DE19724606A1 - Elektronenquelle - Google Patents
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Feldemission ist ein quantenmechanischer Effekt, bei dem Elek
tronen aus einem Metall oder einem Halbleiter emittiert werden, wenn das
Material dem Einfluß eines elektrischen Feldes ausgesetzt wird. Das
elektrische Feld verzerrt die Form der Potentialbarriere, welche sonst
die Elektronen am Austritt hindert. Im Falle der Feldemission durchtun
neln Elektronen die Potentialbarriere, anstatt sie wie bei thermioni
schen oder Photoemissions-Prozessen zu überwinden.
Feldemission von Elektronen wird typischerweise dadurch er
zeugt, daß ein scharf zugespitztes Feldemissionselement in einen evaku
ierten Bereich gebracht wird, in welchem ein elektrisches Feld anliegt.
Das Feldemissionselement dient als Elektronenquelle oder Kathode, wobei
das elektrische Feld zwischen dem Feldemissionselement (das an der Ober
fläche einer Elektrode befestigt ist) und der Oberfläche einer Anode er
zeugt wird. Das elektrische Feld verändert die Form der Potentialbarrie
re an der Spitze des Feldemissionselements und ermöglicht es so einigen
Elektronen, durch die veränderte Barriere zu tunneln und die Spitze des
Feldemissionselements zu verlassen.
Die Bahn der emittierten Elektronen verläuft entlang der elek
trischen Feldlinien, welche radial von der Spitze des Feldemissionsele
ments aus divergieren. Die emittierten Elektronen folgen den elektri
schen Feldlinien, bis sie die Anode erreichen, die mit einem Fluores
zenzschirm oder einem anderen geeigneten Detektor verbunden sein kann.
Da jedoch die elektrischen Feldlinien von der Spitze des Feld
emissionselements aus divergieren, bilden die bei der Anode eintreffen
den Elektronen keinen enggebündelten Strahl. Dies beeinträchtigt die
Helligkeit der Anzeige. Da ein Feldmissionselement ähnlich einer Elek
tronenkanone als Elektronenquelle verwendet werden kann, sind Felder
solcher Feldemissionselemente zur Verwendung in Anzeigegeräten von Com
putern oder anderen Anlagen untersucht worden. Insbesondere ist ein Feld
von Feldemissionselementen zur Verwendung in Flach-Steuerpult-Anzeigege
räten vorgeschlagen worden.
Ein bekanntes Feldemissions-Anzeigegerät verwendet typischer
weise eine Anordnung von Tausenden bis Millionen von Feldemissionsele
menten als Elektronenemissionsquelle, wobei Hunderte bis Tausende von
Feldemissionselementen für jedes Bildpixel verwendet werden. Die Feld
emissionselementanordnungen für jedes Pixel können in drei Bestandteile
entsprechend drei Unterpixeln unterteilt werden, welche zur Erzeugung
von jeweils einer der drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) für das
betreffende Pixel verwendet werden, wozu für jede Farbe der entsprechen
de Leuchtstofftyp angeregt wird. Man beachte daß in einigen Fällen vier
Unterpixel verwendet werden können: Rot, Grün und zwei Blautöne.
Feldemissionselemente sind typischerweise nadel- oder kegel
förmig und werden auf einem Kathodensubstrat mit Herstellungsverfahren
erzeugt, die denen bei integrierten Schaltkreisen ähneln. Ein Kathoden
substrat bildet eine Elektrodenoberfläche des Feldmissionsanzeigegerätes
und verbindet die Feldemissionselemente elektrisch miteinander. Eine
Elektrodenkathode kann auf einem tragenden Substrat (typischerweise aus
Glas) aufgebracht werden, welches den strukturellen Träger des Gerätes
bildet. Eine isolierende Schicht wird oben auf der Kathodenelektrode und
um die Grundflächen der Feldemissionselemente herum aufgebracht. Diese
isoliert die Kathodenelektrode von den anderen Schichten des Gerätes
elektrisch voneinander. Eine über der isolierenden Schicht erzeugte Ga
teelektrode wird zur Kontrolle der Auslösung von Elektronen aus den
Spitzen der Feldemissionselemente verwendet. Die Gateelektrode ist mit
einer externen Spannung moduliert, um das elektrische Feld an der Spitze
der Feldemissionselemente zu erhöhen, bis Elektronen aus der Spitze her
ausgelöst worden sind. Aufgrund der angelegten Gateelektrodenspannung
werden Elektronen aus den Spitzen der Feldemissionselemente emittiert.
Die emittierten Elektronen treten durch Öffnungen in der Gateelektroden
schicht, werden unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes von der Ka
thode zur Anode beschleunigt und gelangen zur einen von einer Gruppe von
roten, grünen oder blauen Leuchtpunkten.
Die Leuchtpunkte werden mit einer leitenden Oberflächenschicht
(typischerweise eine Aluminiumschicht) bedeckt durch die sie auf einem
Schirm (typischerweise aus Glas) festgehalten werden, welcher als Re
flektor für auftreffende Photonen und als Anodenelektrode dient. Wenn
die emittierten Elektronen an der Anode eintreffen, besitzen sie genug
Energie, um die Aluminiumschicht zu durchdringen, treffen auf die
Leuchtstoffbereiche und erzeugen Photonen, die emittiert werden und als
Licht durch den Schirm sichtbar sind.
Feldemissionselemente können aus Silicium, Molybdän, Wolfram
fasern, Kohlenstoff oder anderen Leitern mit niedriger Austrittsarbeit
hergestellt werden.
Photolithographie und andere Halbleiterherstellungsverfahren
können zur Bildung regulärer Anordnungen von Siliciumnadeln oder -kegeln
angewandt werden.
Zum Erreichen einer hohen Helligkeit der auf dem Schirm er
zeugten Bilder sollten die von den Emissionsspitzen emittierten Elektro
nen daran gehindert werden, auf dem Weg zum Schirm zu stark zu divergie
ren. Zum Erreichen dieser "Elektronenfokussierung" kann man die Katho
denanordnung(en) in direkter Nähe des Schirms anbringen. Dies hindert
die Elektronen daran, auf dem Weg zum Schirm in das Gebiet eines benach
barten Unterpixels zu divergieren. Ein Nachteil dieses "Annäherungs"-Fo
kussierungsverfahrens besteht jedoch in der Beschränkung des erlaubten
Abstands zwischen der Kathodenanordnung und dem Schirm. Darüberhinaus
können die Elektronen in Abhängigkeit von den zur Auslösung der Elektro
nen und zur Kontrolle ihrer Bewegung zur Anode verwendeten Spannungen
immer noch zu stark an der Anode divergieren, so daß die gewünschte Hel
ligkeit nicht erreicht werden kann. Bei Hochspannungsbetrieb ist ein
Mindestabstand zwischen der Anode und der Kathode erforderlich, um ein
"Überschlagen" zu vermeiden. Dies steht der für diese Fokussierungsme
thode erforderlichen Annäherung von Kathode und Anode entgegen. Diese
Nachteile beschränken die Verwendbarkeit von Anzeigen, die ein solche
Fokussierungsverfahren beinhalten.
Zur Fokussierung von Elektronen, die von Feldemissionselemen
ten emittiert worden sind, ist die Verwendung einer Fokussierungselek
trode üblich, die zwischen die Gateschicht und den Bildschirm gebracht
und von der Gateschicht isoliert wird. Die Fokussierungselektrode ist
mit einer Stromversorgung verbunden und wird zur Erzeugung einer elek
trischen Feldregion verwendet, die die Elektronen auf dem Weg zum Schirm
durchlaufen. Das elektrische Feld lenkt den von den Feldemissionsele
mentspitzen emittierten Elektronenstrahl um und zwingt die Elektronenbe
wegung, entlang der zwischen Kathode und Anode erzeugten, im wesentli
chen parallelen elektrischen Feldlinien zu verlaufen. Dies bewirkt eine
Bündelung des Elektronenstrahls vor dem Erreichen des Schirms. Dieses
Fokussierungsverfahren wird als "elektrostatische Fokussierung" bezeich
net. Die Hauptnachteile dieser Fokussierung bestehen darin, daß sie ei
nen relativ komplizierten Herstellungsprozeß erfordert, da eine zusätz
liche Elektrode notwendig ist, und daß es eine zweite Stromversorgung
verwendet. Diese Fokussierung führt auch zu einer Verminderung der
Schirmhelligkeit, da einige der emittierten Elektronen den Schirm nicht
erreichen. Das Ergebnis ist ein komplizierterer und teurerer Herstel
lungsprozeß.
Zur Fokussierung der von einer Anordnung von Feldemissionsele
menten emittierten Elektronen ist auch die Verwendung einer geschalteten
hohen Anodenspannung bekannt. Diese erzeugt an jedem Unterpixel ein
starkes elektrisches Feld, welches die Elektronen auf einen direkteren
Weg zu jedem individuellen Unterpixel beschleunigt. Diese "Selbstfokus
sierung" kann zur Überwindung von einigen Nachteilen der Annäherungsme
thode verwendet werden, da es eine größere Trennung zwischen Kathode und
Anode ermöglicht, erfordert jedoch eine Anwendung mit schaltbaren Ano
denspannungen. Es erhöht auch die Herstellungskosten, da Hochspannungs
treiber erforderlich sind, um die Anodenspannung für jedes Unterpixel zu
schalten.
Es ist auch bekannt, zum Fokussieren eine Kontrolle des Poten
tials einzubeziehen, welches durch die Gateschichtstrukturen erzeugt
wird, die zum Auslösen von Elektronen aus den Feldemissionselementspit
zen verwendet werden. Dies wird durch eine Variation der die Feldemis
sionselemente an verschiedenen räumlichen Positionen umgebenden ringför
migen Gateelektrode erreicht. Das resultierende elektrische Feld bewirkt,
daß die Elektronen aus den Feldemissionselementspitzen emittiert werden,
und dient der Fokussierung der emittierten Elektronen in einer Schar im
allgemeinen paralleler Strahlen. Diese Fokussierungsmethode erfordert
eine einzelne und variable Kontrolle der Feldemissionselementregionen
über die gesamte Oberfläche der Anordnung. Dies gibt dem Gerät einen zu
sätzlichen Grad an Komplexizität und vergrößert so Kosten und Schwierig
keiten der Herstellung.
Bei einem anderen bekannten Fokussierungsverfahren wird ein
expandierender Elektronenstrahl ohne Verwendung einer externen Elektrode
gebündelt. Ein Dielektrikum wird um den Weg des Elektronenstrahls herum
angebracht. Wenn die Elektronen von den Feldemissionselementspitzen
emittiert werden, beschießen sie unter Deposition einer elektrostati
schen Ladung das Dielektrikum. Dies erzeugt ein elektrisches Feld, wel
ches den Elektronenstrahl von den Oberflächen des Dielektrikums aus um
lenkt und den expandierenden Elektronenstrahl bündelt. Dieses Fokussie
rungsverfahren ist jedoch schwer zu verwirklichen und bringt zusätzliche
Prozeßschritte bei der Herstellung des Anzeigegerätes mit sich. Dies er
höht die Kosten des Anzeigegeräts bei gleichzeitiger Abnahme der Strah
lenergie und damit der Pixelhelligkeit auf dem Schirm.
Obwohl alle beschriebenen Fokussierungsverfahren zur Bünde
lung der von einer Anordnung von Feldemissionselementen emittierten
Elektronen verwendet werden können, hat jedes von ihnen eine oder mehre
re Nachteile. Diese Nachteile umfassen Beschränkungen des Abstands zwi
schen Feldemissionselementen und Schirm, eine Reduzierung der Helligkeit
des Schirms und eine Erhöhung der zum Betreiben des Anzeigegerätes er
forderlichen Leistung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenquelle nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die emittierten Elek
tronen zur Erhöhung der Helligkeit der Anzeige fokussiert werden, ohne
daß eine Kontrollelektrode oder hohe Anodenschaltspannungen erforderlich
sind.
Hierzu wird das Feldemissionselement mit einem ferromagneti
schen Material dotiert und hat so eine magnetisch selbstfokussierende
Wirkung. Das durch das ferromagnetische Material erzeugte Magnetfeld
treibt die Elektronen auf eine Bahn entlang der etwa parallelen elektri
schen Feldlinien zurück, die die Kathodenelektrode und die Anodenelek
trode des Geräts verbinden. Dies hindert die von der Spitze des Feld
emissionselements emittierten Elektronen daran, auf ihrer Bahn von der
Kathodenelektrode zur Anodenelektrode wesentlich zu divergieren. Die
Kombination des magnetischen Feldes mit einem zwischen den Feldemis
sionselementspitzen und einer Anodenelektrode erzeugten elektrischen
Feld bewirkt, daß sich die Elektronen auf näherungsweise geradlinigen
Bahnen zur Oberfläche der Anodenelektrode bewegen. Dies reduziert ein
Überlappen zwischen benachbarten Pixeln und verbessert so die Helligkeit
eines Anzeigegeräts mit einer Anordnung von Feldemissionselementen. Das
magnetische Selbstfokussierungs-Feldemissionselement ermöglicht daher
eine Anzeige mit großer Helligkeit ohne die Notwendigkeit einer Kon
trollelektrode oder der Verwendung von hohen Anodenschaltspannungen.
Dies vereinfacht die Konstruktion und Produktion solcher Anzeigegeräte.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten
Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines einzelnen Feldemissionsele
mentausschnitts eines Feldemissions-Anzeigegeräts, welches magnetisch
fokussierte Feldemissionselemente enthält.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem Feld von Feldemissions
elementen.
Ein Feldemissions-Anzeigegerät enthält ein Feldemissionsele
ment 52, das typischerweise die Form einer scharf zugespitzen Nadel oder
eines Kegels hat und elektrisch mit einer Kathodenelektrode 54 verbunden
ist. Eine Anordnung solcher Feldemissionselemente 52 wird als Elektro
nenquelle für ein Pixel oder Unterpixel einer Anzeige verwendet. Zur
Bildung einer Anordnung von Feldemissionselementen 52 werden diese bei
spielsweise durch ein Metallaufdampfungs- oder kollimiertes Sputter-
Verfahren hergestellt. Das Feldemissionselement 52 ist mit einem ferro
magnetischen Material 56 dotiert. Diese Dotierung kann durch eine Auf
dampfung oder einen Sputterprozeß unter Verwendung von Zweifachquellen
während der Bildung der Spitze des Feldemissionselements 52 erreicht
werden. Das ferromagnetische Material 56 wird verwendet, um eine Anzahl
atomarer magnetischer Dipole innerhalb des Feldemissionselements 52 zu
erzeugen. An geeigneter Stelle während des Herstellungsverfahrens wird
ein starkes elektrisches Feld entlang der Feldemissionselemente 52 ange
legt, um die atomaren Dipole innerhalb jedes Feldemissionselements 52
auszurichten. Dies erzeugt innerhalb jedes Feldemissionselements 52 ei
nen Permanentmagneten.
Der Permanentmagnet erzeugt ein magnetisches Feld B, welches
auf die von der Spitze des Feldemissionselements 52 emittierten Elektro
nen wirkt und eine Richtkraft erzeugt, die die Elektronen auf eine nähe
rungsweise parallele Schar elektrischer Feldlinien zwingt, welche zwi
schen der Kathodenelektrode 54 und einer Anodenelektrode 60 verlaufen.
Dies bewirkt, daß die emittierten Elektronen an der Oberfläche der Ano
denelektrode 60 eine geringere Divergenz aufweisen als ohne Verwendung
eines Fokussierungsverfahrens. Dieses Fokussierungsverfahren ist billi
ger und erfordert einen weniger komplizierten Herstellung als bekannte
Fokussierungsverfahren.
Eine Gateelektrode 58 zur Kontrolle des Auslösens von Elektro
nen ist um die Spitze des Feldemissionselements 52 ausgebildet. Die Ga
teelektrode 58 wird typischerweise bei einer Spannung von einigen Volt
bis zu einigen hundert Volt betrieben. Man kann sowohl mit als auch ohne
Gateelektrode arbeiten. Die Anodenelektrode 60 ist parallel zur Katho
denelektrode 54 und von dieser getrennt angeordnet. Wenn die Anodenelek
trode 60 und die Kathodenelektrode 54 mit einer Potentialdifferenz (d. h.
einer Spannungsquelle) 70 verbunden werden, wird ein elektrisches Feld
(E) zwischen den Elektroden erzeugt. Die Spannungsquelle 70 liegt typi
scherweise im Bereich von einigen hundert bis zu einigen zehntausend
Volt. Wie dargestellt (wobei Größe und Abstände der Elemente vergrößert
sind), divergieren die elektrischen Feldlinien in der Nähe der Spitze
des Feldemissionselements 52 radial und erstrecken sich bis zur Anoden
elektrode 60. Entfernt von der Spitze des Feldemissionselements 52 sind
die elektrischen Feldlinien im wesentlichen parallel und verbinden die
Kathodenelektrode 54 mit der Anodenelektrode 60. Das elektrische Feld
übt eine Kraft auf die emittierten Elektronen aus und beschleunigt sie
in Richtung auf die Anodenelektrode 60. Infolge der Form der elektri
schen Feldlinien und der Unebenheit der Oberfläche der Spitze des Feld
emissionselements 52 bewegen sich einige der aus der Spitze emittierten
Elektronen abweichend von der normalen Richtung zur Kathodenelektrode
54.
Ein Leuchtstoffbereich 62 ist auf der Oberfläche der Anoden
elektrode 60 aufgebracht, welcher typischerweise aus einem Aluminium
überzug besteht, der sowohl als Anode als auch zum Halten des Leucht
stoffbereichs 62 verwendet wird. Ein schwarzer Matrixbereich 61 erfüllt
den Raum zwischen der Anodenelektrode 60 und einem Substrat 66 auf den
Flächen, die keinen Leuchtstoffbereich 62 darstellen. Wenn Elektronen,
die aus der Spitze des Feldemissionselements 52 emittiert worden sind,
den Leuchtstoffbereich 62 treffen, werden Photonen 64 aus dem Leucht
stoffbereich 62 ausgesandt und erzeugen Licht, das von der Rückseite des
Substrats 66 (typischerweise aus Glas) aus, welches die Anodenelektrode
66 trägt, sichtbar ist.
Die Kraft auf ein Elektron der Ladung q, das die Spitze eines
Feldemissionselements 52 verläßt, in der eine permanentmagnetische Feld
linienquelle ausgebildet ist, besteht aus zwei Komponenten,
- (1) einer Kraft aufgrund des Vektors des elektrischen Feldes E, die zwischen Kathodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 erzeugt wird und deren Größe durch FE = qE (mit q = -e, wobei e die Elektronenladung bezeichnet) gegeben ist;
- (2) einer Kraft aufgrund des Vektors des magnetischen Feldes B, die durch den Permanentmagneten hervorgerufen wird und deren Größe durch FB = q v B sinθ gegeben ist, wobei v die Geschwindigkeit des Elektrons und θ den Winkel zwischen dem Magnetfeld und den Geschwindigkeitsvekto ren bezeichnet.
Die magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten sind ge
schlossen und verbinden den Magneten an den Polen. Sie treten aus dem
Feldemissionselement 52 an der Spitze aus, welche den Nordpol des Magne
ten darstellt, und treten an der Grundfläche der Spitze, welche den Süd
pol bildet, wieder ein. Die Region mit der größten Feldlinienkonzentra
tion ist folglich die Nordpolspitze, und die Feldlinien verlaufen dort
annähernd parallel zum Geschwindigkeitsvektor eines emittierten Elek
trons.
Wenn ein Elektron aus der Spitze eines Feldemissionselements
52 emittiert wird, unterliegt es dem Einfluß des elektrischen Feldes
zwischen Anodenelektrode 60 und Kathodenelektrode 54. Hierdurch wirkt
eine Kraft auf das Elektron, die es unter Erhöhung seiner Geschwindig
keit zur Anodenelektrode 60 beschleunigt. Wenn ein Elektron aus der
Spitze des Feldemissionselements 52 in gerader Linie senkrecht zur Ober
fläche der Kathodenelektrode 54 emittiert wird, sind Magnetfeld und Ge
schwindigkeit parallel und es wirkt keine magnetische Kraft auf das
Elektron (d. h. sinθ = 0). Aufgrund des elektrischen Feldes bewegt sich
das Elektron auf annähernd gerader Bahn zur Oberfläche der Anodenelek
trode 60. Die elektrische Feldstärke ist etwas außerhalb der Spitze des
Feldemissionselements 52 etwa Null, da die Spitze mit der Kathodenelek
trode 54 auf gleichem Potential liegt. Folglich hat das elektrische Feld
etwas außerhalb der Spitze des Feldemissionselements 52 einen sehr ge
ringen Einfluß auf die Elektronenbewegung. Da jedoch Magnetfeld und Ge
schwindigkeitsvektor des Elektrons etwa parallel sind, hat nur das elek
trische Feld einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbewegung.
Wenn sich das Elektron eine kurze Strecke von der Spitze des
Feldemissionselements 52 entfernt hat, liegen die magnetischen Feldli
nien in einem Winkel zur Elektronengeschwindigkeit. In diesem Fall wird
die magnetische Kraft auf das Elektron durch die Feldlinien auf allen
Seiten der Elektronbahn kompensiert. Die resultierende magnetische Kraft
auf das Elektron ist dann ungefähr Null, und die Kraft des elektrischen
Feldes bewegt das Elektron weiterhin auf annähernd geradliniger Flugbahn
zur Anodenelektrode 60. Sogar wenn das Magnetfeld und die Elektronenge
schwindigkeit nicht mehr parallel sind, übt das Magnetfeld nur einen ge
ringen Einfluß auf die Elektronenbewegung aus.
Wenn im Gegensatz dazu ein Elektron die Spitze des Feldemis
sionselements 52 in einem Winkel zu einer von der Spitze geradlinig nach
außen und senkrecht zur Oberfläche der Anodenelektrode 60 verlaufenden
Linie verläßt, treibt eine magnetische Kraft aufgrund des im Feldemis
sionselement 52 enthaltenen Permanentmagneten das Elektron auf einen ge
radlinigen Weg zurück. Dies überwindet den Effekt der divergierenden
elektrischen Feldlinien, die die Spitze des Feldemissionselements 52
verlassen, und schafft einen stärker kollimierten Strahl.
An der Spitze des Feldemissionselements 52 und in der Nähe hat
das elektrische Feld einen Wert von etwa Null, während der magnetische
Feldwert relativ hoch ist. Wenn ein Elektron die Spitze in einem Winkel
verläßt, übt das elektrische Feld einen geringen Einfluß aus, während
das magnetische Feld einen größeren, wenn auch durch die geringe Elek
tronengeschwindigkeit begrenzten Einfluß ausübt, um das Elektron zurück
auf eine geradlinigere Flugbahn zu bringen. In größerer Entfernung von
der Spitze des Feldemissionselements 52 nimmt die magnetische Feldstärke
ab, während die elektrische Feldstärke zunimmt und so einen größeren
Einfluß auf die Elektronenflugbahn gewinnt.
Die Gesamtkraft auf ein emittiertes Elektron ist durch
FT = -e (E + v B sinθ)
gegeben. Unmittelbar außerhalb der Spitze des Feldemissionselements 52
ist der Einfluß des E-Feldes gering, da das Potential V an der Kathoden
elektrode 54 etwa Null ist. Außerdem ist die Elektronengeschwindigkeit
klein, so daß die Kraft des magnetischen Feldes, wenn auch größer als
die Kraft des elektrischen Feldes, ebenfalls unbedeutend, jedoch un
gleich Null ist. Die Größe des elektrischen Feldes folgt aus dem Gra
dienten des Potentials,
Ez = -∂V/∂z
wobei die z-Richtung von der Kathodenelektrode 54 zur Anodenelektrode 60
verläuft und z an der Kathodenelektrode 54 gleich Null ist. An der Ka
thodenelektrode 54 ist Ez ≈ 0, da V ≈ 0. An der Spitze des Feldemissions
elements 52 und in der Nähe hat das elektrische Feld einen geringen Ein
fluß auf das Elektron, während das magnetische Feld dazu dient, ein di
vergierendes Elektron auf den normalen Weg zurückzubringen. Man beach
te, daß sich der Potentialwert stark ändert, wenn das Elektron sich in
die Region zwischen Kathodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 bewegt.
Folglich ist das Elektron, wenn es sich von der Spitze des
Feldemissionselements 52 entfernt, Kräften ausgesetzt, die seine Bewe
gung längs einer im wesentlichen parallelen Schar von zunächst magneti
schen, dann elektrischen Feldlinien einschränken. Das Ergebnis ist ein
stark kollimierter Elektronenstrahl.
Eine andere Ursache einer Kraft auf das Elektron liegt in dem
sich zwischen Gateelektrode 58 und Kathodenelektrode 54 aufbauenden Po
tential. Bei einem Gateelektrodenpotential von Vg ist die Kraft auf ein
Elektron durch Fg = -e Vg gegeben. Das Vg typischerweise eine Größenord
nung von 20 V oder weniger hat und das elektrische Potential wie im Fall
der Anodenspannung an der Spitze des Feldemissionselements 52 oder in
der Nähe aufgrund von Fg etwa Null ist, ist Fg klein genug, um eine Kon
trolle der Elektronenbewegung durch das Magnetfeld des Feldemissionsele
ments 52 in den Fällen zu ermöglichen, in denen das Elektron die Spitze
des Feldemissionselements 52 in einem Winkel zur Normalen zwischen Ka
thodenelektrode 54 und Anodenelektrode 60 verläßt.
Um die Feldemissionselemente 52 mit einem ferromagnetischen
Material 56 zu dotieren, kann ein kollimiertes Sputter-Verfahren oder
eine Aufdampfmethode angewandt werden. Wenn eine Aufdampfmethode gewählt
wird, sollte ein Zweifachquellenverdampfer verwendet werden. Ein typi
scher ferromagnetischer Dotierungszusatz wäre Kobalt mit einer zweiten
Verdampfungsquelle aus Molybdän. In diesem Fall sollte das Feldemis
sionselement 52 zu etwa 5% aus Kobalt und zu etwa 95% aus Molybdän be
stehen.
Die Feldemissionselemente 52 sollten mit dem ferromagnetischen
Material 56 gleichmäßig dotiert sein. Das Anlegen eines starken elektri
schen Feldes verwandelt die Feldemissionselemente 52 in permanentmagne
tische Dipole mit einem magnetischen Nordpol am einen Ende (den Spitzen
der Feldemissionselemente) und einem magnetischen Südpol am anderen Ende
(den Grundflächen der Feldemissionselemente 52). Die magnetischen Feld
linien verlaufen an den Polen am dichtesten und bilden an diesen Orten
das stärkste Magnetfeld.
Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Feld von Feldemissionsele
menten 52 sind diese auf einem Substrat 72 angeordnet, wobei eine iso
lierende Schicht 74 auf der Katodenelektrode 54 und um die Feldemis
sionselemente 52 herum aufgebracht ist.
Claims (7)
1. Elektronenquelle für ein Flach-Steuerpult-Anzeigegerät mit
einer Kathodenelektrode (54), auf der ein Feldemissionselement (52) auf
gebracht und von der eine Anodenelektrode (60) getrennt ist und die eine
Spannungsquelle (70) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen
Kathodenelektrode (54) und Anodenelektrode (60) enthält, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Feldemissionselement (52) ein ferromagnetisches Mate
rial (56) zur Erzeugung eines Permanentmagneten enthält, der ein Magnet
feld außerhalb des Feldemissionselements (52) erzeugt.
2. Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Gateelektrode (58) das Feldemissionselement (52) umgibt und
zwischen Kathodenelektrode (54) und Anodenelektrode (60) angebracht ist
und Elektronen aus dem Feldemissionselement (52) herauslöst.
3. Elektronenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das ferromagnetische Material (56) Kobalt ist.
4. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material (56) innerhalb des
Feldemissionselements (52) gleichmäßig verteilt ist.
5. Elektronenquelle nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Feldemissionselement (52) kegelförmig ist.
6. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Detektor (62) vorhanden ist, der das Eintreffen
von Elektronen nachweist, die von einer Anordnung von Feldemissionsele
menten (52) emittiert worden sind, und der als Antwort Photonen (64) er
zeugt.
7. Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein aus einer Vielzahl von Feldemissionselementen
(52) bestehendes Feld vorgesehen ist.
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