6 und 7 bestimmt werden und als die wie oben beschrieben bestimmten Teilerwiderstandswerte bestimmt werden, können von der Feldemissionsvorrichtung die gewünschten Ansteuereigenschaften erhalten werden.
5 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform einer Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt.
Anhand von 5 kann die Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf dieselbe Weise eine Katodenelektrode 210, eine Anodenelektrode 220, eine Gate-Elektrode 230, einen an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211, eine Leistungsquelleneinheit 240, eine Spannungsteilungseinheit 250 und eine Stromsteuereinheit 260 enthalten. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in der oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtung weggelassen.
Wie in 5 dargestellt ist, kann die Stromsteuereinheit 260 in diesem Fall eine Steuersignalerzeugungseinheit 261 und eine Stromschalteinheit 262 enthalten.
Die Steuersignalerzeugungseinheit 261 gibt in die Stromschalteinheit 262 ein Steuersignal ein, das dafür betreibbar ist, einen durch die Katodenelektrode 210 fließenden Katodenstrom zu steuern. In diesem Fall kann das Steuersignal ein Niederspannungsimpulssignal oder ein DC-Signal in dem Bereich von 0 bis 5 V sein.
Die Stromschalteinheit 262 kann in Ansprechen auf ein von der Steuersignalerzeugungseinheit 261 eingegebenes Steuersignal eine Ein/Aus-Steuerung an dem Katodenstrom ausführen.
Die Stromschalteinheit 262 enthält einen Feldeffekttransistor TR und kann den Katodenstrom unter Verwendung des Feldeffekttransistors TR steuern. In diesem Fall kann der Transistor TR ein Hochspannungs-MOSFET sein, der eine hohe Spannung unterstützen kann. Die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 ist mit dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors TR verbunden, die Katodenelektrode 210 ist mit seinem Drain-Anschluss D verbunden und die Steuersignalerzeugungseinheit 261 ist mit seinem Gate-Anschluss G verbunden, so dass ein Steuersignal in den Feldeffekttransistor TR eingegeben wird.
6 ist eine schematische Darstellung, die eine andere Ausführungsform der Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt.
Wie in 6 dargestellt ist, kann die Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Katodenelektrode 210, eine Anodenelektrode 220, eine Gate-Elektrode 230, einen an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211, eine Leistungsquelleneinheit 240, eine Spannungsteilungseinheit 250 und eine Stromsteuereinheit 260 enthalten. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in den oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtungen weggelassen.
Anhand von 6 enthält die Stromsteuereinheit 260 der Feldemissionsvorrichtung eine Steuersignalerzeugungseinheit 261 und eine Stromschalteinheit 262. In diesem Fall kann die Stromschalteinheit 262 zwei Transistoren, d. h. einen ersten Transistor TR1 und einen zweiten Transistor TR2, und einen veränderlichen Widerstand VR enthalten. Unter Verwendung der zwei Transistoren TR1 und TR2 können die Stromsteuereigenschaften verbessert werden.
In diesem Fall kann der erste Transistor TR1 ein Niederspannungs-MOSFET mit ausgezeichneten Stromsteuereigenschaften sein. Die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 ist mit dem Source-Anschluss S des ersten Transistors TR1 verbunden, der Source-Anschluss S des zweiten Transistors TR2 ist mit seinem Drain-Anschluss D verbunden und der veränderliche Widerstand VR ist mit seinem Gate-Anschluss G verbunden. Der erste Transistor TR1 kann einen Katodenstrom dadurch steuern, dass er ein Signal mit verhältnismäßig niedriger Spannung niedriger als ein von der Steuersignalerzeugungseinheit 261 eingegebenes Steuersignal, das unter Verwendung des mit dem Gate-Anschluss G verbundenen veränderlichen Widerstand VR eingegeben wird, macht.
Darüber hinaus kann der zweite Transistor TR2 ein Hochspannungs-MOSFET sein, der eine Hochspannung unterstützen kann, wenn die Katodenspannung zunimmt. Der Drain-Anschluss D des ersten Transistors TR1 ist mit dem Source-Anschluss S des zweiten Transistors TR2 verbunden, die Katodenelektrode 210 ist mit seinem Drain-Anschluss D verbunden und ein Steuersignal, dessen Spannung durch den veränderlichen Widerstand gesteuert worden ist, wird in seinen Gate-Anschluss G eingegeben.
7 ist eine schematische Darstellung, die eine nochmals andere Ausführungsform der Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 3 darstellt.
Anhand von 7 kann die Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Katodenelektrode 210, eine Anodenelektrode 220, eine Gate-Elektrode 230, einen an der Katodenelektrode 210 gebildeten Emitter 211, eine Leistungsquelleneinheit 240, eine Spannungsteilungseinheit 250 und eine Stromsteuereinheit 260 enthalten. Die Stromsteuereinheit 260 kann eine Steuersignalerzeugungseinheit 261 und eine Stromschalteinheit 262 enthalten. Die Stromschalteinheit 262 kann einen oder mehrere Transistoren TR1 und TR2 und einen veränderlichen Widerstand VR enthalten. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in den oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtungen weggelassen.
Der Steuersignalerzeugungseinheit 261 der Stromsteuereinheit 260 kann Leistung von einer anderen externen Leistungsquelle oder Batterie als von der einzelnen Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 zugeführt werden. Wie in 7 dargestellt ist, kann die Spannungsteilungseinheit 250 darüber hinaus einen Teilerwiderstand R₃ enthalten und kann sie unter Verwendung des hinzugefügten Teilerwiderstands R₃ eine von der einzelnen Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 240 angelegte Spannung teilen und daraufhin eine Teilspannung an die Steuersignalerzeugungseinheit 261 anlegen.
Obwohl dies in 7 nicht dargestellt ist, kann die Steuersignalerzeugungseinheit 261 in diesem Fall ferner einen Spannungsregler enthalten, um unabhängig von einer Spannungsschwankung, die einem Gate-Leckstrom zuzuschreiben ist, eine stabile Spannungsversorgung zu ermöglichen.
8 ist eine schematische Darstellung einer Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Anhand von 8 kann die Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Katodenelektrode 310, eine Anodenelektrode 320, einen an der Katodenelektrode 310 gebildeten Emitter 311, eine Leistungsquelleneinheit 340, eine Spannungsteilungseinheit 350 und eine Stromsteuereinheit 360 enthalten. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in den oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtungen weggelassen.
Darüber hinaus kann die Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Gate-Elektroden 330a, 330b, ..., 330n enthalten. Darüber hinaus kann die Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Teilerwiderstände R₁, R₂, ... R_N enthalten, um die von der einzelnen Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 340 angelegte Leistung zu teilen und daraufhin Teilspannungen an die zwei oder mehr Gate-Elektroden 330a, 330b, ..., 330n anzulegen.
Die Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Teilerwiderstandswerte nach demselben Prinzip wie in dem oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Teilerwiderstandswerte in einer Triodenfeldemissionsvorrichtung erhalten und die erhaltenen Teilerwiderstandswerte einstellen und dadurch die gewünschten Ansteuereigenschaften erzielen.
9 und 10 sind schematische Darstellungen, die die einzelnen Ansteuerleistungsquellen von Feldemissionsvorrichtungen darstellen.
Wie in 9 und 10 dargestellt ist, kann jede dieser Feldemissionsvorrichtungen eine Katodenelektrode 410 oder 510, eine Anodenelektrode 420 oder 520, eine oder mehrere Gate-Elektroden 330a bis 330n oder 440a bis 440b, eine Leistungsquelleneinheit 440 oder 540, eine Spannungsteilungseinheit 450 oder 550 und eine Stromsteuereinheit 460 oder 560 enthalten. Darüber hinaus kann an der Katodenelektrode 410 oder 510 ein Emitter 411 oder 511 gebildet sein. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in den oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtungen weggelassen.
Anhand von 9 und 10 kann die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 440 in jeder dieser Feldemissionsvorrichtungen, wie in 9 dargestellt ist, eine positive Leistungsquelle sein. Das heißt, wenn die Katodenelektrode 410 geerdet ist (CG), wird die Anodenelektrode 420 zu einer positiven Hochspannungsseite und durch die positive Spannungsquelle angesteuert.
Wie in 10 dargestellt ist, wird darüber hinaus die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 540 zu einer negativen Leistungsquelle. Das heißt, wie in 10 dargestellt ist, wird die Katodenelektrode 510 zu einer negativen Hochspannungsseite, wenn die Anodenelektrode 520 geerdet ist (AG), wobei diese negative Ansteuerung nützlich für eine Röntgenstrahlenquelle und dergleichen verwendet werden kann, in der eine Anodenelektrode geerdet ist.
11 ist eine schematische Darstellung, die die Stromsteuereinheit der Feldemissionsvorrichtung aus 10 darstellt.
Anhand von 11 kann die Feldemissionsvorrichtung eine Katodenelektrode 510, eine Anodenelektrode 520, eine Gate-Elektrode 530, eine Leistungsquelleneinheit 540, eine Spannungsteilungseinheit 550 und eine Stromsteuereinheit 560 enthalten. Darüber hinaus kann ein Emitter 511 an der Katodenelektrode 510 gebildet sein. In der folgenden Beschreibung sind ausführliche Beschreibungen gleicher Konfigurationen wie in den oben beschriebenen Feldemissionsvorrichtungen weggelassen.
Die Steuersignalerzeugungseinheit 561 der Stromsteuereinheit 560 kann eine drahtlose Kommunikationseinheit enthalten, die in 11 nicht dargestellt ist. Die drahtlose Kommunikationseinheit kann von außen über drahtlose Kommunikation ein Steuersignal CS empfangen. Wenn die drahtlose Kommunikationseinheit von außen ein Steuersignal CS empfängt, kann die Steuersignalerzeugungseinheit 561 durch Eingeben des Steuersignals CS in die Schalteinheit 562 einen Katodenstrom steuern. Wie in 11 dargestellt ist, kann die Stromschalteinheit 562 in diesem Fall einen oder mehrere Transistoren TR1 und TR2 oder einen veränderlichen Widerstand VR enthalten.
Dementsprechend kann das Problem, dass es wegen eines Problems wie etwa einer Isolation schwierig ist, ein externes Steuersignal direkt zu empfangen, überwunden werden, wenn die Anodenelektrode 520 geerdet ist und somit die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit 540 zu einer negativen Hochspannung wird.
12 veranschaulicht ein Verfahren zum Ansteuern einer Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren zum Ansteuern einer Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung mit einer einzelnen Ansteuerleistungsquelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von 12 beschrieben.
Zunächst werden in Schritt 710 im Voraus die Werte der in der Spannungsteilungseinheit der Feldemissionsvorrichtung enthaltenen Teilerwiderstände eingestellt. In diesem Fall können die Werte der Teilerwiderstände durch die oben beschriebenen Gleichungen bestimmt werden.
Der Schritt 710 kann den Schritt des Berechnens von Werten, die sowohl die erste Bedingung aus Gleichung 4, in der die an die Gate-Elektrode angelegte Spannung höher als eine minimal erforderliche Gate-Spannung sein sollte, als auch die zweite Bedingung aus Gleichung 5, in der während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit die Katodenspannung nicht höher als die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit sein sollte, erfüllen, und den Schritt des Auswählens beliebiger Werte unter den berechneten Werten enthalten. In diesem Fall kann der Schritt des Auswählens beliebiger Werte den Schritt des Auswählens von Werten, die zu den Werten gehören, die die erste und die zweite Bedingung erfüllen und die die Summe der Widerstandswerte der Teilerwiderstände maximal machen, enthalten.
Wenn danach durch die einzelne Ansteuerleistungsquelle der Leistungsquelleneinheit in Schritt 720 an die Spannungsteilungseinheit eine Leistung angelegt wird, teilt die Spannungsteilungseinheit in Schritt 730 die angelegte Spannung unter Verwendung der Teilerwiderstände und legt sie die Teilungsspannungen an die eine oder an die mehreren Gate-Elektroden an.
Anschließend steuert die Stromsteuereinheit in Schritt 740 den durch die Katodenelektrode fließenden Katodenstrom in Ansprechen auf ein von außen eingegebenes Steuersignal. Wie oben beschrieben wurde, kann die Stromsteuereinheit in diesem Fall den Katodenstrom unter Verwendung der Steuersignalerzeugungseinheit und der Stromschalteinheit, die dafür konfiguriert ist, einen oder mehrere Transistoren zu enthalten, steuern und den Katodenstrom in Ansprechen auf ein Steuersignal steuern. Darüber hinaus kann das Steuersignal ein Niederspannungsimpulssignal oder ein DC-Signal in dem Bereich von 0 bis 5 V sein.
Darüber hinaus kann die Stromsteuereinheit in Schritt 740 ein Steuersignal über drahtlose Kommunikation von außen empfangen und den Katodenstrom unter Verwendung des empfangenen Steuersignals steuern, falls die einzelne Leistungsquelle der Feldemissionsvorrichtung eine negative Leistungsquelle ist und die Anodenelektrode geerdet ist.
In Übereinstimmung mit wenigstens einer Ausführungsform kann die Dreielektroden- oder Mehrelektroden-Feldemissionsvorrichtung unter Verwendung einer einzelnen Spannungsquelle angesteuert werden und kann insbesondere eine Stromsteuerung selbst im Fall einer Ansteuerung negativer Hochspannung, in dem eine Anodenelektrode geerdet ist, ausgeführt werden.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Veranschaulichungszwecken offenbart worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet würdigen, dass verschiedene Abwandlungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem wie in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2013-0059025 [0001]
KR 10-2014-0023415 [0001]
KR 10-2010-0108720 [0004]

Claims

Feldemissionsvorrichtung, die umfasst: eine Katodenelektrode, die so konfiguriert ist, dass daran wenigstens ein Emitter gebildet ist; eine oder mehrere Gate-Elektroden, die zwischen einer Anodenelektrode und der Katodenelektrode angeordnet sind und die jeweils so konfiguriert sind, dass sie eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, durch die von dem Emitter emittierte Elektronen gehen können; eine Spannungsteilungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oder mehrere Teilerwiderstände aufweist und eine von einer Leistungsquelleneinheit angelegte Spannung unter Verwendung der Teilerwiderstände teilt und daraufhin Teilspannungen an die eine oder an die mehreren Gate-Elektroden anlegt; und dass die Leistungsquelleneinheit dafür konfiguriert ist, eine einzelne Leistungsquelle zu enthalten und die Spannung an die Spannungsteilungseinheit anzulegen.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Stromsteuereinheit umfasst, die mit der Katodenelektrode elektrisch verbunden ist und dafür konfiguriert ist, einen durch die Katodenelektrode fließenden Katodenstrom zu steuern.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Stromsteuereinheit umfasst: eine Steuersignalerzeugungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein Steuersignal einzugeben, das zum Steuern des Katodenstroms betreibbar ist, und eine Stromschalteinheit, die dafür konfiguriert ist, den Katodenstrom in Ansprechen auf das Steuersignal wahlweise ein- und auszuschalten.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Steuersignal ein Niederspannungsimpulssignal oder ein Gleichstromsignal (DC-Signal) in einem Bereich von 0 bis 5 V ist.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Stromschalteinheit einen Transistor umfasst, der so konfiguriert ist, dass die Leistungsquelle mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass die Katodenelektrode mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass das Steuersignal in seinen Gate-Anschluss eingegeben wird.
Feldemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Stromschalteinheit umfasst: einen veränderlichen Widerstand, der mit einem Gate-Anschluss eines ersten Transistors verbunden ist und der dafür konfiguriert ist, eine Spannung des in einen zweiten Transistor eingegebenen Steuersignals zu steuern; dass der erste Transistor so konfiguriert ist, dass die Leistungsquelle mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass ein Source-Anschluss des zweiten Transistors mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass der veränderliche Widerstand mit seinem Gate-Anschluss verbunden ist; und dass der zweite Transistor so konfiguriert ist, dass der Drain-Anschluss des ersten Transistors mit seinem Source-Anschluss verbunden ist, dass die Katodenelektrode mit seinem Drain-Anschluss verbunden ist und dass das Steuersignal, dessen Spannung durch den veränderlichen Widerstand gesteuert worden ist, in seinen Gate-Anschluss eingegeben wird.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Transistor ein Niederspannungstransistor ist und der zweite Transistor ein Hochspannungstransistor ist.
Feldemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Spannungsteilungseinheit ferner einen Teilerwiderstand umfasst, der dafür konfiguriert ist, die an die Leistungsquelleneinheit angelegte Spannung zu teilen und daraufhin eine Teilspannung an die Steuersignalerzeugungseinheit anzulegen.
Feldemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Steuersignalerzeugungseinheit eine drahtlose Kommunikationseinheit umfasst und das Steuersignal über die drahtlose Kommunikationseinheit von außen empfängt und das Steuersignal in die Stromschalteinheit eingibt.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die einzelne Leistungsquelle eine negative Leistungsquelle ist und die Anodenelektrode geerdet ist.
Feldemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Werte der Teilerwiderstände beliebige Werte sind, die sowohl eine erste Bedingung, dass eine an die Gate-Elektrode angelegte Spannung höher als eine minimal erforderliche Gate-Spannung sein sollte, als auch eine zweite Bedingung, dass die Katodenspannung während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit nicht höher als die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit sein sollte, erfüllen.
Feldemissionsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Werte der Teilerwiderstände Werte sind, die zu den Werten gehören, die die erste und die zweite Bedingung erfüllen, und die eine Summe der Widerstandswerte der Teilerwiderstände maximal machen.
Verfahren zum Ansteuern einer Feldemissionsvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Einstellen von Widerstandswerten eines oder mehrerer Teilerwiderstände einer Spannungsteilungseinheit; Anlegen einer Spannung an die Spannungsteilungseinheit unter Verwendung einer einzelnen Leistungsquelle einer Leistungsquelleneinheit; Teilen der angelegten Spannung durch die Spannungsteilungseinheit und Anlegen von Teilspannungen an eine oder mehrere Gate-Elektroden durch die Spannungsteilungseinheit; und Steuern eines durch eine Katodenelektrode fließenden Katodenstroms in Ansprechen auf ein Steuersignal durch eine Stromsteuereinheit.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Einstellen der Widerstandswerte des einen oder der mehreren Teilerwiderstände umfasst: Berechnen von Werten, die sowohl eine erste Bedingung, dass eine an die Gate-Elektrode angelegte Spannung höher als eine minimal erforderliche Gate-Spannung sein sollte, als auch eine zweite Bedingung, dass die Katodenspannung während der Stromsteuerung der Stromsteuereinheit nicht höher als die zulässige Spannung der Stromsteuereinheit sein sollte, erfüllen; und Auswählen beliebiger Werte unter den berechneten Werten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auswählen der beliebigen Werte das Auswählen von Werten umfasst, die zu den Werten gehören, die die erste und die zweite Bedingung erfüllen, und die eine Summe der Widerstandswerte der Teilerwiderstände maximal machen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Steuersignal ein Niederspannungsimpulssignal oder ein Gleichstromsignal (DC-Signal) in einem Bereich von 0 bis 5 V ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Einstellen der Widerstandswerte der Teilerwiderstände das Empfangen des Steuersignals von außen über eine drahtlose Kommunikation durch eine Stromsteuereinheit umfasst, falls die einzelne Leistungsquelle der Feldemissionsvorrichtung eine negative Leistungsquelle ist und außerdem eine Anodenelektrode geerdet ist.