DE2539234A1 - FIELD EMISSION DEVICE AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURING - Google Patents
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Description
ROA 68,018ROA 68.018
U.S. Serial No: 502,669U.S. Serial No: 502.669
Filed: Sept. 3, 1974-Filed: Sept. 3, 1974-
RC A CORPORATION New York, N. Y., V. St. v. A.RC A CORPORATION New York, N.Y., V. St. v. A.
Feldemissionsgerät und Verfahren zu seinerField emission device and method for its
HerstellungManufacturing
Die Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsgeräte und betrifft speziell sogenannte nicht-thermionische Feldemissionsgeräte, d.h. Elektronenquellen, die auf dem Prinzip der Kaltemission arbeiten. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zur Herstellung solcher Geräte.The invention relates to and relates to field emission devices specifically so-called non-thermionic field emission devices, i.e. electron sources based on the principle of cold emission work. The invention also relates to methods of making such devices.
Nicht-thermionische Feldemissionsgeräte, in denen eine Elektronenemission durch ein nahe einer zugespitzten Kathode eingerichtetes elektrisches Potential angeregt wird, sind allgemein bekannt. Die bisherigen scharf zugespitzten Feldemissions-Elemente lassen sich entsprechend dem bei ihrer Herstellung verwendeten Material grob in verschiedene Kategorien einteilen. Eine solche Kategorie ist durch die Verwendung von Halbleitermaterial gekennzeichnet, z.B. von Silizium oder Germanium, und eignet sich besonders für Photodetektoren; ihre Verwendung als großflächige Kaltkathoden-Elektronenquellen ist jedoch sehr begrenzt. Allein die physikalischen Eigenschaften und die Kosten von einkristallinen Halbleitermaterialien begrenzen schon die Größe von Anordnungen, Gruppen oder Matrizen aus solchen Elementen.Non-thermionic field emission devices, in which an electron emission through a near a pointed cathode established electrical potential is excited are well known. The previous sharply pointed field emission elements can be roughly divided into different categories according to the material used in their manufacture organize. One such category is characterized by the use of semiconductor material, e.g. Silicon or germanium, and is particularly suitable for photodetectors; their use as large area cold cathode electron sources however, it is very limited. Just the physical properties and cost of single crystal Semiconductor materials already limit the size of arrangements, groups or matrices made up of such elements.
- 2 609811/0754 - 2 609811/0754
So erwähnen die Autoren Thomas et al. in ihrer Arbeit "Fabrication and Some Applications of Large-Area Silicon Field Emission Arrays" (veröffentlicht in Solid State Electronics, 1974-, Band 17, Seiten 155 bis 16J), daß großflächige An-The authors mention Thomas et al. in their work "Fabrication and Some Applications of Large-Area Silicon Field Emission Arrays" (published in Solid State Electronics, 1974-, Volume 17, pages 155 to 16J) that large areas
ρ Ordnungen in der Größenordnung von nur 10 cm liegen. Neben der begrenzten Größe sind auch die erzielbaren Stromdichten bei Feldemissionsquellen aus Halbleitermaterial geringer als bei solchen aus Metall.ρ orders are on the order of only 10 cm. In addition to the With a limited size, the achievable current densities with field emission sources made of semiconductor material are also lower than with those made of metal.
Bei einer anderen Kategorie werden scharf zugespitzte Feldemissionsquellen aus Metall verwendet, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 755 704· beschrieben sind. Solche Geräte, die einzelne, auf einer Elektrode durch niederschlag aufgebrachte nadelartige Hocker aufweisen, leiden jedoch unter zwei wesentlichen Nachteilen. Erstens begrenzt das zur Bildung der Hocker angewendete Niederschlagsverfahren die Fläche, über welche sich gleichförmige Anordnungen oder Matrizen erzielen lassen. Dieses Verfahren besteht darin, eine Quelle eines Emissionsmaterials im wesentlichen senkrecht zu einer gegebenen Oberfläche zu projizieren, während man eine Quelle aus Abdeckoder Maskenmaterial an derselben Oberfläche ausrichtet, jedoch unter einem flachen Neigungswinkel. Dies ist eine äußerst kritische Operation, die sich nicht gut zur Bildung sehr großer Mengen von Emissionsquellen über sehr große Oberflächen eignet. Zweitens muß für die Herstellung die Dünnfilmtechnik angewendet werden, die zu relativ feinen, heiklen Strukturen führt, welche empfindlich gegenüber den beider Feldemission auftretenden starken elektrischen Kräften sind. Da die in den bekannten Geräten verwendeten Isolatoren relativ dünn sind, typischerweise in der Größenordnung von 1 Mikron, ergeben sich außerdem Herstellungsprobleme, da eine einzige Pore in der Isolation die gesamte Anordnung aus Feldemissionsquellen verderben kann.Another category is sharply pointed field emission sources made of metal, such as those described in U.S. Patent No. 3,755,704. Such Devices that have individual needle-like stools applied to an electrode by precipitation suffer, however two major drawbacks. First, the precipitation process used to form the stools limits the area over which can be achieved uniform arrangements or matrices. This procedure is to get a source of a Projecting emissive material substantially perpendicular to a given surface while using a source of cover or Mask material aligns with the same surface, but at a shallow angle of inclination. This is an extreme critical operation that does not do well to form very large quantities of emission sources over very large surfaces suitable. Second, thin-film technology must be used for production, which results in relatively fine, delicate structures which is sensitive to both field emission occurring strong electrical forces are. Since the insulators used in the known devices are relatively thin, typically on the order of 1 micron, manufacturing problems also arise because of a single pore in the insulation can spoil the entire array of field emission sources.
Gemäß der Erfindung enthält ein nicht-thermionisches Feldemissionsgerät ein elektrisch leitendes Substrat, welchesAccording to the invention includes a non-thermionic field emission device an electrically conductive substrate, which
609811/Π75Λ " 3 "609811 / Π75Λ " 3 "
auf einer Oberfläche mindestens ein Feldemissionselement aufweist. Das Feldemissionselement hat ein zugespitztes Ende, auf welchem sich mindestens ein nadelähnlicher Vorsprung befindet, der vom Substrat fortweist.having at least one field emission element on a surface. The field emission element has a pointed end, on which there is at least one needle-like projection facing away from the substrate.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert. The invention is explained below with reference to drawings.
Figur 1- zeigt in einer regulären Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feldemissionsgeräts; FIG. 1- shows in a regular representation an embodiment of a field emission device according to the invention;
Figur 2 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 der FigurFigure 2 is a sectional view taken along line 2-2 of the Figure
Figuren 3» 4-, 5 und 6 veranschaulichen mit Hilfe von Schnittansichten die Schritte eines neuen Herstellungsverfahrens für das Feldemissionsgerät nach Figur 1 ;Figures 3 »4-, 5 and 6 illustrate with the aid of sectional views the steps of a new manufacturing method for the field emission device according to Figure 1;
Figur 7 zeigt vergrößert die Draufsicht auf eine bei dem neuen Herstellungsverfahren verwendete Folie;FIG. 7 shows an enlarged plan view of a film used in the new production method;
Figuren 8, 9j 10,11 und 12 veranschaulichen mittels Schnittansichten weitere Schritte des neuen Herstellungsverfahrens ;Figures 8, 9j, 10, 11 and 12 illustrate by means of sectional views further steps of the new manufacturing process;
Figur 13 zeigt einen Schnitt durch eine neuartige Wiedergabeeinrichtung, die das Gerät nach Figur 1 enthält;FIG. 13 shows a section through a novel display device, which contains the device of Figure 1;
Figur 14 ist ein elektrisches Schaltbild der Einrichtung nach Figur 13;FIG. 14 is an electrical schematic of the device of FIG Figure 13;
Figuren 15 und 16 zeigen in Schaubildern die relativen potentiellen Energien von Elektronen an verschiedenen Orten innerhalb des Geräts nach Figur 13;Figures 15 and 16 show the relative potential in diagrams Energies of electrons at various locations within the device of Figure 13;
Figur 17 zeigt ein anderes elektrisches Schaltbild der Einrichtung nach Figur 13;Figure 17 shows another electrical circuit diagram of the device according to Figure 13;
609811/0 7 54609811/0 7 54
Figur 18 ist ein anderes Schaubild, welches die relativen potentiellen Energien von Elektronen an verschiedenen Stellen innerhalb der Einrichtung nach Figur zeigt.Figure 18 is another graph showing the relative potential energies of electrons at various Places within the device according to figure shows.
In den Figuren 1 und 2 ist mit 10 allgemein eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten nicht-thermionischen Feldemissionsgerätsbezeichnet. Das Feldemissionsgerät 10 besteht aus einem Substrat 12 aus elektrisch leitendem Material wie z.B. Kupfer, auf dessen einer Oberfläche sich eine matrixförmige Anordnung aus Feldemissionselementen 1l· befindet. Jedes Feldemissionselement 1l· besteht aus einem konischen oder pyramidenförmigen sogenannte' "Feldemitter" 16, an dessen Spitze oder Kuppe sich mindestens ein nadelähnlicher Fortsatz 18, ein sogenanntes "Spitzchen" befindet. Der Feldemitter 16 und die Spitzchen 18 bestehen aus einem Material mit guter Feldemissionseigenschaft, z.B. aus Kupfer. Auf die mit den Feldemissionselementen 14 versehene Oberfläche des Substrats ist eine haftende Schicht aus Isoliermaterial 20, etwa aus Glas, aufgebracht. Die Isolierschicht 20 hat eine Anordnung aus Durchgangs öffnungen oder Löchern 21, die so liegen, daß die Schicht die Oberfläche des Substrats bedeckt, während die Feldemissionselemente 14 ausgespart werden und durch die Löcher 21 bloßliegen. In FIGS. 1 and 2, 10 is generally an embodiment of a non-thermionic designed according to the invention Field emission device. The field emission device 10 consists of a substrate 12 of electrically conductive material such as copper, on one surface of which there is a matrix-shaped Arrangement of field emission elements 1l · is located. Each Field emission element 1l · consists of a conical or pyramidal one so-called '"field emitter" 16, at the tip or crest of which there is at least one needle-like extension 18, a so-called "tip" is located. The field emitter 16 and the tip 18 consist of a material with good field emission properties, e.g. made of copper. The surface of the substrate provided with the field emission elements 14 is an adhesive layer of insulating material 20, such as glass, applied. The insulating layer 20 has an arrangement of via Openings or holes 21 which lie so that the layer covers the surface of the substrate, while the field emission elements 14 are recessed and are exposed through the holes 21.
Eine elektronenentziehende Elektrode 22 aus elektrisch leitendem Material, etwa einer Beryllium-Kupfer-Legierung, ist haftend mit der Isolierschicht 20 verbunden. Die elektronenentziehende Elektrode 22 hat eine Vielzahl von Löchern 24, die in ihrer Anzahl den Feldemissionselementen 14 in der Matrixanordnung entsprechen. Die Löcher 24 haben eine solche Lage, daß Jedes von ihnen im wesentlichen koaxial mit einem zugeordneten Feldemissioneelemeit 14ausgerichtet ist.An electron-withdrawing electrode 22 made of an electrically conductive material such as a beryllium-copper alloy is adhesively connected to the insulating layer 20. The electron withdrawing electrode 22 has a plurality of holes 24, the number of the field emission elements 14 in the matrix arrangement correspond. The holes 24 are positioned so that each of them is substantially coaxial with an associated one Field emission element 14 is aligned.
Um die gewünschte Elektronenemission von den Elementen 14 zu erreichen, wird der positive Pol einer Spannungsquelle 26 mit der elektronenentziehenden Elektrode 22 verbunden, währendTo achieve the desired electron emission from the elements 14 to achieve, the positive pole of a voltage source 26 connected to the electron withdrawing electrode 22 while
6 0 9 8 11/0 75 4 ~5~6 0 9 8 11/0 75 4 ~ 5 ~
der negative Pol über das Substrat 12 an die Matrix der Feldemissionselemente 14 angeschlossen wird. Unter dem Einfluß der angelegten Spannung werden von den Spitzchen 18 Elektronen emittiert, die durch die Löcher 24 hindurch zu einer geeigneten Anode fliegen, z.B. auf einem leuchtstoffbeschichteten Schirm (nicht dargestellt).the negative pole is connected to the matrix of the field emission elements 14 via the substrate 12. Under the influence of the applied voltage 18, electrons are emitted from the Spitzchen, which fly through the holes 24 to a suitable anode, for example (not shown) on a phosphor coated S c ld.
Statt aus der gezeigten größeren Anordnung von Feldemissionselementen und elektronenentziehenden Elektroden zur Erzeugung einer großen Anzahl einzeln adressierbarer Elektronenströme kann das Gerät 10 erfindungsgemäß auch aus einem einzigen Feldemissionselement 14- mit einer nur ein einziges Loch aufweisenden elektronenentziehenden Elektrode 22 bestehen, um einen einzigen Elektronenstrahl zu erzeugen.Instead of the shown larger arrangement of field emission elements and electron withdrawing electrodes for generation According to the invention, the device 10 can also consist of a large number of individually addressable electron streams from a single field emission element 14 - with a single hole having electron withdrawing electrode 22 consist to a single Generate electron beam.
Zur Herstellung des Feldemissionsgeräts 10 wird die eine Oberflache eines Substrats 12 aus elektrisch leitendem Material wie z.B. Kupfer gereinigt, geebnet und von Fehlerstellen befreit. Wie in Figur 3 veranschaulicht ist, wird die so behandelte Oberfläche dann mit einer Schicht 28 aus fotoempfindlich ätzfestem Material, einem sogenannten "Photoresist" oder "Photolack" versehen, die dann von einer Lichtquelle durch eine Maske hindurch belichtet wird. Die Maske ist ein Transparent mit einem Muster oder einer Matrix aus schwarzen Punkten. Die unbelichteten Bereiche der Photolackschicht 28 werden anschließend fortgewaschen, so daß eine Anordnung aus Löchern 30 besteht. Hierauf wird die Oberfläche des Substrats durch die Löcher 30 hindurch unterätzt, so daß eine Anordnung aus miteinander verbundenen halbkugelförmigen Tälern ~r> entsteht, wie sie in Figur 4 gezeigt sind. Bei den bis hierher beschriebenen Schritten wurde ein Negativ-Photolack und eine Transparent- oder Glasbildmaske verwendet, genauso gut kann man jedoch diese Schritte Positiv-Pitotolacks und einer Transparentmaske ausführen.To produce the field emission device 10, one surface is used a substrate 12 made of electrically conductive material such as copper cleaned, leveled and freed from defects. As illustrated in FIG. 3, the surface treated in this way is then coated with a layer 28 of photosensitive etch-resistant material Material, a so-called "photoresist" or "photoresist" is provided, which is then passed from a light source through a mask is exposed. The mask is a transparency with a pattern or matrix of black dots. The unexposed Areas of the photoresist layer 28 are then washed away, so that an arrangement of holes 30 consists. On that the surface of the substrate is underetched through the holes 30, so that an arrangement of interconnected hemispherical valleys ~ r> arises, as shown in Figure 4 are. In the steps described so far, a negative photoresist and a transparent or glass image mask were used used, but you can just as well follow these steps with positive pitotol paint and a transparent mask.
Der nächste, in Figur 5 veranschaulichte Schritt die Photolackschicht 28 abzustreifen, so daß eine AnordnungThe next step, illustrated in Figure 5, is to strip off the photoresist layer 28 so that an arrangement
■■ ^J ■"■■■ ^ J ■ "■
tisch - oder mesaförmiger Strukturen 34- bleibt. Das Kupfersubstrat 12 wird dann durch irgendein bekanntes Verfahren oxidiert, etwa durch Erhitzung in Luft, um eine Schicht aus Kupferoxyd 36 mit einer Dicke von etwa 50 fU- m zu bilden. Wie in Figur 6 gezeigt, v/erden die Täler 32 dann mit einer Schicht 38 eines elektrisch isolierenden Materials wie z.1!. Glas teilweise aufgefüllt. Ein Verfahren zum Füllen der Täler mit Glas besteht, darin, eine Glasplatte oder- folie von etv/a 76^m Dicke in einem Vakuumofen auf die Oberseiten mesaförmiger Strukturen 34- zu legen. Dann wird ein Vakuum erzeugt, und das Glas wird so weit erhitzt, bis es einen halbgeschmolzenen Zustand erreicht und sich in die Täler 32 senkt, wobei die Oberseiten der mesaförmigen Strukturen 34- von einer nur dünnen Glasschicht 40 bedeckt bleiben. Das Vakuum verhindert im wesentlichen, daß zwischen der Glasschicht und den Tälern 32 irgendwelche Luft eingeschlossen wird.table - or mesa-shaped structures 34 - remains. The copper substrate 12 is then oxidized by any known method, such as by heating in air, to form a layer of copper oxide 36 about 50 µm thick . As shown in FIG. 6, the valleys 32 are then grounded with a layer 38 of an electrically insulating material such as, e.g. 1 !. Glass partially filled. One method of filling the valleys with glass is to place a sheet or sheet of glass about 76 m thick in a vacuum oven on the tops of mesa-shaped structures 34-. A vacuum is then created and the glass is heated until it reaches a semi-molten state and sinks into the valleys 32, the tops of the mesa-shaped structures 34 - remaining covered by a thin layer 40 of glass. The vacuum essentially prevents any air from becoming trapped between the glass layer and the valleys 32.
Unter Anwendung der normalen Photoätztechnik wird gemäß Figur in ein Blatt M-M- aus leitendem Material, z.B. aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung, ein Muster aus Löchern 4-2 geätzt. Dieses Muster ist so beschaffen, daß, wenn das Blatt M-M- auf die geätzte Oberfläche des Kupfersubstrats 12 gelegt wird, die Löcher 4-2 mit den mesaförmigen Strukturen 34- ausgerichtet sind und diese umgeben. Nachdem sich das Glas in die Täler 32 gesenkt hat, läßt man es langsam auf Eaumtemperatur abkühlen. Das aus der Kupferlegierung bestehende Blatt 44- wird dann atif die geätzte Oberfläche des Kupfersubstrats 12 gelegt, so daß die mesaförmigen Strukturen 34- durch die Löcher 4-2 ragen, während der übrige Teil des aus der Kupferlegierung bestehenden Blatts 4-4- auf dem isolierenden Glasmaterial 38 aufliegt (vergl. Fig. 8). Die resultierende Anordnung wird erhitzt, um die Kupferlegierung an das isolierende Glasmaterial 38 zu binden. Dann wird die Anordnung aus dem Ofen genommen und auf im wesentlichen Raumtemperatur abkühlen gelassen. .Als nächstes wird die über den mesaförmigen Strukturen 34- liegende dünne Glasschicht M-O entfernt, um das Kupferoxyd 36 freizulegen. Das Kupferoxyd wird nun fortgeätzt, um pyramidenförmige Feldemitter 16 zu bilden,Using the normal photo-etching technique, a pattern of holes 4-2 is etched in a sheet MM- made of conductive material, for example made of a beryllium-copper alloy, as shown in the figure. This pattern is such that when the sheet MM- is placed on the etched surface of the copper substrate 12, the holes 4-2 will align with and surround the mesa-shaped structures 34-. After the glass has sunk into the valleys 32, it is allowed to slowly cool to room temperature. The copper alloy sheet 44- is then placed atif the etched surface of the copper substrate 12 so that the mesa-shaped structures 34- protrude through the holes 4-2, while the remainder of the copper alloy sheet 4-4- is on top insulating glass material 38 rests (see FIG. 8). The resulting assembly is heated to bond the copper alloy to the insulating glass material 38. The assembly is then removed from the oven and allowed to cool to substantially room temperature. Next, the thin glass layer MO lying over the mesa-shaped structures 34- is removed in order to expose the copper oxide 36. The copper oxide is now etched away to form pyramidal field emitters 16,
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wie es in Figur 9 gezeigt ist. Diese Feldemitter 16 haben typischer-Weise an ihrer Spitze einen Durchmesser in der Größenordnung von etwaas shown in FIG. These field emitters 16 have typical manner at its tip a D URC hmesser in the order of about
Als nächstes wird 'eine poröse Schicht 4-6 aus einem Material, welches nicht zur Bildung einer nennenswerten Oxydschicht führt, z.B. aus Chrom, Gold oder Rhodium, auf die Spitzen der FeIdemitter 16 niedergeschlagen, wie es in Figur 10 gezeigt ist. Vorzugsweise erfolgt das Niederschlagen der Schicht 46 durch Elektroplattierung von Chrom auf die Spitzen der Feldemitter, und zwar unter Anwendung den bekannten Verfahrens der Porösverchromung, wie es beispielsweise von A.H. Sully in "Chromium" (Butterworths, London 1975» Kapitel 5) beschrieben ist. Die Chromschicht 46 hat Poren oder Risse 47, die typischerweise 1^m auseinander liegen. Die Feldemitter 16, auf deren Spitzen nun die poröse Schicht 46 niedergeschlagen ist, wird dann in Luft erhitzt, um diejenigen Flächen der Feldemitter zu oxydieren, die unter den Poren oder Rissen 47 freiliegen. Die Oxydation führt zur Bildung scharfer Spitzchen aus von Kupferoxyd überzogenem Kupfer unter den soliden Teilen der porösen Schicht 46, wie es mit der gestrichelten Linie 48 in Figur gezeigt ist. Nach Abkühlung auf etwa Raumtemperatur wird das Oxyd auf chemische Weise von den Spitzen der Feldemitter 16 fortgenommen, wodurch die poröse Schicht 46 abfällt und eine Anordnung freiliegender Spitzchen 18 zurückläßt, wie es in Figur gezeigt ist.Next is' a porous layer 4-6 made of a material which does not lead to the formation of a noticeable oxide layer, e.g. of chromium, gold or rhodium, on the tips of the field emitters 16 as shown in FIG. The layer 46 is preferably deposited through Electroplating of chromium on the tips of the field emitter using the known process of porous chrome plating, as described, for example, by A.H. Sully in "Chromium" (Butterworths, London 1975 »Chapter 5). the Chromium layer 46 has pores or cracks 47, which are typically 1 ^ m apart. The field emitters 16 on their tips Now the porous layer 46 is deposited, is then heated in air in order to oxidize those surfaces of the field emitters, which are exposed under the pores or cracks 47. The oxidation leads to the formation of sharp points from copper oxide plated copper under the solid portions of the porous layer 46, as indicated by the dashed line 48 in Figure is shown. After cooling to about room temperature, the oxide is chemically removed from the tips of the field emitters 16 removed, whereby the porous layer 46 falls off and leaves an array of exposed tips 18 as shown in FIG is shown.
Anhand der Figuren 13 Ms 18 sei nun die Arbeitsweise des neuartigen Geräts 10 erläutert. Die Figur 13 zeigt ein allgemein mit 49 bezeichnetes Wiedergabegerät, welches mit einem einzigen Elektronenstrahl arbeitet und ein nicht-thermionisches Feldemissionsgerät 10 mit einem einzigen Pe Idemissionselement 14 und einer elektronenentziehenden Elektrode 22 enthält, in der sich ein einziges Loch 24 befindet. Das Wiedergabegerät 49 enthält außerdem einen Elektronenfänger, im vorliegenden FallWith reference to Figures 13 Ms 18, let us now see the mode of operation of the novel Device 10 explained. Figure 13 shows a generally designated 49 playback device, which with a single Electron beam operates and a non-thermionic field emission device 10 with a single emission element 14 and an electron withdrawing electrode 22 having a single hole 24 therein. The playback device 49 also contains an electron catcher, in this case
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einen leuchtstoffbeschichteten Bildschirm 50;uiid eine Schirmgitterelektrode 52, die eine aus einer Vielzahl eng beabstandeter Löcher 54- gebildete netzartige Struktur hat. Die Teile des V/iedergabegeräts 4-9 werden zur Bildung einer iaftdichten Kammer 55 zusammengesetzt, die dann evakuiert wird, um zwischen dem Feldemissionselement 14- und dem Bildschirm 50 ein Vakuumgebiet zu schaffen.a phosphor coated screen 50 ; uiid a screen grid electrode 52, which has a reticulated structure formed from a plurality of closely spaced holes 54-. The parts of the playback device 4-9 are assembled to form an iaftight chamber 55 which is then evacuated to create a vacuum area between the field emission element 14 and the screen 50.
Die Figur 14- zeigt schematisch die Anschlußweise des Einfachemitter-Wiedergabegeräts 4-9 für den grundlegenden Betrieb desselben. Die positive Kjemme einer Spannungsquelle 26 wird mit der elektronenentzxehenden Elektrode 22 verbunden, während die negative Klemme der Quelle an Masse angeschlossen wird. Die Spannungsquelle 26 liefert eine Gleichspannung in der Größenordnung von 100 Volt. Eine erste Vorspannungsquelle 56 ist mit ihrer positiven Klemme an einen Schalter 5ß und mit ihrer negativen Klemme an Masse angeschlossen. Eine zweite Vorspannungsquelle 60 ist mit ihrer negativen Klemme an den Schalter und mit ihrer positiven Klemme an Masse angeschlossen. Die erste und die zweite Vorspannungsquelle 56 und 60 liefern jeweils typischerweise 5 Volt Gleichspannung. Schließlich ist noch eine Hochspannungsquelle 62 vorgesehen, deren positive Klemme mit dem leuchtstoffbeschichteten Schirm 50 und deren negative Klemme mit Masse verbunden ist. Die Hochspannungsquelle liefert eine Gleichspannung in der Größenordnung von 20.000 Volt.FIG. 14 shows schematically the way in which the single-emitter display device is connected 4-9 for the basic operation of the same. The positive terminal of a voltage source 26 is with of the electron withdrawing electrode 22 while the negative terminal of the source is connected to ground. The voltage source 26 supplies a DC voltage on the order of 100 volts. A first bias source 56 is with its positive terminal to a switch 5β and its negative Terminal connected to ground. A second bias source 60 has its negative terminal connected to the switch and with their positive terminal connected to ground. The first and second bias sources 56 and 60 each typically provide 5 volts DC voltage. Finally there is a high voltage source 62 is provided, the positive terminal of which is connected to the phosphor-coated screen 50 and the negative terminal of which is connected to the screen 50 Ground is connected. The high voltage source supplies a direct voltage on the order of 20,000 volts.
Die Figuren 15 und 16 zeigen in Diagrammen die relative potentielle Energie von Elektronen an verschiedenen Orten innerhalb des Geräts 4-9 für den Fall, daß die an die elektronenentziehende Elektrode 22 und den Leuchtstoffschirm 50 gelegten Spannungen 100 Volt bzw. 20.000 Volt sind. Der Punkt 64- gibt die potentielle Energie von Elektronen an den Spitzchen 18 wieder, der Punkt 66 die potentielle Energie von Elektronen an der elektronenentziehenden Elektrode 22, der Punkt 68 die potentielle Elektronenenergie an der Schirmgitterelektrode 52 und der Punkt 70 die potentielle Energie von 'Elektronen amFigures 15 and 16 show in diagrams the relative potential Energy of electrons in different places within the device 4-9 in the event that the electron withdrawing Voltages applied to electrode 22 and phosphor screen 50 are 100 volts and 20,000 volts, respectively. The point 64- gives the potential energy of electrons at the tips 18 again, the point 66 the potential energy of electrons at the electron withdrawing electrode 22, the point 68 the potential electron energy at the screen grid electrode 52 and point 70 the potential energy of electrons at
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Leuchtstoffschirm 50. Die Figur 15 gilt für den Fall, daß der Schalter 58 in Figur 15 eine Stellung hat, bei welcher die dem Feldemissionselement 1A- angelegte Spannung +5 Volt und die der Schirmgitterelektrode 52 angelegte Spannung -5 Volt beträgt. Da die potentielle Energie von Elektronen an der Schirmgitterelektrode 52 (Punkt 58) höher ist als die potentielle Energie von Elektronen am Feldemissionselement 14- (Punkt 64·), sehen sich die aus dem Feldemissionselement entzogenen Elektronen einer Schwelle oder Barriere potentieller Energie gegenüber und können die Schirmgitterelektrode nicht in Richtung auf den Leuchtstoffschirm 50 durchqueren.Fluorescent screen 50. Figure 15 applies to the case that the Switch 58 in Figure 15 has a position in which the dem Field emission element 1A- applied voltage +5 volts and that of the Screen grid electrode 52 applied voltage is -5 volts. Because the potential energy of electrons at the screen grid electrode 52 (point 58) is higher than the potential energy of electrons at the field emission element 14- (point 64 *) the electrons withdrawn from the field emission element face a threshold or barrier of potential energy and cannot traverse the screen grid electrode towards the phosphor screen 50.
Wenn der Schalter 58 in Figur 14- in der Position b steht, dann sind die Spannungen am Feldemissionselement 14- und an der Schirmgitterelektrode 52 vertauscht, so daß für die potentielle Energie der Elektronen das Diagramm nach Figur 16 gilt. Da diese Energie am Feldemissionselement 14- (Punkt 64-) nun höher ist als die potentielle Energie der Elektronen an der Schirmgitterelektrode 52 (Punkt 68), ist die Energiebarriere aufgehoben, und die aus dem Feldemissionselement entzogenen Elektronen durchlaufen nun die Schirmgitterelektrode und schlagen auf den Leuchtstoff schirm 50» um Licht zu erzeugen.If the switch 58 in Figure 14- is in position b, then are the voltages on the field emission element 14 and on the screen grid electrode 52 interchanged, so that the diagram according to FIG. 16 applies to the potential energy of the electrons. This one Energy at the field emission element 14- (point 64-) is now higher than the potential energy of the electrons at the screen grid electrode 52 (point 68), the energy barrier is lifted, and the Electrons withdrawn from the field emission element now pass through the screen grid electrode and strike the phosphor screen 50 »to produce light.
In Figur 17 ist bei G die Kapazität zwischen der Schirmgitterelektrode 52 und dem Feldemissionselement 14-· dargestellt. Der Schirmgitterelektrode wird ein Impulssignal mit gegenüber dem Feldemissionselement positiver Spannung angelegt, wodurch sich die Kapazität 0 auf eine entsprechende Spannung auflädt. Nach Aufladung der Kapazität ist die potentielle Energie von Elektronen an der Schirmgitterelektrode, wie es am Punkt 68 (a) in Figur 18 gezeigt ist, niedrige^ als am Feldemissionselement 14-, wie es der Punkt 64· und die Bezugslinie 74- in dieser Figur zeigen, wenn der elektronenentziehenden Elektrode 22 ein Signal von beispielsweise 100 Volt Gleichspannung angelegt wird, dann durchqueren einige der aus dem Feldemissionselement 14-austretenden Elektronen die Schirmgitterelektrode 4-2 und treffen auf den Leuchtstoffschirm 50, während andere Elektronen auf dieIn FIG. 17, G is the capacitance between the screen grid electrode 52 and the field emission element 14-. The screen grid electrode is a pulse signal with opposite applied to the field emission element of positive voltage, whereby the capacitance 0 is charged to a corresponding voltage. After the capacitance has been charged, the potential energy of electrons is at the screen grid electrode, as it is at point 68 (a) shown in Figure 18, lower than at the field emission element 14- as is the point 64 · and the reference line 74- in this one Figure show when the electron withdrawing electrode 22 For example, a signal of 100 volts DC is applied, then some of those exiting the field emission element 14 pass through Electrons hit the screen grid electrode 4-2 and hit the phosphor screen 50, while other electrons hit the
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Schirmgitterelektrode treffen und somit bewirken, daß die in der Kapazität C gespeicherte Spannung vermindert wird. Wenn mehr Elektronen auf die Schirmgitterelektrode treffen, nimmt die Spannung an der Kapazität C weiter ab, bis die potentielle Energie von Elektronen an der Schirmgitterelektrode (Punkt 68 (b) ) praktisch gleich derjenigen am Feldemissionselement 14 geworden ist und ein weiterer Durchgang von Elektronen durch die Schirmgitterelektrode verhindert wird. Die Menge der auf den Leuchtstoffschirm 50 treffenden Elektronen läßt sich somit durch Änderung der Spannung des angelegten Signals regulieren. Hit the screen grid electrode and thus cause the voltage stored in the capacitance C to be reduced. If more electrons hit the screen grid electrode, the voltage across the capacitance C continues to decrease until the potential Energy of electrons at the screen grid electrode (point 68 (b)) has become practically equal to that at the field emission element 14 and one more passage of electrons is prevented by the screen grid electrode. The amount of electrons hitting the phosphor screen 50 can be thus regulate by changing the voltage of the applied signal.
Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Geräts gegenüber den bekannten Geräten sind unter anderem die verbesserte strukturelle Festigkeit und die besseren Eigenschaften hinsichtlich des Wärmeübergangs, was durch die Kombination eines dünnen "Spitzchens" auf einem relativ großen pyramidenförmigen oder konischen Basiskörper. Ein weiterer Vorteil ist die größere Zuverlässigkeit, die daraus resultiert, daß an jeder Emissionsstelle eine Vielzahl von Spitzchen vorhanden ist, im Gegensatz zu einer einzelnen Spitze beim Stand der Technik. Der Ausfall eines oder mehrerer der Spitzchen beeinträchtigt das Leistungsvermögen einer bestimmten Emissionsstelle nicht merklich, wie es beim Ausfall eines einfach zugespitzten Höckers bei einem bekannten Gerät der Fall wäre. Auch bringt die Herstellbarkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einen wesentlichen Vorteil, da hierdurch die Bildung einer sehr großen Anzahl (in der Größenordnung von 10 ~) gleichförmiger Emissionsstellen über eine großeThe main advantages of the device according to the invention over the known devices are, inter alia, the improved structural Strength and the better properties in terms of heat transfer, which is due to the combination of a thin "Spitzchens" on a relatively large pyramidal or conical base. Another advantage is the larger one Reliability that results from the fact that there are a large number of peaks at each emission point, in contrast to a single peak in the prior art. The failure of one or more of the tips will affect performance not noticeable at a certain emission point, as is the case with the failure of a simply pointed cusp in a known device would be the case. The manufacturability with the method according to the invention also brings a significant advantage, as this results in the formation of a very large number (in the order of magnitude of 10 ~) uniform emission points over a large
Fläche (in der Größenordnung von 1m ) möglich ist. Eine noch größere Gleichförmigkeit der Emission von Stelle zu Stelle erhält man durch die Verwendung einer Schirmgitterelektrode, wie es hier beschrieben ist.Area (of the order of 1m) is possible. An even greater uniformity of emission from place to place obtained by using a screen grid electrode as described here.
Das erfindungsgemäße Gerät läßt sich, wenn es als Matrix von Feldemissionselementen aufgeführt ist, in Fällen einsetzen, wo eine großflächige Kathode mit einer Vielzahl von Elektronenquellen gefordert wird. Als Beispiel sei hierzu auf die USA-The device according to the invention, if it is listed as a matrix of field emission elements, can be used in cases where a large area cathode with a multitude of electron sources is required. As an example, consider the USA
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Patentschriften 3 176 184, 3 539 719 und 3 708 713 verwiesen. Außerdem läßt sich das hier beschriebene Wiedergabe- oder Anzeigegerät als programmierbares Gerät verwenden, indem man selektiv einen oder mehrere Elektronenströme erzeugt und die Menge der auf den Leuchtstoffschirm treffenden Elektronen kontrolliert oder steuert. Die selektive Erzeugung von Elektronenströmen kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man Streifen von Feldemissionselementen verwendet, die in einer matrizenartigen Beziehung zu Schirmgitter-Elektrodenstreifen angeordnet sind. Zur Erzeugung eines Elektronenstroms oder -Strahls kann man dann dafür sorgen, daß die richtige Differentialspannung zwischen irgendein gewünschtes Feldemissionselement und den schneidenden oder kreuzenden Schirmgitter-Elektrodenstreifen gelegt wird. Eine Modulation der Menge der auf den Leuchtstoffschirm treffenden Elektroden kann beispielsweise dadurch erreicht wanden, daß man selektiv eine Signaispannung an den kreuzenden Schirmgitter-Elektrodenstreifen legt, um die Kapazität zwischen der zugeordneten Schirmgitterelektrode und dem zugeordneten Emissionselement zur Beeinflussung des Durchgangs von Elektronen aufzuladen.See patents 3,176,184, 3,539,719 and 3,708,713. In addition, the playback or display device described here can be used as a programmable device by selectively generates one or more electron streams and controls the amount of electrons hitting the phosphor screen or controls. The selective generation of electron currents can be done, for example, by having strips of Field emission elements are used which are arranged in a matrix-like relationship with screen grid electrode strips. In order to generate a stream or beam of electrons, one can then ensure that the correct differential voltage between any desired field emission element and the intersecting or crossing screen grid electrode strips. A modulation of the amount hitting the fluorescent screen Electrodes can be achieved, for example, by selectively applying a signal voltage to the intersecting screen grid electrode strips sets to the capacitance between the associated screen grid electrode and the associated emission element to influence the passage of electrons to charge.
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